7 commentaires

a filament light bulb
La lumière c’est ce que l’on voit et sans elle il ferait complètement noir. En physique, il s’agit d’un objet d’étude particulièrement intéressant : classiquement il peut être vu comme un phénomène ondulatoire ou comme une particule. La lumière constitue une forme d’énergie se trouvant en déplacement entre une source qui la produit et un récepteur qui va l’absorber.

Dans cet article, c’est l’émission qui nous intéresse, et on va voir comment de la lumière peut être produite. Vous verrez que, à cause de sa nature, il y a beaucoup de façons de la produire : étant une forme particulière d’énergie, il suffit d’une simple conversion à partir d’une autre forme d’énergie pour l’obtenir.

Pour commencer, il y a deux façons de produire de la lumière : l’incandescence et la luminescence. La luminescence regroupe beaucoup de « sous-méthodes » différentes, bien que le phénomène de fond reste identique.

L’incandescence

C’est sûrement la méthode de production de lumière la plus connue (et la plus ancienne) : une bougie, une torche, une lampe à filament de tungstène produisent de la lumière par incandescence. Il s’agit d’une émission de lumière due à la température du corps qui l’émet.
Le corps humain, par exemple, à une température de 37 °C, produit de la lumière par incandescence, mais cette lumière étant dans l’infrarouge, l’œil nu ne peut pas la voir. Une caméra thermique en revanche s’en charge très bien.

Dans le cas d’une flamme, la température atteinte est bien plus importante (jusqu’à 1 200 °C pour une bougie) et la lumière émise possède alors une énergie bien plus importante. Cette lumière là se trouve dans le domaine du visible : c’est la raison pour laquelle une bougie nous éclaire.

Physiquement, il s’agit de la loi de Wien : tout corps dit « noir » émet un rayonnement électromagnétique dans toutes les fréquences, mais la fréquence qui prédomine est définie par sa température.
Un acier chauffé au rouge (900 °C), une flamme jaune d’une bougie (1 200 °C) ou une étoile bleue (10 000 °C) ont des rayonnements respectifs de plus en plus énergétiques car la température est de plus en plus importante.

La luminescence

L’incandescence constitue une forme particulière d’émission de la lumière, due à la température.
Tous les phénomènes qui suivent, en revanche, sont des variantes de l’émission par luminescence qui ne provient pas d’un échauffement ; on les appelle parfois des « lumière froides ». Il s’agit à chaque fois de l’émission d’un photon par un électron de la matière possédant un excédant d’énergie par rapport à son état le plus stable. Ce qui change dans les différents cas, c’est simplement l’origine de cet excédant d’énergie.

La fluorescence

La fluorescence est responsable de l’effet observé d’un marqueur « fluo » : l’encre du feutre semble émettre de la lumière !
En pratique, le rayonnement ultraviolet présent dans la lumière naturelle est un rayonnement à haute énergie qui excite les électrons de certaines molécules, dont ceux de la pyranine utilisée dans les marqueurs fluo. C’est lorsque ces électrons se désexcitent qu’ils perdent leur excédant d’énergie sous la forme d’un photon de lumière.

Un effet identique est observé sur vos chaussettes blanches quand vous marchez sous de la lumière noire : la lumière noire (qui n’est autre que de l’UV) excite les pigments blanchissants présents dans vos vêtements et c’est lorsque ces pigments se désexcitent qu’un rayonnement lumineux est émis.
Même chose pour les vases et les verres en ouraline) : ce sont de vieux objets datant du début du XXe siècle constitué d’un verre dans lequel on a incorporé des sels d’uranium. Ici ce sont ces sels qui ont un effet fluorescent sous une lumière UV. Avant que les dangers de l’uranium sur la santé n’étaient avérés, la vaisselle en ouraline était très prisée et jolie.

La thermoluminescence

Bien qu’il soit question de température ici, ce n’est pas la même chose que l’incandescence. Ici un faible échauffement suffit à émettre un rayonnement plus énergétique que la source de chaleur elle-même : les électrons sont à un niveau d’énergie intermédiaire acquise au fil du temps par un échauffement. La chaleur les fait monter de niveaux d’énergie d’où ils redescendent en émettant une lumière.

