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 E est proportionnelle à la fréquence ν de l’onde associée :
E=h×ν=λh×c
h≈6,626×10−34J⋅s, la constante de Planck c≈3×108m⋅s−1 la célérité de la lumière dans le vide λ 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) est une unité de mesure de l’énergie plus adaptée aux énergies atomiques que le joule, étant très faibles :
1eV=1,6×10−19J
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 En :
En=n2E1
Avec n, appelé nombre quantique principal, qui est un nombre entier supérieur ou égal à 1.
L’énergie E1 est donc à ce titre appelée énergie de première ionisation.
Un atome absorbe de la lumière lorsque celle-ci a une énergie E :
E=Esup−Einf
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 Esup, à un état moins excité, d’énergie inférieure Einf. Le photon émis a alors une énergie E :
E=Esup−Einf
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>∣E1∣, 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.