Absorption de la lumière

[invite7464d29c]

Bonjour tout le monde,

On sait tous que le noir absorbe la lumière et que le blanc la renvoie, je me suis intéréssé à la chose, et apparemment, cela se passe au niveau quantique: les photons incident dans le cas du blanc excite un électron qui va se détacher de se couche, puis revenir en emettant un photon, en revanche pour le noir l'énergie du photon est convertie en énergie thermique.

Tout d'abord mes constatations sont elles bonnes ?
Ensuite pourriez vous m'aider à les compléter ?
Notamment, comment se passe l'absorption de la lumière par le noir et la conversion de l'énergie du photon en énergie thermique ?

Merci.

BENOIT Julien.
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[invite2ac91d65]

Salut!

Pour répondre dans l'ordre à tes questions, voici mon avis sur la chose (qui est loin d'être triviale!)

1. Tes "constatations" ne sont pas forcément mauvaises, mais à bien y regarder ton explication est encore dans le domaine classique à ceci près que tu admets l'existence du photon et la structure en couches de l'atome. C'est un bon départ, mais même avec cet apport "quantique" l'explication se mort encore la queue : autant dans le cas du noir que dans le cas du blanc, un photon va venir bousculer l'electron, le balancer sur une autre couche, et par désexcitation celui la va réémettre un photon. En fait tout dépend bien sur du matériau (selon qu'il est noir ou blanc) et du photon incident.

2. Avec plaisir, mais ça va être long!! il y a une infinité de choses a dire sur le rayonnement électromagnétique, et il y en a plein que je ne connais pas. Beaucoup plus de phénomènes qu'on pourrait croire apparaissent selon la nature du rayonnement incident (Visible, IR, UV, X, Gamma, micro-onde, radio, etc.) selon la nature du matériau (cristal, gaz, diélectrique, LCD, métal de transition, et j'en passe...) et selon les conditions de l'expérience (angle d'incidence, pression mecanique sur le matériau, etc.)
Si on se limite à ce qui se passe au niveau quantique, il faut simplifier le problème au maximum : prenons comme tu l'as fait un photon qui va en direction d'un atome, autour duquel je sais qu'il y a un électron.
En tout premier lieu, le photon, je ne sais rien de lui mis a part qu'il est associé à une énergie E, qu'on note en général h*nu (j'ai oublié de te demander si tu fais de la physique en supérieur ou si c'est juste pour la culture!) Cette énergie à le bon goût d'être n'importe quoi, je veux dire par la qu'elle n'est pas quantifiée : si on faisait un diagramme de l'énergie du système, on dirait que le photon a une bande d'énergie bien à lui, on peut choisir ce qu'on veut entre 0 et l'infini.
En ce qui concerne l'electron autour de l'atome, c'est complètement différent ; on sait que les niveaux électroniques sont répartis en couches, ça ne sert a rien ici de discuter du pourquoi, seul importe que l'énergie de l'électron est fixée par la couche sur laquelle il se trouve. Au plus il est près du noyau, au plus il faut lui fournir de l'énergie pour l'arracher, c'est vrai, mais il n'y a pas de caractère continu dans cette description comme il y en a pour l'énergie du photon. L'electron est sur une orbite si on peut dire ainsi, et selon l'orbite il y a une énergie bien précise à fournir pour l'exciter. Cette fois, le diagramme d'énergie n'est pas fait d'une bande mais d'une succession de traits, chacun correspondant à l'énergie de l'électron sur une orbite... voilà pour la description du modèle.

