Comment différencier les sources lumineuses

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CH 2 : Couleur des objets, Sources de lumière colorée
1. Comment différencier les sources lumineuses
Les sources de lumière peuvent être des sources chaudes dont l'émission est d'origine thermique (lampes
à incandescences, Soleil, etc.) ou des sources froides dont l'émission a lieu sans échauffement particulier
(lampes fluocompactes, lasers, etc.).
Pour obtenir le spectre d’une source de lumière, il faut utiliser un système dispersif (réseau ou prisme) :
Schéma d’obtention d’un spectre.
Fente
Systéme
dispersif
Ecran
Source de
lumière
Le spectre de la lumière émise par une source peut être constitué d'une seule raie ou de plusieurs raies;
Une source monochromatique émet une seule radiation.
Une source polychromatique émet plusieurs radiations.
Une radiation est caractérisée par sa longueur d'onde  (lambda) dans le vide.
La longueur d'onde , dans le vide, et la fréquence v d'une radiation lumineuse sont liées par la relation

c

 s'exprime en mètre (m), v en hertz (Hz), c est la vitesse de la lumière dans le vide :
c = 3 x 108 m.s-1
Dans le vide ou dans l'air, les radiations visibles ont des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et
800 nm environ. Elles sont limitées par les ultraviolets ( < 400 nm) et par les infrarouges ( > 800
nm).
2. La lumière émise par une source chaude dépendelle de sa température?
La température de la surface d'un corps chaud est reliée à la
longueur d'onde max de la radiation émise par ce corps avec
le maximum d'intensité. C'est la loi de Wien :
max  T  cst  2,898 103 m.K
max s'exprime en mètre et T en degré Kelvin (K).
La relation entre la température en degré kelvin T(K) et la
température en degré Celsius T(°C) est :
T(K)  T(C)  273,15
La couleur d'une source est liée à l'allure globale de son
profil spectral. Une source de couleur bleue est plus chaude
qu'une source de couleur rouge
3. Le spectre du soleil :
Les raies noires du spectre de la lumière provenant du Soleil ou les minima d'intensité lumineuse de son
profil spectral permettent d'identifier les entités chimiques présentes dans son atmosphère. En effet, les
longueurs d'onde des radiations absorbées sont caractéristiques de chaque entité chimique.
Ainsi l'étude du document ci-dessous montre la présence d'hydrogène, de magnésium et de sodium dans
l'atmosphère solaire. Par exemple, les longueurs d'onde dans le vide caractéristiques de l'hydrogène (434
nm, 486 nm, 656 nm) correspondent à des minima d'intensité lumineuse du profil spectral du Soleil.
4. Quelle est l'origine de rémission de lumière par une source froide?
4.1. Energie d’un photon :
Depuis les travaux d'Albert EINSTEIN publiés en 1905, on considère que la lumière est constituée de
corpuscules, les photons. On parle de modèle corpusculaire.
L'énergie de la lumière est transportée par des photons.
Pour une radiation de longueur d'onde  (m) dans le vide et de fréquence v (Hz), chaque photon
transporte un quantum d'énergie :
Cette énergie s'exprime en joule (J) par la relation:
h
h est la constante de Planck : h = 6,63 x 10-34 J . s;
c est la vitesse de la lumière dans le vide : c = 3 x 108 m.s-1.
c

 h 
On parlera par la suite d'un photon de longueur
 d'onde  dans le vide et de fréquence v.
Les valeurs des énergies des atomes exprimées en joule (J) étant extrêmement faibles, on utilisera souvent
comme unité d'énergie l'électron-volt (eV) : 1 eV = 1,60 x 10-19 J.
4.2. Quantification de l'énergie des atomes :
Comme l'a postulé Niels BOHR en 1913, l'énergie d'un atome
ne peut prendre que certaines valeurs.
Un atome ne peut exister que dans des états bien définis,
chaque état étant caractérisé par un niveau d'énergie. L'énergie
d'un atome est quantifiée.
Le diagramme de niveaux d'énergie d'un atome représente
les niveaux d'énergie possibles de cet atome.
L'état de plus basse énergie correspond à l'état fondamental :
c'est l'état stable de l'atome.
Les autres états, d'énergie supérieure, sont qualifiés d'états
excités. Il en existe une infinité.
Dans l'état d'énergie nulle, l'atome est ionisé.
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4.3 Émission de lumière :
Un atome excité (par décharge électrique, absorption de
lumière, etc) retourne spontanément à son état fondamentale
ou à un état d’énergie plus faible, en emettant un photon qui
emporte l’énergie cédée par l’atome.
Awass
Au cours d'une transition d'un niveau supérieur Esup à un
niveau inférieur Einf , l'énergie de l'atome diminue de E.
L'atome émet alors un photon de même énergie. Cela se
traduit par l'émission d'une radiation de longueur d'onde dans
le vide  telle que :
c
E  E sup  E inf  h   h  

E s'exprime en joule (J),  en mètre (m) et v en hertz (Hz).
Par exemple, au cours de la transition du niveau 4 au niveau
1, l'énergie de l'atome de lithium diminue de
E  Esup  Einf  1,51  (3,54)  2,03eV .
Conversion en joule :
E  2,03 1,6.10 19  3,248.10 19 J
Calcul de  :
h.c 6,63.10 34  3.108


 6,12.10 7 m  612nm
E
3,248.10 19
4.4. Absorption de lumière :
Un atome émet un photon quand il passe d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur.
Il peut aussi absorber un photon de même énergie lorsqu'il passe du niveau inférieur Einf au niveau
supérieur Esup .
Cela explique la présence de raies noires dans les spectres d'absorption étudiés en classe de Seconde.
Cela explique également pourquoi, pour une même entité chimique, les raies noires du spectre
d'absorption ont les mêmes longueurs d'onde dans le vide que les raies colorées du spectre d'émission.