La lumière, continue ou discontinue ?

[Stalacta]

Bonjour !

Je suis en terminale S et je me posais des questions sur à propos de l'émission et l'absorption d'ondes électromagnétiques pour lesquels le programme est flou voire incohérent.

On a beaucoup étudié les spectres d'émission et d'absorption des atomes, et on a vu qu'un atome (et même une molécule ou autre) absorbait et émettait un nombre fini de longueurs d'ondes très précises, ce phénomène étant dû à des transitions sur des niveaux d'énergie très précis.
Mais en parallèle, on nous présente les spectres d'émission du Soleil, ou de corps chauds, apparemment continus (à certaines raies d'absorption près), ou encore des spectres continus d'absorption pour des molécules.

On a donc une incohérence : statistiquement, si un corps chaud émet une infinité de radiations possibles dans un intervalle donné et qu'un atome absorbe une seule de ces radiations dans l'intervalle, alors non seulement la raie devrait être invisible mais pire que ça : le nombre de photons émis étant lui fini, on a une probabilité nulle d'avoir une radiation précisément de la longueur d'onde attendue.

J'en arrive à deux hypothèses :
- Soit les spectres continus existent bien mais on a une "tolérance" au niveau de l'absorption : l'atome peut absorber (ou émettre du coup) non une seule longueur d'onde mais un intervalle de longueurs d'onde (aussi petit soit-il, car pour le coup ça change tout). Il en va de même pour les molécules.
- Soit la continuité n'existe pas mais on a tellement de longueurs d'ondes possibles qu'on a l'illusion de la continuité. Et dans ce cas pour des raisons physiques, une partie de ces longueurs d'onde émises correspond miraculeusement à certaines pouvant être absorbées.

La première hypothèse me semble plus vraisemblable car la deuxième impliquerait que les phénomènes du type "effet Doppler" soient eux aussi discrets et non continus, ou bien que certaines longueurs d'onde deviennent ainsi totalement "inabsorbables" ce qui ne me paraît pas être le cas.

Alors, quelqu'un peut trancher et m'expliquer un peu ce bordel ?

Merci d'avance !
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[ansset]

bjr,
je te cite une réponse ancienne de Pio2001 qui répond je crois à ta question :
Dans un corps porté à une certaine température, les molécules (donc les atomes) sont animés d'un mouvement désordonné de petite amplitude autour de leur position moyenne.
Lorsqu'ils heurtent des atomes ou des molécules voisins, certains électrons peuvent être projetés sur des orbitales d'énergie supérieure.
Les photons sont générés lorsque les électrons des atomes (ou des molécules, lorsque plusieurs atomes partagent leurs électrons) passent d'un niveau d'énergie excité à un niveau d'énergie inférieur. Cela s'accompagne de l'émission d'un photon.
Ces photons, de longueur d'onde déterminée, sont émis à l'intérieur d'un corps opaque, donc sont immédiatement réabsorbés, puis réémis, et ce un très grand nombre de fois. A la fin, les photons qui s'échappent finalement à la surface ont une distribution de longueurs d'ondes correspondant à un spectre continu. On appelle ce passage d'un spectre de raie à un spectre continu la "thermalisation" du spectre.

[Resartus]

Bonjour,
En fait, les atomes et molécules peuvent changer d'énergie (ce qui se traduira par une émission ou absorption de photon) pour différentes raisons.
La plus simple est liée tout bêtement à l'agitation thermique. C'est ce qui produit le spectre dit "du corps noir".
On peut imaginer que lors de l'interaction avec un photon, le nuage électronique va "osciller" un peu comme une balle élastique qui heurte un mur

Par ailleurs, les atomes d'un molécule ont également la possibilité de tourner ou de vibrer l'un par rapport à l'autre, et cela fait des spectres qui ont des quantités de niveaux très rapprochés qu'on peut observer surtout dans l'infrarouge et qui sont une sorte de signature de la molécule concernée.

