Aspect corpusculaire de la lumière

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Cécile Gaudet
il y a 7 ans
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1 O4 Aspect corpusculaire de la lumière Plan I- Dualité onde-particule pour la lumière et la matière 1- Aspects historiques 2- Expérience historique : l'eet photoélectrique 3- Energie d'un photon et d'un ux de photons 4- Mise en évidence expérimentale de la dualité pour la lumière et la matière II- Interactions lumière/matière 1- Echanges d'énergie entre la lumière et la matière a- Cas des atomes et des gaz b- Cas des métaux c- Cas des semi-conducteurs 2- Applications a- Les cellules photovoltaïques b- Performances d'une diode électroluminescente Notions et contenus Dualité onde-particule pour la lumière et la matière. Energie d'un photon et d'un ux de photons. Capacités exigibles Interpréter les échanges d'énergie entre la lumière et la matière à l'aide du modèle corpusculaire de la lumière. Quantier l'énergie reçue par une cellule photovoltaïque. Exploiter des données techniques de performances d'une diode électroluminescente (ecacité énergétique, durée de vie, température de couleur, IRC,...) 1/8

2 Documents de cours I - Dualité onde-particule pour la lumière et la matière La lumière : onde ou particule? Une longue histoire Dans l'antiquité déjà, la question se posait : qu'est-ce que la lumière? Objet impalpable, mystérieux, substance unique qui transmet les mouvements à l'âme pour Platon... Beaucoup de pistes sont explorées. Le recours à la géométrie est même utilisé, avec les atomistes (Empédocle, Euclide) quelques siècles avant notre ère notamment, et une optique géométrique est développée par Ptolémée (IIème siècle ap. J.-C.) puis par les savants du monde arabe tels que le perse Alhazen (Xème siècle). En Occident, le Moyen-Âge est une période très calme du point de vue des développements scientiques. Dès le XVIIème siècle, avec l'essor de l'optique expérimentale, et pendant plus de trois siècles, la nature de la lumière fut au coeur des débats scientiques : deux théories - dont chacune se fondait sur des résultats empiriques - se développèrent et s'arontèrent. Une théorie corpusculaire sera défendue par Isaac Newton ( ), fort de ses succès en mécanique, pour qui la lumière est composée de particules dont les masses diérentes provoquent sur notre rétine des sensations distinctes : les couleurs. La propagation rectiligne de la lumière et la réexion découlent tout logiquement de ce concept. Quant à la réfraction, son explication est plus délicate : elle fait appel à la masse des particules et à une action attractive qu'exerce un corps transparent sur les corpuscules de lumière qui le traversent. L'autorité de Newton imposera cette conception bien longtemps encore après sa mort. Un groupe d'hommes, au cours de ces deux siècles, prendra le parti d'une théorie ondulatoire. Ils ont un point commun : une liberté d'esprit indispensable pour aronter le prestige du grand Newton. Le premier, le Néerlandais Christian Huygens ( ), imagine la lumière comme une vibration se transmettant de proche en proche dans un milieu immatériel : l'éther. Cette approche lui permet notamment de rendre compte de la diraction. Plus tard, Thomas Young et Augustin Fresnel apportèrent leurs contributions : le premier en découvrant, en 1801, un phénomène interférentiel inédit et en mesurant les longueurs d'onde de la lumière ; le second en découvrant, en 1819, la nature transversale des ondes lumineuses et, grâce à celle-ci, en expliquant de façon convaincante tous les phénomènes de polarisation. Un pas décisif est accompli en 1849, lorsqu'hippolyte Fizeau, puis quelques temps plus tard Léon Foucault, mesurent la vitesse de la lumière dans l'eau et montrent qu'elle est plus faible que dans l'air. C'était la vérication d'une prédiction de la théorie ondulatoire, alors que la théorie corpusculaire armait exactement le contraire. La cause était entendue, la théorie ondulatoire triomphait. James Clark Maxwell précisera la nature électromagnétique de cette onde en 1865 puis en 1873 : cela faisait de la lumière un membre parmi d'autres de la grande famille des ondes électromagnétiques. C'était alors l'âge d'or de la mécanique classique... A la n du XIXème siècle, le monde du tout petit commence à se dévoiler : Thomson découvre l'électron en 1897 et toutes les recherches se concentrent sur la constitution de la matière. Etant donné leur taille et leur comportement, les particules, les électrons, l'atome, les molécules ne sont pas des objets observables : pour les étudier, on analyse leur rayonnement électromagnétique, ou plus exactement l'interaction entre ce rayonnement et la matière. 2/8

