Comment produit-on de la lumière ?
samedi 16 mars 2013 à 00:58Article science inside !
La lumière c’est ce que l’on voit, et sans elle il fait complètement noir. Au sens physique, il s’agit d’un objet d’étude particulièrement intéressant : il peut être vu comme un phénomène ondulatoire (diffractions) ou comme une particule (avec une impulsion et une « force »). La lumière est une forme d’énergie. Je pense que c’est plutôt un vecteur de déplacement d’énergie : la lumière transporte de l’énergie d’un point à une autre.
Cet article énumère quelques techniques de production de lumière, et vous verrez que derrière une flamme ou une lampe, il y a beaucoup de sciences.
En pratique, des deux formes prises par la lumière on en choisit une qui arrange pour le cas étudié. Dans ce qui suit, je ferais de même.
Il y a deux façons de produire de la lumière : l’incandescence et la luminescence. La luminescence regroupe en effet beaucoup de sous-méthodes différentes, bien que le phénomène de fond reste identique.
L’incandescence
C’est sûrement le cas le plus connu : une bougie, une torche, une lampe à incandescence produisent de la lumière parce qu’elles sont chaudes. Le corps humain aussi produit de la lumière, mais comme il est moins chaud la fréquence de l’onde est plus faible : c’est de l’infrarouge.
Physiquement, il s’agit de la loi de Wien : tout corps émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les fréquences mais dont la fréquence dominante est définie par sa température.
Un acier chauffé au rouge (900°C), une flamme jaune d’une bougie (1200°C) ou une étoile bleue (10000°C) ont des rayonnements respectifs de plus en plus énergétiques car la température est de plus plus en importante.
Tous les phénomènes qui suivent sont des variantes de la luminescence.
La luminescence est l’émission d’un photon (visible) par un électron excité. C’est le phénomène d’excitation de l’électron qui varie ici.
La fluorescence
C’est ce qui se passe sur un marqueur fluo, ou un tshirt blanc placé sous la lumière noire (UV) : le tshirt ou l’encre du feutre semblent émettre de la lumière. Les UV sont de la lumière hautement énergétique qui excite les électrons de certains matériaux (dont la pyranine utilisée dans les marqueurs fluo, ou l’uranium dans les verres ouraline). En se désexcitant le matériau émet une lumière de moindre énergie que celle qui l’a excitée.
La thermoluminescence
Ce n’est pas la même chose que l’incandescence : ici une faible température suffit à émettre un rayonnement plus énergétique que la source de chaleur elle-même : les électrons sont à un niveau d’énergie intermédiaire (acquise au fil du temps), la chaleur les fait monter sur un niveau plus haut d’où ils redescendent plus bas en émettant une lumière.
C’est un peu comme si vous poussez un chariot sur une colline : la monter en haut vous prend du temps, mais une fois en haut une simple pichenette suffit à faire redescendre le chariot.
L’énergie acquise au fil du temps provient par exemple de désintégration radioactive de minéraux d’une roche (potassium, uranium, carbone…). Comme c’est le temps qui détermine la quantité totale d’énergie absorbée par le matériau, et que la réchauffe agit comme la pichenette : la mesure de la thermoluminescence permet de voir l’âge de l’objet depuis son dernier refroidissement. La méthode de datation pour les objets préhistoriques comme les poteries cuites (la cuisson originelle remettant le compteur énergétique à zéro) utilise cette méthode là où le carbone 14 ne suffit plus.
La chimioluminescence
L’énergie d’excitation des électrons est livrée ici des suites d’une réaction chimique. En se réarrangeant, les molécules gagnent en stabilité chimique et donc peuvent libérer une partie de l’énergie qu’elles avaient avant la réaction. C’est ce qui se passe dans les sticks lumineux : au départ on dispose de deux produits et en brisant la fiole intérieure on les met en contact. La réaction étant lente et progressive, l’émission de lumière est elle aussi étalée dans le temps.
C’est le phénomène lumineux similaire au phénomène d’exothermie.
La bioluminescence
C’est une forme de chimioluminescence, qui se produit dans les êtres vivants, comme les lucioles, certaines méduses ou quelques formes de plancton.
