Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière

La lumière est-elle une onde, une particule ou bien les deux à la fois ? Comment fonctionne un LASER ? Comment déterminer la composition d’une atmosphère extraterrestre ? Tout cela sera abordé dans cette fiche sur les modèles ondulatoire et corpusculaire de la lumière. Puisque l’on va parler d’ondes, je te conseille de lire la fiche dédiée.

La lumière, une onde

1. Propriétés ondulatoires

Un premier modèle de la lumière est celui de l’onde électromagnétique: la lumière est une onde, qui a une amplitude, une fréquence, une célérité, une longueur d’onde, etc.

Dans ce cadre, on peut appliquer les formules classiques des ondes. On peut alors relier longueur d’onde \lambda (période spatiale, en m) et fréquence f (en Hz) grâce à sa célérité c (en m/s):

\lambda = \dfrac{c}{f} , avec c = 3.10^{8} m/s

Ou bien, fréquence f (en Hz) et période T (temporelle, en s):

T = \dfrac{1}{f}

De plus, la lumière doit être une onde car elle possède des propriétés qui sont exclusivement ondulatoires:

  • Elle peut être diffractée par un obstacle ou une ouverture
  • Elle peut entraîner un phénomène d’interférences
  • Sa fréquence (et donc aussi sa longueur d’onde) peut changer à cause de l’effet Doppler (effet de redshift en astrophysique)

2. Spectre électromagnétique

Ainsi, toutes les ondes lumineuses ne sont pas les mêmes: elles n’ont pas forcément la même fréquence, ou longueur d’onde par exemple. Il faut donc les classer.

Selon les différentes valeurs de longueur d’onde, les ondes électromagnétiques appartiennent à des catégories différentes, représentées dans le spectre électromagnétique:

Module ondualtoire

De 400 à 800 nm, c’est le spectre visible, allant du violet au rouge (suivant les couleurs de l’arc-en-ciel). C’est la seule plage de longueur d’onde visible par l’Homme.

Au-delà de 800 nm (rouge) se trouvent les domaines de l’infrarouge, des micro-ondes et des ondes radio.

En dessous de 400 nm (violet), il y a le domaine ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma.

La lumière, une particule

Pourtant, dans certains cas, le modèle ondulatoire de la lumière ne suffit plus pour décrire les phénomènes que l’on observe. L’effet photoélectrique (étudié par Einstein en 1905 qui lui donnera le prix Nobel en 1921, et que vous verrez de manière plus détaillée en Terminale) semble indiquer que l’énergie de la lumière est quantifiée, découpée en petits paquets, chaque paquet étant une particule de lumière.

Les transferts d’énergie entre lumière et matière sont discontinus et quantifiés, ils se font par des paquets d’énergie (des quantas) que l’on appelle photons.

1. Propriétés du photon

Le photon, c’est une particule de masse nulle, qui se déplace à la vitesse de la lumière c, et qui porte une radiation lumineuse de fréquence \nu (en Hz) prononcé “nu”.

Son énergie E (en Joules J) se calcule:

E = h.\nu = \dfrac{h.c}{\lambda}

avec h= 6.63.10^{-34} J.s la constante de Planck.

Attention

Dans les formules, l’énergie doit être en Joules. Souvent, on trouvera des énoncés avec des énergies en électron-volt (eV). Il faut faire attention à bien convertir en Joules avec: 1 eV = 1.6.10^{-19} J (un résultat en eV doit toujours être “beaucoup plus grand” qu’un résultat en Joules)

2. Quantification d’énergie

On en a parlé avec l’effet photoélectrique, un point important de la lumière et donc du photon, c’est son interaction avec la matière.

La matière est faite d’atomes. Ces atomes sont faits d’un noyau entouré d’électrons. Ces électrons sont situés sur des couches. Lorsqu’un atome est dans son état fondamental (l’état le plus stable possible), ses électrons sont sur les couches les plus basses.

