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Etude de la lumière et des spectres

Par Yann le 05/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Optique > Les Spectres et la Lumière

Lumière et longueur d’onde

Qu’est ce que la lumière ?

La lumière, comme le son, se propage sous forme d’ondes qui possèdent des caractéristiques électriques et magnétiques : on dit que la lumière est constituée de rayonnements électromagnétiques.

La lumière, contrairement au son, peut se propager dans le vide.

Elle peut aussi se propager dans tout milieu transparent. Sa vitesse dépend des caractéristiques du milieu qu’elle traverse et est caractérisée par :

  • Une périodicité temporelle
  • Une périodicité spatiale

Périodicité temporelle

Pour une onde lumineuse, c’est la fréquence qui caractérise le périodicité temporelle, elle est notée : v=\frac{1}{T}

  • Avec T en seconde qui signifie période.
  • La fréquence s’exprime en Hertz (Hz).
  • Les fréquences lumineuses sont de l’ordre de 1014 Hz.

Selon la fréquence, l’impression de couleur est différente. A chaque fréquence, on associe une couleur. Celle-ci ne dépend pas du milieu de propagation.

Périodicité spatiale : la longueur d’onde

La longueur d’onde est symbolisée par la lettre grecque λ (lambda).

Définition : la longueur d’onde caractérise la distance sur laquelle se propage l’onde pendant une durée correspondant à sa période.

Les longueurs d’onde sont des grandeurs qui caractérisent la périodicité spatiale. Comme la plupart des longueurs, son unité est le mètre mais pour de très faibles valeurs, comme c’est le cas pour la lumière, on utilise une unité adaptée, le nanomètre.

On note : \lambda = c\times T

  • Avec λ : longueur d’onde en mètres,
  • c la vitesse ou la célérité de l’onde en m/s
  • et T étant la période exprimée en secondes.

On peut également noter la longueur d’onde ainsi :

\lambda = \frac{c}{v}

  • où v est la fréquence en Hertz
  • et c la vitesse de l’onde en m/s.

 

La longueur d’onde est aussi liée à l’indice de réfraction. Pour la longueur d’onde dans le vide :

\lambda_{vide}=c\times T=\frac{c}{v}

 

Dans un milieu d’indice n :

\lambda =v\times T=\frac{c\times T}{n}

Les différentes longueurs d’ondes

Le tableau ci-après regroupe les différentes longueurs d’ondes :

  • Les rayons gamma : la découverte des rayons gamma n’est pas le fait de Robert Banner, « le plus fort des Avengers » mais du chimiste Paul Villard en 1900. Les rayons gamma sont des rayonnements électromagnétiques produits par la désexcitation d’un noyau atomique en désintégration. Dans l’univers les rayonnements gamma sont produits par exemple par des trous noirs. Les rayonnements gamma sont extrêmement dangereux pour l’homme (il faut plusieurs mètres de béton pour empêcher leurs pénétrations!) et peuvent causer des brûlures ou des mutations génétiques irréversible.

Quels sont les effets des rayons gamma ? Le plus fort des Avengers

  • Les rayons X : les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques découverts en 1895 par Wilhem Röntgen. Ils sont produits par des transitions électroniques. Les rayons X sont dangereux pour l’homme : une exposition prolongée peut provoquer des brûlures ou des dommages cellulaires. Ils sont utilisés en cristallographie et pour l’imagerie médicale afin d’obtenir des clichés radiologiques.

Bon à savoir : Les manipulateurs radios et les techniciens des centrales nucléaires portent des badges particuliers sur leurs tenues de travail. Il s’agit de dosimètres leur permettant de savoir si la dose, inévitable, de rayonnements auxquels ils ont été exposés est dans la limite admise réglementaire pour le public.

  • Les rayons ultraviolets : les rayons ultraviolets ont été découverts en 1801 par le physicien Johann Ritter. Il s’agit d’un rayonnement électromagnétique invisible à l’œil nu. Une petite partie de l’énergie électromagnétique du Soleil est émise sous forme d’U.V. Ce sont ces ultra violets qui permettent de bronzer, de fabriquer de la vitamine D mais qui sont aussi responsables, à haute dose de brûlures ou de cancers.
  • Les infrarouges : les infrarouges sont des rayonnements électromagnétiques découverts en 1800 par William Herschel. Les infrarouges sont émis par les corps produisant de la chaleur, le soleil étant une grande source d’infrarouges. Les infrarouges sont utilisés dans de nombreuses techniques comme par exemple les lunettes de vision nocturne, le chauffage, les détecteurs de présence ou encore pour contrôler l’authenticité des billets de banque.

Le saviez vous ? Certains reptiles ont la capacité de pouvoir détecter le spectre infrarouge. En effet, les serpents possèdent des facettes thermosensibles qui leur permettent de détecter des changements de température, ce qui les avantage dans la chasse surtout nocturne.

  • Les micro-ondes: elles ont été mise en évidence en 1888 par Heinrich Hertz , elles sont produites par des antennes de réseaux de télécommunication ou par des tubes à vide. Elles sont utilisées pour les moyens de télécommunication (radar…) mais aussi en télévision ou dans le micro-onde.
  • Les ondes radio : elles sont utilisées dans le domaine de la radiocommunication, elles se propagent en ligne droite dans plusieurs directions. L’émission des ondes radio est réglementée au delà d’une fréquence de 9 Hz. Les ondes radio peuvent parcourir des distances de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres.

