BAILLY-GRANDVAUX Mathieu ZANIOLO Guillaume Professeur : Mrs Portehault

BAILLY-GRANDVAUX Mathieu ZANIOLO Guillaume Professeur : Mrs Portehault 1

I. Introdution...3 II. Généralités...3 Caratéristiques ommunes aux deux phénomènes...3 La différene entre la phosphoresene et la fluoresene...5 III. Etude expérimentale de la fluoresene...6 Première expériene...6 Matériels :...6 Mise en œuvre :...6 Interprétations théoriques :...6 Deuxième expériene...7 Matériels :...7 Mise en œuvre :...7 Interprétations théoriques :...8 Troisième expériene :...9 Matériels...9 Mise en œuvre :...9 Expliations théoriques :...10 IV. Etude expérimentale de la phosphoresene...11 Préliminaire :...11 Première expériene :...13 Matériels :...13 Mise en œuvre...13 Résultats sur Exel :...14 Deuxième expériene :...15 Matériels :...15 Mise en œuvre :...15 Résultats sur Exel :...16 Interprétations théoriques :...16 Troisième expériene :...17 Matériels :...17 Mise en œuvre :...17 Résultats sur Exel :...17 Interprétations théoriques :...18 IV. Appliations de la fluoresene et de la phosphoresene :...18 Pour la fluoresene :...18 Pour la phosphoresene :...20 BIBLIOGRAPHIE :...20 2

I. Introdution «Le monde de la fluoresene est un monde de ouleur et de beauté. Dans l'obsurité, les teintes habituellement perçues au jour disparaissent. Alors, seules les intenses ouleurs des substanes fluoresentes effleurées par un rayon ultraviolet émettent une saisissante larté. Sterling Gleason, 1960 S'émerveiller de voir l'aiguille de sa montre briller la nuit, ou enore se demander omment des enres invisibles peuvent apparaître omme par magie sous l'effet d'ultraviolets, tout ela montre en quoi réside la motivation d'un tel sujet. Car e n'est pas de la magie, mais de la fluoresene ou de la phosphoresene! Enore faut-il élairir et différenier es deux phénomènes physiques qui ne sont pas si exotiques que ela, en effet on pourrait roire que ela ne sert à rien à part esthétiquement, ependant on sera étonné de voir ses appliations multiples dans notre univers sientifique d'aujourd'hui et peut-être y a-t-il d autres appliations pour le futur, ar e sujet n'a pas finit de nous fasiner. Il a d'abord ommené à fasiner un ertain Niolas Monardes, voilà 442 ans (en 1565), qui observa le phénomène de fluoresene à la surfae d'une déotion de opeaux de bois de Lignum Nephritium. On ommene à étudier réellement e phénomène au milieu du XIXème Sièle ave Stokes prinipalement. C'est d ailleurs lui qui donnera le nom au phénomène et l intitule «fluoresene» venant du nom des ristaux fluorspar qu'il étudie. D'autre part, le phénomène de phosphoresene quand à lui date pour sa première desription de 1603 par un ertain Vinenzo Casariolo qui met en évidene la phosphoresene de e qu'il appelle le «phosphore de Bologne» Mais 'est de Henri Bequerel que viendront les premiers travaux sur la vitesse à laquelle déline l'intensité lumineuse après l exitation. Il parvient don à donner une évolution temporelle de la déroissane lumineuse de matériaux phosphoresents. On s'intéressera tout d abord aux généralités théoriques et aux aratéristiques des deux phénomènes de fluoresene et de phosphoresene en expliquant aussi omment différenier les deux phénomènes, e qui nous verrons n'est pas trivial. Nous nous intéresserons ensuite expérimentalement au phénomène de fluoresene en omparant et expliquant plusieurs spetres que nous avons enregistrés ave un spetromètre (Ulie) relié à un ordinateur. En e qui onerne la phosphoresene, nous vous montrerons nos mesures de déroissane réalisées à l'aide d'un appareil photo et d'un outil informatique, nous expliiterons don la méthode employée et enfin nous verrons les différentes appliations de la fluoresene et de la phosphoresene II. Généralités Caratéristiques ommunes aux deux phénomènes La fluoresene omme la phosphoresene onsiste en la désexitation d une moléule. La dite moléule ayant été amenée à et état exité par absorption de lumière. Pour réintégrer un niveau d énergie normal la moléule a plusieurs solutions : premièrement, elle peut perdre de l énergie par éhange ave le milieu (effet joule ou par hos) ou bien en émettant un ou plusieurs photons (lumière), est ette dernière possibilité qui aratérise les deux phénomènes que nous allons étudier. 3

