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Le verre, l’eau, le diamant sont transparents : la lumière passe au travers, alors que d’autres matériaux ne le sont pas : bois, papier, métaux sont opaques.

Pourquoi ?

sunflowers-through-glass
Pour être clair et pour bien définir de quoi on parle, la transparence c’est quand un rayon lumineux traverse le matériau et n’est donc pas arrêté par ce dernier.

La question devient donc : pourquoi le verre laisse t-il passer la lumière ?

La réponse réside avec la physique quantique : les gaps entre les niveaux énergétiques des électrons dans le verre sont trop grands pour que la lumière puisse être absorbée. J’explique.

Il faut voir les électrons comme des systèmes ne pouvant recevoir et émettre que des quantités précises d’énergie. Un électron qui n’a rien reçu est dans son état fondamental et un électron ayant absorbé une certaine quantité d’énergie est dans un état excité.
Selon la quantité d’énergie absorbée, il se trouve sur un niveau d’énergie bien défini ; si bien définie que chaque atome a sa propre liste d’états d’énergie possibles, ce qui constitue d’ailleurs la signature spectrale d’un atome.

transparence des materiaux
Par exemple, si un atome A ne peut absorber que des « doses d’énergie » de 8 eV, 10 eV et 30 eV, alors si on lui envoie un rayon de 5 eV, il n’en voudra pas. Si on lui envoie un rayonnement de 7 eV en même temps qu’un rayonnement de 3 eV, il n’en voudra pas non plus. Il ne prend que les rayonnements de 8 eV, 10 eV ou 30 eV.

Pour le verre, les gaps d’énergie sont trop importants pour la lumière visible : la lumière visible n’est pas assez énergétique, et les électrons ne peuvent pas les absorber. La lumière traverse donc le verre, sans être absorbée.

Pour le bois ou le plastique opaque, le photon disparaît : la lumière visible est absorbée et les électrons sont excités.
La désexcitation peut alors se faire de plusieurs façon :

  • sous la forme d’une émission de chaleur : un bout de métal chauffe au soleil ;
  • sous la forme de lumière émise par diffusion : un objet opaque rouge diffusera du rouge ;
  • sous la forme de lumière émise par fluorescence : mercure gazeux dans un tube fluorescent ;
  • sous la forme d’électricité : les plaques photovoltaïques fonctionnent en transformant la lumière en courant électrique ;
  • sous la forme d’énergie chimique : les plantes transforment le CO2 et l’eau en sucres sous l’effet de la lumière ;

Et bien d’autres formes.



Notez qu’il peut y avoir des matériaux qui absorbent des photons de faible énergie (infra-rouge) et laissent passer des photons de haute énergie (visible), c’est pas exemple le cas d’une serre ou du CO2 : là ce n’est pas parce que les électrons changent de niveau d’énergie mais parce que la molécule change de mode de vibration.

Entre les modes de vibration et les niveaux de transition électronique, les domaines de fréquences sont différents.

image de marcomagrini

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Gloorian a dit :

Encore une fois, un article très, très intéressant. Merci beaucoup :)

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qwerty a dit :

Merci. Concernant la partie quantique, je crois qu'il existe quelque chose de similaire pour sentir les odeurs. Mais ce n'est qu'une hypothèse.

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Le Hollandais Volant a dit :

@qwerty : je pense que pour les odeurs c'est d'avantage de la chimie : les molécules odorantes se fixent sur les molécules des récepteurs dans le nez et il s'en suit une reaction chimique qui envoie un message nerceux au cerveau.
Selon l'odeur, et là la quantique intervient, le message envoyé varie : la molécule odorante étant légèrement différente, les niveaux d'énergie des molécules receptrices le sont aussi, et donc les messages nerveux.

La chimie n'est qu'une application directe de la quantique.
Et la vie une application de la chimie...

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nealith a dit :

"La désexcitation se fait sous la forme d’une émission de chaleur" Une version bien scientifique pour expliquer l'inercie d'un matériaux vis à vis du soleil, et peut être d'autre source de chaleur ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@nealith : L’inertie thermique ?
L’inertie d’un paramètre d’un objet signifie juste que la variation de ce paramètre de cet objet est difficile.