L’énergie acquise au fil du temps provient de chaleur naturelle (magma, échauffement radioactif…) ou artificielle (poteries cuites par les civilisations préhistoriques). Comme c’est le temps qui détermine la quantité d’énergie que le matériau contient à un instant donné, la mesure de la thermoluminescence permet de déterminer l’âge de l’objet depuis son dernier refroidissement. L’énergie acquise lors de cet échauffement met ensuite jusqu’à des milliers d’années pour être évacuée totalement et c’est l’énergie restante que l’on mesure alors.
La méthode de datation des objets préhistoriques par thermoluminescence comme les poteries cuites utilise cette méthode là où le carbone 14 ne suffit plus.

La chimioluminescence

L’énergie d’excitation des électrons est livrée ici des suites d’une réaction chimique. En se réarrangeant au sein de nouvelles molécules, les atomes gagnent en stabilité en évacuant une partie de leur énergie. Cette énergie est généralement émise sous forme de chaleur (vibration des atomes, et donc frottements) mais peut parfois être libérée sous la forme de lumière.
C’est ce qui se passe dans les sticks lumineux : au départ on dispose de deux produit séparés, dont l’un est dans une ampoule scellée. En brisant l’ampoule, les deux produits entrent en contact et réagissent avec une émission de lumière. La réaction étant lente et progressive, l’émission de lumière est elle aussi étalée dans le temps. Un de ces bâtonnets lumineux peut ainsi rester actif pendant près de 8 heures.

La bioluminescence

C’est une forme de chimioluminescence, qui se produit dans les êtres vivants, comme les lucioles, certaines méduses ou quelques formes de plancton. Dans ce cas là, c’est l’être vivant qui contrôle la production de réactif chimique et leur mise en contact dans le but de produire de la lumière.

La phosphorescence

La phosphorescence (souvent confondue avec la fluorescence) est également une forme de luminescence étalée dans le temps. La différence avec la chimioluminescence, c’est que cette dernière distribue l’énergie de départ progressivement et la ré-émission est instantanée, alors qu’ici c’est l’inverse : l’absorption est instantanée mais l’émission est progressive.
Ceci est rendu possible grâce à une particularité quantique des composés phosphorescents : au lieu de passer directement d’un état excité à leur état de repos, les électrons passent par un état intermédiaire (dit « état triplet »), dans lequel ils vont persister quelques temps (jusqu’à plusieurs heures).
Les objets phosphorescent sont donc les objets qui brillent dans le noir après être exposé longuement à une source de lumière.

La radioluminescence

C’est la fluorescence dont l’énergie de départ est fournie par une désintégration radioactive. Ce n’est pas la thermoluminescence car l’énergie n’est pas accumulée lentement, mais réémise tout de suite. L’énergie primaire est émise sur une longue période (1600 ans pour le radium) et est captée par un composé fluorescente qui va à son tour réémettre cette énergie sous la forme de lumière.
La décomposition radioactive étant un processus qui s’étale sur une longueur période, la lumière est produite en continu durant des dizaines voire des centaines d’années. Les vieilles montres du début du XXe siècle, et dont les aiguilles brillent dans le noir utilisent la radioluminescence produite par le radium. Ils continueront de briller durant des millénaires, mais avec une intensité toutefois de moins en moins forte.
En soi, les objets tirant partie de la radio-luminescence sont des réacteurs nucléaires miniatures.

La cathodoluminescence

L’émission de lumière par fluorescence par choc avec un électron énergétique. La source d’énergie est une particule hautement énergétique. Cette particule transmet une partie de l’énergie cinétique à un électron qui va alors se désexciter en libérant un photon.
C’est ce qui se passe lors des phénomènes des aurores polaires, dans les télé à écran cathodique ou ce qui est mis à profit dans les microscopes électroniques à balayage. Dans ces derniers, des électrons sont envoyés sur la surface à examiner et l’appareil capte la lumière reçue en retour.

La triboluminescence

Il s’agit de produire de la lumière par la force (non non, pas question de Jedi ici) : c’est l’émission lumineuse par la rupture de la maille d’une structure cristalline dans un corps. Ça se nomme la triboluminescence. Lorsque l’on soumet un cristal triboluminescent à une force suffisante, certaines liaisons cristallines sont rompues. L’énergie de ces liaisons ainsi brisées se retrouve émise sous la forme d’un photon.