Exemple 1 : Donner l'ordre de grandeur de l'énergie d'un photon rouge en J puis en ev, puis d'un photon violet. Exemple 2 : Le ux solaire est d'environ 1000 W.m 2.

3 Exemple 1 : Donner l'ordre de grandeur de l'énergie d'un photon rouge en J puis en ev, puis d'un photon violet. Exemple 2 : Le ux solaire est d'environ 1000 W.m Déterminer le ux de photons émis par le soleil. Une étoile de faible intensité émet environ photons/m 2 /s. 2- Combien de photons entrent dans l'oeil par seconde si la pupille est ouverte avec un diamètre de 2 mm? 3- Pour produire une sensation lumineuse stable, il faut exciter les cellules lumineuses tous les dixièmes de seconde environ. Si l'on suppose que l'on excite environ 5 cellules lumineuses, le signal reçu est-il susant pour déclencher un signal nerveux? Figure 1 Interférences de la lumière avec le dispositif des fentes d'young 3/8

4 Figure 2 Interférences à un photon avec un biprisme de Fresnel (laboratoire de l'ens Cachan) Figure 3 Interférences avec des électrons. Expérience de Tonomura en 1989 TSI 1 C. Boyer Vion Lycée du Hainaut - Valenciennes 4/8

5 Figure 4 Interférences avec des atomes de Néon ultrafroids. II - Interactions lumière/matière Figure 5 Absorption d'une lumière blanche par un gaz d'hydrogène. Figure 6 Exemple de cristal métallique et bande de valence et de conduction d'un métal. TSI 1 C. Boyer Vion Lycée du Hainaut - Valenciennes 5/8

Exemple 3 : L'énergie de gap du silicium est de 1, 12 ev. Déterminer la longueur d'onde maximale d'un photon nécessaire à faire passer un électron dans la bande de conduction.

6 Exemple 3 : L'énergie de gap du silicium est de 1, 12 ev. Déterminer la longueur d'onde maximale d'un photon nécessaire à faire passer un électron dans la bande de conduction. Exemple 4 : Un panneau solaire de longueur 5 m et de largeur 3 m est positionné sur un toit. Le ux lumineux moyen reçu en france est de 150 W/m 2 (en prenant en compte l'ensoleillement moyen sur 24h). On suppose que les photons reçus sont tous à la même fréquence λ 600 nm. 1- Déterminer le nombre de photons qu'il reçoit pendant 3 h de fonctionnement. 2- Donner l'expression de l'énergie reçue par le panneau solaire pendant 5 secondes. 3- Le rendement de conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique est située entre 10 et 20% pour un panneau solaire. Quelle est l'énergie électrique moyenne fournie par le panneau solaire pendant 5 secondes? 4- La consommation d'énergie moyenne d'une famille est de 7000 kw.h par an. Cette installation sut-elle aux besoins énergétiques de la famille? Figure 7 Spectre des DEL 6/8

7 Figure 8 Exemple de données techniques de performance d'une DEL Figure 9 Evolution de l'ecacité lumineuse de quelques sources (Sciences de l'ingénieur 2011, ref : IN18V2) 7/8

8 Figure 10 Température de couleur de diérente sources 8/8

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