Un bloc d’acier placé au soleil mettra un bon moment à chauffer. Mais quand le soleil sera couché, il restera chaud très longtemps : il emmétra de la chaleur longtemps (peu à peu).

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nealith a dit :

Mais c'est due au fait les l'énergie du soleil donnée par le soleil puisse être absorbée par les atomes non ? ça voudrait dire que certaines sources de chaleurs ne pourraient pas donner d'inertie à un matériaux ?

Et par l'inertie thermique, il existe quoi comme autre inertie ?
Je sais qu'il y a celle due à l'énergie cinétique
Peut être les vibrations aussi ? Un matériaux qui continue de vibrer un peu après avoir reçu une vibration ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@nealith : Les atomes vibrent, tout comme les liaisons atomiques.
Une fois que ça vibre, ça peut vibrer longtemps : c’est ça la température : la quantité et la vitesse de vibration des atomes dans un solide.

L’inertie thermique d’un matériau, ça fait partie des caractéristiques de ce matériau.

Tu peux le voir comme un tonneau percé en bas et que l’on remplie par en haut : si le trou en bas est petit, il se remplira plus vite qu’il ne se vide. En eau, en pétrole ou même en chaleur : un bloc que l’on chauffe absorbe de la chaleur et en émet un peu tout le temps.

C’est ça l’inertie thermique : le fait que la chaleur ne se vide que lentement.

Si la source de chaleur est faible, le remplissage en chaleur sera trop petit par rapport aux pertes et le corps restera froid.

Et par l'inertie thermique, il existe quoi comme autre inertie ?

L’inertie de mouvement, oui : un corps reste en mouvement plus longtemps s’il est massif que s’il est très léger (soumis aux mêmes forces de frottement ou forces qui s’opposent au mouvement).

L’inertie de vibration est un peu le mouvement, mais à plus petite échelle.

Je pense qu’on peut citer l’inertie électrique dans une bobine : une bobine s’oppose aux variations du courant : si on applique 10 V à la bobine, le courant s’établit lentement. Et si l’on débranche, le courant continuera de circuler quelques instants (accumulant des électrons à une extrémité du fil et générant des étincelles).

Il y en a sûrement d’autres.

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nealith a dit :

Heureusement que tu as sorti un blog sur la science, ça me permet de me faire ma culture scientifique sans prendre trop de temps ;)

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Sciences-etudiant a dit :

Petite question :

Si je me souviens bien mes cours de .... et comprends bien tes explications, si l'on place une onde avec une énergie plus importante dans le verre on verra à ce moment là, la "couleur" de l'onde apparaitre ? Du style Rayon X ? ou à l'inverse onde radio (dsl je ne sais plus quel côté du spectre à une énergie plus haute que l'autre.

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Le Hollandais Volant a dit :

@nealith : c’est le but :-)

@Sciences-etudiant : mh…
Le verre a donc un gap important, que la lumière visible ne peut pas combler. Le visible traverse donc le verre.

Par contre, les UV sont plus énergétiques : ils sont absorbés par le verre. C’est pour ça que les coups de soleils ne sont pas possible derrière une vitre.

Les UV ne traversent simplement pas le verre.

Le rouge de 680 nm a une énergie de 1,86 eV
Le jaune de 580 nm a une énergie de 2,14 eV
Le bleu de 475 nm de 2,62 eV

Si notre gap dans un matériau est de 2 eV, alors le rouge traversera le matériau, mais pas le jaune ni le bleu.

Si on l’éclaire donc en lumière blanche, seul le rouge sera visible de l’autre côté : le matériau sera aperçu comme rouge.

(mais les principaux objets ont des couleurs qui ne sont pas produites ainsi, mais plus par absorption puis émission, plutôt que transmission).

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Sciences-etudiant a dit :

Ok c'est bien ce que je pensais donc :).