L’énergie de l’atome dépend notamment de sur quelles couches sont ses électrons. Or, les couches sont discontinues, les différentes énergies que peut avoir l’atome sont alors aussi discontinues, elles sont quantifiées.

On peut alors représenter ce qu’on appelle le diagramme des niveaux d’énergie de l’atome:

modèle ondulatoire
Diagramme de niveaux d’énergie et transitions

Ce diagramme, c’est une échelle qui marque les différentes valeurs que peut prendre l’énergie d’un atome. Quand les électrons sont sur les couches les plus basses, l’atome a la plus basse énergie possible, c’est le niveau fondamental. Si l’atome a une énergie plus grande, il est excité, les niveaux au-dessus du fondamental sont les “niveaux excités”.

Un changement d’énergie de l’atome s’appelle une transition. Elle se fait entre deux états du diagramme et est représentée par une flèche verticale.

3. Excitation d’un atome

Si l’atome reçoit un photon, le photon peut donner son énergie pour monter un électron de l’atome vers une couche supérieure. Dans ce cas, le photon est absorbé et l’atome gagne de l’énergie et monte de niveau d’énergie sur le diagramme.

Pour qu’il y ait excitation, l’énergie E=h.\nu du photon incident doit valoir exactement E_{f}-E{i}E_{f} et E_{i} sont respectivement le niveau d’énergie final de l’atome après transition, et le niveau d’énergie initial avant transition.

Le photon doit apporter exactement l’énergie qui manque à l’atome pour monter vers un autre niveau d’énergie. Si le photon a trop d’énergie, la transition ne se fait pas !

Schématiquement, on trace une flèche verticale qui monte d’un niveau à un autre en recevant un photon.

4. Désexcitation d’un atome

Si un atome est dans un état excité, un électron peut bouger vers un niveau d’énergie plus bas. L’atome perd alors de l’énergie. Cette énergie perdue est émise en un photon d’énergie E, avec E=E_{i}-E{f}.

L’énergie du photon émis correspond exactement à la différence entre les deux niveaux d’énergie de la transition.

Comment désexciter un atome ?

Il y a deux façons de désexciter un atome.

La première, c’est de ne rien faire. En Physique, tout cherche toujours à être le plus stable possible. L’atome veut revenir vers son état fondamental. Seul, un atome excité reviendra vers des niveaux d’énergie plus bas, jusqu’au fondamental, en émettant un photon à chaque transition. C’est l’émission spontanée de photons, parce qu’elle se fait toute seule.

Schématiquement, on représente une émission spontanée par une flèche verticale descendant d’un niveau excité à un niveau plus bas en émettant un photon.

La seconde façon est un peu bizarre. Pour désexciter un atome, on peut lui envoyer un photon. Si un atome excité reçoit un photon dont l’énergie vaut E=E_{i}-E{f}, pile l’énergie entre le niveau excité et un niveau moins excité, alors l’atome va se désexciter et renvoyer deux photons identiques (même fréquence, même longueur d’onde, même période, même phase, etc.). C’est l’émission stimulée de photons, parce qu’on stimule l’atome.

Schématiquement, on représente une émission stimulée par une flèche verticale descendant d’un niveau excité à un niveau plus bas en recevant un photon et émettant deux photons identiques.

Remarque: le fonctionnement du LASER

Pour faire fonctionner un LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), on utilise un gaz dont on peut exciter les atomes. On fait passer un courant électrique qui va exciter les atomes du gaz (comme dans un néon). La majorité des atomes sont excités au lieu d’êtres dans leur état fondamental: c’est “l’inversion de population” (ou pompage optique).

Par émission spontanée, certains atomes vont se désexciter en produisant des photons d’énergie fixe. Ces photons pourront à leur tour rencontrer d’autres atomes du gaz. Si ces atomes sont excités, il y aura alors émission stimulée de radiation qui produit deux photons. On a donc de plus en plus de photons qui sont réfléchis entre les miroirs d’une cavité résonante et dont une partie quitte la cavité pour produire le faisceau laser.

