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Chapitre 16
Modèles de la lumière16.1 Modèle ondulatoire de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
16.1.1 Lumière visible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11416.1.2 Fréquence, longueur d"onde et célérité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11516.2 Modèle corpusculaire de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11516.2.1 Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11516.2.2 Dualité onde-particule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11516.3 Interaction lumière-matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11516.3.1 Quantification de l"énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11516.3.2 Absorption ou émission d"un photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11616.3.3 Spectres d"émission et d"absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
117114Chapitre 16.Modèles de la lumièreL
esondes électromagnétiques constituent l"une des deux grandes familles d"ondes avec les ondes mécaniques (cf. chapitre 15 ). Contrairement à ces dernières, les ondes électromagnétiques ontnotamment la capacité de se propager dans le vide. Depuis le début duxxesiècle et les travaux de
Max Planck et Albert Einstein, la lumière peut être décrite aussi selon un modèle particulaire.
L"objet de ce chapitre est de décrire à la fois le modèle ondulatoire et le modèle corpusculaire de la
lumière, ainsi que de présenter certains mécanismes des interactions entre lumière et matière.
16.1 Modèle ondulatoire de la lumière
16.1.1 Lumière visible
La figure
16.1 mon trele sp ectreélectromagnétique a vecles différen tesclasses d"ondes qui le comp ose, dont la lumière visible.Figure 16.1- Spectre électromagnétique .Lumière visibleLalumièrereprésente la partievisibledu spectre électromagnétique, c"est à dire celle que
l"oeil humain est capable de détecter. Les couleurs décrivent l"arc en ciel du violet au rouge. Les
domaines de longueur d"ondeλou de fréquenceνcorrespondants sont les suivants :λ?[400 nm ; 800 nm]
4.1014Hz ; 8.1014Hz?Poisson Florian Spécialité Physique-Chimie 1
ère
16.2.Modèle corpusculaire de la lumière11516.1.2 Fréquence, longueur d"onde et célérité
Fréquence - Longueur d"onde - CéléritéTout comme les ondes mécaniques, on définit la longueur d"ondeλ(en m), la fréquenceν(en
Hz) et la céléritéc(enm.s-1) d"une onde électromagnétique. Ces trois grandeurs sont reliées
par la relation suivante :λ=cν
Remarque:La lumière visible, comme toutes les ondes électromagnétiques, peut se propager dans
les milieux matériels,mais aussi dans le vide.La célérité de la lumière dans le vide est la même pour toutes les ondes électromagnétiques et vaut
c= 3.108m.s-1.16.2 Modèle corpusculaire de la lumière
16.2.1 Photon
Le modèle ondulatoire de la lumière ne permet pas d"expliquer tous les phénomènes où elle intervient,
comme par exemple son interaction avec la matière. On peut alors définir la lumière comme un flux
de particules élémentaires appeléesphotons. Ces photons sont des particules énergétiques, demasse
nulle. Chaque photon transporte une certaine quantité d"énergie appeléequantum d"énergie.Energie d"un photon
Pour une radiation électromagnétique de fréquenceν, de longueur d"ondeλet de céléritéc,
chaque photon transporte une quantité d"énergieE(en J) définie par :E=hν=hcλ
h= 6,63.10-34J.slaconstante de PlanckRemarque:Les énergies en jeu à l"échelle d"un photon étant très faibles, on utilise une autre unité :
l"électron-volt. Il est défini par :1eV= 1,6.10-19J.16.2.2 Dualité onde-particule
Le comportement de la lumière se décrit via un modèle ondulatoire ou bien corpusculaire (particulaire).
Les deux modèles sont valables, et sont utilisés selon les phénomènes étudiés. En effet, certains phé-
nomènes comme les interférences lumineuses s"expliquent par le modèle ondulatoire, d"autres comme
l"interaction lumière-matière ne peuvent être décrits que par le modèle corpusculaire.
16.3 Interaction lumière-matière
16.3.1 Quantification de l"énergieQuantification de l"énergie
A l"échelle de l"atome, les niveaux d"énergies pris par les électrons sontquantifiés, c"est-à-dire
qu"ils ne peuvent prendre que certaines valeurs bien précises. Les différents niveaux d"énergie
possibles forment un ensemble discret de valeurs, contrairement à l"échelle macroscopique où
les énergies sont des fonctions continues.Spécialité Physique-Chimie 1èrePoisson Florian
116Chapitre 16.Modèles de la lumière16.3.2 Absorption ou émission d"un photon
Du fait de la nature quantifiée de l"énergie à l"échelle atomique, les électrons qui gravitent autour du
noyau d"un atome sont situés à des distances fixées de ce noyau. Ils sont répartis sur des couches,
suivant le modèle de la configuration électronique (cf. chapitre 4 ). Ainsi, un électron situé sur unecouche, avec un certain niveau d"énergie, peut passer sur une couche supérieure, à condition qu"on lui
apporte la différence d"énergie exacte pour atteindre cet autre niveau.Le niveau dans lequel se trouve l"électron à l"état naturel est appelé l"état fondamental, et les niveaux
supérieurs lesétats excités. Ces états excités ne sont pas stables et un électron situé dans une couche
supérieure va finir par revenir dans sa couche fondamentale en libérant l"énergie équivalente.
Lorsqu"un photon possède le quantum d"énergie correspondant exactement à la différence d"énergie
entre deux niveaux, l"électron va absorber le photon pour passer de l"état fondamental à un état excité.
On parle alors d"absorptionde photon.
A l"inverse, lorsque l"électron retourne dans son état fondamental, il peut libérer l"énergie suivant
différents mécanismes. L"un de ces mécanismes est l"émission d"un photon dont l"énergie correspond
exactement à la différence d"énergie entre les deux niveaux. On parle alors d"émissionde photon.Figure 16.2- Schéma décrivant le processus d"absorption d"un photon par un atome
.Figure 16.3- Schéma décrivant le processus d"émission d"un photon par un atome .Poisson Florian Spécialité Physique-Chimie 1ère
16.3.Interaction lumière-matière117Absorption/émission d"un photon
Pour qu"un électron situé sur un niveau d"énergie initialeEipasse à un niveau d"énergie finale
E f, il doit absorber ou émettre un photon d"énergie :ΔE=|Ef-Ei|=hν=hcλ
Pour une absorption,Ef> Ei
Pour une émission,Ef< Ei16.3.3 Spectres d"émission et d"absorptionLorsqu"un gaz atomique froid est éclairé en lumière blanche, les atomes du gaz absorbent les longueurs
d"ondes correspondant aux transitions énergétiques quantifiées qui leur correspondent. On obtient un
spectre de raies d"absorption: fond continu avec des raies sombres pour chaque couleur absorbée.Lorsqu"un gaz atomique est chauffé, il émet des radiations de couleurs correspondant aux transitions
énergétiques quantifiées des atomes. On obtient unspectre de raies d"émission: fond noir avec des
raies colorées pour chaque couleur émise.Lorsqu"un corps complexe est éclairé en lumière blanche, il peut absorbé une gamme complète de
longueurs d"onde, offrant ainsi unspectre continu d"absorption: large bande noire continue cor- respondant aux couleurs absorbées sur un fond coloré continu.A l"inverse, lorsqu"un corps complexe est chauffé, il peut émettre une large bande de longueurs d"ondes,
offrant ainsi unspectre continu d"émission: fond noir avec une large bande colorée continue.Figure 16.4- Exemples de spectres d"émission ou d"absorption, de raies ou continu(source : https ://pg-
.Spécialité Physique-Chimie 1èrePoisson Florian
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