Les changements de niveau des électrons dans chaque atome sont à des niveaux d'énergie beaucoup plus élevés (à partir du visible, et cela peut aller très loin dans l'ultraviolet ou les rayon X selon la masse de l'atome)
et comme ils sont peu nombreux et bien séparés, cela donne des spectres de raie. Les fréquences varient un peu avec l'effet doppler
lié à l'agitation thermique, ce qui fait que ces raie ne sont quand même pas complétement précises

C'est la combinaison de tous ces facteurs qui fait la variété des spectres rencontrés

[Yalio]

Bonsoir,
Le fait est que si on parle d’absorption, on aura des lignes noires sur fond de spectre complet. Dans le cas d'une émission, on observera des raies de couleur sur un fond noir. Mais dans les deux cas, c'est bel et bien des valeurs discrètes et certainement pas continues.
Les niveaux d'énergie sont dits "quantifiés". C'est pour une valeur bien précise qu'il y a changement d'état, et pas une autre proche.

Bonne soirée

[A voir en vidéo sur Futura]

[LPFR]

Bonjour.
Il y a longtemps j’avais fait la manip d’observer les raies d’absorption (le doublet du sodium) en regardant directement le spectre avec un spectromètre.
Ce raies sont très (vraiment très) difficiles à distinguer sur le fond continu.
Mais on peut les distinguer :
http://www.lightfrominfinity.org/ima...um_doublet.jpg.
Et cela veut dire que leur largeur n’est pas nulle. Dans l’image on voit que la largeur est de quelques dixièmes d’Angström (centièmes de nm).
Les raisons cette largeur finie on été expliquées plus haut. C’est surtout l’effet Doppler.

Je rappelle que les lasers (de laboratoire) ont aussi une largeur de bande finie. Quand on dit qu’ils sont monochromatiques il faudrait plutôt dire « presque monochromatiques ».
Les niveaux atomiques sont discrets, mais l’émission et l’absorption ne le sont pas.
Au revoir.

[ansset]

Je crois que la question initiale de Stalacta portait sur l'apparent paradoxe entre des émissions "quasi" monochromatiques des atomes vs des émissions à spectres beaucoup plus large par des "corps chauds" ( étoiles par exemple ).

[Amanuensis]

Faut distinguer la fréquence émise et la fréquence reçue, une différence étant due à l'effet Doppler, comme indiqué par Resartus.

La fréquence émise, mesurée dans le référentiel du centre de masse d'un atome (dans les cas où un tel modèle s'applique) peut être "discrète".

Mais quand on parle de spectre, c'est en général un spectre reçu, mesuré (par exemple) par absorption. Et là il y a un différence de fréquence entre celle d'émission dans le référentiel de l'émetteur et celle de réception dans le référentiel de l'absorbeur. Cette différence est "continue", et cela se traduit par une raie "élargie".

Le spectre de ce qu'on reçoit d'un corps chaud a un rapport avec la distribution des vitesses des composants du corps chaud. Même si les fréquences émises étaient toutes les mêmes vues des atomes émetteurs, les fréquences reçues auraient une distribution continue.

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J'imagine que ce n'est pas directement "pensé" par l'idée (fausse) que la fréquence est une caractéristique "absolue" d'un "photon". Ce n'est pas le cas, cette fréquence dépend du référentiel, et on on doit pas considérer a priori une fréquence d'émission et une fréquence de réception comme égales.

[ansset]

Je pense que l'explication la plus simple est de revenir au concept de corps noir ( soit un corps à l'équilibre thermique avec un spectre large lui correspondant ).
c'est bien la mise en équilibre thermique globale qui conduit à ce spectre large , même si au départ les émission/ré absorption ( vu au niveau atomique ) s'effectue à des raies "discrètes".
mais je ne suis peut être pas le plus clair.

[LPFR]

Re.
Je ne pense pas que le processus d’émission et d’absorption « corps noir », ait quelque chose à voir avec les niveaux d’énergie atomiques.
A+

[ansset]

Re.
Je ne pense pas que le processus d’émission et d’absorption « corps noir », ait quelque chose à voir avec les niveaux d’énergie atomiques.
A+

le lien est proposé au départ et vu comme un paradoxe par le PP.
c'est ainsi que je lis son post.