3. Vient maintenant la partie interaction photon-electron. Comme tu le sais peut-être, un des articles d'einstein en 1905 traite de l'effet photoélectrique, il y a énormément de choses dispo dessus sur internet, je te laisse le soin d'aller fouiller "la toile"
Si je reprends mes deux diagrammes d'énergie de la partie précédente, et que je les met cote à cote, je vois immédiatement que le photon peut avoir une énergie qui va suffire à envoyer l'electron sur une autre couche ou carrément à l'arracher de l'atome (on part du principe que l'énergie est conservée, pas de pertes thermiques comme on pourrait en avoir par effet joule!)
La question qu'il convient de se poser maintenant est "pourquoi m'a t-on dit que le noir absorbe la lumière et que le blanc la réfléchit?"
En effet, si le photon excite l'électron, celui la monte en énergie. Passé un certain temps, il va se relaxer en libérant lui-même un photon d'une énergie suffisante; mais c'est le cas pour le blanc et pour le noir!! le blanc aussi absorbe la lumière! sauf que voilà, comme on le dit souvent dans les petites classes, la lumière blanche est composée de toutes les couleurs, ce qui est un argument suffisant pour admettre que mon atome de matériau blanc a des niveaux d'énergie (les couches) qui correspondent pour beaucoup à des longueurs d'onde visibles, donc il va absorber dans ces longueurs d'ondes, et ré-émettre dans ces longueurs d'ondes, selon l'énergie incidente!
La je viens d'expliquer pourquoi un matériau blanc réfléchit la lumière et la restitue EXACTEMENT TELLE QU'ON LA VOIT, et je viens aussi d'expliquer pourquoi un matériau blanc, éclairé en lumière rouge, apparaîtra ....ROUGE!
Pour ce qui est du matériau noir, c'est moins simple. Tout porte a croire que les atomes du matériau noir ont eux aussi des niveaux d'énergie bien séparés les uns des autres, exactement comme le matériau blanc. Lorsque l'atome reçoit le photon, il a à peu près 3 grandes options.( Et la je fais usage de la théorie quantique, sans jamais rentrer dans le détail formel, histoire de ne poser aucun calcul .)
Soit (Option 1) il ne va pas apprécier que l'énergie qu'il reçoit ne corresponde pas parfaitement à une transition électronique d'une couche vers une autre, et alors on peut supposer qu'il ne va rien faire, on dit dans ce cas que l'onde électromagnétique ne couple pas avec l'électron, le photon continue de se propager dans la matière (le matériau est dit transparent à la longueur d'onde de ce photon), soit (Option 2) l'atome va reconnaître une longueur d'onde connue (une transition) et la désexcitation, lorsqu'elle aura lieu, se fera d'une manière plus complexe que prévue, par exemple en passant par un palier ou plusieurs (on parlera de désexcitations radiatives ou non radiatives). Le point important réside dans le fait que la désexcitation se fait à des fréquences qui ne sont pas les mêmes que la fréquence du photon incident, et qui de surcroît ne sont pas forcément visibles : le matériau apparaît donc noir. Troisième option, quasi-obligatoirement couplée à la deuxième : on a découvert au début du 20è siècle que la fréquence de rayonnement est toujours une fonction de la température. On peut donc supposer que le matériau dont les longueurs d'onde favorites sont du domaine non visible ré-émet tout bêtement la lumière dans ces longueurs d'ondes non visibles, auxquelles correspondent des énergies plus élevées que la lumière visible, donc des températures plus élevées!

On ne parle donc pas vraiment de conversion en énergie thermique, mais plutôt simplement de rayonnement thermique



voila, c'était très long, peut-être pas clair du tout donc je te laisse bombarder de questions !

PS. A toi de deviner quel rayonnement est plus chaud : l'UV ou l'IR?

Nico

[invite7464d29c]

Re,

Merci pour cette longue et complète réponse NickMoriarty !
Tes informations m'ont été d'une grande aide pour débrousailler mon sujet !
Merci beaucoup.

Bonne soirée.
J.BENOIT.

[LPFR]

Bonjour.
Histoire de montrer comme les choses sont compliquées, je vous donne l'exemple du sel de cuisine. Les cristaux de sel sont transparents et incolores, comme vous pouvez le constater avec du gros sel ou avec une loupe.
Mais le sel de votre salière n'est pas transparent mais blanc.
Et ceci arrive avec beaucoup de poudres. Même avec des substances colorées (pas toutes): quand on les broie, la poudre devient blanche.
Et l'explication avec des photons et des niveaux d'énergie ne fonctionne plus.
Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite2ac91d65]

Bien dit LPFR.

