[TIPE] Rayonnement du corps noir

[invite62a3a086]

Bonjour,

Je fais actuellement un TIPE sur les flammes, et bien qu'ayant fait de nombreuses recherches (avec l'aide de mon collègue), il reste des questions auxquelles je ne trouve pas de réponse, ou pas de réponse claire (et du niveau MathSup). Donc si quelqu'un de mieux documenté voulait bien m'aider, je lui en serais très reconnaissant .

Le modèle du corps noir affirme que tout corps élevé à une certaine température rayonne, et que la puissance de ce rayonnement est fonction de cette température (P=kT^4). Pourquoi ? A-t-on une explication précise, concrète de ce phénomène ? Comment peut-on connaître les fréquences émises par une entité considéré comme un corps noir ? Dépendent-elle de la température ? Pourquoi est-ce un spectre continu ? (dans le cadre de l'application à la suie produite par une flamme)

Peut-on associer une flamme à un plasma ? Est-ce qu'un plasma est bien l'état d'un fluide, autre que gazeux ou liquide ? Et si non, comment peut-on définir un plasma ?

Merci beaucoup, toute réponse ou redirection vers des documents explicatifs sera la bienvenue !
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[mach3]

sur le corps noir, tout est bien résumé ici, mais je suppose que dû trouver cet article dans tes recherches. Précise un peu mieux tes questions par rapport à ce que l'article raconte.

Sinon il y a un dossier futura sur les corps noir il me semble peut-etre peux tu y jeter un oeil.

m@ch3

[invite62a3a086]

Oui j'avais déjà lu cet article mais je ne l'avais pas compris :

"L'objet réel qui se rapproche le plus de ce modèle est l'intérieur d'un four. Afin de pouvoir étudier le rayonnement dans cette cavité, une de ses faces est percée d'un petit trou laissant s'échapper une minuscule fraction du rayonnement interne. C'est d'ailleurs un four qui fut utilisé par Wien pour déterminer les lois d'émission électromagnétique en fonction de la température. Les parois de l'intérieur de l'enceinte émettent un rayonnement à toutes les longueurs d'ondes: théoriquement des ondes radio aux rayons X. Cette émission est due à l'agitation des atomes. En effet, la température mesure l'agitation des atomes (ceux-ci « oscillent » autour de leur position). Ce faisant, chaque atome se comporte comme un dipôle électrostatique vibrant (dipôle formé par le noyau et le nuage électronique), qui rayonne donc de l'énergie.
En se réfléchissant de paroi en paroi, cette radiation se verra absorbée et réémise continuellement sur les parois internes du four, jusqu'à que l'objet atteigne l'équilibre thermique. La forme de ce spectre (c'est-à-dire la répartition de la quantité d'énergie en fonction de la longueur d'onde) est la signature d'un rayonnement purement thermique, s'appelle donc spectre du corps noir, et ne dépend que de la température du four."

D'une part, les atomes dont on étudie l'agitation sont bien ceux des parois du four, ou d'un quelconque gaz qu'il contiendrait ?
Ensuite, en quoi un dipôle électrostatique vibrant "génère"-t-il de l'énergie ? Et sous quelle forme ? S'il vibre, c'est qu'il "possède" de l'énergie cinétique de vibration (je crois, on vient de commencer ça en thermo) mais comment est-ce que cela se transforme en rayonnement ?
Dans le livre qui me sert de principal support pour le TIPE, l'auteur distingue clairement (pour la lumière) le phénomène d'émission de photons (à la suite de la combustion, quand les atomes excités retournent à leur état d'énergie stable) et celui d'incandescence, soit la manifestation du rayonnement du corps noir (ici la suie). Mais si comme dit dans l'article, ce rayonnement provient de la vibration des atomes, ne correspond-il pas lui aussi à une émission de photons, lors d'un retour à un état plus stable ?

[LPFR]

Bonjour.
On commence par le plus facile: le plasma.
On a l'habitude de dire que le plasma est le quatrième état de matière. Un plasma "parfait" est un mélange d'atomes ou molécules ionises avec des électrons, avec une charge électrique neutre en moyenne. Ce qui est caractéristique d'un plasma est que l'énergie thermique (énergie cinétique, pour simplifier) des particules est supérieure (ou au moins très proche) à l'énergie d'ionisation des atomes ou molécules.
Les plasmas réels contiennent en plus, des atomes et molécules non ionisés.
Il y a des flammes et des flammes. La température de la flamme d'une allumette n'est pas très élevée et le nombre de particules ionisées est relativement faible. Une flamme plus chaude, comme celle d'hydrogène brûlant dans de l'oxygène pur est beaucoup plus chaude est beaucoup plus ionisée.
On peut montrer très facilement que même la flamme d'une allumette contient des ions. Il suffit de passer une allumette allumée à quelques centimètres d'un objet électrisée pour le décharger.
Pour les aspects du corps noir, je ne saurais pas trop vous conseiller de lire les deux entrées dans le Cours de physique de Feynman (de Feynman, évidemment) c'est court, clair, bien expliqué et a votre niveau). Il doit figurer dans toutes les bibliothèques.
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[ketchupi]