La phosphorescence
C’est également une forme de luminescence progressive et étalée dans le temps. La différence avec la chimioluminescence, c’est que cette dernière distribue l’énergie de départ progressivement et la ré-émission est instantanée, alors qu’ici c’est l’inverse : l’absorption est instantanée mais l’émission est progressive. C’est à cause d’un état énergétique intermédiaire, qui elle prend du temps à être occupée par les électrons. J’en avais déjà parlé.
La radioluminescence
C’est la fluorescence dont l’énergie de départ est fournie par une désintégration radioactive. Ce n’est pas la thermoluminescence car l’énergie n’est pas accumulée mais ré-émise tout de suite. Cette fois, l’énergie primaire est également émise sur une longue période (1600 ans pour le radium), donc les objets radioluminescents brillent en continu.
Comme la désintégration radioactive des atomes d’un échantillon ne se produisent pas en même temps, de la lumière est produite en continu. En fait, les vieilles montres dont les aiguilles brillent dans le noir (même sans les avoir éclairées avant) sont des réacteurs nucléaires miniatures. Le composé qui se désintègre est souvent le radium.
La cathodoluminescence
L’émission de lumière par fluorescence par choc avec un électron énergétique. La source d’énergie est une particule hautement énergétique. Cette particule transmet une partie de l’énergie cinétique à un électron d’un atome, cet atome se désexcitant à son tour en libérant un photon.
C’est ce qui se passe pour les aurores polaires, les télé à écran cathodique ou les microscopes électroniques à balayage (ces derniers envoient des électrons sur la surface à examiner et captent la lumière reçue en retour.
La lumière par la force.
Non, pas question de Jedi. C’est l’émission lumineuse par la rupture de la maille d’une structure cristalline. Ça se nomme la triboluminescence.
La lumière par la vitesse (effet Cerenkov, ou mur de la lumière).
L’effet Cerenkov est à la lumière ce que le bang supersonique est à au son : dans l’eau par exemple, la lumière est ralentie suffisamment pour être rattrapée par des particules en mouvement. Il se produit alors un flash lumineux bleuâtre observé dans les centrales nucléaires ou dans les détecteurs de neutrinos à eau lourde.
Source d’une partie des informations : http://uvminerals.org/fms/luminescence
La lumière c’est ce que l’on voit, et sans elle il fait complètement noir. Au sens physique, il s’agit d’un objet d’étude particulièrement intéressant : il peut être vu comme un phénomène ondulatoire (diffractions) ou comme une particule (avec une impulsion et une « force »). La lumière est une forme d’énergie. Je pense que c’est plutôt un vecteur de déplacement d’énergie : la lumière transporte de l’énergie d’un point à une autre.Cet article énumère quelques techniques de production de lumière, et vous verrez que derrière une flamme ou une lampe, il y a beaucoup de sciences.
En pratique, des deux formes prises par la lumière on en choisit une qui arrange pour le cas étudié. Dans ce qui suit, je ferais de même.
Il y a deux façons de produire de la lumière : l’incandescence et la luminescence. La luminescence regroupe en effet beaucoup de sous-méthodes différentes, bien que le phénomène de fond reste identique.
L’incandescence
C’est sûrement le cas le plus connu : une bougie, une torche, une lampe à incandescence produisent de la lumière parce qu’elles sont chaudes. Le corps humain aussi produit de la lumière, mais comme il est moins chaud la fréquence de l’onde est plus faible : c’est de l’infrarouge.
Physiquement, il s’agit de la loi de Wien : tout corps émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les fréquences mais dont la fréquence dominante est définie par sa température.
Un acier chauffé au rouge (900°C), une flamme jaune d’une bougie (1200°C) ou une étoile bleue (10000°C) ont des rayonnements respectifs de plus en plus énergétiques car la température est de plus plus en importante.
Tous les phénomènes qui suivent sont des variantes de la luminescence.
La luminescence est l’émission d’un photon (visible) par un électron excité. C’est le phénomène d’excitation de l’électron qui varie ici.
La fluorescence
C’est ce qui se passe sur un marqueur fluo, ou un tshirt blanc placé sous la lumière noire (UV) : le tshirt ou l’encre du feutre semblent émettre de la lumière. Les UV sont de la lumière hautement énergétique qui excite les électrons de certains matériaux (dont la pyranine utilisée dans les marqueurs fluo, ou l’uranium dans les verres ouraline). En se désexcitant le matériau émet une lumière de moindre énergie que celle qui l’a excitée.
