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le spectre de la lampe à incandescence



  1. #1
    aristarque
    Bonjour à tous,

    Une petite question me trotte dans la tête : pourquoi le spectre de la lampe à incandescence est-il continu? Les physiciens de la physique quantique ne nous rabachent-ils pas que la matière ne sait pas émettre de photons autrement qu'avec des fréquences discrètes?

    Pourquoi ne retrouve-t-on pas le spectre caractéristique du tungstène (pour une lampe à filament de tungstène)?

    Autrement dit, que se passe t'il au niveau intime des atome dans ou à la surface du filament de tungstène lorsque j'allume la lumière

    -----


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  3. #2
    isozv
    Il est vrai que les niveaux d'énergie d'excitation des électrons sont quantifiés. Cependant, il ne faut pas oublier que dans un système tel qu'une lampe à incandescence enfermée dans un volume avec une paroi non absorbante, les phénomènes d'interactions et de superpositions des ondes amènent à obtenir un spectre qui n'est plus parfaitement assimilable à celui du tungstène.

    Pour observer un système ayant un spectre déterminé dans le sens que tu l'entends, il faut à ma connaissance mettre en place une expèrience telle que celle du corps noir dans laquelle il y a un équilibre thermodynamique et où les ondes électromagnétiques constituent toutes pour un état d'équilibre donné à une température donnée, des oscillateurs harmoniques (dont les terminaisons fixes sont les parois absorbantes du corps noir) dont la longueur d'onde est bien quantifiée et satisfait ainsi à éliminer la catastrophe de l'utraviolet.

    Tu ne pourras pas avec un "corps gris" comme le tungstène dans un système ouvert en déséquilibre thermodynamique obtenir l'observation que tu souhaites.

    Si je dis des bêtes les autres me corrigeront

  4. #3
    aristarque
    Citation Envoyé par isozv

    Pour observer un système ayant un spectre déterminé dans le sens que tu l'entends, il faut à ma connaissance mettre en place une expèrience telle que celle du corps noir
    Oh non! Le spectre du corps noir est un spectre continu.

    Pour obtenir un spectre discret il faut mettre un morceau de tungstène dans un microscope électronique.

    Je ne sais pas comment préciser encore ma question : un solide rayonne à la température ambiante dans l'infrarouge ou le visible suivant un spectre continu. A-t-on idée de ce que font les atomes à la surface du solide au moment où le photon est émis? Peut-on aller plus loin ou bien doit-on en rester à un dogme : les solides produisent du rayonnement thermique, c'est comme ça et il ne faut pas en chercher d'explication.

    Pourquoi les atomes à la surface du solide ne peuvent-ils pas s'empêcher d'envoyer des photons dans la nature?

  5. #4
    isozv
    je me suis visiblement mal exprimé. Bien évidemment le spectre du corps noir est continu !

    Mais les ondes électromagnétiques de l'expérience "du four de Planck" ont des modes propres caractérisés par le fait qu'il existe un nombre entier de demi-longueurs d'onde entre les extrémités du four comme nous pouvons le démontrer en mécanique ondulatoire. Ce qui fait que pour une certaine températeur, en équilibre thermodynamique, nous obtenons qu'une seule longueur d'onde.

    Ceci n'est bien sûr pas le cas d'un fil de tungstène qui n'est pas en équilibre thermodynamique avec son environnement pour une température donnée. Mais si nous mettons en place la bonne expérience avec un fil de tungstène en équilibre thermodynamique avec son environnement, alors pour une température donnée il y aura bien une seule et unique longueur d'onde tel que le permet de calculer la mécanique quantique relativement à la transition d'un électron entre deux couches.

    Lorsque tu allumes la lumière, il y a plusieurs électrons de différentes couches qui sont excitées et non pas une unique population d'électrons. De plus, dans le cas de la lampe, la lumière traverse le verre de l'ampoule ce qui a des effets assez variables suivant le type de verre

  6. #5
    Max
    Bonjour,

    Je crois qu'il y a une legere incomprehension en ce qui concerne la question d'Aristarque. Il veut savoir pourquoi le tungstene solide du filament des lampes a incandescence emet une lumiere a spectre continu (peu importe que ce soit de type corps noir ou de corps gris), alors que la meca quantique precise bien que chaque element possede des niveaux energetiques electroniques discrets et uniques a chaque element. Niveaux qui doivent normalement donner lieu a l'emission de lumiere en spectre de raie, et non en spectre continu.