[ansset]

je le cite

On a beaucoup étudié les spectres d'émission et d'absorption des atomes, et on a vu qu'un atome (et même une molécule ou autre) absorbait et émettait un nombre fini de longueurs d'ondes très précises, ce phénomène étant dû à des transitions sur des niveaux d'énergie très précis.
Mais en parallèle, on nous présente les spectres d'émission du Soleil, ou de corps chauds, apparemment continus (à certaines raies d'absorption près), ou encore des spectres continus d'absorption pour des molécules.

On a donc une incohérence : statistiquement, si un corps chaud émet une infinité de radiations possibles dans un intervalle donné et qu'un atome absorbe une seule de ces radiations dans l'intervalle, alors non seulement la raie devrait être invisible mais pire que ça : le nombre de photons émis étant lui fini, on a une probabilité nulle d'avoir une radiation précisément de la longueur d'onde attendue.

Cordialement.

[LPFR]

Re.
Oui. C’est vu comme une incohérence par Stalacta. Et il a raison. C'est incohérent.
L’origine du rayonnement du corps noir n’est pas les émissions discrètes des atomes.
Je dois dire que je n’ai jamais lu (même pas dans le Feynman) l’origine physique du rayonnement du corps noir. Mon opinion personnelle est c’est ensemble du rayonnement due à l’accélération des électrons et des charges pendant les collisions entre électrons libres et atomes et entre atomes, dues à l’agitation thermique.
A+

[ansset]

Mon opinion personnelle est c’est ensemble du rayonnement due à l’accélération des électrons et des charges pendant les collisions entre électrons libres et atomes et entre atomes, dues à l’agitation thermique.
A+

moi aussi, du à la multiplication des collisions émissions/absorptions......jusqu'à équilibre thermique.
Ce que Pio nomme dans un autre post la "thermalisation" du spectre ( à tort ou à raison ).
Je crois , à titre d'exemple que la "durée" de sortie d'un photon du soleil ( si le terme a un sens ) est extrêmement long.
ça joue au ping pong la dedans !

[Resartus]

Re,
LPFR : Je crois (mais à vérifier) que, en Français, le Cohen Tannoudji en parle un peu

C'est ce que j'essayais de résumer (de manière trop simplifiée), en parlant d'oscillations du nuage électronique sous l'effet des chocs.
Les niveaux d'énergie correspondant à ces oscillations pour les atomes isolés (gaz) sont très nombreux , ce qui fait un spectre continu, et partent de zero d'où le rayonnement corps noir..

Mais, dans les solides, il peut apparaître des contraintes particulières : par exemple l'existence du niveau de fermi dans les métaux fait que certaines fréquences sont interdites ou fortement défavorisée, ce qui conduit à des émissivités beaucoup plus faibles

[LPFR]

Re.
Je ne suis pas d’accord avec l’explication de Pio2001. Si l’émission du soleil était due des photons « thermalisés », on devrait voir beaucoup des photons non encore thermalisés. Or, les raies que l’on voit dans le spectre continu sont surtout des raies d’absorption.
Les gaz chauds émettent aussi comme un corps noir. La preuve, le spectre du Soleil.
A+

[LPFR]

Re.
@Resartus :
Je ne suis pas de la génération du Cohen Tannoudji. Je ne l’ai pas.

Mais votre explication avec le niveau de Fermi et des fréquences favorisés ou interdites ne me plait pas beaucoup. Le spectre d’émission du silicium intrinsèque ou dopé est le même (et le même que celui de la ferraille).

Par contre, un électron qui bondit sur un atome est accéléré et il doit émettre. Et ceci indépendamment des niveaux d’énergie.
A+

[coussin]

J'imagine que vous connaissez tous ici le concept de bandes, non ? Il y a une différence entre les niveaux discrets d'un atome isolé et le continuum de niveaux d'un "bout" de matériau contenant 10^23 atomes...

Pour l'un, le concept de température n'est pas défini. Pour l'autre, pas étonnant que le spectre soit continu puisqu'il n'y a plus de niveaux discrets.

La transition entre les deux est "compliquée" et est du domaine de la physique mésoscopique ou de la thermodynamique quantique (un "hot topic" en ce moment...)

[coussin]

Je dois préciser mon message : je parle ici de phases liquide ou solide. En effet, en phase gazeuse on a le spectre des atomes individuels. Aux élargissements Doppler près.

