Les bases de la lumière

Le soleil tel qu’il apparaît dans la lumière des rayons X (à gauche) et la lumière ultraviolette extrême (à droite).

La lumière comme énergie

La lumière est remarquable. Nous prenons cela pour acquis tous les jours, mais ce n’est pas une chose à laquelle nous nous arrêtons et pensons très souvent, ni même que nous essayons de définir. Prenons quelques minutes pour essayer de comprendre certaines choses concernant la lumière.

En termes simples, la lumière est le moyen utilisé par la nature pour transférer de l’énergie à travers l’espace. Nous pouvons compliquer les choses en parlant des champs électriques et magnétiques en interaction, de la mécanique quantique, etc., mais rappelez-vous: la lumière est une énergie.

La lumière se déplace très rapidement, mais sa vitesse est finie. Dans le vide, la vitesse de la lumière est 186,282 miles par seconde (ou près de 300 000 kilomètres par seconde), ce qui est vraiment bourdonnant! Cependant, lorsque nous commençons à parler des distances incroyables en astronomie, la nature finie de la vitesse de la lumière devient évidente. Par exemple, il faut environ deux secondes et demie pour qu’une communication radio se déplaçant à la vitesse de la lumière se rende sur la Lune et retourne.

Lever de soleil depuis la navette spatiale, mission STS-47.

Vous trouverez peut-être intéressant de vous rappeler que la prochaine fois que vous observerez un lever ou un coucher de soleil magnifique, le soleil lui-même a plongé huit minutes plus tôt au-dessous de l’horizon. La lumière met tellement longtemps à atteindre la Terre! Et, bien sûr, chaque article de journal que vous avez lu sur l’astronomie comportera toujours la déclaration suivante: « Une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an à la vitesse de 186 282 km / s, soit environ 6 trillions de km ». (Eh bien, 5.8 milliards de miles en fait, mais 200 milliards de miles entre amis?)

Il convient également de souligner d’emblée que la lumière est plus généralement appelée rayonnement électromagnétique. Ok, nous avons utilisé un gros mot. Cela devait arriver tôt ou tard. Mais trop souvent, lorsque nous parlons de « lumière », il est erroné de parler de « lumière optique », ce qui correspond à peu près au rayonnement visible à nos yeux. La lumière visible est une infime partie d’un vaste rayon de lumière appelé spectre électromagnétique. Pour notre commodité, nous divisons ce tableau en différents parcours (apéritif, salade, etc.) et nous les désignons par leur nom, tels que les rayons gamma, les rayons X, les rayons ultraviolets, optique, infrarouge et radio. Cependant, il est important de se rappeler qu’ils ne sont que lumière. Il n’y a pas de « ruptures » et pas de frontières dures dans le spectre électromagnétique – juste une plage d’énergie continue.

Particules et Vagues

Les expériences de physique menées au cours des cent dernières années ont montré que la lumière avait une nature double. Dans de nombreux cas, il est commode de représenter la lumière comme un phénomène de « particule », la considérant comme des « paquets » discrets d’énergie que nous appelons photons. Or, dans cette façon de penser, tous les photons ne sont pas créés égaux, du moins en termes de quantité d’énergie qu’ils contiennent. Chaque photon de rayon X contient beaucoup d’énergie par rapport à un photon optique ou radio. C’est cette « teneur en énergie par photon » qui est l’une des caractéristiques distinctives des différentes plages de lumière décrites ci-dessus. Même si ce n’est pas tout à fait correct, il est difficile de ne pas considérer un faisceau de lumière comme une collection de petites « balles lumineuses » enchaînées les unes aux autres.

Le modèle de « vague » de la lumière.

