lampe à incandescence

Dindonneau · 08/05/2005, 13h15

Bonjour à tous,

Je me pose une question sur la lumière que crée une lampe. Les electrons qui rentrent en contact avec les atomes beaucoup plus lourds de la lampe excitent les niveaux electroniques de ces derniers. Je crois donc si je ne me trompe pas que les photons sont émis par transition électronique lorsqu'un électron passe d'un niveau d'énergie à un autre. Il y a aussi les transitions vibrationnelles et rotationnelles des molécules si ils y a des molecules. Mais je me demandais: comment ce fait-on que l'on obtienne un spectre si large par les lampes alors qu'à l'origine le rayonnement electromagnétique issu de la transition electronique est à spectre très étroit.
j'ai bien une idée dont je ne suis absolument pas sûr: Les photons sont émis par transition electronique et ceux-ci ont presque tous la même longueur d'onde. Puis après, ces derniers rencontrent les electrons du métal(effet Compton) qui changent donc leur longeur d'onde par diffusion inélastique de façon presque aléatoire ce qui a pour effet d'élargir considérablement le spectre. Et enfin on obtient le spectre de corps noir à cause des lois de la physique statistique.
Mais bon comme je le dis, je n'en suis absolument pas sûr. ça sort même tout droit de mon imagination...

Donc si quelqu'un pouvait m'éclairer??

Ok je

Castor974 · 09/05/2005, 09h05

Je pense que c'est plus simple que ça.
L'effet Joule engendré par le passage des électrons chauffe suffisemment le filament pour que celui-ci émettent de la lumière, ainsi le spectre émis est un spectre d'émission qui donne toutes les longueurs d'onde, ou presque, lois de Kirchov (pas sûr...) pour les spectres lumineux si mes souvenirs sont bons...
Après la raison microscopique, sont très probablement que le spectre n'est pas émis par les transitions électroniques seulement mais aussi par les modes vibratoires des atomes eux mêmes, et là c'est beaucoup moins limité.

Dindonneau · 09/05/2005, 10h34

Hmm, en effet je sais déjà que c'est l'effet joule qui chauffe le filament. C'est en fait les electrons qui, ayant une énergie cinétique, vont exciter les atomes de différentes manières. Ici les atomes du métal ne bougent pas (ou très peu car le métal solide forme un réseau cristallin) donc l'excitation n'a lieu que de manière electronique ou vibrationnelle s'il s'agit d'atomes. MAIS tout ça c'est ok j'ai capté.
C'est la raison microscopique qui me pose problème et j'ai des doutes sur le fait que des excitations vibrationnelles puissent entrainer une telle largeur de spectre même s'il y en a plusieurs. Déjà les transitions vibrationnelles sont de beaucoup plus basse énergie que les transitions electroniques et se situent, il me semble, plutôt dans l'infrarouge. En plus le spectre des photons des transitions vibrationnelles est plus large, ok, mais pas à ce point non plus...

Castor974 · 09/05/2005, 11h56

Les lois de Kirchoff

Les conditions de formation des différents spectres sont regroupées sous forme de lois, que l'on appelle les lois de Kirchoff.

1. Un gaz, un solide ou un liquide à pression élevée, s'ils sont chauffés, émettent un rayonnement continu qui contient toutes les couleurs.
2. Un gaz chaud, à basse pression, émet un rayonnement uniquement pour certaines couleurs bien spécifiques : le spectre de ce gaz présente des raies d'émission.
3. Un gaz froid, à basse pression, situé après une source de rayonnement continu, en absorbe certaines couleurs, produisant ainsi dans le spectre des raies d'absorption.

On est d'accord pour ça? la raison "macroscopique" confirmée et avérée...
Je cherche encore l'explication...

Castor974 · 09/05/2005, 12h05

En fait, ce que je voulais dire dès le départ, c'est que le filament étant chauffé respecte la première loi de Kirchoff, d'où le spectre très large...
Maintenant je ne comprends pas pourquoi ici il n'y aurait pas d'excitations des atomes, et pourquoi pas du réseau cristalin? Pouvez-vous me l'expliquer?