D autre part, es deux phénomènes suivent une même loi de déroissane semblable à elle de la déroissane radioative ou enore de la déharge d un ondensateur. Comme nous l avons vu en lasse, es lois de déroissane sont exponentielles et se aratérisent par ette formule : N ( t ) = N 0 e t / τ N (t) : nombre de photons émis entre t et t+1s No : Nombre de photons émis pendant la première seonde τ : onstante de temps de désexitation (ave 5τ durée de vie de l'état exité) Par ailleurs, une autre formule intervient dans notre étude, il s agit de la formule reliant une variation d énergie provoquée ii par un rayonnement lumineux à la fréquene de e rayonnement : E : Différene d énergie entre deux niveaux énergétiques de la partiule (J) E = hν h : Constante de Plank (h=6,61.10-34 J.s) ν : Fréquene du rayonnement (Hz) Il onvient aussi de mettre en évidene une aratéristique ommune à la fluoresene et à la phosphoresene qui montre que le spetre lumière réémise se trouve déalée par rapport à la lumière émise. On appelle e déplaement le «déplaement de Stokes». Il résulte d abord du fait qu il existe une partie de l énergie réémise qui disparaît par hos moléulaires. D autre part ette perte d énergie peut être aussi due au fait que la moléule peut se désexiter sous forme non radiative en passant par un état d énergie inférieure avant de retourner à l état fondamental, il s agit de onversions internes omme les rotations ou vibrations de la moléule. Par exemple, soit : - E 0 l état énergétique fondamentale d une moléule (stable) - E 1 un état énergétique supérieure représentant le niveau S 1 - E 2 un état énergétique enore supérieure représentant le niveau S 2 Supposons que ette moléule possédant l énergie initiale (E 0 : niveau fondamental) soit exitée et atteigne un niveau énergétique E 2. Elle peut «retomber» diretement de E 2 vers E 0 mais peut aussi passer par E 1, de ette transition énergétique résulte une énergie dissipée qui sous forme non radiative, est la onversion interne (omme expliqué préédemment). L œil humain ne distingue pas es transitions intermédiaires mais l énergie est tout de même dissipée, il s agit d une étape de relaxation. Don pour revenir à l état fondamental E 0, la moléule peut ette fois-i émettre des photons dans la lumière visible pour passer de E 1 à E 0. Sauf que omme une partie de l énergie a déjà été dissipée, alors on aura de E 1 à E 0 une énergie moins importante don une longueur d onde plus longue, il y a don un déalage de spetre vers la lumière visible entre le spetre inident et le spetre d émission. En effet l énergie absorbée E2 E0 doit être réémise en quantité égale pour retourner à l état fondamental (E 0 ). Or on a E2 E1 (si la moléule passe par E 2 ) qui représente l énergie dissipée de manière non radiative. On a don sans onsidérer de transfert énergétique vers d autres moléules (hos), l énergie de l émission fluoresente : 4

E1 E0 = ( E2 E0 ) ( E2 E1) hν = hν hν émis h λ λ émis émis > absorbé = h λ λabsorbé absorbé int erne h λ int erne Remarque : Quoi qu il en soit il y a toujours déalage entre spetre absorbé et spetre réémis vers des longueurs d ondes plus longues ar si la dissipation non radiative ne se fait pas par une onversion interne (passage par E2), il y a quand même des hos intermoléulaires qui dissipent l énergie en plus de l émission de photons. Le déplaement de Stokes est don universel pour la fluoresene et la phosphoresene La différene entre la phosphoresene et la fluoresene Tout d abord, de la même manière que pour la fluoresene, la moléule dite phosphoresente qui absorbe de l'énergie lumineuse va être amenée à se désexiter en un temps relativement plus long que pour la fluoresene, e qui s aompagne à notre éhelle par une réémission de lumière qui persiste après la désexitation mais nous allons voir que les différenes entre la fluoresene et la phosphoresene sont plus subtiles. En effet ela est dû à un phénomène de physique quantique qui «interdit» le passage diret de l'état exité à l'état fondamental omme pour la fluoresene : La désexitation passe don pour la phosphoresene par un état triplet qui a la partiularité de durer un temps observable par l'oeil humain (de quelques miroseondes à plusieurs heures ontre du quasi instantané à la miroseonde pour la fluoresene) En outre, on pourrait penser qu'un matériau fluoresent esse d'émettre des photons dès que elui-i esse d'être exité, or on a déouvert au XIXème Sièle que ela était en fait inexat. Les moléules fluoresentes suivent la même loi de déroissane que pour la phosphoresene (omme nous l avons vu) mais ei de manière différente. On pense ouramment que la différene réside dans les durées de l'émission après la fin de l'exitation or ertaines phosphoresenes ourtes rejoignent en durée de désexitation ertaines fluoresenes longues. La phosphoresene est don aratérisée seulement par le fait qu'elle passe par un état intermédiaire pour se désexiter par transfert intersystème, mais ela entraîne effetivement des durées de désexitation plus longues ar la durée de vie à et état intermédiaire (triplet 1) est supérieure à la durée de vie de l'état de désexitation «normal» (singulet 1 ou 2) : l état triplet 1 est don dit «métastable». Le fait que ette durée de vie diffère, intervient don dans la loi de déroissane ommune à la phosphoresene et à la fluoresene. On voit alors que le fait que la durée de vie de l'état singulet 1 ou 2 soit très ourte, amène à des fluoresenes quasi-instantanées. De même la durée de vie de l'état triplet 1 étant plus ou moins longue, on a des phosphoresenes relativement longues : de la miroseonde à plusieurs seondes (propriétés de la fontion exponentielle). 5