Mais quelque chose me pose problème, comment font les agences comme la NASA pour nous "montrer" des clichés pris par exemple en ultraviolet, ou même en rayon X, l'oeil humain ne distinguant pas ces longueurs d'ondes ? Ok ils peuvent avoir un support réagissant à ces ondes mais ils devraient être invisible non ? Une éventuel conversion X --> visible ?

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Sciences-etudiant a dit :

J'ai trouvé la réponse ;)

Les rayons X sont invisibles à l'œil, mais ils impressionnent les pellicules photographiques.

Visiblement tout dépends du support ;)

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Le Hollandais Volant a dit :

@Sciences-etudiant : ah oui :)

Il est aussi possible de transposer les images captés en UV, en IR ou en rayons X ou gamma dans le domaine du visible, en conservant les rapports de longueurs d’onde. C’est ce que sont les images des nébuleuses prises par la NASA par exemple.

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RequieM a dit :

Bonjour le Hollandais!

quote : "Si notre gap dans un matériau est de 2 eV, alors le rouge traversera le matériau, mais pas le jaune ni le bleu.

Si on l’éclaire donc en lumière blanche, seul le rouge sera visible de l’autre côté : le matériau sera aperçu comme rouge."


Humm...

Si je part de cet exemple du coté lumineux je devrais percevoir l'objet vert ( jaune + bleu) et de l'autre cote par transparence rouge?

Hors si je regarde un filtre rouge, il est rouge! :D

Bref le raisonnement ne me parait pas cohérent!

En tout cas si je me souviens bien de mes cours (hors champ du Gap) l'absorption de la lumière est l'émission d'un photon de plus basse énergie par retour d'un e- à son niveau quantique d'origine c'est bien cela... notamment pour les UV avec les objets luminescents!

le problème avec les objets "transparent" c'est la notion de transparence aussi en effet les noyau atomique absorbent aussi des photons (ce qui entraine une excitation par vibration)....

De même pour les filtres polarisants, ils sont transparents.... pourtant les photons les traversants ne sont plus les même, et lorsque l'on en mets deux en sens opposés on le perçoit très bien!

Hors les propriétés des filtres polarisants est du à l'agencement de molécules organiques qui dévient la lumière en un seul et unique sens (comme les cristaux liquides)

je pensais que la transparence été donc du à la structure cristallographique d'un corps, donc l'agencement 3D des atomes formant une molécule : ex : graphite / diamant je ne pense pas que le carbone entre ces deux états possèdent des propriétés quantique au niveau électronique différentes.

Je pensais aussi en effet que les phots à longueur d'onde précise pouvais traverser la structure cristallographique "entre 2 période" de cette structure...
mais dans ce cas pour le spectre complet,c'est un peu chaud...

D'ailleurs cette cristallographie apporte aussi de nouvelles propriété (voir métaux supra conducteurs, ou les e- "glissent" entre les atomes" ou encore justement les propriétés phisico-chimique du carbone entre le graphite lamellaire et le diamant, de même pour l'aluminium mou et le verre saphir 'inrayable' composé d'aluminium aussi... bref bonne prise de tête :D

autre question à 0 kelvin, les objets sont-il tous noir (pour absorber toute énergie) comme un corps noir?

Bon après j'étais nul en cristallo et en optique! ca tombe bien! Coucou à mes anciens profs de 1ere année de pharma de Bordeaux 2 ;)

Bref toujours plus de question pour un phénomène super courant...

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Sciences-etudiant a dit :

@RequieM :

Si je part de cet exemple du coté lumineux je devrais percevoir l'objet vert ( jaune + bleu) et de l'autre cote par transparence rouge?

L'autre côté (celui où tu vois le rouge) est aussi traversé par la lumière blanche donnant de l'autre côté la couleur rouge absorbée, sachant que la lumière arrive de tout point ton dispositif sera rouge de partout :)

Enfin c'est ce que j'en pense.

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Le Hollandais Volant a dit :

@RequieM :

Si je part de cet exemple du coté lumineux je devrais percevoir l'objet vert ( jaune + bleu) et de l'autre cote par transparence rouge?

