CH3 UNE ORIGINE AU CŒUR DE LA MATIERE «La lumière donne la couleur et l éclat à toutes les productions de la nature et de l art ; elle multiplie l Univers en le peignant dans les yeux de tout ce qui respire.» Abbé Nollet, 1783 Une science née avec le XX e siècle 1. UNE CONTRADICTION MANIFESTE L existence d objets colorés autour de nous est en contradiction avec la loi de Wien, et donc avec une description ondulatoire de la lumière. On trouve en effet des objets rouges, des objets blancs et des objets bleus, et pourtant ils ont tous la même température Les objets qui nous entourent ne sont manifestement pas des corps noirs, et il faut donc trouver une autre explication à l origine de leur couleur. 2. QUANTIFICATION DE LA LUMIERE Deux lois pour décrire un même phénomène Cela montrait clairement que le modèle du corps noir n était pas encore abouti. Ainsi, par exemple, le physicien autrichien Paul Ehrenfest (1880-1933) parlera de catastrophe ultraviolette pour désigner l incohérence de la loi de Rayleigh-Jeans qui mène vers une énergie rayonnée infinie lorsque la longueur d onde tend vers 0. Aussi, en 1900, un physicien allemand du nom de Max Planck (1848-1947, Prix Nobel de Physique en 1918), présente une nouvelle modélisation empirique du rayonnement du corps noir. Son modèle mathématique permet de corriger les anomalies des lois de Wien et de Rayleigh-Jeans, et correspond aux données expérimentales pour toutes les gammes de longueurs d onde, courtes, moyennes, et grandes. Confrontation de 3 modèles L énergie rayonnée par un corps noir avait trouvé sa modélisation mathématique Restait maintenant à trouver une interprétation physique de ce modèle. C est là que Planck propose une approche entièrement nouvelle du problème : L énergie rayonnée par un corps noir n est pas continue mais quantifiée : elle ne peut prendre que certaines valeurs, discrètes. Cette quantification de l énergie permet alors de faire disparaître les problèmes aux limites du spectre, et donne ainsi une description élégante du comportement d un corps noir Mais elle s avère surtout être le point de départ d une des deux révolutions scientifiques majeures du XXème siècle : la mécanique quantique. 3. RETOUR EN FORCE DE LA THEORIE CORPUSCULAIRE En 1905, dans le cadre d un article sur l effet photoélectrique qui lui vaudra le Prix Nobel de Physique en 1921, le physicien d origine suisse Albert Einstein utilise cette quantification de l énergie pour réintroduire l aspect corpusculaire de la lumière. Albert Einstein (EU, 1879 1955) Nobel de physique 1921 1
Selon lui, l énergie rayonnée sous la forme d une onde de fréquence υ peut être associée à l émission de grains d énergie appelés photons. Chaque photon d une radiation, particule sans masse, a une énergie Eph donnée par la relation de Planck : E ph = hυ = h c λ h est la constante de Planck ; h = 6,63.10-34 J.s. est la fréquence associée à la radiation, mesurée en hertz (Hz). c est la célérité de la lumière. est la longueur d onde de la radiation, mesurée en mètres. Eph est mesurée en joules (J). Autre unité utilisée pour l énergie : l électron-volt, tel que 1 ev = 1,6.10-19 J. La lumière peut donc être décrite de deux façons différentes, ondulatoire ou corpusculaire. On parle de dualité onde corpuscule. 4. QUANTIFICATION DE L ENERGIE DE L ATOME En 1913, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962, Prix Nobel de Physique en 1922), propose un modèle quantique de l atome. Selon lui, un atome ne peut exister que dans des états bien définis (correspondant à des répartitions bien définies des électrons dans les couches électroniques), chacun d eux étant caractérisé par un niveau d énergie. Les états d énergie de l atome sont donc quantifiés. L état de plus basse énergie correspond à l état fondamental de l atome. Il est alors stable. Les autres états, d énergies plus élevées, correspondent aux états excités. L atome passe d un niveau d énergie à un niveau d énergie supérieure grâce à un gain d énergie. C est alors l un de ses électrons qui passe d une couche électronique à une couche électronique d énergie supérieure. De même, il peut y avoir perte d énergie pour passer à un niveau inférieur. Ces processus sont appelés transitions. Modélisation d'une transition Lorsqu un atome est ionisé sous la forme d un cation, l énergie qui lie l électron perdu à l atome est nulle. Les niveaux d énergie de l atome ont donc des valeurs négatives. 