III. Etude expérimentale de la fluoresene Première expériene Notre première expériene onsistera à montrer qu il faut une ertaine quantité d énergie pour pouvoir observer le phénomène de fluoresene. Matériels : - Une boite supportant trois LEDs dont : Une rouge (environ 800nm) Une verte (environ 650nm) Une bleue (environ 400nm) - Une batterie d aumulateurs pour alimenter les trois LEDs - Une uve de fluoreséine Mise en œuvre : Nous présenterons suessivement les trois LEDs devant la uve et nous onstaterons que la fluoresene ne se produit que pour la LED de ouleur bleue. ROUGE VERT BLEU E Pas de fluoresene Pas de fluoresene Fluoresene flagrante Interprétations théoriques : En onsidération du shéma montrant les ouhes d exitation d une moléule et de la formule E = hν, on est à même de omprendre pourquoi seule la LED bleue a la apaité de révéler la fluoresene de la fluoreséine. En effet, on remarque qu il est néessaire d atteindre une ertaine énergie pour que la moléule atteigne l état singulet 1 ou 2 et se désexite par fluoresene omme nous l avons vu. On peut don dire que l énergie fournie par la LED rouge et la LED verte est insuffisante pour exiter la moléule jusqu au singulet 1 ou 2. En revanhe la LED bleue est suffisamment énergétique pour permettre ette exitation. 6

Remarque : Calulons l énergie des trois LEDs : Pour la rouge : 8 34 3.10 E = hν Erouge = h xν rouge = h x = 6,61.10 x = 2,83.10 J 1, 77eV 9 λ 700.10 Pour la verte : De la même façon : Pour la bleue : rouge 8 34 3.10 Evert = h xν vert = h x = 6,61.10 x = 3,61.10 J 2, 26eV 9 λ 550.10 8 34 3.10 Ebleue = h xν bleue = h x = 6,61.10 x = 4,41.10 J 2, 76eV 9 λ 450.10 bleue vert On peut don dire que pour la fluoreséine, l énergie néessaire pour observer une fluoresene est de l ordre de 2,5eV. Et ei est le as de la plupart des matériaux fluoresents, e qui est d autant plus remarquable pour les soures d UV ('est-à-dire ave une longueur d onde inférieure à 400nm). Deuxième expériene Cette deuxième expériene vise à montrer que l on peut observer d autres ouleurs de fluoresene. On expliquera de quelle manière ette ouleur peut hanger. Matériels : - Un zoolite ontenant du rubis fluoresent - Un spetromètre (Ulie) ave le programme sur un ordinateur - Une lampe émettrie d UV Mise en œuvre : On utilise une lampe émettrie d UV pour exiter la surfae pigmentée de rubis d un zoolite. On observe une fluoresene rouge. On plae orretement la fibre optique afin d obtenir le spetre d émission du rubis : 7

Interprétations théoriques : On remarque don par ette expériene qu il existe des fluoresenes de différentes ouleurs, ar la relaxation non radiative par hos entre moléules ou par onversions internes peuvent être plus ou moins dissipatries d énergie en fontion de leurs multipliités et de leurs effiaités. Dans notre expériene on peut don penser que la relaxation est plutôt effiae, ar il y a un déalage important entre le spetre absorbé et le spetre émis par la suite (du vert à l UV au rouge ontre du bleu à l UV au vert pour la fluoreséine). On peut vérifier les résultats de ette expériene en se servant du diagramme de niveau d énergie pour le rubis trouvé sur Internet : On observe sur e diagramme que l on peut exiter le rubis en utilisant un rayonnement d énergie égal à elui du vert (550 nm) pour atteindre le niveau énergétique E 3. De la même manière que l on a dérit dans les généralités, le rubis va transiter par un niveau énergétique E 2. Cette transition résulte d une dissipation d énergie non radiative pour passer de E 3 à E 2. On va don vérifier par le alul l importane de ette onversion interne et son impat sur l énergie don la longueur d onde du rayonnement réémis : Soit λ E E E E Vérifions l' impat de ette relaxation sur le déalage : E absorbé int erne int erne absorbé émise d' où absorbé = E3 E1 = hν = E3 E2 = 0,48eV ( donné ) = 1,6.10 = E2 E1 = E émise = λ vert 7,68.10 = 3,61.10 λ = h E = 550 nm 20 émise absorbé 0,213 abosorbé = h λ E int erne = 6,61.10 abosrbé 21,3% 34 = 6,61.10 = 3,61.10 8 3.10 2,842.10 x 0,48 V = 7,68.10 J ( relativement beauoup de relaxation non radiative) 34 8 3.10 550.10 7,68.10 20 6,977.10 9 7 = 3,61.10 20 = 2,842.10 m 697,7 nm J J 3,61.10 ( = 1,6.10 2,842.10 ( = 1,6.10 ROUGE 19 19 2,26eV ) J 1,78eV ) On mesure don bien ii le grand déalage du vert au rouge de part l importane de l énergie dissipée par onversion interne (aratéristique de la moléule de rubis). 8

