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Propagation et décomposition de la lumière

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Introduction :

La lumière est un élément essentiel de notre quotidien. Toute la journée, de notre réveil jusqu’à l’heure de se rendormir la lumière nous accompagne dans chacun de nos gestes. En journée, la lumière naturelle nous éclaire et le soir, quand le soleil se couche, les lumières artificielles reprennent le relais. Cependant, cet élément anodin de notre quotidien est un phénomène physique précis dont la présence naturelle explique en partie l’existence et la survie de l’espèce humaine sur terre.

Dans une première partie, ce cours traitera de la propagation de la lumière dans un milieu transparent et de sa vitesse de propagation. Une seconde partie sera consacrée à l’introduction des spectres d’émission et de leurs spécificités. La dernière partie permettra de lier les spectres d’émission à la grandeur physique caractérisant un rayonnement : la longueur d’onde.

Propagation de la lumière

La lumière

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À retenir

La lumière correspond à un déplacement d’énergie sans transport de matière, elle est décrite comme une onde électromagnétique périodique et fait partie du spectre électromagnétique.

Le spectre électromagnétique décrit de l’ensemble des rayonnements électromagnétiques classés selon leur fréquence, leur longueur d’onde ou leur énergie.

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Rappel

On peut classer les ondes électromagnétiques dans 7 grandes catégories, que nous présentons ci-dessous par leur longueur d’onde croissante.

spectre électromagnétique

  • La lumière peut donc se décomposer en différentes couleurs.

La grandeur physique qui caractérise la couleur de la lumière est la longueur d’onde, notée λ\lambda.

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Exemple

Quand la longueur d’onde est comprise entre 350350 et 400400 nanomètres (nm)(\text{nm}), la lumière est de couleur violette.
Quand la longueur d’onde est proche de 700nm700\,\text{nm}, la lumière est de couleur rouge.

Propagation de la lumière

La propagation d’une onde électromagnétique résulte du mouvement de champs magnétiques et électriques normaux entre eux et d’énergie, à partir d’une source lumineuse jusqu’au récepteur.
Il existe deux types de source de lumière.

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Définition

Source primaire :

La source lumineuse primaire produit et émet la lumière.

Une source primaire peut être naturelle tel que le Soleil, car il émet un rayonnement lumineux produit par lui-même, ou artificielle tels que les lampes ou les lasers.

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Définition

Source secondaire :

La source lumineuse secondaire renvoit une partie de la lumière qu’elle reçoit.

Une source secondaire peut être naturelle telles que la Lune ou les fleurs, mais aussi artificielle tels que les murs ou les objets. Les sources lumineuses secondaires ne sont visibles qu’en présence d’une source lumineuse primaire.

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À retenir

Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage de façon rectiligne, c’est-à-dire en ligne droite de la source au récepteur.

Propagation rectiligne de la lumière Propagation rectiligne de la lumière

D’une part, contrairement au son, la lumière ne nécessite pas un milieu matériel pour se propager. Elle peut donc se propager dans le vide mais uniquement dans des milieux transparents. D’autre part, comme le son, la vitesse de propagation de la lumière dépend du milieu de propagation.

Voici quelques valeurs que peut prendre la vitesse de propagation de la lumière dans différents milieux (valeurs approchées et arrondies) :

Milieu de propagation Vitesse de propagation de la lumière (ms1\text{m}\cdot\text{s}^{-1})
Le vide 3,00×1083,00 \times 10^8
L’air 3,00×1083,00 \times 10^8
L’eau 2,25×1082,25 \times 10^8
Le verre 2,00×1082,00 \times 10^8

La vitesse de la lumière est quasiment identique dans le vide et dans l’air, mais diminue considérablement dans l’eau et dans le verre.

Spectre d’émission

La lumière émise par une source peut être décomposée par un milieu dispersif, tel qu’un prisme, pour donner le spectre d’émission.

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Définition

Spectre d’émission :

Un spectre d’émission décompose la lumière en fonction de la longueur d’onde.

On distingue deux types de spectre d’émission :

  • spectre continu, constitué de l’ensemble des rayonnements du spectre visible ;
  • spectre de raies, constitué de plusieurs raies discontinues, seuls certains rayonnement sont émis.

