Lumière réfléchie, lumière absorbée, blanc, noir...

[Superlynx83]

Bonjour,

Je m'intéresse depuis quelques jours à un sujet visiblement très complexe => la couleur de la matière.

Je maitrise à peu près les principales notions d'électromagnétisme : niveaux d'énergie quantifiés d'un atome, bandes d'énergie dans un solide, dualité onde-particule... Je comprends aussi sans trop de problème la raison qui explique que pour un atome isolé, les raies d'absorption et d'émissions soient les mêmes.

J'essaie en revanche de comprendre les causes de la coloration des matériaux, et j'avoue avoir bien du mal à m'y retrouver. Je m'emmêle les pinceaux entre la lumière réfléchie et absorbée...

Je lis que lorsque le soleil éclaire une plante, la chlorophylle absorbe le bleu et le rouge, et réémet le vert. Si j'ai "bien lu ce que j'ai lu" :

=> Si un rayon incident (monochromatique) est de longueur d'onde qui ne correspond pas à une quantité d'énergie qui sépare deux niveaux d'énergie des "atomes" (molécules) de la chlorophylle, alors pas d'interaction, le rayon continue sa vie (transparence)...
=> Je comprends du coup que si le rouge et le bleu sont absorbés, il correspondent chacun à une quantité d'énergie ("Delta E") que les atomes de la plante peuvent capter (puis absorber).
=> Je comprends du coup que si le vert est réfléchi, il correspondent à une quantité d'énergie ("Delta E") que les atomes de la plante peuvent capter (puis réémettre).

J'ai bon ou je me "plante" quelque part ?

En fait, si je comprends sans trop de soucis que la chlorophylle absorbe le rouge et le bleu, je ne comprends pas de quelle manière le vert est réfléchi (en direction de nos yeux pour qu'on puisse le voir). C'est valable pour n'importe quel objet, j'ai bien du mal à comprendre pourquoi certains objets sont blancs (pourquoi ils réfléchissent la lumière) et pourquoi d'autres sont noirs (pourquoi ils l'absorbent).

D'une manière générale, je ne comprends pas ce qui explique que certaines couleurs soient absorbées et d'autres réfléchies au niveaux des matériaux qui ne sont pas des métaux...

Merci pour votre aide.
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[mach3]

pour commencer, regardez à diffusion de la lumière : https://en.wikipedia.org/wiki/Light_scattering

m@ch3

[LPFR]

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J'ai bon ou je me "plante" quelque part ?
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Bonjour et bienvenu au forum.
Les niveaux des atomes et l’absorption atomique ne comptent que pour des atomes isolés.
Dans la matière et les composées ce qui compte est l’absorption moléculaire qui est très différente que l’absorption atomique.
Elle ne se fait pas par des niveaux discrets mais par des niveaux très nombreux qui donnent lieu à des bandes d’absorption.

La chlorophylle ne réfléchit pas le vert : elle le laisse passer. Mais le vert se réfléchit dans ses structures des plantes. Regardez le lien que Mach3 vous a donné.
Au revoir.

[Superlynx83]

Bonjour,

Merci à vous deux pour vos réponses et pour votre accueil. Oui, quand je regarde Wikipédia et notamment le paragraphe qui parle des joints de grains, c'est plus clair pour moi. OK pour le vert des plantes.

J'aimerais comprendre un peu mieux à partir de quoi on aboutit aux bandes d’absorption pour une molécule. Je suppose que la plupart sont obtenues expérimentalement, mais quelles sont les causes des résultats obtenus ?

J'ai compris (en espérant que je ne me gourre pas) que les niveaux discrets d'absorption (et d'émission) pour un atome isolé sont démultipliés et deviennent des bandes d'énergie pour un solide métallique. Si je vulgarise à mort, est-ce que je peux dire que pour une molécule d'abord, pour un cristal ensuite, c'est le même phénomène qui se produit mais de manière plus complexe ? (composition plus complexe, liaisons covalentes, ioniques, etc...)

De plus, qu'est ce qui explique, finalement, qu'on puisse avoir des corps qui réfléchissent tout (blancs ou neutres) et des corps qui ne réfléchissent rien (noirs) ? Pourquoi ou comment les seconds "parviennent" à convertir plus facilement en énergie cinétique (ou chaleur) l'énergie des photons incidents ? Je lisais aussi que certains matériaux pouvaient, quand ils absorbent un photon d'énergie E, renvoyer deux photons d'énergie E/2...