L’autre façon de représenter la lumière est un phénomène d’onde. C’est un peu plus difficile à comprendre pour la plupart des gens, mais une analogie avec les ondes sonores sera peut-être utile. Lorsque vous jouez une note aiguë et une note grave au piano, ils produisent tous les deux un son, mais la principale différence entre les deux notes est la fréquence de la corde vibrante produisant les ondes sonores. hauteur de la note. Si nous nous concentrons maintenant sur les ondes sonores elles-mêmes au lieu de la corde vibrante, nous constaterions que les notes les plus aiguës ont des longueurs d’onde plus courtes, ou des distances entre chaque onde successive. De même (et nous nous limitons à la lumière optique pour le moment), la lumière bleue et la lumière rouge ne sont que des lumières, mais la lumière bleue a une fréquence de vibration supérieure (ou une longueur d’onde plus courte) que la lumière rouge.

Les couleurs de «l’arc-en-ciel» bien connu de la lumière visible correspondent à différentes longueurs d’onde de la lumière, montrées ici à l’échelle nanométrique. Les longueurs d’onde deviennent de plus en plus grandes lorsque l’on se déplace de gauche à droite. La lumière optique s’étend d’environ 400 à 700 nanomètres.

C’est la même façon de nous déplacer à travers le spectre électromagnétique. Chaque plage de lumière que nous avons définie ci-dessus correspond à une plage de fréquences (ou longueurs d’onde) de vibrations lumineuses. Ces longueurs d’onde sont l’un des principaux indicateurs que nous utilisons pour décrire la lumière et les spectres sur un graphique. L’affichage d’un spectre sous forme de graphique au lieu d’une barre de couleur nous permet de mesurer la lumière.

Par exemple, l’arc-en-ciel de couleur illustré dans la figure ci-dessus correspond à ce que vous voyez lorsque vous passez une lumière blanche à travers un prisme. Ce qui n’est peut-être pas évident, c’est que «l’intensité» ou la luminosité de la lumière change également avec les couleurs. Si nous convertissions « l’arc-en-ciel » en graphique de l’intensité de la lumière en fonction de la longueur d’onde, il ressemblerait à ceci:

L’arc-en-ciel familier du spectre visible peut être converti en graphique qui montre comment l’intensité de la lumière change le long du spectre.

Notez que le spectre est le plus brillant au centre (région jaune-vert) et diminue dans les deux sens (vers le rouge et le bleu). Ce n’était pas évident de la version arc-en-ciel du spectre! Notez également que « l’intensité » de la lumière dans le graphique ne s’arrête pas aux « extrémités » du spectre arc-en-ciel visibles à nos yeux! La lumière continue au-delà de ce que nous pouvons voir dans les deux directions, ce que nous pouvons voir dans le graphique, mais pas en regardant l’arc-en-ciel. Les astronomes utilisent la plupart du temps des spectres graphiques, car ils peuvent ainsi obtenir plus d’informations de la lumière et parce qu’ils peuvent toujours tracer et analyser une lumière qui n’est pas directement visible à nos yeux!

Nous avons maintenant mentionné que l’énergie de chaque photon de lumière était également une propriété fondamentale. Il s’avère qu’il existe une relation simple entre l’énergie d’un photon et la longueur d’onde correspondante de ce photon:

E (photon) = (constant) / (longueur d’onde).

Cette équation simple lie fondamentalement la nature particulaire et ondulatoire de la lumière en nous permettant de convertir des longueurs d’onde en photons et des photons en longueurs d’onde correspondantes. Cette équation est également en accord avec ce que nous avons dit précédemment … un photon à rayons X a une grande énergie (et une faible longueur d’onde) comparé à un photon de lumière optique.

Interaction de la lumière avec la matière: absorption et émission de lumière

Cela ne devrait pas vous surprendre que des atomes et des molécules (qui sont simplement des ensembles liés de deux atomes ou plus) puissent absorber la lumière (= énergie!). Sinon, vous pouvez simplement allumer et éteindre une lumière, puis vous asseoir pendant que les photons continuent à rebondir dans la pièce! De même, la lumière infrarouge (= chaleur = énergie!) Ne servirait à chauffer votre maison en hiver que si elle était absorbée par la matière. Les photons de lumière à énergie plus élevée, comme les rayons X, ont tendance à vouloir traverser plus de matière avant d’être absorbée. (D’où leur utilisation en imagerie médicale: ils peuvent traverser vos tissus « mous », mais sont plus facilement absorbés par vos os, qui sont plus denses.) Comment et pourquoi les photons sont-ils absorbés par la matière?