Troisième expériene : Cette dernière expériene sur la fluoresene joue le rôle de résumé sur les prinipales aratéristiques que nous avons soulevées jusque là sur le phénomène de fluoresene. En effet, nous allons observé que la fluoreséine absorbe pour la lumière blanhe (polyhromatique) qu une partie de e spetre de la lumière blanhe, e qui onfirme que l exitation s effetue à partir d un ertain niveau d énergie (aratéristique de la moléule onsidérée voir expériene 1). D autre part, nous observerons le même déalage que nous avons énoné pour la deuxième expériene pour la fluoreséine ette fois-i Matériels - Une uve de fluoreséine - Le spetromètre Ulie et sa fibre optique reliée à l ordinateur - Une LED blanhe - Une lampe génératrie d UV Mise en œuvre : Pour observer que la fluoreséine absorbe une partie du spetre de la lumière blanhe, nous allons omparer deux spetres : le spetre d absorption de la fluoreséine dans une uve et le spetre d absorption de la même uve remplie d eau. En effet le spetre d absorption réelle de la fluoreséine est la différene du spetre d absorption de la uve remplie d eau et du spetre d absorption de la fluoreséine dans la uve (ar une partie de la lumière blanhe n est pas filtrée et passe sans être absorbée don est pour ela que l on fait la différene ave une uve remplie d eau). Il est don important de se positionner ave la LED blanhe «derrière» la uve remplie une fois d eau et une fois de fluoreséine. Pour observer ette foi-i le déalage, on va de nouveau omparer deux spetres : le spetre d émission et le spetre inident (de la lampe à UVs). En effet on va remarquer que le spetre d émission est en quelque sorte une «translation» du spetre inident vers des longueurs d onde plus longues (vers le rouge). C est ainsi qu est mise en évidene e «déplaement de Stokes». Il faut là aussi faire attention à la position de la fibre optique qui doit se trouver ette fois i au dessus de la uve de fluoreséine. Voila les spetres que nous obtenons : PARTIE 1 Spetre d absorption de la uve remplie d eau : ON OBTIENT UN SPECTRE POLYCHROMATIQUE ALLANT DE 400 à 800 nm : C est-à-dire le spetre de la lumière blanhe ar l eau n absorbe rien 9

Spetres d absorption de la uve remplie de fluoreséine On voit don que la partie du spetre de la lumière blanhe qui est absorbée orrespond à la longueur d onde de 530 nm environ jusqu au UV. La valeur limite pour exiter la fluoreséine est don d environ 530 nm, ar est à partir de là que le rayonnement est assez énergétique pour exiter la moléule à un état supérieur énergétiquement (S 1 ou S 2 ), est en aord ave la première expériene qui se voulait d avantage qualitative. Le spetre d absorption nous permet de vérifier nos observations ave les LED. Voila les spetres que nous obtenons : Spetre inident (la lampe à UV) PARTIE 2 ON A UN SPECTRE ALLANT DU VIOLET JUSQU AU PROCHE UVs (on peut imaginer que le spetre ontinu un petit peu plus loin vers l UV) Spetres d émission de la fluoreséine : On remarque don que par rapport au pi, il y a un déalage, ei est dû omme nous l avons déjà vu, à la relaxation non radiative s opérant de l état S 2 à l état S 1 qui dissipe de l énergie, don il y a moins d énergie dissipée par émission de photons de S 1 à S 0. On se retrouve don ave un déalage d énergie don de longueur d onde ; La réémission est moins énergétique que l émission don plus prohe du rouge. Expliations théoriques : Les phénomènes observés dans ette expériene ont déjà été traités respetivement dans les expérienes 1 et 2. En effet le fait que la fluoreséine absorbe une partie du spetre de la lumière blanhe à partir d une ertaine longueur d onde (ii environ 500 nm) revient à e que nous avons expliité dans la partie théorique de l expériene 1, est-à-dire qu il faut une ertaine énergie transmise à une moléule fluoresente pour qu elle puisse passer à un niveau supérieur d énergie (S 1 ou S 2 ). De même, le déalage que l on note dans ette dernière expériene 10