    La raison precise pourquoi tout corps condense (solide, liquide) emet un spectre continu par incandescence, est que les niveaux energetiques discrets de chaque atome individuels sont perturbes par la presence tres proche d'autres atomes, ce qui n'est pas trop le cas dans les gaz (pour simplifier).
    Les electrons, appartenant a la classe des Fermions, ne peuvent se retouver simultanement dans le meme etat energetique au meme instant et au meme endroit. Ce comportement est decrit par la regle d'exclusion de Pauli. La consequence est que des atomes de meme nature chimique, et tres proches les uns des autres (leurs electrons interagissant entre eux), verront leurs niveaux energetiques se decaler vers des valeurs d'energie qui sont unique a chaque atome. Bien sur, chaque atome aura toujour des niveaux energetiques discrets, mais ils ne seront plus les memes que ceux du meme atome dans la vide (sans les atomes environnants). Par contre, si on regarde l'ensemble des atomes du metal, l'ensemble de leur niveaux discrets d'energie formeront des bandes energetiques continues, qui donnera lieu a l'emission de lumiere dans un spectre d'energie tout aussi continu.

    Si on voulait obtenir le spectre de raie caracteristique du tungstene, il faudrait que les atomes ne soient pas trop proches les uns des autres pour ne pas perturber leurs niveaux energetiques .. donc il ne faudrait pas les avoir sous forme solide ou liquide, mais sous forme de gaz, preferentiellement sous basse pression.

    Pour ce qui est de l'emission IR des corps condenses a temperature ambiante, la raison se trouve dans l'agitation thermique des atomes.

    A++

    Max

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    isozv
    Oui alors dans ce cas ta réponse est effectivement ce qu'il fallait dire.

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  10. #7
    aristarque
    Bonjour Max,


    Citation Envoyé par Max

    Si on voulait obtenir le spectre de raie caracteristique du tungstene, il faudrait que les atomes ne soient pas trop proches les uns des autres pour ne pas perturber leurs niveaux energetiques .. donc il ne faudrait pas les avoir sous forme solide ou liquide, mais sous forme de gaz, preferentiellement sous basse pression.
    Oui mais comment comprendre le cas de l'échantillon (solide) placé dans le microscope électronique? Je ne suis pas certain que le faisceau électronique parvienne à détacher des atomes entiers de l'échantillon. J'ai plutot l'impression que les électrons qui sont projetés "s'invitent" un peu trop lourdement dans les atomes de la surface, ce qui met ces atomes dans un état excité, et c'est la désexcitation qui produit ensuite les rayons X.

    Citation Envoyé par Max
    Pour ce qui est de l'emission IR des corps condenses a temperature ambiante, la raison se trouve dans l'agitation thermique des atomes.

    D'abord je corrige une grosse bêtise que j'ai écrite plus haut : à température ambiante le rayonnement thermique s'effectue dans l'infrarouge, mais certainement pas dans le visible.

    Il n'y a pas de grande différence entre une lampe éteinte et une lampe allumée. La lampe allumée est plus chaude c'est pour cela qu'elle émet dans le visible. La lampe éteinte est froide, c'est pour cela qu'elle n'émet que de l'infrarouge, qui pour nous autres humains est invisible.

    Ma question porte sur cette agitation thermique :

    - possède-t-on des explications fines de ce phénomène?

    - Sont-ce les électrons seulement qui sont agités, ou bien est-ce que les noyaux participent aussi à ce phénomène?

    - Comment un atome "agité" fait-il pour émettre un photon?

  11. #8
    Max
    Salut,


    Citation Envoyé par aristarque
    Oui mais comment comprendre le cas de l'échantillon (solide) placé dans le microscope électronique? ...
    dans le cas de l'emission X par impact electronique, les electrons impliques ne sont pas ceux du/des niveaux de valence, mais ceux des couches electronique internes (K, L, M ..). Or ces couches ne sont pas affectees par les atomes environnants, et conservent donc leur identite propre meme pour les materiaux solides.
    Un faisceau energetique d'electron comme on en trouve dans les microscope electronique (plusieur keV) peuvent 'ejecter' des electrons des couches internes des atomes, ce qui vas laisser une place vacante dans tel ou tel niveau. En d'autre terme cela revient a creer un atome fortement excite. Il en resultera que les electrons des couches superieures vont descendre les niveaux par cascade (la vacance va remonter vers le niveau de valence) tout en emettant des rayons X en passant de niveau a niveau.