Spectre continu

Prenons comme exemple, la lumière du Soleil dite lumière blanche. Nous la faisons passer dans un prisme, afin d’observer le spectre d’émission suivant :

Spectre continu, prisme, lumière blanche Spectre continu

Le spectre d’émission de la lumière du Soleil est un spectre continu, constitué de l’ensemble des rayonnements correspondants aux longueurs d’onde comprises entre 350350 et 750nm750\, \text{nm}. Ce spectre continu s’étend du violet au rouge.

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Définition

Lumière blanche :

La lumière blanche est une lumière regroupant l’ensemble des rayonnements du spectre visible.

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À retenir

Le spectre d’émission d’un corps lumineux dépend de la température. De façon générale, le spectre d’émission d’un corps chaud est un spectre continu d’origine thermique.

Quand un corps est chauffé, son spectre d’émission s’enrichit dans une zone spectrale à grande énergie donc à courte longueur d’onde. Ainsi, quand un corps est chauffé, son spectre d’émission s’élargit du rouge vers le violet qui progressivement correspondra au spectre visible, jusqu’à émettre une lumière blanche.

  • Autrement dit, lorsque la température (intensité) augmente, le spectre du corps lumineux s’élargit progressivement vers le violet.

Spectre d’émission d’un corps chaud en fonction de la température Spectre d’émission d’un corps chaud en fonction de la température

Ce phénomène est un principe physique fondamental que nous aborderons, en classe de première, dans le cours « Les photons et l’interaction matière-lumière ».

  • La lumière émise par un corps chaud donne une information sur sa température.

Spectre de raies

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À retenir

Un gaz à basse pression, que l’on excite à l’aide de décharge électrique, émet une lumière composée d’un ou plusieurs rayonnements de longueurs d’onde différentes. Le spectre obtenu est discontinu, c’est un spectre de raies.

Par exemple, si nous faisont passer la lumière d’une lampe à hélium, dont le fonctionnement se base sur l’excitation et la désexcitation d’atomes d’hélium qui émettent une lumière jaune-orange, à travers un prisme, nous observons le spectre suivant :

Spectre de raies de l’hélium Spectre de raies de l’hélium

Le spectre d’émission de la lampe à hélium est un spectre de raies comportant une raie bleue, une raie verte, deux raies jaunes, une raie orange et une raie rouge.
Ce spectre de raie est la signature de l’hélium (He)(\text{He}), en effet chaque élément chimique a un spectre d’émission qui lui est propre. Le spectre de raies est donc discontinu, cela signifie que seuls certains rayonnements colorés sont émis.

  • Les spectres d’émissions permettent de reconnaître un gaz et donc d’apporter des informations sur sa composition.
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Définition

Lumière monochromatique :

Le spectre d’émission d’une lumière ne comportant qu’une seule raie est dit monochromatique, c’est-à-dire constitué d’un seul rayonnement avec une longueur d’onde unique.

Les lasers sont des sources lumineuses primaires monochromatiques.

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Exemple

Le spectre d’émission d’un laser émettant une lumière bleue est le suivant :

Spectre d’émission d’un laser, lumière monochromatique Spectre d’émission d’un laser

Ainsi le rayonnement émis par ce laser a une longueur d’onde de 480nm480\,\text{nm}.

Conclusion :

La lumière est un phénomène physique essentielle à notre survie qui se propage dans le vide et dans tous matériels transparents. Cependant, elle est sujette à plusieurs spécificités.

  • Selon le milieu de propagation, la vitesse de la lumière est plus ou moins proche de sa plus grande vitesse de propagation possible : dans le vide.
  • Selon la nature de la source lumineuse, le spectre d’émission de la lumière peut être continu ou constitué de raies. En effet, quand une espèce chimique est excitée, elle émet un spectre d’émission qui lui est propre.
  • Selon la température, un corps n’émet pas toujours le même spectre d’émission d’origine thermique. En effet, quand un corps est chauffé, son spectre d’émission s’élargit et devient continu sur toute la plage spectrale de la lumière visible (de 350350 à 750nm750\,\text{nm}).
  • Lorsqu’une espèce chimique émet une lumière composée d’un seul rayonnement coloré, correspondant à une longueur d’onde unique, son spectre d’émission aura la spécificité d’être monochromatique.