Ce qui est caractéristique d'un plasma est que l'énergie thermique (énergie cinétique, pour simplifier) des particules est supérieure (ou au moins très proche) à l'énergie d'ionisation des atomes ou molécules

j'aurais plutôt dit : L'énergie thermique d'un plasma doit être supérieure à son énergie potentielle pour prolonger son temps de vie.

Les plasmas réels contiennent en plus, des atomes et molécules non ionisés.

"réels" semble mal approprié ici. Disons plutôt que les plasmas "froids" possèdent un taux d'ionisation faible, et donc contiennent en plus d'éléments électriquement chargés, des espèces neutres.

[LPFR]

"réels" semble mal approprié ici. Disons plutôt que les plasmas "froids" possèdent un taux d'ionisation faible, et donc contiennent en plus d'éléments électriquement chargés, des espèces neutres.

Bonjour.
Puisque vous êtes à couper des cheveux en quatre, je vous signale que dans n'importe quelle distribution à l'équilibre il y a des niveaux d'énergie bas qui sont occupés. Donc je répète, dans un plasma réel, même dans les plus chauds plasmas réels au cœur des étoiles il y a des espèces neutres.
Mais à ce niveau de la question posée je trouve vraiment inutile de couper des cheveux en quatre.
Au revoir.

[gatsu]

Bonjour,

Je fais actuellement un TIPE sur les flammes,...

Je comprends pas tu fais un TPE sur les flammes ou sur le rayonnement du corps noir ?

[invite62a3a086]

Le TIPE est sur les flammes, mais même si ce n'est pas un point central de mon exposé, je voulais quand même comprendre ce phénomène qui intervient dans la lumière émise par une flamme.
Merci pour vos réponses !

[gatsu]

Le TIPE est sur les flammes, mais même si ce n'est pas un point central de mon exposé, je voulais quand même comprendre ce phénomène qui intervient dans la lumière émise par une flamme.
Merci pour vos réponses !

Oui mais justement pour une flamme il me semble que ce n'est pas le rayonnement du corps noir qui prédomine (loin de là non ?) c'est plutot le rayonnement en émission.

P.S : Bon ok je crois que je viens de comprendre que tu voulais expliquer a priori tout le spectre d'une flamme auquel cas le rayonnement du corps noir intervient (même si c'est de façon mineur il me semble).

[Deedee81]

Salut,

P.S : Bon ok je crois que je viens de comprendre que tu voulais expliquer a priori tout le spectre d'une flamme auquel cas le rayonnement du corps noir intervient (même si c'est de façon mineur il me semble).

Je ne suis pas sûr que ce soit mineur, ça dépend beaucoup de la flamme, de sa température et dans quoi elle brûle. Et aussi du type de flamme, une flamme jaune est signe de combustion incomplète et ce sont les suies incandescentes qui lui donnent cette couleur. Je n'en jurerais pas mais ça doit être un rayonnement thermique.

Mais je pense quans même que le spectre d'émission est quand même généralement majoritaire. La couleur dépend d'ailleurs largement du gaz utilisé et pas de la température (une flamme bleue est trop froide pour que ce soit un rayonnement thermique, enfin "froide" : tout est relatif, faut pas mettre son doigt )

[LPFR]

Oui mais justement pour une flamme il me semble que ce n'est pas le rayonnement du corps noir qui prédomine (loin de là non ?) c'est plutot le rayonnement en émission.

P.S : Bon ok je crois que je viens de comprendre que tu voulais expliquer a priori tout le spectre d'une flamme auquel cas le rayonnement du corps noir intervient (même si c'est de façon mineur il me semble).

Bonjour.
Dans le cas des flammes fuligineuses, comme celle des bougies, par exemple, c'est le rayonnement du corps noir qui prédomine. Il est du à des particules de carbone incandescentes.
Au revoir.

[LPFR]

...La couleur dépend d'ailleurs largement du gaz utilisé et pas de la température (une flamme bleue est trop froide pour que ce soit un rayonnement thermique, enfin "froide" : tout est relatif, faut pas mettre son doigt )

Re.
Je pense aux flammes des torches à acétylène. Quand la flamme est mal réglée et froide elle est jaune et éclaire fortement. Quand on ajoute la quantité d'oxygène qu'il faut, elle devient beaucoup moins lumineuse, d'un beau bleu et beaucoup plus chaude.
La flamme bleu est très chaude, mais cela ne suffit pas à émettre du rayonnement thermique.
Aucun des gaz n'est un corps noir. Seules les particules de suie s'en rapprochent.
A+.

