Origine d'une onde électromagnétique

[Centaury]

Bonjour,
D'après ce que j'ai compris, une onde électromagnétique est généré lorsqu'une particule chargée électriquement accélère par exemple, lors de l'agitation thermique l'atome accélère et les électrons sont accélérés avec lui et génèrent une onde électromagnétique comme dans le cas du rayonnement infrarouge du corps humain.

J'ai deux questions concernant cela:

Les atomes étant électriquement neutre (proton chargé positivement et électron négativement), comment peuvent-ils générer une onde électromagnétique lors de leurs agitations (agitation thermique)?

Les électrons d'un atome étant chargés, lorsqu'ils sont accélérés ils produisent une onde électromagnétique mais les protons aussi sont chargés, produisent-ils aussi une onde électromagnétique lors de l'agitation thermique des atomes (exemple: rayonnement infrarouge du corps humain)?

Merci et Bonne Année à tous!
-----

[coussin]

Votre question est donc plus précisément sur l'origine du rayonnement du corps noir, c'est ça ?
Pour des solides et des liquides, l'origine est les fluctuations de densité de charges. En effet, un solide ou un liquide peuvent être vus comme un nuage de charges positives (les noyaux) baignant dans un nuage de charges négatives (les électrons, qui peuvent être complètement délocalisés). L'énergie thermique est transférée sous forme de phonons aux noyaux qui gigotent autour de leur position d'équilibre. Ce gigotement des charges positives dans un bain de charges négatives est en fait des dipoles oscillants et c'est ça qui génère le rayonnement du corps noir.
Pour les gaz, il n'y a pas de phonons et donc les gaz, en première approximation, ne rayonne pas suivant le spectre continu du corps noir. Il rayonne un spectre discret de transitions rotationnels et vibrationnelles. Néanmoins, la situation change si on augmente la densité et la température du gaz ce qui augmente la fréquence des collisions des atomes/molécules du gaz. On peut alors observer une transition vers un spectre continu compatible avec un corps noir. C'est en fait la transition vers un plasma, qui lui rayonne comme un corps noir.

[un_copain]

Les atomes étant électriquement neutre (proton chargé positivement et électron négativement), comment peuvent-ils générer une onde électromagnétique lors de leurs agitations (agitation thermique)?

Salut,
Petite précision : comme l'a dit coussin, l'agitation thermique est une agitation mécanique des atomes autour de leur position d'équilibre. En gros les atomes vibrent, ils ont une énergie cinétique.
La solution à ton problème c'est tout simplement la masse des particules, les électrons sont beaucoup plus légers que les protons, et sont liés différemment. Donc lorsque l'atome vibre, ce n'est pas quelque chose de cohérent où toutes les particules vont suivre le même mouvement, mais ça va donner quelque chose de très chaotique où les charges vont bouger entre elles, ce qui va engendrer l'émission d'ondes électromagnétiques.

[coussin]

Oui, c'est une très bonne remarque de un_copain que j'ai complètement oublié de mentionner
Il y a effectivement une différence fondamentale entre les charges positives (les noyaux) et les charges négatives (les électrons) et c'est la masse. Les noyaux, plus lourds, sont toujours relativement bien localisés alors que les électrons ne sont, au mieux, seulement "localisés" dans des orbitales et au pire pas localisés du tout (par ex les électrons de valence d'un métal).
Les orbitales électroniques ont également la fâcheuse tendance à suivre quasi-intantanément les changements de position des noyaux (les électrons étant tellement légers et "mobiles") ce qui est à la base de l'approximation de Born-Oppenheimer par exemple.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Gwinver]

Bonjour.

Suite aux deux posts précédents, il apparaît qu'au moins une partie du phénomène est liée à la composition des atomes et les différences de mouvement ente noyau et électrons. Pourtant, le rayonnement d'un corps noir est indépendant de la composition du corps en question.

[Deedee81]

Salut,

Suite aux deux posts précédents, il apparaît qu'au moins une partie du phénomène est liée à la composition des atomes et les différences de mouvement ente noyau et électrons. Pourtant, le rayonnement d'un corps noir est indépendant de la composition du corps en question.

Il ne faut pas oublier que le corps noir est une idéalisation thermodynamique. Les corps noirs stricto sensus .... ça n'existe pas ! En pratique, certains corps peuvent avoir presque un rayonnement de corps noir mais jamais tout à fait. Et donc il y a des différences selon la composition.

Plus exactement, il y a différentes formes de rayonnement : niveaux électroniques (pas fréquent en réalité sauf à haute température), translations des atomes, rotations moléculaires, vibrations moléculaires (surtout dans les solides), et niveaux électroniques aussi pour les électrons libres délocalisés dans les solides.

