II- La lumière émise par une source chaude dépend-elle de sa température?

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1 Chapitre II : Sources de lumières colorées Et la lumière fut! Outre le Soleil qui éclaire notre planète, il existe une grande diversité de sources lumineuses, des ampoules classiques aux DEL en passant par les tubes fluorescents, les lasers, etc. Dans ce chapitre, nous allons découvrir quelles sont les différentes sources de lumière et comment elles fonctionnent. I- Comment différencier les sources lumineuses? Rappels : Dans quelle catégorie d'onde sont classées les ondes lumineuses? Quelle est leur particularité? Une onde est caractérisée par : Sa longueur d'onde λ : La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde pendant une période T. Sa periode T : La période est la plus petite durée au bout de laquelle le phénomène se répète Sa fréquence ν : La fréquence est le nombre de répétitions du phénomène par unité de temps Sa vitesse c : La vitesse de la lumière, appelé célérité et notée c vaut... m.s -1 Voici le spectre des ondes electromagnétiques? Compléter les domaines manquants et donner les limites du spectre du visible Retrouver d'après les définitions : a) La formule reliant la fréquence à la période b) La formule reliant la longueur d'onde à la période c) Déduire la formule reliant la longueur d'onde à la fréquence Activité p 46 Il existe de nombreuses sources lumineuses, nous allons essayer de les classer. Plusieurs sources sont présentées. Classer ces sources en sources chaudes et sources froides. Quelles sont les sources monochromatiques? Polychromatiques? II- La lumière émise par une source chaude dépend-elle de sa température? Cf TP 2 Loi de Wien

2 III- Quelle est l'origine de l'émission de lumière par une source froide? 1) Comment l'energie lumineuse est-elle transportée? Albert EINSTEIN ( ) et la théorie des QUANTA (1905) Dans ces travaux de 1905, Einstein comprend que la lumière, que l'on considerait comme une onde électromagnétique, pouvait aussi être perçue comme un faisceau constitué d'une multitude de grains ou corpuscules appelés photons. On parle ainsi de dualité onde-corpuscule. L'energie transportée par la lumière est donc transportée par ces photons. Einstein montra que le quantum (=paquet) d'énergie E transportée par un photon était liée à la fréquence ν de l'onde électromagnétique associé au photon grâce à la relation : E = h.ν où h est la constante de Planck h = 6, J.s a) En partant de la relation d Einstein, trouver l expression de l énergie des photons en fonction de la longueur d onde de la radiation. b) Le laser Hélium-Néon émet de la lumière rouge à la longueur d onde λ =632,8 nm. Quelle est l énergie des photons émis? c) Les rayons gamma sont des ondes électromagnétiques de très hautes énergies de l ordre de 0,001 milliardièmes de Joules. Comparer les longueurs d onde des rayons gamma aux longueurs d onde du domaine visible 2) Que se passe-t-il quand un photon rencontre un atome? Exemple de l'atome d'hydrogène Prenons l exemple de l atome d hydrogène. C est l élément le plus simple et le plus répandu dans l univers. Son spectre d absorption est le suivant : Certaines longueurs d onde sont absorbées. Quelles sont les énergies des photons associés aux radiations absorbées? Raies Longueur d onde (nm) Energie (J) Quand un atome absorbe de l énergie lumineuse, il est excité! Qu est ce que cela veut dire? a) Représenter le cortège électronique de l atome d hydrogène H (Z=1) dans son état fondamental et dans un état excité sur le schéma représentant les couches électroniques K, L et M. b) A votre avis, d où provient l énergie permettant à un électron de passer dans un niveau énergétique supérieur? c) A votre avis, pourquoi seulement certains photons possédant une énergie bien particulière sont absorbé? Formuler une hypothèse.

3 3) Vérification de l'hypothèse : Etude de transitions energétiques dans l'atome d'hydrogène Les niveaux d énergie des atomes peuvent être schématisés sous forme de diagrammes d énergie : Etat fondamental 1 er état excité 2 ème état excité Atome ionisé L unité de l énergie dans le système international est le Joule. De manière plus usuelle on utilise ici l électronvolt ev. C est l énergie acquise par un électron sous une différence de potentiel de 1 volt. 1eV = 1, J Le niveau d énergie E = 0 ev correspond à l état ionisé. L électron n est plus attiré par le noyau, il est libéré. Ionisation de l atome : a) Que devient l atome d hydrogène lorsque l électron est libéré (niveau 0 ev)? b) Quelle est l énergie E 1, à apporter pour ioniser un atome d hydrogène? Exprimer le resultat en électronvolt puis en joule. c) Quelle est la longueur d onde des photons associés à cette énergie? d) A quel domaine électromagnétique appartiennent-t-ils? e) Peut-on associer ces photons à une raie du spectre d absorption de l atome d hydrogène? Interprétation du spectre du visible : f) Pour obtenir une raie d'absorption dans le visible, comment doit être l'énergie E par rapport à E 23. g) Peut-on associer une transition électronique à une raie d absorption du spectre visible? (se concentrer sur les niveaux n=2 et n=3) h) L hypothèse émise est-t-elle vérifiée? Maintenant, à vous d agir! j) Il reste maintenant à trouver les transitions électroniques qui correspondent aux 3 dernières raies d'absorption. Au travail! (aidez vous du diagramme énergetique de l'atome d'hydrogène ci contre) Diagramme d énergie de l atome d hydrogène