La thermoluminescence
Ce n’est pas la même chose que l’incandescence : ici une faible température suffit à émettre un rayonnement plus énergétique que la source de chaleur elle-même : les électrons sont à un niveau d’énergie intermédiaire (acquise au fil du temps), la chaleur les fait monter sur un niveau plus haut d’où ils redescendent plus bas en émettant une lumière.
C’est un peu comme si vous poussez un chariot sur une colline : la monter en haut vous prend du temps, mais une fois en haut une simple pichenette suffit à faire redescendre le chariot.
L’énergie acquise au fil du temps provient par exemple de désintégration radioactive de minéraux d’une roche (potassium, uranium, carbone…). Comme c’est le temps qui détermine la quantité totale d’énergie absorbée par le matériau, et que la réchauffe agit comme la pichenette : la mesure de la thermoluminescence permet de voir l’âge de l’objet depuis son dernier refroidissement. La méthode de datation pour les objets préhistoriques comme les poteries cuites (la cuisson originelle remettant le compteur énergétique à zéro) utilise cette méthode là où le carbone 14 ne suffit plus.
La chimioluminescence
L’énergie d’excitation des électrons est livrée ici des suites d’une réaction chimique. En se réarrangeant, les molécules gagnent en stabilité chimique et donc peuvent libérer une partie de l’énergie qu’elles avaient avant la réaction. C’est ce qui se passe dans les sticks lumineux : au départ on dispose de deux produits et en brisant la fiole intérieure on les met en contact. La réaction étant lente et progressive, l’émission de lumière est elle aussi étalée dans le temps.
C’est le phénomène lumineux similaire au phénomène d’exothermie.
La bioluminescence
C’est une forme de chimioluminescence, qui se produit dans les êtres vivants, comme les lucioles, certaines méduses ou quelques formes de plancton.
La phosphorescence
C’est également une forme de luminescence progressive et étalée dans le temps. La différence avec la chimioluminescence, c’est que cette dernière distribue l’énergie de départ progressivement et la ré-émission est instantanée, alors qu’ici c’est l’inverse : l’absorption est instantanée mais l’émission est progressive. C’est à cause d’un état énergétique intermédiaire, qui elle prend du temps à être occupée par les électrons. J’en avais déjà parlé.
La radioluminescence
C’est la fluorescence dont l’énergie de départ est fournie par une désintégration radioactive. Ce n’est pas la thermoluminescence car l’énergie n’est pas accumulée mais ré-émise tout de suite. Cette fois, l’énergie primaire est également émise sur une longue période (1600 ans pour le radium), donc les objets radioluminescents brillent en continu.
Comme la désintégration radioactive des atomes d’un échantillon ne se produisent pas en même temps, de la lumière est produite en continu. En fait, les vieilles montres dont les aiguilles brillent dans le noir (même sans les avoir éclairées avant) sont des réacteurs nucléaires miniatures. Le composé qui se désintègre est souvent le radium.
La cathodoluminescence
L’émission de lumière par fluorescence par choc avec un électron énergétique. La source d’énergie est une particule hautement énergétique. Cette particule transmet une partie de l’énergie cinétique à un électron d’un atome, cet atome se désexcitant à son tour en libérant un photon.
C’est ce qui se passe pour les aurores polaires, les télé à écran cathodique ou les microscopes électroniques à balayage (ces derniers envoient des électrons sur la surface à examiner et captent la lumière reçue en retour.
La lumière par la force.
Non, pas question de Jedi. C’est l’émission lumineuse par la rupture de la maille d’une structure cristalline. Ça se nomme la triboluminescence.
La lumière par la vitesse (effet Cerenkov, ou mur de la lumière).
L’effet Cerenkov est à la lumière ce que le bang supersonique est à au son : dans l’eau par exemple, la lumière est ralentie suffisamment pour être rattrapée par des particules en mouvement. Il se produit alors un flash lumineux bleuâtre observé dans les centrales nucléaires ou dans les détecteurs de neutrinos à eau lourde.
Source d’une partie des informations : http://uvminerals.org/fms/luminescence