[invite62a3a086]

Merci.
Et (dernière question à ce sujet ^^) pourquoi, dans le cadre du spectre d'émission, la couleur de la flamme n'est pas la même que celle de la solution correspondante (i.e. la solution de l'espèce introduite dans la flamme) :

"La couleur de la flamme n'est pas reliée à la couleur de la solution du sel métallique. Par exemple, la solution de sulfate de cuivre est bleu et sa couleur de flamme est verte. De nombreux ions métalliques donnent des solutions colorées (cobalt, nickel, fer...) mais n'ont pas de couleur de flamme."

Si il s'agit de l'émission de photons, le spectre d'émission, qui est un spectre de raies, devrait être caractéristique de l'espèce (des atomes) utilisée, et les couleurs solution-flamme devraient être reliées ?

Référence trouvée sur : http://scienceamusante.net/wiki/inde...ammes_colorées

Merci pour tout le temps que vous nous consacrez, ++

[mach3]

pourquoi, dans le cadre du spectre d'émission, la couleur de la flamme n'est pas la même que celle de la solution correspondante

parce qu'en solution, ce n'est pas le métal, mais des ions métalliques qui forment des complexes avec l'eau (ou autre chose d'ailleurs). La complexation modifie les niveau d'énergie et donc les bandes d'absorptions résultantes n'ont rien à voir avec les bandes d'absorption ou d'émission de l'atome ou de l'ion libre.

Un exemple massue est le sulfate de cuivre II. Anhydre il est sous forme d'une poudre blanche, hydraté il est sous forme d'une poudre bleu, en solution il donne une couleur bleue. La couleur bleue ne vient pas du cuivre lui même (il est orange-rouge), ni même de l'ion cuivre II (le sulfate anhydre est incolore) mais de la complexation avec l'eau à l'état solide (hydrate) ou en solution.
Par ailleurs en mettant des ligands adéquats dans la solution, on peut se retrouver avec des couleurs très variées, en fonction des complexes qui pourront se former entre les ions cuivre et les ligands.

m@ch3

[LPFR]

Bonjour.
Très bonne explication de Mach3.
Je ferais seulement une petite réserve, c'est à propos de la couleur de poudres. Elle est donnée non seulement pas la couleur de la substance elle-même, mais aussi par la réflexion de la lumière sur la surface de particules de poudre. Du coup, toutes les poudres on tendance à blanchir, ou à être plus blanches que le produit massif. Pour voir la vrai couleur d'une poudre il faudrait la plonger dans un liquide qui ait un indice de réfraction proche de celui de la poudre (et qui ne la dissolve pas, évidemment).

À propos du spectre des flammes, il faut dire que dans une flamme "normale" on trouve beaucoup plus des molécules ionisées que des atomes ionisés. Donc on voit surtout le spectre de bandes des molécules beaucoup plus que le spectre de raies des atomes.
Au revoir.

[ketchupi]

Bonjour.
Puisque vous êtes à couper des cheveux en quatre, je vous signale que dans n'importe quelle distribution à l'équilibre il y a des niveaux d'énergie bas qui sont occupés. Donc je répète, dans un plasma réel, même dans les plus chauds plasmas réels au cœur des étoiles il y a des espèces neutres.
Mais à ce niveau de la question posée je trouve vraiment inutile de couper des cheveux en quatre.
Au revoir.

1) vous semblez extrêmement désagréable dans votre réponse, alors que la mienne n'était simplement qu'une simple mise en forme. L'idée que vous exprimiez était bien la bonne pourtant.

2) "dans un plasma réel, même dans les plus chauds plasmas réels au cœur des étoiles il y a des espèces neutres"

Bien entendu, la loi de Boltzmann impose que la pobabilité d'occupation des niveaux bas est non nulle, cependant, à l'échelle du coeur stellaire et au vu de la température, si la probabilité est infiniment faible (disons 1 atome sur 1 millions), peut-on alors déduire qu'il existe des atomes dans le coeur d'une étoile ? Mais vous semblez en être convaincu et dans ce cas, pourriez-vous citer vos sources (en me les envoyant par MP) ?
Par ailleurs, je souhaitais juste écrire que le terme "réel" n'avait pas de signification en physique, tout du moins, cela reste mon interprétation.

Désolé de vous avoir vexé et désolé aussi que votre réponse soit aussi sèche.
Désolé également d'avoir ponctuellement détourné le fil de ce post.