La lumière vient de partout, même de derrière.
Ensuite, si le verre est légèrement dispersif, une partie de la lumière va revenir vers toi. Ce n'est pas la lumière réfléchie.

notamment pour les UV avec les objets luminescents!

Exact !

le problème avec les objets "transparent" c'est la notion de transparence aussi en effet les noyau atomique absorbent aussi des photons...

Non, les énergies mis en jeu dans les noyaux sont ceux des ondes gamma/X, pas le visible ni les UV.

(ce qui entraine une excitation par vibration)

Ne confond pas la vibration de l'atome (chimie), des électrons (luminescence) et du noyau/des nucléons (désintégration radioactive).

De même pour les filtres polarisants, ils sont transparents.... pourtant les photons les traversants ne sont plus les même, et lorsque l'on en mets deux en sens opposés on le perçoit très bien!

Hors les propriétés des filtres polarisants est du à l'agencement de molécules organiques qui dévient la lumière en un seul et unique sens (comme les cristaux liquides)

Non non, ce n'est pas le sens de propagation de la lumière qui compte, mais le sens de polarisation de la lumière qui est mis en jeu ici : soit la polarisation est verticale, horizontale, circulaire sens horaire, circulaire sens anti-horaire (un peu comme si un humain marchait soit normalement, soit comme un crabe, soit à reculons : il se propage toujours, mais pas avec la même méthode).

Hors les propriétés des filtres polarisants est du à l'agencement de molécules organiques qui dévient la lumière en un seul et unique sens (comme les cristaux liquides)

C'est dû à la structure cristalographique, le sens, la taille des mailles (cubique, hexagonale, etc.). Pas besoin que ce soient des molécules organiques.

je pensais que la transparence été donc du à la structure cristallographique d'un corps,

Contre-exemple : le verre.
Le verre est (par définition) PAS un cristal, car les atomes ne sont pas du tout ordonnés. C'est une structure amorphe, tout comme l'acier trempé (qui lui est opaque). Ça n'a donc rien à voir avec la structure.

ex : graphite / diamant je ne pense pas que le carbone entre ces deux états possèdent des propriétés quantique au niveau électronique différentes.

Justement, si : quand deux atomes se lient, les orbitales (niveaux d'énergie) atomiques de valence disparaissent, pour former des orbitales moléculaires.

Ainsi, le carbone pur (gazeux) n'aura pas la même signature spectrale que le graphite et que le diamant.
Dans un cristal, c'est comme si l'ensemble de l'échantillon formait un système moléculaire unique (au moins localement, sur une distance de quelques dizaines de mailles du cristal).

D'ailleurs cette cristallographie apporte aussi de nouvelles propriété (voir métaux supra conducteurs, ou les e- "glissent" entre les atomes"

La conductivité électrique vient directement des niveaux d'énergie. Quand on électron de la dernière couche électronique d'un atome de silicium est excité, il sort de la bande de valence pour aller dans la bande de conduction : le silicium devient conducteur.
Le silicium a un gap entre ces deux niveaux assez grand. Le germanium, un peu plus bas : le germanium est donc un meilleur semi-conducteur que le silicium (techniquement parlant).

La supraconductivité est autre chose, elle fait intervenir plein d'autres phénomènes quantiques aussi.

de même pour l'aluminium mou et le verre saphir 'inrayable' composé d'aluminium aussi...

Attention, l'aluminium pur est un métal.
L'aluminium dans le saphir/rubis est dans une molécule.

L'hydrogène brûle, non ? L'oxygène fait brûler, non ? Pourtant l'eau ne brûle pas. C'est exactement pareil : une molécule est un système totalement différent des atomes qui le composent. Aussi bien chimiquement, que physiquement (capacité thermique, spectre d'absorbtion, résistance mécanique.

autre question à 0 kelvin, les objets sont-il tous noir (pour absorber toute énergie) comme un corps noir?

