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.
De façon courantes, 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. En plus de ceux là, certaines autres méthodes, beaucoup plus exotiques, existent !
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 électromagnétique 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 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.
Les phénomènes suivants 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 ». En effet, les couleurs fluo semblent briller et attirent l’œil plus que les autres : l’encre du feutre semble émettre de la lumière !
Ces feutres émettent effectivement plus de lumière visible qu’ils n’en reçoivent, d’où le fait qu’ils ressortent dans le décors. En pratique, le rayonnement ultraviolet, qui est invisible pour nous, 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 visible.
Les colorants fluo absorbent de la lumière invisible et émettent de la lumière visible : c’est pour ça qu’ils brillent : d’un point de vue perceptif, ils émettent de la 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. Les lessives qui « lavent plus blanc que blanc » contiennent simplement des pigments fluorescents qui ravivent le blanc de cette façon.
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 l’échauffement met ensuite des milliers d’années pour être évacuée 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 quand la datation au carbone 14 ne suffit plus.
La chimioluminescence
L’énergie d’excitation des électrons est livrée 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 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 de verre. 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
Il s’agit d’une forme de chimioluminescence.
Elle 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 du réactif chimique et leur mise en contact dans le but de produire de la lumière.
Cette bioluminescence peut-être activée dans un but de défense, d’attaque, ou pour attirer un partenaire.
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 appelé « état triplet » dans lequel les électrons vont persister de quelques minutes 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 de la fluorescence dont l’énergie de départ est fournie par une désintégration radioactive.
Il ne s’agit pas de phosphorescence, car l’énergie est absorbée immédiatement par le composé luminescent, mais c’est la source d’énergie primaire qui s’étale dans le temps : sur une période de ~1600 ans pour la radioactivité au radium ! Cette énergie est captée par un composé fluorescente qui va à son tour réémettre cette énergie sous la forme de lumière.
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. De tels objets ne sont pas sans dangers pour certains (le radium est très dangereux).
En soi, les objets tirant partie de la radioluminescence sont des réacteurs nucléaires miniatures !
Aujourd’hui, on n’utilise plus du radium pour des raisons évidentes. Par contre, certains porte-clés lumineux « glow-stick » de certaines vieilles insignes « sortie de secours » utilisent la radioluminescence au tritium !
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 dans le principe de fonctionnement des 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.
Lorsque l’on soumet un cristal triboluminescent à une force suffisante, certaines liaisons cristallines sont rompues et l’énergie de ces liaisons 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 pour autant être absorbé. 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, et en phase ! On se retrouve donc avec un faisceau « parfait » de lumière très concentrée.
La lumière par la vitesse, ou mur de la lumière
L’effet Cerenkov est à la lumière ce que le bang supersonique est à au son.
Bien qu’il ne soit toujours pas possible d’aller plus vite que la lumière dans le vide, dans les autres milieux (eau, verre…) la lumière ralentit et certaines particules peuvent alors la rattraper dans ces milieux là.
Quand cela arrive, le la particule perd de la vitesse en émettant un photon : il se produit un flash lumineux bleuté caractéristique.
L’effet Cerenkov peut être observé dans les centrales nucléaires, lors de la mise en marche du réacteur ou dans les détecteurs de neutrinos à eau lourde.
Il ne s’agit ici pas réellement d’une émission de photon par désexcitation d’un électron.
Ressources
- Source d’une partie des informations : http://uvminerals.org/fms/luminescence
(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici)