5. MOLECULES ET QUANTIFICATION Tout comme pour un atome, l énergie d une molécule est quantifiée. Toutefois, les niveaux d énergie de la molécule sont beaucoup plus proches les uns des autres, notamment en raison des nombreux mouvements possibles de la molécule (rotation autour des liaisons covalentes simples, vibrations des atomes les uns par rapport aux autres). 6. TRANSITION ET PHOTON On associe à une transition, un photon d énergie Eph égale à la différence d énergie E entre le niveau final et le niveau initial de la transition (différence d énergie entre l énergie de la couche d arrivée et celle de la couche de départ d un électron). E ph = ΔE = E final E initial Dans le cadre de la dualité onde-corpuscule, ce photon correspond à une onde de longueur d onde donnée par la relation : λ = hc ΔE 2
Couleur d un objet à l état condensé L interprétation de la couleur d un objet se fait généralement en deux temps : L objet reçoit un rayonnement incident dont certaines radiations peuvent correspondre à des transitions d énergie des atomes ou molécules de la surface de l objet. Ces radiations sont donc absorbées. Les atomes ou molécules de la surface de l objet sont alors dans un état excité, instable. Ex : Les radiations ne permettant pas de transitions traversent la surface de l objet, et sont généralement converties en énergie thermique, ce qui échauffe l objet. Les atomes ou molécules instables se désexcitent par émission de photons correspondant à des transitions vers l état fondamental. Ces émissions se font dans toutes les directions disponibles. On parle de diffusion de la lumière, qui explique qu on puisse voir un objet de n importe quelle direction. Sur le spectre d émission de l objet, on observe des bandes colorées, intervalles de longueurs d onde correspondant aux nombreuses transitions vers l état fondamental. La neige Toute la lumière est diffusée, rien n est absorbé. Le charbon Aucune lumière n est diffusée, tout est absorbé. Un objet vert Du vert est essentiellement diffusé. Un objet magenta Du bleu et du rouge sont essentiellement diffusés. 3
Un objet rouge Du rouge est essentiellement diffusé. Le verre Pourquoi le verre est-il transparent? Un objet gris Toutes les couleurs sont diffusées à intensité égale mais pas maximale. Une partie est absorbée. Dans le cas d objets réfléchissants, l émission se fait dans une direction privilégiée. On parle alors de réflexion de la lumière. Un objet ne réémet pas toute la lumière qu il reçoit. Il en soustrait une partie sous forme de chaleur. On parle là de synthèse soustractive des couleurs. La lumière que l œil reçoit de l objet résulte de la superposition des radiations émises par cet objet. On parle là de synthèse additive des lumières colorées. En synthèse soustractive, les couleurs primaires sont le magenta, le cyan et le jaune, alors que les couleurs secondaires sont le bleu, le vert et le rouge. C est le contraire en synthèse additive. La désexcitation peut se faire en passant par un état intermédiaire. L objet émet alors deux photons, dont généralement un seul est visible. On a alors affaire aux phénomènes de fluorescence et de phosphorescence (Dans ce cas, la désexcitation ne se fait pas instantanément). A l état gazeux, les spectres d émission et d absorption sont des spectres de raies. Chien fluorescent 4
Changer de couleur en changeant de lumière La couleur perçue d un objet correspond à la lumière que l œil reçoit de cet objet. Elle dépend donc également de la lumière reçue par l objet, et donc de la lumière incidente. Ainsi, un objet jaune en lumière blanche peut être vu jaune également sous une lumière jaune, mais vert sous une lumière verte, rouge sous une lumière rouge, et noir sous une lumière bleue. Couleur d un objet Citron sous différents éclairages Lumières froides La chimie peut également être à l origine d une émission de lumière. Un corps peut être une source primaire de lumière sans pour autant être chauffé. L excitation nécessaire à l émission d une «lumière froide» a alors différentes origines, autres que l absorption d un photon. Ainsi, certaines méduses émettent de la lumière par bioluminescence, un processus mettant en jeu des réactions biochimiques. Matériau sonoluminescent Méduse Il est également possible de créer de la lumière au sein d un objet par bioluminescente sonoluminescence, en le soumettant à des ondes sonores (ou plus précisément ultrasonores). Plus généralement, certains objets soumis à une contrainte, quelle qu elle soit, peuvent, lorsque les conditions sont favorables, émettre de la lumière. Certains bonbons, par exemple, sont triboluminescents. 5