Dans tous les cas, sans exception, ces rayonnements ont un spectre de raie !!!! Jamais un rayonnement continu. Sauf que..... les raies sont souvent très serrées (rotations, vibrations, translations). Et en plus de leur largeur naturelle (due au principe d'indétermination) et encore plus fréquent l'élargissement Doppler des raies, celles-ci se recouvrent. Donc, dans de "bonnes conditions" on a un spectre continu proche du corps noir. Mais avec du sodium par exemple, faut pas rêver, on aura toujours la belle raie intense orange et le mode "corps noir" n'est jamais atteint (sauf peut être à des milliers de degrés, quand tout est ionisé).

On est proche du corps noir uniquement s'il n'y a pas une bonne grosse raie dominante, si la substance est suffisamment absorbante (pas un miroir quoi ) et si les effets statistiques dû aux grands nombres sont suffisant pour "gommer" les fluctuations et le caractère "granuleux" du spectre.

Les meilleurs corps noir sont ceux en labo (les fours avec un petit trou : tout rayon EM rentrant dans le trou a peu de chance d'en ressortir. C'est le trou le corps noir
Et le rayonnement fossile.

[coussin]

Suite aux deux posts précédents, il apparaît qu'au moins une partie du phénomène est liée à la composition des atomes et les différences de mouvement ente noyau et électrons.

En rentrant dans les détails, non ce n'est pas le cas.
À température ambiante, c'est une énergie de 300K qui est distribuée dans le solide par exemple. 300K est 1/40 eV ce qui est bien trop faible pour engendrer des excitations électroniques. Cette énergie est "seulement" suffisante pour exciter la partie basse fréquence des phonons acoustiques et cette partie basse fréquence est "universelle" et ne dépend en première approximation que du pas du réseau cristallin. Et ce pas est toujours de quelques angstroms, quel que soit le solide en question.

Ensuite, Deedee a raison et la théorie du corps noir est une idéalisation. Mais c'est l'argument que j'ai donné qui fait que "ça marche pas trop mal en pratique".

[Deedee81]

Ah oui, désolé, il y a eut un peu de redite

Ces remarques sur les excitations électroniques, ça me rappelle que dans mon bouquin de physique statistique, ils répertorient aussi le rayonnement du... noyau (excitations nucléaires) mais disent qu'il sera ignoré dans la suite (ça n'intervient qu'à des températures particulièrement élevées, évidemment, de l'ordre du million de degrés minimum).

[Centaury]

Mais étant donné que les atomes vibrent, leurs noyaux vibrent, est-ce que les protons des noyaux génèrent à eux seul des ondes électromagnétiques en plus de celles générées par les électrons?

[Deedee81]

Salut,

Mais étant donné que les atomes vibrent, leurs noyaux vibrent, est-ce que les protons des noyaux génèrent à eux seul des ondes électromagnétiques en plus de celles générées par les électrons?

Bonne remarque. En principe non, pas avec juste la vibration, il faut forcément un changement d'état, mais ça concerne aussi les électrons. Par contre lors de changements d'états de vibrations moléculaires, ça doit jouer .... mais ça doit être peau de chagrin (mille fois plus faible). Et en pratique en physique statistique ce n'est pas très important car :
- les calculs exacts d'émission de rayonnement c'est mission impossible (calculs trop compliqués que ce soit en MQ + EM ou en théorie quantique des champs), on utilise donc des tas d'approximations diverses et variées
- on utilise beaucoup des données expérimentales, pour paramétrer les équations/l'hamiltonien/la fonction de partitions..., par exemple le spectre de vibration et là l'origine exacte n'est ni visible ni importante

[Centaury]

Bonjour,
Connaissez-vous un site internet ou des vidéos qui explique l'origine et différents aspects du rayonnement infrarouge (rayonnement du corps noir) de manière pas trop compliqué pour un novice comme moi?

[trebor]

Bonjour,
Connaissez-vous un site internet ou des vidéos qui explique l'origine et différents aspects du rayonnement infrarouge (rayonnement du corps noir) de manière pas trop compliqué pour un novice comme moi?

Bonsoir à tous,
Ici peut être ?
https://www.youtube.com/watch?v=eaibXuVXo5s
et bien d'autres ici à droite de ce lien :
https://www.youtube.com/watch?v=32LyuC-XI_A

[un_copain]

Une vidéo qui prend son temps, avec illustration et références, sur la radiation du corps noir (en anglais, sous titré anglais) : https://www.youtube.com/watch?v=EWqzg0iqNtw

Sinon, wikipédia fait un très bon travail pour expliquer les choses.

[Centaury]

Merci !

[patguy]

Bonjour, un atome dans son état fondamental ne rayonne pas c'est la mécanique quantique qui le montre sinon la matière n'existerait pas. C'est la différence par rapport a une étude dite classique. Vous verrez cela plus tard je suppose. Cordialement