Note : la longueur d’onde d’une lumière visible est située entre 400 nanomètres (pour le violet) et 800 nanomètres pour le rouge.

Ultra-violetInférieurs à 380 nm
Violet380-446 nm
Bleu446-520 nm
Vert520-565 nm
Jaune565-590 nm
Orange590-625 nm
Rouge625-740 nm
Infra-rougesSupérieurs à 780 nm

Lumières monochromatiques et polychromatiques

On distingue les lumières monochromatiques qui sont caractérisées par un rayonnement de longueur d’onde unique (comme par exemple dans le laser) et les lumières polychromatiques qui comportent des rayonnements caractérisés par plusieurs longueurs d’onde.

La lumière du soleil est un exemple de lumière polychromatique tandis que la lumière produite par un laser est monochromatique. La lumière blanche est ainsi constituée d’ondes lumineuses de différentes fréquences.

Un prisme permet de décomposer la lumière polychromatique.

Zoom sur le laser qui est un exemple de lumière monochromatique

Le mot laser est l’acronyme de l’anglais light amplification by stimulated emission of radiation.

Le premier laser date de 1960 sous la forme d’un laser à rubis conçu par le physicien américain Théodore Maiman.

Le laser est monochromatique possède une directivité, une puissance surfactique et une cohérence. Il est utilisé dans de nombreux domaines comme par exemple :

  • Le domaine médical : en ophtalmologie et dermatologie
  • Le domaine nucléaire : dans la fusion nucléaire contrôlée
  • Le domaine militaire : il est utilisé pour la visée et pour différentes armes
  • Le domaine des loisirs : avec l’enregistrement de supports numériques (DVD, CD) , la mise en place de spectacles de sons et lumières…

Le cas particulier des LED

Le mot LED provient d’un acronyme anglais qui signifie light-emitting diode. Les LED sont des diiodes électro-luminescentes.

Ce sont des dispositifs capables d’émettre de la lumière quand ils sont parcourus par un courant électrique. Les diiodes peuvent produire un rayonnement monochromatiques ou polychromatiques. Les LED possèdent de nombreux avantages comparés aux lampes incandescentes (interdites depuis 2012).

  1. Premièrement les LED polluent beaucoup moins l’environnement et ne contiennent pas de substances toxiques comme le mercure (qui rentrait dans la composition des ampoules à fluorescence.
  2. Deuxièmement, les LED sont beaucoup plus économiques que les autres modèles car elles possèdent une durée de vie de près de 40 000 heures (contre 10 000 heures pour les lampes fluorocompactes).
  3. Troisièmement, il n’y a pas besoin d’attendre pour obtenir un éclairage optimal, l’éclairage étant instantané.
  4. Quatrièmement, les LED peuvent être utilisées dans de nombreux domaines :  les signalisations pour les piétons ou les cyclistes, les bornes de jardin, les lampes torches ou les écrans.

Attention cependant aux LED d’éclairages de très fortes puissances (lumière bleue) qui sont déconseillées pour les personnes souffrant de problèmes oculaires.

Les LED sont elles monochromatique ou polychromatique ? Les LED sont des sources de lumière économiques.

Pour en savoir plus, le site de l’ADEME propose des dossiers complets :

http://www.ademe.fr/eclairage-a-diodes-electroluminescentes-led-l

Les spectres

Un spectre correspond à l’ensemble des rayonnements qui constituent une lumière.

L’obtention et l étude des spectres se nomme la spectroscopie, elle permet d’obtenir des informations sur la nature de la matière qui produit cette lumière ainsi que sur les milieux qu’elle a traversé.

L’analyse du spectre d’une étoile permet ainsi de déterminer sa température ainsi que la composition de son atmosphère.

L’analyse de la lumière d’une lampe montre qu’elle est composée de différentes couleurs. Ces couleurs, quand elles sont étalées, forment ce que l’on appelle un « spectre ». Ainsi, l’analyse de la lumière solaire donne un spectre semblable.

On distingue sept couleurs : le violet, l’indigo, le bleu, le vert, le jaune, l’orangé et le rouge mais ce nombre est arbitraire car en réalité c’est un spectre continu qui contient une infinité de radiations.

Mais qu’est ce qu’un arc en ciel ?

Que donne la réflexion de la lumière sur les gouttes d'eau ? Un arc-en-ciel

Il s’agit de la représentation du spectre de la lumière provenant du soleil quand celle-ci se transmet par réflexion sur des gouttes d’eau.

Dans l’arc-en-ciel, le rouge se trouve à l’extérieur et le violet à l’intérieur. Ceux-ci sont généralement visibles le matin et le soir et on ne les observe que si l’œil se situe à un angle d’environ 42°.

Les couleurs que nous pouvons voir sont directement liées à la perception de l’œil humain d’une ou plusieurs fréquences lumineuses.

Entre 400 nm et 780 nm, notre œil capte les informations lumineuses, les cellules photo réceptrices de nos yeux se chargent de transformer les signaux électromagnétiques en informations électriques.

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Daryl
Invité

Très utile bravo ☺