4 4) Quel est le processus d'émission de lumière par une source froide? Nous venons de montrer que les éléments chimiques absorbent certaines radiations. Quand est-il de l'emission de lumière par un élément chimique? Formuler une hypothèse. Exemple de l'hydrogène : a) Schématiser sur le diagramme suivant une transition électronique qui est à l'origine de l'émission d'un photon. b) Quelles sont les radiations visibles émisent par l'atome d'hydrogène? Représenter son spectre d'émission. c) En vous aidant de la partie précédente, schématiser sur le diagramme toutes les transitions électroniques qui émettent un photon dont la longueur d'onde est située dans le visible. d) Calculer E 3,2. En utilisant la relation d'einstein, ce résultat vous parait-il correct? En déduire une nouvelle expression de la relation d'einstein. En déduire la longueur d'onde correspondante à la transition E 3,2. Diagramme énergétique de l'atome d'hydrogène

5 IV- Caractéristique du spectre solaire 1) Température de surface du soleil On rappelle la loi de Wien qui permet de déterminer la température de surface d'un corps noir connaissant son profil spectral : T. 6 max 2,89.10 K. nm avec λ max la longueur d'onde du maximum d'émission et T la température du corps Grâce au profil spectral de la lumière émise par le soleil (Doc 9 p 51) déterminer la température du soleil en Kelvin puis en degré celsius. 2) Spectre de Fraunhofer et éléments chimiques Au XIXème siècle le physicien allemand, Joseph Fraunhofer, a étudié le spectre visible de la lumière du soleil décomposée par un prisme. Il a pu en déduire la composition chimique de l atmosphère solaire. Nous allons voir comment, à partir de l observation des raies solaires, on a pu vérifier la théorie de quantification des niveaux d énergie des atomes, notamment l atome d Hydrogène. Dès 1814, le physicien allemand Fraunhofer ( ) remarque la présence de raies noires dans le spectre du Soleil. Kirchhoff mesure la longueur d onde de plusieurs milliers de ces raies et montre qu elles coïncident avec celles émises par diverses entités chimiques : hydrogène, calcium, cuivre, fer, zinc,. Il publie, en 1861, le premier atlas du système solaire. Voici le spectre de la lumière solaire obtenu par Fraunhofer : a) Que peut on constater. Donner une explication du phénomène observé. b) En vous aidant du tableau suivant, identifier les raies principales (majuscules) déterminer quels éléments chimiques absorbent la lumière solaire. (Les résultats seront répertoriés dans un tableau) Longueurs d onde, exprimées en nm de certaines raies caractéristiques de quelques éléments chimiques Éléments chimiques Hydrogène (H) Sodium (Na) Magnésium (Mg Manganèse (Mn Calcium (Ca) Fer (Fe) Titane (Ti) ) ) Dioxygène (O 2 ) ,0 470,3 396,8 438,3 466,8 403,6 686,7 486,1 589,6 516,7 422,7 489,1 469,1 762,1 656,3 458,2 491,9 498,2 526,2 495, ,8 537,1 539,7 Longueurs d onde (nm) 3) Diagramme d'énergie Pour expliquer le spectre solaire, en particulier la présence des raies d absorption, il faudra attendre le début du XXème siècle avec l avènement de la mécanique quantique. Dans l atome d Hydrogène que nous allons étudier, tous les niveaux d énergie ne sont pas accessibles, seuls certains le sont, on parle de quantification. Un atome excité émettra un photon possédant une certaine énergie, donc à une certaine fréquence.

6 Voici le diagramme d énergie de l atome d Hydrogène : a) Calculer la variation d énergie ΔE n,2 correspondant aux transitions entre les niveaux d énergie E n et E 2, pour n=3 à n=8. (Répertorier les résultats dans un tableau) b) En déduire la fréquence ν n2 du photon émis par l atome d Hydrogène pour chaque transition. Puis calculer la longueur d onde λ n2 correspondante. En observant le spectre d émission de l atome d Hydrogène, identifier les raies en fonction des longueurs d onde calculées précédemment. ( 1 Angstrom = 0,1 nanomètre ) Ces raies sont appelées «raies de Balmer». Il existe d autres raies, invisibles à l œil nu, appelées «raies de Lyman» dans l ultra-violet (transitions E n1 ) et les «raies de Paschen» dans l infra-rouge (transitions E n3 ). c) Retrouver les raies de Balmer dans le spectre solaire de Fraunhofer.