Fiche de révision : Les photons et l'interaction matière-lumière

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 $E$ est proportionnelle à la fréquence $\nu$ de l’onde associée :

$$\begin{aligned} E&=h\times\nu \\ &=\dfrac{h\times c}{\lambda} \end{aligned}$$

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 ($\text{eV}$) est une unité de mesure de l’énergie plus adaptée aux énergies atomiques que le joule, étant très faibles :

$$1\ \text{eV}=1,6\times10^{-19}\ \text{J}$$

• 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 $E_n$ :

$$E_n=\dfrac{E_1}{n^2}$$

• Avec $n$, appelé nombre quantique principal, qui est un nombre entier supérieur ou égal à $1$.
• L’énergie $E_1$ est donc à ce titre appelée énergie de première ionisation.
• Un atome absorbe de la lumière lorsque celle-ci a une énergie $E$ :

$$E=E_{\text{sup}}-E_{\text{inf}}$$

• 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 $E_{\text{sup}}$, à un état moins excité, d’énergie inférieure $E_{\text{inf}}$. Le photon émis a alors une énergie $E$ :

$$E=E_{\text{sup}}-E_{\text{inf}}$$

• 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 $E>\vert E_1\vert$, 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.