Chapitre n°18 Modèle ondulatoire et corpusculaire de la lumière

I. le modèle ondulatoire de la lumière

1) Les ondes électromagnétiques

a. Définition

Une onde électromagnétique est une perturbation des champs électrique et magnétique qui se propage  à 300000km/s dans le vide et dans l’air.

b. La lumière

La lumière est une partie des ondes électromagnétiques qui sont visibles par un œil humain. Sa longueur d’onde λ, est comprise entre 400 et 800nm  

c. Lumière et couleur

2) Relation entre longueur d’onde et fréquence d’une onde

d. Relation

Une onde parcourt la distance λ pendant la durée d’une période T a la célérité c. On a ainsi la relation : c= λ /T. La relation entre la période d’une onde T,  et sa fréquence, ν est alors  :ν=1/T

On en déduit la relation c= λ . ν

e) Exercice

Déterminer la fréquence d’une lumière de longueur d’onde  de 600nm
On a la relation : c= λ . ν
On en déduit :  ν= c/ λ
L’application numérique donne :
 ν=3.10⁸/6,3.10^-7=4,76.10¹⁴Hz

f) Point historique

Huygens en 1678, par les phénomènes de diffraction et d’interférence de la lumière, montre qu’elle est de nature ondulatoire et s ’oppose ainsi à Newton qui la considérait comme corpusculaire.

Diffraction cuve à onde		Interférence cuve à onde

Modèle de la dispersion de la lumière pour Newton		Modèle de la dispersion de la lumière pour Huygens

II. modèle particulaire de la lumière

1) Le quantum d’énergie

La lumière échange avec la matière des multiples entiers d’une énergie élémentaire appelée quantum

2) Le photon

a) Définition

Une radiation lumineuse de fréquence ν est un ensemble de particules élémentaires nommées photons qui transportent l’énergie E=h. ν

h est la constante de Planck de valeur h=6,63.10^-34J

b)  Exercice

Déterminer l’énergie que transporte un photon de longueur d’onde  de 600nm.  

3) L’électron volt

a. Définition

Le Joule est une unité trop grande pour les échanges d’énergies pour les particules élémentaires. On choisit de préférence l’électron volt (eV) Comme l’énergie acquise par une particule de charge +e soumise à une tension de 1V.  soit 1eV=1,6.10^-19J

b. Exercice

Déterminer l’énergie que transporte un photon de longueur d’onde de 600nm en eV avec :   E(eV)=E(J)/1,6.10^-19

Soit :  E(eV)=E(J)/1,6.10^-19
L‘application numérique donne :
E(eV)=3,31.10-19/1,6.10^-19=2,06eV

4) Dualité onde corpuscule

La lumière peut être décrite par deux modèles :

• Un modèle ondulatoire où la lumière est une onde.
• Un modèle particulaire où la lumière est constituée de corpuscules nommés : photons.

III. interaction lumière matière

1) Quantification du niveau d’énergie d’un atome

L’énergie des atomes est quantifiée et ne peut prendre que certaines valeurs.

2) Absorption de photon

Lorsqu’un atome passe d’un niveau d’énergie E₁ a un niveau d’énergie E₂ avec E₂>E₁ il absorbe un photon de fréquence ν avec

3) Emission d’un photon

Lorsqu’un atome passe d’un niveau d’énergie E₂ a un niveau d’énergie E₁ avec E₂>E₁ il émet un photon de fréquence ν avec

4) Interprétation des spectres d’émission et d’absorption des atomes

a) Spectre d’émission de raies

L’ensemble des raies colorées émises par un atome excité qui revient dans son état fondamental est le spectre de raies d’émission.

b. Le spectre d’absorption de raies

L’ensemble des raies noires obtenues par une lumière blanche qui traverse un atome dans son état fondamental est le spectre d’absorption de raies.

Les spectres d’émission et d’absorption sont complémentaires