L’électroluminescence

C’est la méthode mise à profit dans les LED : les électrons de la matière sont excités par l’application d’une tension électrique. La désexcitation se fait là aussi en émettant un photon.
Dans le cas des laser, on pousse le concept plus loin encore : un processus appelé l’émission stimulée permet à un atome excité d’émettre un photon parfaitement identique à un photon qui passe près de lui, sans absorber ce photon. On se retrouve alors avec deux photons identiques. Appliqué en cascade, cette méthode permet de produire un grand nombre de photons identiques (en direction, en longueur d’onde, en phase…) et donc de produire un faisceau « parfait » de lumière.

Ressources

Image d’entête de Kev-Shine

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici)

7 commentaires

gravatar
Pock a dit :

Dans quelle catégories rentrent les LED et les laser ?

gravatar
del a dit :

L'effet Cerenkov à la fin fait un peu figure d'intrus dans cette liste, dans la mesure où il n'est pas lui-même la source d'énergie d'où est issue la lumière, contrairement, il me semble, aux autres exemples.

Ce qu'il faut comprendre, c'est que la lumière visible est une partie du spectre électromagnétique.
L'effet Cerenkov ne crée aucune particule de lumière, c'est simplement un effet durant lequel des ondes électromagnétiques se superposent de manière constructive.
En d'autres termes, on a un émetteur d'onde électromagnétique, et l'effet Cerenkov ne fait que additionner ces ondes ensemble jusqu'à ce qu'elles soient visibles.
Mais en soi, ce n'est pas l'effet Cerenkov qui a créé la lumière, mais l'émetteur d'onde électromagnétique.

On pourrait dès lors mentionner également l'effet Bremsstrahlung, la scintillation ou le laser (qui, eux aussi, peuvent convertir des ondes électromagnétiques non-visibles en lumière visible).

gravatar
Le Hollandais Volant a dit :

@del :
@Pock :
La LED c’est l’électroluminescence (que je viens d’ajouter, merci pour la remarque !).

Le Laser c’est un peu particulier, mais tout commence avec une Led quand même.

@del : J’avais hésité à l’ajouter et faire une autre catégorie.
Ta remarque est très juste, du coup j’ai retiré cette ligne sur l’effet Cerenkov (duquel l’article dédié sera prochainement réécrit). Pareil pour le bremsstrahlung et la scintillation. Pour le laser c’est encore autre chose (émission stimulée) mais dans le cas des lasers actuels je mets quand même ça dans l’électroluminescence^^

gravatar
Fabrice a dit :

"Avant que les dangers de l’uranium sur la santé n’étaient avérés, la vaisselle en ouraline était très prisée et jolie."
Maintenant, elle est toujours très jolie, mais nettement moins prisée :-)

Merci pour cet excellent blog.

gravatar
Le Hollandais Volant a dit :

@Fabrice : Ahah ! Bien vu ! Oui c’est vrai :)
Mais on trouve parfois des verres et vases en ouraline, sur les brocantes. Souvent en vente parce que les gens ne savent pas ce que c’est. Un simple moyen de savoir c’est d’apporter une petite lampe UV (à Led par exemple, ça coûte $5 sur ebay) : l’ouraline brille magnifiquement sous les UV.

gravatar
Hurleloup a dit :

Petite question vis-à-vis de la radioluminescence, serait-il possible d'employé des déchets radioactifs pour produire de l'électricité via cette émission de lumière ?

gravatar
Le Hollandais Volant a dit :

@Hurleloup : les centrales utilisent la radioactivité pour chauffer de l’eau et c’est ensuite cette eau qui fait tourner des turbines et produire du courant.
Les déchets radioactifs ne sont plus assez radioactifs pour chauffer de l’eau suffisamment.

Il seraient suffisant pour illuminer des trucs phosphorescents, mais la la lumière produite sera insuffisante pour éclaire un panneau solaire (en plus de ne pas avoir la bonne longueur d’onde).

Si on veut utiliser les déchets, autant l’utiliser directement sur des trucs phosphorescents pour produire de la lumière. Le rendement sera meilleur.


Remarque : Votre commentaire sera visible après validation par le webmaster.