s explique de la même façon que pour le rubis de l expériene 2, sauf qu ii la onversion interne et les hos intermoléulaires sont moins importants et effiaes, il y a don plus d énergie dissipée entre l état S1 et l état S2, par onséquent le déalage (omme nous l avons expliqué préédemment) se trouve ii augmenté, démonstration : (Supposons pour nos aluls des rayonnements monohromatiques) E absorbée E émis = E int erne = E déalage Pour la fluoreséine, prenons omme longueur d onde inidente sa valeur limite d exitation ( est-à-dire 530 nm) : 3.10 8 34 Soit λ absorbée = λlim ite = 500 nm, E absorbée = h = 6,61.10 = 3,97.10 J 9 λabsorbée 500.10 Et prenons omme longueur d onde émise elle du vert aratéristique de la fluoreséine : 3.10 8 Soit λ émis = λvert = 550 nm, E émis = h = 6,61.10 34 = 3,61.10 J λémis 550.10 9 Don E déalage fluoreséine = E absorbée E émis = 3,97.10 3,61.10 = 3,6.10 20 Pour le rubis, prenons omme longueur d onde inidente la longueur d onde limite d exitation ( est-à-dire le vert) : 3.10 8 = 6,61.10 34 = 3,61.10 J Soit λ absorbée = λvert = 550 nm, E absorbée = h 9 λabsorbée 550.10 Et prenons omme longueur d onde émise elle du rouge aratéristique du rubis : 3.10 8 Soit λémis = λ rouge = 697,7 nm, E émis = h = 6,61.10 34 = 2,842.10 J 9 λémis 697,7.10 Don E déalage rubis = E absorbée E émis = 3,61.10 2,842.10 = 7,68.10 20 On voit alors que E déalage fluoreséine << E déalage rubis E int erne fluoreséine << E int erne rubis IV. Etude expérimentale de la phosphoresene Préliminaire : Il s agira dans e préliminaire de mettre en évidene le phénomène de fluoresene bien que ela ait déjà été observé au moins une fois dans la vie quotidienne et de dérire le mode opératoire des mesures de déroissane que nous réaliserons tout le long de ette étude expérimentale. D une part, en élairant ave de la lumière blanhe ou des UV une étoile phosphoresente telle que l on en trouve dans les hambres d enfants, on remarque que elle-i réémet ette énergie absorbée sous forme de photons (lumière) ave un déalage qui a même origine que le déalage observé pour la fluoresene (onversions internes et hos intermoléulaires). De même ette désexitation suit la loi de déroissane mise en évidene préédemment, mais omme nous l avons vu le fait que pour la phosphoresene, il y a transition par un état intermédiaire et que et état a une durée de vie relativement longue (quelques miroseondes à plusieurs seondes), rend observable le phénomène à éhelle humaine : 11

D autre part, nous étudierons dans nos expérienes suivantes de l étude expérimentale de la phosphoresene le point le plus important que nous ne pouvons pas observer pour la fluoresene (désexitation trop rapide), est la déroissane lumineuse résultant de la désexitation progressive exponentielle de la moléule. Elle est issue de la loi évoquée préédemment : I ( t ) = I 0 e t / τ I (t) : Intensité lumineuse à l instant t I 0 : Intensité lumineuse à l instant où ommene la déroissane (t 0 ) τ : durée de vie de déroissane Nous allons don nous intéresser aux différents fateurs influant sur ette déroissane. Pour ela nous disposerons bien sûre d une étoile phosphoresente dans une boite noire, puis d un appareil photo réglé en rafale en temps de pose d 1s pour avoir une évolution temporelle pouvant être failement suivie. Nous réupérons ensuite nos photos et utilisons l outil informatique «Photoshop» ou enore le gratuit «Gimp» pour obtenir la luminosité moyenne de nos étoiles en pis verts (ouleur de réémission) en effetuant un détourage judiieux de la zone de l étoile (séletion). On relève es luminosités et on se sert ensuite d «Exel» pour affiher nos ourbes de déroissanes permettant en onséquene d interpréter nos résultats don l impat sur la déroissane du fateur sur lequel nous avons joué pour l expériene. Voii quelques aptures d éran qui peuvent vous donner une idée de la méthode employée sur «Photoshop» pour obtenir nos luminosités : I 0 e DECROISSANCE LUMINEUSE DE LA PHOSPHORESCENCE L u m in o s ité 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0 10 20 30 Temps Luminosité moyenne des pixels 12

Première expériene : Dans ette première expériene nous allons observer quelle influene a l intensité lumineuse de l exitation sur la déroissane lumineuse en résultant. Tout d abord, étudier e fateur d intensité revient à étudier la durée d exposition ar nous avons remarqué dans nos préliminaires que es deux fateurs avaient la même influene sur la déroissane lumineuse de désexitation, est pourquoi nous ouplons es deux fateurs dans l étude d un des as, en l ourrene l expériene pour le fateur d intensité lumineuse d exitation. Matériels : - Une étoile phosphoresente dans une boite noire - Un appareil photo fixé à la boite noire - Un outil informatique tel que «Photoshop» ou «Gimp» - Un tableur omme «Exel» - Une LED blanhe branhée ave un ampermètre et un potentiomètre Mise en œuvre Le mode opératoire est sensiblement le même que elui dérit dans les préliminaires. Simplement il est rajouté un moyen de ontrôle sur l intensité lumineuse permettant d exiter l étoile phosphoresente, est-à-dire d un potentiomètre qui est hargé de régler l intensité lumineuse que délivre la LED blanhe, et d un ampermètre pour noter l intensité du ourant que l on fournit à la LED blanhe. On fera deux mesures, une à 13mA et une à 33mA (mini et maxi). 13