    Citation Envoyé par aristarque
    Ma question porte sur cette agitation thermique :

    - possède-t-on des explications fines de ce phénomène?

    - Sont-ce les électrons seulement qui sont agités, ou bien est-ce que les noyaux participent aussi à ce phénomène?

    - Comment un atome "agité" fait-il pour émettre un photon?
    Oui, a ce jour on possede une tres bonne vision de ces phenomene, et il est possible de predire theoriquement la forme du spectre ainsi que que les valeurs de l'emissivite en fonction de la longueur d'onde.

    Les electrons et les noyaux participent au phenomene global. l'image est que les ions en vibration par rapport a leur position d'equilibre vont transmettre par 'impact' une part de leur energie aux electrons. Du fait de la tres forte densite de ces ions (cf. solide), il y aura une quantite enorme de ces collisions qui vont thermaliser les electrons avec les ions; c.a.d que la population d'ions et celle d'electrons dit libres seront en equilibre thermodynamique (au moins local), ce qui implique la meme temperature et une distribution en energie qui repond a la statistique de Maxwell-Boltzmann.
    Ce cas de figure est assez bine applicable au cas ou on chauffe un materiau par un flamme. Dans le cas d'un chauffage ohmique, un champs electrique accelere des electrons qui par la multitude de collisions avec les ions vont tranferer une part non negligeable de leur energie aux ions. Ces derniers vont aussi en retransmettre une partie aux electrons, et l'ensemble des collisions va thermaliser les deux populations d'electrons et d'ions.
    En ce qui concerne les isolants (meme a haute temp.), l'image est un peu modifiee vu l'abscence d'electrons 'libres' (de conduction). Je ne sais plus exactement commence cela marche pour cette classe de materiaux, mais je peut regarder dans les bouquins si cela t'interesse.

    Maintenant, comment la lumiere est elle produite a partir de l'agitation thermique?. La presence de bandes energetiques permet en principe a un electron de pouvoir occuper n'importe quel (ou presque) niveau d'energie pourvu qu'on la lui fournisse cette energie. C'est presisement ce qui se passe pour certaines collisions entre les electrons et les ions. Si la phase entre le mouvement d'un ion donne est favorable par rapport a celle d'un electron, alors ce dernier aura gagne en energie suite a la collision, et pourra ainsi occuper un niveau energetique superieur. De la, il peut se desexciter de maniere radiative (ce qui nous interesse) ou non.
    Il y a d'autres mechanismes, comme le rayonnement de freinage qui est du a la desceleration d'electrons suite au passage proche d'un ion.

    De maniere generale, ce sont les electrons qui sont responsable de l'emission lumineuse (soit elle thermique ou optique), alors que les 'vibrations' de moment dipolaire (si on peut appler ca comme ca) du a la vibration des noyaux autours de leur point d'equilibre, est responsable de certaines proprietes optiques passives du materiaux. Ce dernier cas concerne plus les solide cristallins isolants ou semi-conducteurs...

    A++

    Max

  12. #9
    aristarque
    Merci Max pour ta réponse très claire et très bien informée.

    mais je peut regarder dans les bouquins si cela t'interesse.
    C'est peut-être plutôt à moi de regarder dans les bouquins. Mais dans quel genre de bouquin est-ce qu'on trouve cela? Physique du solide? Ou bien y a-t-il des bouquins spécialisés sur les phénomènes thermiques?

    Je me posais aussi des questions toujours sur le rayonnement thermique : si le rayonnement thermique des solides (et éventuellement des liquides opaques) semble naturel, puisqu'on a l'expérience des chauffages à infrarouges ou du charbon de bois quand on fait un barbecue, je me demandais ce qu'il en était des gaz.

    Je crois que les astrophysiciens détectent des amas gazeux dans les galaxies. Comment font ces amas gazeux pour produire du rayonnement?

    Je me posais aussi la question : y a-t-il des gaz qui ne soient pas transparents? Je crois me souvenir que lorsqu'on met de l'acide nitrique sur du cuivre, on a un dégagement de vapeurs colorées. Comment explique-t-on que ces vapeurs puissent réfléchir la lumière?

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