Je suis un peu perdu...

Merci pour votre aide.

[A voir en vidéo sur Futura]

[mach3]

J'aimerais comprendre un peu mieux à partir de quoi on aboutit aux bandes d’absorption pour une molécule. Je suppose que la plupart sont obtenues expérimentalement, mais quelles sont les causes des résultats obtenus ?

J'ai compris (en espérant que je ne me gourre pas) que les niveaux discrets d'absorption (et d'émission) pour un atome isolé sont démultipliés et deviennent des bandes d'énergie pour un solide métallique. Si je vulgarise à mort, est-ce que je peux dire que pour une molécule d'abord, pour un cristal ensuite, c'est le même phénomène qui se produit mais de manière plus complexe ? (composition plus complexe, liaisons covalentes, ioniques, etc...)

quand vous prenez deux atomes avec leurs orbitales atomiques respectives réparties en niveaux d'énergie discrets et que vous les rapprochez, ces orbitales se combinent entre elles pour former de nouvelles orbitales (appelées orbitales moléculaires), on perd totalement les orbitales de départ pour arriver à un nouveau jeu d'orbital original. Les niveaux d'énergie sont toujours discrets. L'orbitale correspondant au niveau fondamental est un peu plus basse en énergie que les orbitales fondamentales des atomes de départ, mais pas beaucoup, ce qui fait qu'on a quasiment doublé la densité des niveaux d'énergie.
Ajoutons un troisième atome, on combine encore les orbitales, la densité des niveaux d'énergie augmente encore, et ainsi de suite. Pour un très grand nombre d'atomes liés entre eux (matériau) on a donc des orbitales géantes, recouvrant l'ensemble, en grand nombre et très proches les unes des autres en énergie : on peut considérer une continuité, ce ne sont plus des niveaux d'énergie mais des bandes. Il peut cependant y avoir des zones dans le diagramme d'énergie qui ne contiennent aucune orbitale, on parle de gap ou de bande interdite, c'est un point très important pour comprendre les comportements conducteurs, semi-conducteurs ou isolant des matériaux.

C'est une première partie de l'explication. La deuxième vient des possibilités d'élongation et de torsion qui apparaissent quand il y a une liaison, ainsi que les possibilité de rotation quand on n'a plus un atome de symétrie sphérique mais une molécule, de symétrie forcément plus faible. Les liaisons vont se comporter comme des petits ressorts et seront plutôt bien décrites par le modèle de l'oscillateur harmonique. Les modes de vibration seront quantifiés, on aura une vibration de base (un mode fondamental), puis plein de vibrations correspondant à des états excités (harmoniques). Idem pour les rotations, elles sont quantifiés.
Cela démultiplie le nombre de niveau d'énergie possible (surtout que les niveaux de vibration et de rotation sont très proches les uns des autres, on les voit en infrarouge ou en micro-onde alors qu'il faut aller en UV, voire X pour les transitions entre niveaux électroniques). Les raies d'absorption spécifiques du passage entre orbitales moléculaires (on est encore discret pour des molécules de taille raisonnable) s'en trouvent très étalées, on se retrouve également avec des bandes.

m@ch3

[Superlynx83]

Bonjour,

Merci pour votre réponse.

quand vous prenez deux atomes avec leurs orbitales atomiques respectives réparties en niveaux d'énergie discrets et que vous les rapprochez, ces orbitales se combinent entre elles pour former de nouvelles orbitales (appelées orbitales moléculaires), on perd totalement les orbitales de départ pour arriver à un nouveau jeu d'orbital original. Les niveaux d'énergie sont toujours discrets. L'orbitale correspondant au niveau fondamental est un peu plus basse en énergie que les orbitales fondamentales des atomes de départ, mais pas beaucoup, ce qui fait qu'on a quasiment doublé la densité des niveaux d'énergie.

Si j'ai bien suivi ce que j'ai lu récemment, la "nouvelle" orbitale correspondant au niveau fondamental est l'orbitale liante formée à partir des plus bas niveaux (1s) de chaque atome, c'est bien ça ? J'ai lu que chaque combinaison de sous-couche (genre 2p de l'atome A et 2p de l'atome B) forment une "orbitale liante" (2p) et une "orbitale anti-liante" (2p) pour la molécule, et que les (l'ensemble des ?) orbitales liantes sont de plus bas niveaux que les (l'ensemble des ?) orbitales anti-liantes. C'est bien ça ?