Résultats sur Exel : Déroissane phosphoresente (superposition) moyenne pi vert 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 date (photo) pour 33mA pour 13mA Exponentiel (pour 13mA) Exponentiel (pour 33mA) y = 64,958e -0,0708x R 2 = 0,9882 y = 79,38e -0,0672x R 2 = 0,9891 14

pour 13mA: t τ 13mA Pour 33 ma: t τ 33mA la même. Ce n' est don plus longues. = 0,0708t = 0,0672t Deuxième expériene : Cette fois-i nous allons voir l influene du fateur température sur la déroissane lumineuse lors de la désexitation. Matériels : 1 τ 1 τ 13mA 33mA = 0,0708 = 0,0672 pas un fateur impor tan t τ τ = 14,12u = 14,88u On remarque que la durée de vie de déroissane pour 13 et 33mA est sensiblement - Une étoile phosphoresente dans une boite noire à laquelle l on a adapté un module Peltier et un ventilateur pour permettre de régler la température - Un générateur pour alimenter le module Peltier - Un appareil photo adapté à la boite noire - Un outil informatique tel que «Photoshop» ou «Gimp» - Un tableur omme «Exel» - Une LED blanhe branhée à intensité onstante 13mA 33mA pour obtenir des phosphoresenes Mise en œuvre : Comme préédemment, le mode opératoire onsiste à elui dérit dans les préliminaires. Seulement ii on ontrôlera à l aide du module Peltier la température de l étoile phosphoresente. On fera don deux mesures, une à une température relativement froide et une à température ambiante (-2 C et 23 C environ). 15

Résultats sur Exel : 80 à température ambiante lumonisité en vert 70 60 50 40 30 20 10 0 y = 64,66e -0,1054x R 2 = 0,978 à -2 C Exponentiel (à température ambiante) Exponentiel (à -2 C) y = 66,044e -0,0627x R 2 = 0,9946 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 temps Interprétations théoriques : Il semblerait que l étoile lumineuse restitue son énergie d exitation plus rapidement pour -2 C que pour 23 C environ. On peut pour vérifier ette hypothèse en alulant la onstante de déroissane pour 2 C et pour 23 C : Pour 2 C, on a d' après l' équation : t τ 2 C = 0,1054t De même pour 23 C, on a : τ 2 C = 1 0,1054 = 9,49u t τ 23 C = 0,0627t τ 23 C = 1 0,0627 = 15,95u Même si de premier abord ela semble bizarre, on voit bien que la phosphoresene est lairement ette fois i d autant plus longue que si l étoile est d autant plus haude, la température est don un fateur influant de manière intéressante sur la durée de déroissane. On onnaît la propriété du froid sur l agitation moléulaire, omme pour la himie, elle bloque les réations, ela s appelle une trempe. On peut don penser que pour notre phénomène de phosphoresene, le fait de refroidir l étoile peut permettre à notre étoile d emmagasiner une partie de l énergie en réémettant qu une partie, e qui fait que ette partie plus petite de l énergie totale est réémise plus rapidement. Maintenant, pour vérifier qu une partie de l énergie est bloquée par la trempe du froid, nous allons effetuer une autre expériene qui se trouve être étonnante et très amusante 16

Troisième expériene : On va dans ette expériene essayer de montrer par une observation simple que le froid omme nous l avons vu dans l expériene préédente, a la propriété de bloquer une partie de l énergie «dans» l étoile. Matériels : EXACTEMENT LE MEME QUE POUR L EXPERIENCE PRECEDENTE Mise en œuvre : Comme toujours le mode opératoire reste le même que elui dérit dans les préliminaires. Seulement ii nous allons omme pour l expériene préédente agir sur le fateur température et observer e que ela provoque sur la déroissane lumineuse de l étoile phosphoresente. Comme préédemment nous allons porter le système à une température d environ -2 C, après exitation de l étoile, nous allons don observer la même hose que lors de l expériene préédente. Mais ette fois-i, pour prouver que la température froide bloque une partie de l énergie dans l étoile, nous allons après une pause, réhauffer le système en inversant la polarité du module Peltier, e qui va normalement permettre à l étoile de réémettre l énergie qu elle a emmagasinée du fait de la trempe, ar une fois le bloage supprimé par le réhauffement, l étoile a théoriquement la possibilité de réémettre ette énergie. C est e que nous allons voir (Quel suspens!!!) Résultats sur Exel : Déroissane à froid puis réhauffement 120 100 Luminosité 80 60 40 20 à froid (-2 C) réhauffement 0 0 10 20 30 40 Date (photo) 17

