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Les photons et l'interaction matière-lumière

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Modèle particulaire de la lumière

  • La lumière peut être décrite comme un ensemble de particules élémentaires : les photons.
  • Le photon est un quantum d’énergie (un « petit paquet ») associé au rayonnement électromagnétique et qui se comporte comme une particule élémentaire.
  • Un photon est caractérisé par une énergie et une impulsion.
  • L’énergie d’un photon EE est proportionnelle à la fréquence ν\nu de l’onde associée :

E=h×ν=h×cλ\begin{aligned} E&=h\times\nu \ &=\dfrac{h\times c}{\lambda} \end{aligned}

h6,626×1034 Jsh\approx6,626\times10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}, la constante de Planck
c3×108 ms1c\approx3\times10^8\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1} la célérité de la lumière dans le vide
λ\lambda la longueur d’onde

Interaction lumière-matière

  • 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.
  • À chaque orbite sont associés un état et un niveau d’énergie.
  • L’état de plus faible énergie est appelé « état fondamental ». Il correspond à l’orbite la plus proche du noyau.
  • L’électron-volt (eV\text{eV}) est une unité de mesure de l’énergie plus adaptée aux énergies atomiques que le joule, étant très faibles :

1 eV=1,6×1019 J1\ \text{eV}=1,6\times10^{-19}\ \text{J}

  • 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 EnE_n :

En=E1n2En=\dfrac{E1}{n^2}

  • Avec nn, appelé nombre quantique principal, qui est un nombre entier supérieur ou égal à 11.
  • L’énergie E1E_1 est donc à ce titre appelée énergie de première ionisation.
  • Un atome absorbe de la lumière lorsque celle-ci a une énergie EE :

E=EsupEinfE=E{\text{sup}}-E{\text{inf}}

  • L’électron passe ainsi à un état plus excité.
  • Le spectre de la lumière absorbée présente donc des raies noires discrètes sur un fond continu.
  • Un atome émet de la lumière lorsqu’un électron passe d’un état excité, d’énergie EsupE{\text{sup}}, à un état moins excité, d’énergie inférieure EinfE{\text{inf}}. Le photon émis a alors une énergie EE :

E=EsupEinfE=E{\text{sup}}-E{\text{inf}}

  • Le spectre de la lumière émise présente un fond noir continu, caractéristique de l’absence de lumière émise, entrecoupé de raies lumineuses discrètes.
  • 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.
  • Si un matériau est soumis à un rayonnement lumineux d’énergie E>E1E>\vert E_1\vert, 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.