[ansset]

c'est peu être HS, mais j'ai souvenir que "l'enveloppe" du soleil avait aussi un effet "diffuseur" pour l'ensemble du spectre, mais c'est peut être faux ou sans intérêt pour le sujet.

[Enthalpy]

Le Soleil émet la lumière dans sa chromosphère, composée de plasma plus que d'atomes ou de molécules. Les électrons du plasma n'ont pas d'énergies quantifiées, donc peuvent rayonner n'importe quelle longueur d'onde.

D'autres situations produisent un spectre continu. L'effet Döppler résultant de la vitesse des atomes et molécules élargit les raies, mais pas tellement. Les collisions entre atomes et molécules de gaz sont souvent plus efficaces, parce qu'elles réduisent la durée de l'émission cohérente de la lumière et donc étalent le spectre. Dans les solides, la proximité des atomes transforme souvent les énergies discrètes en bandes, permettant un spectre continu.

Et si un corps (le Soleil !) est assez dense et épais pour absorber toute longueur d'onde qui y entre, il doit aussi émettre parfaitement toutes les longueurs d'onde - même si les processus sont moins efficaces à certaines longueurs d'onde et demandent plus d'épaisseur. C'est nécessaire au second principe de la thermodynamique, pour éviter qu'un corps froid ne chauffe par rayonnement un corps chaud si on interpose un filtre.

Le Soleil présente des raies en plus du spectre continu parce qu'il n'est pas à l'équilibre thermique : la température y varie avec la profondeur.

[ansset]

Merci Enthalpy.
voilà qui résume bien ce truc un peu complexe, avec ces différents facteurs ( enfin pour moi )
Cdt

[Stalacta]

Bonjour et merci pour vos réponses. J'ai mis du temps à les lire et à essayer de les comprendre mais je n'ai pas l'impression que le schmilblick a beaucoup avancé au final. Apparemment la question semble extrêmement complexe.
Je rappelle d'ailleurs les questions d'origine : comment se fait-il que des raies d'absorption d'atomes, sensées être discrètes, soient en fait des intervalles, ce qui les rend visibles ? Toutes les longueurs d'ondes sont-elles réellement possibles, ou bien la continuité n'est qu'une illusion due au très grand nombre de valeurs possibles ?

Bonjour.
Ce[s] raies sont très (vraiment très) difficiles à distinguer sur le fond continu.
Mais on peut les distinguer :
http://www.lightfrominfinity.org/ima...um_doublet.jpg.
Et cela veut dire que leur largeur n’est pas nulle. Dans l’image on voit que la largeur est de quelques dixièmes d’Angström (centièmes de nm).
Les raisons cette largeur finie on été expliquées plus haut. C’est surtout l’effet Doppler.

Cela montre bien que les raies d'absorption sont bien des intervalles, aussi petits soient-ils, et non juste un réel (sinon cela ne serait tout simplement pas visible pour des considérations mathématiques).

Concernant la 2e question, j'ai trouvé un article d'une ENS sur le sujet, mais j'avoue que j'ai du mal à comprendre le fond : culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/CorpsNoir.xml

Enfin j'ai vu une réponse qui semble vraiment apporter une explication concrète au sujet, et je ne sais pas si je l'ai comprise comme il faut :

Faut distinguer la fréquence émise et la fréquence reçue, une différence étant due à l'effet Doppler, comme indiqué par Resartus.

La fréquence émise, mesurée dans le référentiel du centre de masse d'un atome (dans les cas où un tel modèle s'applique) peut être "discrète".

Mais quand on parle de spectre, c'est en général un spectre reçu, mesuré (par exemple) par absorption. Et là il y a un différence de fréquence entre celle d'émission dans le référentiel de l'émetteur et celle de réception dans le référentiel de l'absorbeur. Cette différence est "continue", et cela se traduit par une raie "élargie".

Le spectre de ce qu'on reçoit d'un corps chaud a un rapport avec la distribution des vitesses des composants du corps chaud. Même si les fréquences émises étaient toutes les mêmes vues des atomes émetteurs, les fréquences reçues auraient une distribution continue.