Interprétations théoriques : On remarque don bien (et est enore plus beau en vrai), que l étoile qu on pensait avoir omplètement restitué l énergie qu on lui avait donnée, une fois réhauffée brille de nouveau et e de manière spetaulaire! Et ela nous permet d affirmer qu en fin de ompte notre hypothèse soulevée dans les interprétations théoriques de l expériene préédente est fondée, autrement dit la trempe réalisée par l abaissement de la température du système, a bloqué une partie de l énergie qu on lui a fournie et est ette part d énergie qui se retrouve «stokée» dans l étoile, ette même énergie qui nous l observons ii est réémise lors du réhauffement. Nous avons don vu les aratéristiques importantes de la fluoresene et de la phosphoresente par des expérienes qui nous l espérons vous ont été très laires et représentatives de e que nous en avons interprété théoriquement. Et que d autre part es aratéristiques vous ont semblées très intéressantes de part l étude de notre sujet sur la fluoresene et la phosphoresene tout en espérant que votre appréiation de la qualité de notre étude nous permettra d aller plus loin Pour ompléter e sujet qui nous pouvons le dire nous a sinèrement intéressé et nous a appris beauoup de hoses, nous allons voir en revue brièvement les appliations pourtant nombreuses dans la vie ourante et sientifique d aujourd hui des phénomènes de fluoresene et de phosphoresene IV. Appliations de la fluoresene et de la phosphoresene : Pour la fluoresene : Tout d abord, dans la vie ourante, une appliation intéressante de la fluoresene ar nous sommes sûrs que vous avez déjà eu affaire à ette tehnologie, est e qu on appelle souvent à tord les «Néons» qui sont en fait la plupart des fois des «tubes phosphoresents» : En effet le prinipe est le suivant : - Une déharge életrique ionise le gaz qui se trouve être prinipalement des vapeurs de merure à basse pression ou de l argon, et pur se désexiter eux-i vont émettre des UVs - Ces UVs vont ensuite exiter une poudre fluoresente qui entoure le tube en verre - La poudre qui est un mélange de moléules fluoresentes va don du fait que haune de es moléules émet dans les différentes ouleurs onstituant le spetre visible, réémettre par onséquent dans le blan (polyhromatique), e qui donne l illusion d une lumière solaire très lumineuse et e de manière très éonomique, est don une appliation primordiale de la fluoresene. 18

D autre part dans la vie ourante, on se sert de la fluoresene pour blanhir les vêtements ave e qu on appelle des azurants optiques fluoresents, qui réémettent dans le bleu et absorbent les UVs augmentant la luminosité du blan, le rendant «plus blan que blan»!!! Les billets de banques sont aussi protégés des faussaires en inorporant des motifs qui sont révélés ave des lampes UVs rendant diffiile la ontrefaçon. Je suppose par ailleurs que vous êtes des adeptes des nouvelle boites de nuit branhées et que vous onnaissez don omment par fluoresene ils font briller les danseurs. En fait ils exploitent le phénomène de la lumière noire qui fait ressortir les blans et les objets fluoresents lorsqu'elle est émise dans la pénombre, afin de réer une ambiane spéiale. Aussi, si j avais rendu e dossier à l érit j aurais pu utiliser mes Stabilos fluoresents pour mettre en valeur les mots ou phrases qui me semblaient importants. Revenons à notre sérieux ar dans un domaine plus sientifique, la fluoresene se trouve être un outil largement employé dans beauoup de domaine ar nombres de paramètres physiques et himiques peuvent influer sur les aratéristiques que l on a mis en évidene, à savoir sur les spetres et la durée de vie de l état exité : D autre part e qu on appelle les «tehniques fluorimétriques résolues en temps» permettent d étudier des phénomènes de l ordre de la durée de vie de l état exité, 'est-à-dire des durées très ourtes (nous l avons vu), omme les éhanges de protons ou d életrons entre moléules, les transferts d énergie intermoléulaires, rotations dues aux onversions internes. Cette tehnique néessite du matériel très préis mais ses atouts sont onsidérables. Si e n est pas pour obtenir es informations, la tehnique fluorimétriques peut aussi servir pour déteter et analyser des moléules fluoresentes. En effet, nombre de moléules sont intrinsèquement fluoresentes : beauoup d hydroarbures aromatiques, polluants, médiaments, drogues (omme le LSD). Et la sensibilité des tehniques fluorimétriques permet de déteter ne serait-e que quelques traes de es omposés. On devine don toutes les appliations que ela peut apporter. On peut,par exemple en omparant le spetre d une marée noire et le spetre de l hydroarbure d un bateau, prouver s il est oupable de ette marée noire ou non. On peut aussi doser un omposé himique non fluoresent ave un senseur fluoresent ar e senseur est tel que la présene d un analyte (l espèe à doser) perturbe la fluoresene de notre senseur. On voit don l intérêt de es senseurs dans la himie analytique, la biohimie linique, la biologie ellulaire, la médeine et l environnement. Dans le domaine industriel de l aéronautique et de l automobile, on a réalisé des peintures fluoresentes sensibles à la pression (PSP), elles permettent d étudier la pression que subissent des surfaes de ontats et ei pour tester leur résistane et ainsi améliorer le hoix des matériaux ou profils d ailes, de arrosseries, Dans le domaine de la riminologie, on a tous déjà vu dans les séries omme «Experts» ou «NCIS» les détetions de sang par fluoresene (ar l hémoglobine du sang est fluoresente). De même ave des poudres fluoresentes hydrophobes pulvérisées sur des objets, on peut relever ave préision des empreintes digitales ar es poudres ollent sur les résidus huileux laissés par les doigts. Enfin la fluoresene sert dans la visualisation du vivant,ar on peut obtenir en détetant es moléules fluoresentes qu on a injetées, en 3 dimensions, une visualisation aussi bien des poumons que des os, voir même de déteter par une tehnique spéiale les tumeurs anéreuses! 19