0 K est impossible à atteindre. Point.
Après, par définition, il n'a pas d'énergie thermique à cette température (aucune vibration thermique). Ca veut dire qu'il ne peut pas émettre de chaleur. Mais ça ne veut pas dire qu'il doit tout absorber. Il peut laisser passer la lumière, et être transparent. Tout comme le verre laisser passer la lumière.

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Pocket Tiger a dit :

Mais alors pourrait on théoriquement, changer le seuil de certain matériaux dans le but de les rendre transparent ? Et les matériaux ainsi changer conserverait ils leur autres propriété initiales ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@Pocket Tiger : ce n’est pas si simple de changer les niveaux d’énergie des matériaux.

C’est possible, et c’est ce à quoi sert toute la recherche en physique quantique couplée à la chimie théorique : trouver des composés (bien plus compliquées que "H2O") qui ont telles ou telles gaps énergétiques.

Et une fois qu’on a trouvé un composé (sur le papier), il faut le synthétiser…

Dans tous les cas, ça ne conservera pas ses autres propriétés, vu qu’elles aussi sont intimement liées à la structure moléculaire.

Des matériaux « miracles » n’existent probablement pas, même si le diamant pur a quelques propriétés formidables :

- inrayable
- très bon conducteur de chaleur (le meilleur qui soit, après le graphène)
- transparent
- isolant électrique

Par contre, il brûle facilement et est fragile (dur mais facilement cassable).

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seb a dit :

@Pocket Tiger :

Il existe des vitres qui sont opaques et qui deviennent transparentes une fois traversées par un courant électrique. De la même manière, il existe des TV cachées dans des miroirs et qu'on ne voit qu'une fois allumé.

Pour la transparence, j'imagine que c'est un film avec des molécules qui changent d'orientation une fois traversées par un courant et qui rend la vitre transparente.

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seb a dit :

J'imagine que l'air qui nous entour à aussi un gaps (si j'ai bien compris ^^), est ce qu'il existe un moyen de le changer?

Par exemple, si on émet un truc autour de nous, on ne laisse passer que certaines couleurs. On ne deviendrait pas invisible pour autant mais ça pourrait faire un peu la même chose qu'une LED IR sur une camera, mais à l’œil nu. Ça pourrait être marrant. :)

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Le Hollandais Volant a dit :

@seb : l’air contient des molécules (O2 et N2 principalement) qui ont leurs propres gaps. On ne peut pas les changer sinon ce n’est plus de l’air.

@seb : je pense que c’est ça oui, des cristaux qui s’allignent et laissent passer la lumière quand on applique une tension électrique dessus.
C’est le principe des écrans LCD^^.

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guzz a dit :

Un mot : Passionnant.

Vive la sciences mes amis !

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mmn a dit :

Merci pour cet article intéressant !

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noecerise a dit :

qu veut dire eV?

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Le Hollandais Volant a dit :

@noecerise : C’est l’abréviation de électron-volt. C’est une unité d’énergie qui équivaut à $1,6 \\times 10^{-19}$ joules.

Cette valeur très faible est beaucoup plus adaptée aux quantités d’énergies rencontrées au niveau d’une simple particule élémentaire.

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alexbb a dit :

vous oubliez de parler de l’état de surface d'un matériaux, si on prend du verre dépolie celui ci sera bcp moins transparent que du verre polie, pourtant les niveaux d’énergies nécessaire pour exciter les atomes de silice restent les mêmes, pourtant ça transparence aura changé.

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Le Hollandais Volant a dit :

@alexbb : selon ma définition de la transparence, que j’ai posée au début de l’article :
« la transparence c’est quand on envoie un rayon lumineux sur du verre, ce dernier traverse le verre et n’est pas arrêté par le matériau »

le polissage ne change rien : le rayon traverse tout de même la matière. Ce sera flou, certes, mais pas d’effet miroir ou d’absorption. C’est juste que les aspérités auront dévié la lumière dans tous les sens et au final l’image de l’autre côté sera tout sauf reconnaissable ou fidèlement reconstitué.

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mizene1983 a dit :
Article interessant surtout pour le profane.


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