Ajoutons un troisième atome, on combine encore les orbitales, la densité des niveaux d'énergie augmente encore, et ainsi de suite. Pour un très grand nombre d'atomes liés entre eux (matériau) on a donc des orbitales géantes, recouvrant l'ensemble, en grand nombre et très proches les unes des autres en énergie : on peut considérer une continuité, ce ne sont plus des niveaux d'énergie mais des bandes. Il peut cependant y avoir des zones dans le diagramme d'énergie qui ne contiennent aucune orbitale, on parle de gap ou de bande interdite, c'est un point très important pour comprendre les comportements conducteurs, semi-conducteurs ou isolant des matériaux.

Merci. Si j'ai correctement pigé le passage ci-dessus, celui-ci est très clair et coule de source pour moi.

C'est une première partie de l'explication. La deuxième vient des possibilités d'élongation et de torsion qui apparaissent quand il y a une liaison, ainsi que les possibilité de rotation quand on n'a plus un atome de symétrie sphérique mais une molécule, de symétrie forcément plus faible. Les liaisons vont se comporter comme des petits ressorts et seront plutôt bien décrites par le modèle de l'oscillateur harmonique. Les modes de vibration seront quantifiés, on aura une vibration de base (un mode fondamental), puis plein de vibrations correspondant à des états excités (harmoniques). Idem pour les rotations, elles sont quantifiés.

OK. Merci pour cette explication. Je ne connaissais pas du tout le modèle de l'oscillateur harmonique (j'irais me renseigner). Mais (si j'ai bien compris), ça m'explique beaucoup de choses. J'en déduis que le principe est à peu près le même que celui des nombres quantiques (n, l, m, s...) au niveau d'un atome isolé. Je comprends qu'un électron qui capte un photon peut transmettre cet énergie à un de ces "petits ressorts" à condition que le photon soit d'une énergie ΔE "possible" pour ce "ressort". S'agit-il bien d'une conversion d'énergie électromagnétique en énergie cinétique (ou chaleur) qui, produite à grande échelle, aboutit à une hausse de la température du matériau ?

Cela démultiplie le nombre de niveau d'énergie possible (surtout que les niveaux de vibration et de rotation sont très proches les uns des autres, on les voit en infrarouge ou en micro-onde alors qu'il faut aller en UV, voire X pour les transitions entre niveaux électroniques). Les raies d'absorption spécifiques du passage entre orbitales moléculaires (on est encore discret pour des molécules de taille raisonnable) s'en trouvent très étalées, on se retrouve également avec des bandes.

Merci, je pense avoir compris. Toutefois, quand vous dites qu'il faut aller en UV voire X pour une transition entre niveaux électroniques, vous parlez d'un matériau spécifique ? (genre du verre)

Merci pour vos lumières !

[mach3]

Toutefois, quand vous dites qu'il faut aller en UV voire X pour une transition entre niveaux électroniques, vous parlez d'un matériau spécifique ? (genre du verre)

non, je parle des différences d'énergie typique entre niveaux électroniques, vibrationnels ou rotationnels pour les molécules en général. Une transition entre niveau électronique se fait généralement via l'absorption/émission de photons sur la gamme X-UV-visible (de l'eV à la centaine d'eV), alors que les transitions entre niveaux de vibration se font via des photons infrarouge (quelques dizaines de meV) et les transition entre niveaux de rotation via des photons micro-onde (des meV ou encore moins).

S'agit-il bien d'une conversion d'énergie électromagnétique en énergie cinétique (ou chaleur) qui, produite à grande échelle, aboutit à une hausse de la température du matériau ?

oui en quelque sorte, ce sont des degré de liberté dans lesquels la chaleur peut-être stockée. En général, plus il y a de degrés de liberté, plus la capacité calorifique est élevée (on stocke d'autant plus de chaleur pour augmentation de température donnée).
Plus généralement, les changements de niveaux (que ce soit electronique, vibrationnel, etc) se font soit par émission/absorption des photons qui vont bien, soit par collisions inélastiques. L’énergie se dilue ainsi sur tous les degrés de liberté. A l'équilibre les populations d'atomes et de molécules aux différents niveaux d'énergie respectent la statistique de Maxwell-Boltzmann : c'est cette répartition qui défini alors la température.

m@ch3