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Les photons et l'interaction matière-lumière
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Introduction :
Nous avons vu dans le chapitre précédent que la lumière peut être décrite comme une onde.
Mais cette description n’est pas unique. Nous allons voir dans ce chapitre comment la lumière peut être aussi décrite comme une particule notamment au travers de l’effet photoélectrique, et nous étudierons de quelle manière réagit la matière soumise à un rayonnement lumineux.
Modèle particulaire de la lumière
Le photon
La lumière peut être décrite comme un ensemble de particules élémentaires : les photons.
Photon :
Le photon est un quantum d’énergie (un « petit paquet ») associé au rayonnement électromagnétique et qui se comporte comme une particule élémentaire.
Propriétés d’un photon
Comme les particules matérielles, un photon est caractérisé, notamment, par une énergie.
Avec :
Interaction lumière-matière
La matière réagit de différentes manières vis-à-vis de la lumière. Étudions cela en détail.
Niveaux d’énergie
Une des propriétés atomiques les plus remarquables, et qui a mené au développement de la physique quantique, est l’organisation des électrons autour du noyau.
Le premier modèle, celui de Rutherford, se fondait sur une analogie avec le système planétaire, mais, contrairement à celui-ci, les électrons ne peuvent pas avoir n’importe quelle orbite ni n’importe quelle énergie, ce qui a mené à l’élaboration du modèle de Bohr.
Niveaux d’énergie :
Les électrons ne sont pas répartis de manière aléatoire dans l’atome. Ils ne peuvent orbiter autour du noyau qu’à des niveaux d’énergie répartis de manière discrète.
Nous étudierons ici ce modèle dans le cas de l’hydrogène, atome le plus simple à étudier, mais ces notions sont applicables à tous les atomes.
Niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène
État fondamental :
L’état de plus faible énergie est appelé « état fondamental ». Il correspond à l’orbite la plus proche du noyau.
Pour l’hydrogène, l’énergie de son état fondamental est :
L’électron-volt () est une unité de mesure de l’énergie plus adaptée aux énergies atomiques que le joule, étant très faibles :
L’énergie de l’état fondamental de l’hydrogène est donc de :
États excités :
Les niveaux d’énergie supérieure, correspondant à des orbites de plus en plus éloignées du noyau et appelés « états excités », sont caractérisés par une énergie :
Avec , appelé nombre quantique principal, qui est un nombre entier supérieur ou égal à .
Quand tend vers l’infini, l’électron est de plus en plus éloigné du noyau, jusqu’à quitter son attraction. Il se retrouve alors immobile avec une énergie potentielle nulle, d’où une énergie totale nulle.
Plus généralement, la énergie d’ionisation est l’énergie requise pour arracher le électron après que les premiers électrons ont été arrachés.
Interaction lumière-matière
Un électron en orbite autour de son noyau peut changer d’orbite et donc de niveau d’énergie. On dit qu’il se produit une transition d’un état vers un autre. Il se produit alors une émission ou une absorption de lumière.
Un atome absorbe de la lumière lorsque celle-ci a une énergie :
et () sont les énergies de deux niveaux d’énergie différents.
Excitation d’un atome par absorption d’un photon
Un atome émet de la lumière lorsqu’un électron passe d’un état excité, d’énergie , à un état moins excité, d’énergie inférieure . Par simple conservation de l’énergie, le photon émis a une énergie :
Désexcitation d’un atome par émission d’un photon
Spectres d’absorption et d’émission de l’atome d’hydrogène
Un atome ne pouvant émettre que des photons qu’il est susceptible d’absorber, les raies d’absorption correspondent donc obligatoirement aux raies d’émission.
L’énergie d’un tel photon se calcule facilement et nous donne comme résultat :
Les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène, nous l’avons vu plus haut, nous montre :
Cette différence d’énergie correspond donc à l’énergie d’un photon de longueur d’onde égale à .
Cela implique que l’atome d’hydrogène est susceptible d’absorber un tel photon, l’électron orbitant autour du noyau d’hydrogène passant alors de l’état d’énergie à l’état d’énergie , un tel rayonnement ne pourra donc pas traverser l’hydrogène car il sera absorbé.
Calculons l’énergie d’un tel photon :
Une analyse du diagramme d’énergie de l’hydrogène montre qu’aucune transition entre deux niveaux d’énergie différents ne correspond à une telle valeur.
Cela implique que l’atome d’hydrogène ne pourra absorber de tels photons, ceux-ci traverseront l’hydrogène sans encombre et sans être absorbés.
Effet photoélectrique
La preuve de l’aspect corpusculaire de la lumière est l’effet photoélectrique qui se produit lorsqu’un matériau, soumis à un rayonnement lumineux, émet un courant électrique.
Si un matériau est soumis à un rayonnement lumineux d’énergie , l’électron quitte alors l’attraction de l’atome et se retrouve doté d’énergie cinétique, donc de vitesse. Il s’ensuit un déplacement d’électrons et donc un courant électrique.
Effet photoélectrique
Cet effet est notamment à la base des cellules photovoltaïques qui forment une des sources d’énergie renouvelable.
Conclusion :
Nous avons ensemble vu que les électrons en orbite autour d'un noyau atomique ne peuvent avoir que des énergies discrètes et quantifiées et qu'un électron peut passer d'un état à l'autre sous certaines conditions.
Ces mécanismes ne peuvent être expliqués par le modèle ondulatoire de la lumière et impliquent de traiter la lumière comme une particule nommée photon.
Les électrons peuvent transiter vers un état d'énergie supérieure en absorbant un photon d'énergie adéquate ou transiter vers un état d'énergie inférieure en émettant un photon d'énergie prédéfinie.
Ces interactions ne se limitent pas seulement aux émissions ou absorptions de photons, mais les autres types d’interactions ne sont pas au programme du lycée.
Il est important de bien comprendre que la lumière se comporte de différentes manières, tantôt comme une onde, tantôt comme une particule.
Cet aspect très important est à la base du développement d’une des plus grandes théories physiques du XXe siècle, à savoir la théorie quantique.
L’effet photoélectrique, notamment, est très important à comprendre, car il permet une production continue d’électricité, technologie en plein essor et destinée à connaître de grands bouleversements dans les années à venir.