**benjy_star** · 09/05/2005, 12h38

Au passage, pourriez vous me rappeler la première loi de Kirchoff ?

Dindonneau · 09/05/2005, 12h46

Pour les lois de Kirchoff je suis parfaitement d'accord mais il n'y avait pas de théorie permettant d'expliquer ces lois empiriques à l'époque.
Sinon c'est sur il y a excitation du réseau cristallin! Les atomes vibrent sur leurs positions. Ils sont liés par des liaisons qui peuvent être de différents types selon les métaux et donc ils ont une position qui reste à peu près toujours la même aux vibrations près. Mais en fait mon problème c'est que je pense que le spectre d'émission des photons de desexitation des modes vibrationnels n'est pas assez large pour expliquer le spectre du corps noir d'un métal chauffé qui est super large!

Dindonneau · 09/05/2005, 13h00

Je crois avoir compris ce qui se passe. Il faut aller chercher dans la théorie des bandes, souvent employée avec les semi-conducteurs.
On dit qu'un matériau est:
- isolant si sa bande de valence est pleine
- conducteur si sa bande de valence n'est pas pleine.
- un semi-conducteur est un isolant dont les bandes de valence et de conduction sont très proches en énergie (gap faible).

Donc un conducteur va pouvoir émettre dans à peu près toutes les longueurs d'onde vu qu'il a une quasi infinité de niveaux d'énergie accessibles tous d'énergie très proches les uns des autres (d'ou d'ailleurs le terme de bandes...). C'est donc lors de la desexcitation de ces électrons qu'il va y avoir émission de rayonnement électromagnétique qui va avoir un spectre très large jusqu'à la largeur de la bande de valence.
Ouais, là je crois que je tiens le bon boût mais pourrais-je avoir confirmation?
Finalement désolé Castor 974 c'est à peu près ce que tu disais je crois avec la vibration du réseau mais j'avais pas compris.

Castor974 · 09/05/2005, 13h48

lol
je pense que c'est en bonne voie pour les matériaux conducteur, mais que dire alors des autres cas où l'on chauffe le matériaux? ça sort de l'optique de ta question certes mais peut-être que chercher ailleurs peut aider à confirmer, non? En ce qui me concerne je ne pense pas que les métaux sont les seuls capables de s'approcher du comprtement d'un corps noirs, mais peut-être.
je vais chercher.

(pour Benjy_star la première loi a été écrite en #4)

Rodeon · 09/05/2005, 16h46

Salut

Le rayonnement thermique ne dépend pas de la nature des matériaux. Donc qu'il soit conducteur ou pas on s'en fou! Ce sont les désexcitations des éléctrons qui génère les photons. Pour ce qui est de la largeur du spectre, il faut bien garder en tête que le simple gaz d'hydrogène avec son seul électron peut émettre dans l'infrarouge, le visible et l'Uv. Tout dépendant du niveau d'excitation des éléctrons.

Dindonneau · 09/05/2005, 17h26

Pas complétement d'accord. Pour le gaz, effectivement, il sufit qu'il soit ionisé et les électrons lorsqu'ils vont être recapturé vont émettre un photon qui aura une énergie qui pourra varier continûment (donc spectre large et continu) puisque l'électron pourvait avoir au départ n'importe quelle énergie (lorsqu'il était libre).
Mais pour un isolant ce n'est pas le cas. Un électron n'est jamais libre. Il passe dans la bande de conduction s'il y a eu une énergie suffisante qui a pu l'y faire sauter à partir de la bande de valence qui est pleine. Ce n'est pas un electron libre (Les modèles les plus simples parlent quand même parfois d'électrons quasi-libres...)! Seules les bandes lui sont accessibles. Ce que je veux dire par là c'est que même si à la fin tu retrouves quand même la loi du corps de Planck, ce ne sont pas les mêmes phénomènes qui sont en jeu. Moi c'est ça qui m'interesse. Je sais bien que ça va donner le même rayonnement thermique parce qu'en fin de compte c'est la physique statistique qui va gérer la répartition des photons dans ton corps noir. Mais je veux comprendre d'où viennent ces photons.