De la même façon on a don réalisé, vu l exellente sensibilité des tehniques de détetions, des mirosopes à fluoresene qui sont de plus en plus utilisés. En tant que spéléologue amateur, je peux dire qu on utilise aussi la fluoresene pour suivre des ours d eau et identifier leurs résurgenes, e qui s avère bien pratique lorsque l on a à réaliser des topologies de grottes. C est omme ça qu un ertain Knop en 1877 prouva qu une grande partie du Danube se déverse dans la mer du Nord et pas seulement dans la mer Noire (en fait qu une petite partie). Plus réemment on l utilise pour simuler des pollutions d eau potables et regarder le temps que la pollution met pour atteindre une nappe phréatique par exemple. On a don vu une grande partie des appliations de la fluoresene aussi bien en siene que dans les tehnologies quotidiennes. Mais est surtout dans la siene du vivant que les tehniques de fluoresene sont promises à un bel avenir!!! Pour la phosphoresene : La phosphoresene est majoritairement utilisée pour déteter, voir analyser des omposés phosphoresents omme ertains hydroarbures aromatiques polyyliques (naphtalène, pyrène, ), ertaines drogues (LSD, oaïne, ), ertains médiaments (aspirine, morphine), ertains pestiides (DDT,...), et. Dans la vie quotidienne, la phosphoresene est utilisée pour lire l heure la nuit. Je rois qu ii je ne vous apprends rien mais est déjà bien de savoir qu il s agit de phosphoresene. BIBLIOGRAPHIE : - Image de la première page : trouvée sur Wikipedia à l artile «fluoresene» - Diagramme de Jablonski (niveaux d énergies) : Page 3,4 : http://himge.unil.h/en/metho/1metho23.htm Page 7 : http://perso.orange.fr/patrik.kohl/spetro_oem_2.htm - Shémas expliatifs des «tubes fluoresents» : http://www.esj-lille.fr/atelier/magan2/omptoir/neon/index.html Toutes les autres photos et autres images ont été faites par nos soins Meri de votre leture en espérant qu elle vous ait satisfaite 20

Entre temps, nous avons étudié quantitativement le nombre de photons émis pendant plusieurs phosphoresenes en hangeant uniquement le fateur température. C est e qu on peut appeler un rendement quantique de phosphoresene. En effet notre outil informatique nous permet de dérire algébriquement la déroissane lumineuse. D autre part, l intensité lumineuse qu il nous ommunique est à une onstante près inonnue égale au nombre de photons émis 'est-à-dire au nombre d atomes désexités. Nous avons alors pu omparer ette apport en photons dans différents as où seul la température hange. Cela nous a permis de onstater en faisant la somme algébrique des intensités lumineuse à haque instant ou alors l intégrale donné par l équation exponentielle de la déroissane en tenant ompte d un bruit de fond, qu un même nombre de photons sont restitués pour différentes températures sahant bien sur que l exposition est au préalable identique (en intensité et en durée). Cette observation a son importane d autant plus si l on onstate que ela s applique aussi pour notre expériene de déroissane à froid puis réhauffement ar ela nous permet réellement d affirmer que l énergie qui s était retrouvée bloquée dans l étoile était bien en l ajoutant à l énergie qui a pu être dissipée à froid, identique aux résultats trouvés pour les autres déroissane simples. Pour plus d informations sur ette démarhe qui nous a semblé néessaire de mentionner seulement ii mais qui vous sera développé ave nos résultats le jour de notre présentation, vous pouvez nous érire à ette adresse : mbgaux@hotmail.om Meri enore de votre intérêt 21