Je suppose que c'est une question de réflexions multiples dans le milieu, à la fin tous les faisceaux lumineux se mélangent (sans parler en termes de MQ comme tu vois) et on ne voit rien d'autre que du blanc!
Quoi que cela n'expliquerait pas totalement que des poudres puissent être colorées...
Je ne suis pas du tout spécialiste en poudres, surtout les blanches xD.

a bientôt

[LPFR]

Bonjour.
Dans le cas du sel, il est blanc car même la lumière qui le traverse, passe dans son intégralité. Puis, la lumière qui passe, est réfléchie et transmise à son tour, etc.
Mais si les particules sont opaques et ne réfléchissent (à part la différence d'indice de réfraction), qu'un couleur, la lumière qui tombe sur une nouvelle particule sera déjà colorée et la poudre sera colorée.
Donc, je pense, que les poudres de substances opaques ou très absorbantes colorées est colorée, mais pas celle des matières transparentes ou semi-transparentes.
Au revoir.

[coussin]

Dans l'antiquité, différents colorants étaient à base de poudre d'or. La couleur du colorant était déterminé par la taille des particules d'or

[Daranc]

j'ignore si ça peut amener un plus pour les matières plastiques les structures cristallines bloque le passage de la lumière les amorphes sont transparentes. ( et on dit transparent comme du cristal )
nous avons aussi le cas des matière fluo ou l’énergie de longueur d'onde en dehors du spectre visible ressort dans une longueur visible ( c'est du noir inversé)

[LPFR]

j'ignore si ça peut amener un plus pour les matières plastiques les structures cristallines bloque le passage de la lumière les amorphes sont transparentes. ( et on dit transparent comme du cristal )
nous avons aussi le cas des matière fluo ou l’énergie de longueur d'onde en dehors du spectre visible ressort dans une longueur visible ( c'est du noir inversé)

Re.
La transparence ou l'opacité n'est pas reliée directement au caractère cristallin ou amorphe de la substance. Le quartz est transparent dans les deux états et le soufre est opaque dans les deux états.
Et la fluorescence n'a rien à faire dans cette discussion.
A+

[Daranc]

Re.
Et la fluorescence n'a rien à faire dans cette discussion.
A+

NickMoriaty expliquait que le noir pouvait être du à une absorptions d'énergie visible rejeté dans des longueurs non visible ( IR je suppose) certains colorants absorbent de UV et les "recrachent" dans le spectre visible. On a le même phénomène décalé simplement . je ici parle de couleurs fluos certain cristaux semble s'allumer dans le noir sous lampe UV il ne font que décaler l'énergie reçus dans une longueur visible

[arrial]

On sait tous que le noir absorbe la lumière et que le blanc la renvoie, je me suis intéréssé à la chose, et apparemment, cela se passe au niveau quantique: les photons incident dans le cas du blanc excite un électron qui va se détacher de se couche, puis revenir en emettant un photon, en revanche pour le noir l'énergie du photon est convertie en énergie thermique.

Salut,



♦ Un corps noir IDÉAL absorbe tout le rayonnement électromagnétique qu'il reçoit, et pas seulement le visible.
♦ Le rayonnement associé à un saut d'orbital donne un spectre discret : ce n'est pas le cas du rayonnement du corps noir.
♦ Le corps noir à l'équilibre thermodynamique réémet TOUTE la puissance reçue, mais selon un spectre continu, qui ne dépend que de sa température de surface [lois de Kirchhoff, et de Stéphan]
♦ ce spectre continu n'est pas interprétable par la théorie classique : Max Planck a obtenu le prix Nobel [théorie des quanta 1918] en interprétant ce spectre grâce à la mécanique quantique [noter que tous les spectres obtenus par le formalisme quantique ne sont pas quantifiés, donc discrets ‼].De fait ce spectre obéit à la statistique de Boltzmann, avec toutes les longueurs d'onde concernées, les électrons se comportant comme des oscillateurs harmoniques.

Les coefficients d'absorption, donc d'émission, du corps noir, sont égaux à 1.

Par opposition, on est amené à évoquer le cas théorique également, du "corps blanc", même si ce terme n'est pas utilisé, à ma connaissance.
Ses coefficients d'absorption, donc d'émission, seraient alors égaux à zéro : la lumière ne serait donc pas absorbée, mais réfléchie, de façon stigmatique [miroir ↔ métaux lisses] ou pas [diffusion, par la neige par exemple, qui n'est pas blanche mais incolore, et renvoie la couleur qu'elle reçoit, dans toutes les directions.


Les corps réels sont de fait appelés des "corps gris", mais il ne faut pas s'y tromper : le rayonnement de notre soleil, pas spécialement gris, s'interprète avec le modèle du corps noir …



@+

[Daranc]

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