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B) Emission et absorption de lumière par un gaz

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Nous venons de voir qu'un corps solide ou bien gazeux sous haute pression se comporte comme un corps noir qui, si sa température absolue est non nule, émet des ondes électromagnétique dans une plage continue de fréquences: c'est un continuum ( FIG 13):

Mais un gaz non comprimé ( car libre dans l'espace par exemple ), ionisé par une source de lumière proche va émettre un spectre d'émission: un spectre d'émission est une émission électromagnétique discontinue. On voit qu'il y a apparition de raies d'émission dans différentes longueurs d'ondes. Ces raies sont la signature des éléments chimiques composant le nuage de gaz ( FIG 14):

Ainsi, chaque élément lorsqu'il est exité émet dans certaines longueurs d'onde caractéristiques.

A l'inverse, un gaz froid placé entre l'observateur et une source de lumière blanche va absorber certaines longueurs d'onde spécifiques: c'est un spectre d'absorption, caractérisé par la présence des raies d'absorption. Les raies d'absorption, tout comme les raies d'émission sont la signature des éléments chimiques constituant le nuage de gaz. Les raies d'absorption et d'émission d'un même élément ont les mêmes longueurs d'onde ( FIG 15):

Explication des phénomènes d'émission / absorption par un gaz:

Nous venons de voir qu'un gaz, selon les conditions physiques dans lequelles il se situe, est capable d'absorber ou d'emettre des ondes électromagnétiques dans certaines longueurs d'ondes spécifiques. Nous allons tenter d'expliquer pourquoi un gaz composé exclusivement d'un élément chimique ( par exemple un nuage d'hydrogène ) émet ou absorbe cette lumière de longueur d'onde particulière.

Cette explication est du domaine de la physique quantique, et par conséquent, nous n'entrerons pas dans des détails techniques complexes, mais tenterons d'expliquer les choses le plus simplement possible.

Vous savez sans aucun doute que la matière est consitutée d'atomes et qu'un atome est constitué d'un noyau contenant des particules nommées nucléons ( nucléons = protons + neutrons ) autour duquel "gravitent" des électrons.

( FIG 16):

Cette image illustre l'idée classique de tout à chacun peut se faire d'un atome, avec des électrons en "orbite" autour du noyau atomique.

La physique quantique nous apprends que cette manière de se représenter la réalité est totalement fausse. Il faut absolument oublier l'image des électrons gravitant autour du noyau.

L'approche de la physique quantique est probabiliste: on peut ainsi définir, autour du noyau atomique , une portion d'espace ayant une très forte probabilité de contenir un électron donné. Cet espace probabiliste est nommé orbitale atomique.

Il se peut qu'un atome situé dans une orbitale de basse énergie soit hurté par un photon. Si et seulement si c'est un photon contenant la bonne quantité d'énergie ( déterminé par la fréquence et la longueur d'onde du rayonnement ), l'électron va sauter une orbitale, passant ainsi forcément dans une orbitale plus énergétique puisque l'atome était à l'état fondamental. L'atome passe alors de l'état fondamental à l'état exité. La différence d'énergie entre ces deux états ( delta E = En -Em, sur la FIG 18) correspond à l'énergie apportée par le photon absorbé ( E = h.f).

Si le photon qui hurte l'électron n'a pas la bonne quantité d'énergie pour faire passer l'électron donné dans une orbitale d'énergie supérieure, il n'est pas absorbé. C'est pour celà qu'un élement à l'état gazeux n'absorbe que certaines longueurs d'onde particulières.

Pour résumer, lors de l'exitation d'un atome, il y a transfert d'énergie du photon à l'électron: une longueur d'onde particulère du rayonnement électromagnétique a donc été absorbée créant une raie d'absorption.

Seulement voilà, l'état atomique le plus stable se trouve être celui de plus basse énergie, à savoir l'état fondamental. C'est à dire que lorsqu'un atome a été exité, l'électron qui a sauté une orbitale finit par redescendre ultérieurement dans une orbitale de plus basse énergie: l'atome revient dans son état fondamental. En passant d'un état n à un état m, l'électron a ainsi perdu une quantité d'énergie E = En-Em. Cette énergie va être relibérée sous la forme d'un photon de même énergie E=h.f . Une raie d'émission de fréquence f vient d'être crée.

Afin de mieux illustrer ces concepts, voici un petit schéma récapitulant tout ce long paragraphe ( FIG 18):

Pour résumer ce dossier, nous retiendrons que la lumière présente un comportement à la fois corpusculaire et ondulatoire: c'est la dualité onde corpuscule. Il existe des photons plus énergétiques que d'autres et ,de même, des longueurs d'ondes plus énergétiques que d'autres: ainsi, plus une longueur d'onde est grande, plus la fréquence est faible et moins la lumière monochromatique est énergétique. Les caractéristiques d'une lumière sont controlées par les propriétés de sa source, à savoir sa composition chimique, et les conditions de pression et de température ( et donc son état ) qu'il y règne.

Maintenant que nous sommes un peu plus familiarisé avec les propriétés physiques de la lumière, étudions la manière dont celle-ci se comporte dans des milieux transparents homogènes isotropes. Je vous propose pour celà un dossier sur l'optique géomètrique que vous trouverez ici.