5. Spectres d’émission et d’absorption

Puisque l’énergie des photons émis par les atomes est quantifiée, la longueur d’onde de la lumière portée par ces photons est aussi quantifiée. Donc un atome peut émettre de la lumière à certaines longueurs d’ondes caractéristiques.

Si on regarde une source lumineuse créée par un atome qui se désexcite, on voit alors des raies d’émission aux longueurs d’ondes caractéristiques de l’atome.

Si un atome est présent dans l’atmosphère qui entoure une source lumineuse (une étoile par exemple), alors les photons émis par la source seront absorbés si leur énergie permet d’exciter les atomes de l’atmosphère.

Les atomes de l’atmosphère vont capturer les photons de la source à leurs longueurs d’ondes caractéristiques (les mêmes que les raies d’émission), on ne verra pas ces longueurs d’ondes dans le spectre.

On a alors des raies d’absorption aux longueurs d’onde bloquées par les atomes de l’atmosphère

Exemple

Exemple d’émission ou absorption et spectres

Prenons un atome donc le diagramme de niveau d’énergie comporte un niveau fondamental et un niveau excité à 2.5 eV.

Si l’atome est une source lumineuse lui-même, une désexcitation va émettre des photons d’énergie E = 2.5 eV. En appliquant la relation entre énergie et longueur d’onde (en faisant attention aux unités !), on trouve que la longueur d’onde du photon émis par l’atome qui se désexcite est de 500 nm.

Si on regarde le spectre d’émission de cette source monoatomique, on a une seule raie à 500 nm, qui correspond à la seule longueur d’onde que peut émettre l’atome par désexcitation.

Si maintenant l’atome est entre une source (par exemple une étoile) et l’observateur, les photons de longueur d’onde 500 nm seront absorbés par l’atome qui va pouvoir s’exciter. Le photon ayant été absorbé, il ne sera pas visible par un observateur: on observe une raie d’absorption dans le spectre de la source.

En pratique, les spectres sont bien plus complexes car les atomes ont plusieurs niveaux excités et donc ont plusieurs transitions et raies possibles. Cette analyse des spectres pour identifier les raies d’absorption permet alors d’identifier les atomes qui absorbent des photons. En regardant son spectre d’absorption on peut alors déduire quels atomes sont présents dans l’atmosphère d’une étoile !


A retenir sur les modèles de la lumière

  • La lumière est une onde ET une particule
  • \lambda = \dfrac{c}{f} et T = \dfrac{1}{f}
  • La lumière peut être sujette à la diffraction, aux interférences et à l’effet Doppler, comme toute onde
  • Un photon est une particule de lumière, de masse nulle, de vitesse c=3.10^{8} m/s et d’énergie E = h.\nu = \dfrac{h.c}{\lambda} et h= 6.63.10^{-34} J.s la constante de Planck
  • L’énergie d’un atome est quantifiée, on la représente dans un diagramme de niveaux d’énergie
  • Un atome s’excite en recevant un photon de la bonne énergie (égale à l’énergie entre deux niveaux)
  • Un atome se désexcite spontanément en perdant de l’énergie par émission d’un photon, ou de manière stimulée en recevant un photon de la bonne énergie (égale à l’énergie entre deux niveaux), il émet alors deux photons identiques de cette énergie.
  • L’absorption des photons ou l’émission de photons lors de l’excitation/désexcitation des atomes explique la présence de raies d’émission ou d’absorption dans les spectres lumineux. Ces raies sont aux longueurs d’ondes caractéristiques des photons émis ou capturés par les atomes lors d’une transition énergétique.

C’est tout pour cette fiche sur les modèles ondulatoire et particulaire de la lumière. Si tu veux te perfectionner sur les phénomènes ondulatoires, tu peux lire la fiche sur la diffraction et les interférences. Si tu veux tout de suite passer aux choses sérieuses, pourquoi ne pas tester tes connaissances en Physique-Chimie avec le sujet du bac 2018 ?

Poursuis ta lecture sur ces sujets

Doctorant en Physique nucléaire, Ingénieur Centrale Paris