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J'imagine que ce n'est pas directement "pensé" par l'idée (fausse) que la fréquence est une caractéristique "absolue" d'un "photon". Ce n'est pas le cas, cette fréquence dépend du référentiel, et on on doit pas considérer a priori une fréquence d'émission et une fréquence de réception comme égales.

Si je comprends bien, et que j'essaye de synthétiser les réponses, que l'émission soit discrète ou continue à la base, quel que soit le phénomène à l'oeuvre, on s'en fiche pour répondre à la première question. Néanmoins, l'effet Doppler généré par les mouvements des électrons fait que les longueurs d'onde émises par les atomes, tout en étant discrètes dans leur référentiel, prennent des valeurs continues en pratique. Cela explique les spectres d'émission sous forme de petites bandes au lieu de valeurs uniques.
D'ailleurs cet effet Doppler, qui semble être continu (donc non discret), permet de certifier in fine la possibilité d'existence de toutes les longueurs d'ondes, et donc des spectres continus. Et cela répond à la deuxième question.
Maintenant pour les spectres d'absorption des atomes, le problème me paraît plus hardu. En effet, si pour avoir absorption il n'y a qu'une valeur possible une fois pris en compte l'effet Doppler, eh bien le problème n'est pas résolu. On a une probabilité nulle à chaque fois d'avoir une absorption, quel que soit le nombre (même de plusieurs milliards) d'avoir ne serait-ce qu'une absorption. C'est bien qu'il existe un phénomène qui va accepter un photon d'énergie légèrement plus grande et convertir "ce qui dépasse" en agitation atomique.

Sinon, autre réponse, totalement différente, que je vois : la lumière serait toujours quantifiée, ce que semble sous-entendre l'article de l'ENS. Ainsi, on aurait comme une "unité d'énergie de base", et tous les photons sans aucune exception auraient une énergie (et donc une longueur d'onde) multiple de cette unité de base. Et ainsi, même l'effet Doppler décalerait l'énergie de ces photons d'un nombre entier de ces "unités de base". On n'aurait plus aucun phénomène continu, mais tout serait discret avec des valeurs tellement proche les unes des autres qu'on a l'illusion de la continuité.

Dites-moi si je me trompe, ou si l'une de ces deux idées est la bonne.

[LPFR]

Re.

...
Cela montre bien que les raies d'absorption sont bien des intervalles, ...

Noooon !
Cela montre que « ça bave » sur les côtés. Ce n’est pas un trait franc mais les raies ont les bords diffus.

...
Ainsi, on aurait comme une "unité d'énergie de base", et tous les photons sans aucune exception auraient une énergie (et donc une longueur d'onde) multiple de cette unité de base. Et ainsi, même l'effet Doppler décalerait l'énergie de ces photons d'un nombre entier de ces "unités de base...

Dites-moi si je me trompe, ou si l'une de ces deux idées est la bonne.

Si cette « unité de base » est l’énergie de Planck, alors pourquoi pas. Elle est tellement petite qu’elle est non mesurable.
Reste encore à le démontrer.
A+

[coussin]

Vous butez sur des concepts par opposition à la réalité...
Bien entendu, une raie ayant une largeur nulle n'existe pas (c'est le concept). Toute transition, toute raie, possède une largeur non nulle (c'est la réalité). Maintenant, quand cette largeur intrinsèque est plusieurs ordres de grandeur plus petite que n'importe quoi d'autre, ça a du sens de parler de raie discrète.
En mécanique quantique, il n'y a pas d'absolus. Que du flou.

[coussin]

on aurait comme une "unité d'énergie de base", et tous les photons sans aucune exception auraient une énergie (et donc une longueur d'onde) multiple de cette unité de base. Et ainsi, même l'effet Doppler décalerait l'énergie de ces photons d'un nombre entier de ces "unités de base". On n'aurait plus aucun phénomène continu, mais tout serait discret avec des valeurs tellement proche les unes des autres qu'on a l'illusion de la continuité.

Tel quel, c'est faux.
Pour une fréquence donnée, l'énergie est un nombre entier de hbar.w. Mais la fréquence w est une variable continue, elle. Donc, un photon peut avoir n'importe qu'elle énergie, de manière continue.