Rodeon · 10/05/2005, 00h35

Citation:

Posté par Rodeon

Salut

Le rayonnement thermique ne dépend pas de la nature des matériaux. Donc qu'il soit conducteur ou pas on s'en fou! Ce sont les désexcitations des éléctrons qui génère les photons. Pour ce qui est de la largeur du spectre, il faut bien garder en tête que le simple gaz d'hydrogène avec son seul électron peut émettre dans l'infrarouge, le visible et l'Uv. Tout dépendant du niveau d'excitation des éléctrons.

en fait je me corrige, ce n'est pas la désexcitation des électrons des atomes qui provoque le rayonnement mais l'agitation thermique des électrons qui oscillent et alors émmettent les photons.
Que ce soit dans un conducteur ou dans un isolant les électrons des atomes vibrent sous l'effet de la température.

Castor974 · 10/05/2005, 08h04

Citation:

Posté par Rodeon

Que ce soit dans un conducteur ou dans un isolant les électrons des atomes vibrent sous l'effet de la température.

je suis d'accord! Mais soit dit, les électrons ne sont pas à ma connaissance les seuls capables à être à l'origine de l'émission de photons.

Citation:

Posté par Rodeon

en fait je me corrige, ce n'est pas la désexcitation des électrons des atomes qui provoque le rayonnement mais l'agitation thermique des électrons qui oscillent et alors émmettent les photons.

Les noyaux possèdent aussi des niveaux d'énergies! Ils vibrent en fonction de la température entre autre et peuvent émettre un spectre... de là je ne sais pas exactement quelles sont les proportions lorsqu'on chauffe un matériaux. Mais, statistiquement les spectres, quand on les superpose doivent donné un spectre continu! une autre source de photon?!
Je me trompe??

the_oliver_2000 · 10/05/2005, 10h24

Citation:

Posté par Rodeon

en fait je me corrige, ce n'est pas la désexcitation des électrons des atomes qui provoque le rayonnement mais l'agitation thermique des électrons qui oscillent et alors émmettent les photons.
Que ce soit dans un conducteur ou dans un isolant les électrons des atomes vibrent sous l'effet de la température.

D'accord mais ne doit il pas y avoir des longueurs d'onde "privilégiées" qui correspondent à la desexcitation des électrons ? Par exemple pour étudier la composition d'une étoile on examine son spectre lumineux, bien qu'elle soit considéré comme un corps noir.

Dindonneau · 10/05/2005, 11h58

Citation:

Posté par Rodeon

en fait je me corrige, ce n'est pas la désexcitation des électrons des atomes qui provoque le rayonnement mais l'agitation thermique des électrons qui oscillent et alors émmettent les photons.
Que ce soit dans un conducteur ou dans un isolant les électrons des atomes vibrent sous l'effet de la température.

Ah bon? C'est vrai que j'avais pas du tout pensé à ça...
Je viens effectivement de lire dans un bouquin que le rayonnement dipolaire électrique des atomes était la principale source de rayonnement... Mais pourtant ce qui me pose problème, c'est que les vibrations de l'électron (dans l'atom donc) et l'émission de rayonnement change son énergie et alors il se retrouve plus spécialement sur les niveaux d'énergie de l'atome vu qu'il peut émettre selon un spectre continu. Finalement on est dans le même problème que l'émission par transition élecronique. Le spectre ne peut pas être continu à cause de l'obligation des électrons d'être sur les niveaux électroniques de l'atome... A moins que ça soit des nouveaux niveaux dits vibrationnels de l'atome qui en font un dipôle électrique oscillant?