Eh bien, il est temps de développer un autre dispositif conceptuel pour nous aider à comprendre ce processus. En physique, nous trouvons souvent utile de prétendre que nous examinons un seul atome. Les atomes sont composés de protons, de neutrons et d’électrons, et chaque élément chimique en possède un nombre spécifique – c’est ce qui les rend différents! Les protons (et les neutrons) étant plus massifs que les électrons, nous considérons parfois un atome comme un système solaire miniature, avec les particules lourdes au centre (le noyau) et les électrons dans des « orbites » spécifiques, comme des planètes. (En réalité, cette image n’est pas très précise. On ne pense pas que les électrons soient de petites boules « en orbite » autour d’un « soleil nucléaire ». Cependant, si vous avez l’idée que les électrons ne se trouvent qu’à des « distances » spécifiques et discrètes du noyau, et que chaque distance autorisée correspond à un « niveau d’énergie » différent pour l’électron, qui serait plus proche de la réalité.)

Sans aller trop loin dans les domaines de la physique atomique et de la mécanique quantique, prenons simplement la déclaration suivante pour acquise: les électrons liés à un atome particulier ne peuvent être trouvés que dans certains niveaux d’énergie spécifiques par rapport au noyau de l’atome. L’atome d’hydrogène ne contient qu’un proton et un électron et est l’élément le plus simple (et le plus courant) de l’univers. Utilisons-le donc à titre d’exemple. La figure [TBD] montre un atome d’hydrogène schématique sur lequel, au lieu de dessiner les « orbites » autorisées pour l’électron, nous traçons des lignes déplacées verticalement pour représenter les niveaux d’énergie autorisés pour l’électron.

S’il n’est pas perturbé, notre atome d’hydrogène aime lier son électron aussi étroitement que possible. Nous le retrouverions donc au niveau d’énergie le plus bas, appelé « état fondamental ». Cependant, si notre atome est immergé dans un faisceau de lumière provenant d’une étoile proche, par exemple, il rencontrera tôt ou tard un photon dont l’énergie est juste suffisante pour faire passer l’électron au niveau d’énergie immédiatement supérieur. Voila! Le photon est absorbé et est « parti » du faisceau de lumière provenant de l’étoile! Le photon absorbé ayant une énergie spécifique, cette absorption se produit à une longueur d’onde spécifique du spectre.

Maintenant, notre atome d’hydrogène est dans ce qu’on appelle un état « excité », un peu comme un enfant juste avant Halloween. Cependant, comme tous les parents le savent, il ne s’agit pas de l’état naturel d’un enfant, ni de l’état naturel d’un atome. Si aucun autre photon n’est absorbé par l’atome, l’électron finira par redescendre dans l’état fondamental de l’énergie inférieure. Cependant, pour ce faire, l’atome doit perdre de l’énergie, ce qui libère un photon de la même énergie que celui qu’il a absorbé (même s’il est fort probable que cela se produise dans une autre direction à partir de laquelle il a été absorbé). Ce processus est appelé émission car un photon de lumière est émis par l’atome, toujours à une longueur d’onde très spécifique.

Bien sûr, l’atome aurait pu absorber un autre photon avec la bonne énergie pour franchir un autre niveau d’énergie, voire deux ou trois ou plus. De même, après chacune de ces excitations possibles de l’atome, l’électron pourrait redescendre d’un ou de plusieurs pas, émettant des photons au fur et à mesure. Si un photon ayant une énergie suffisamment grande est absorbé, il peut même causer la désolidarisation d’un électron de son noyau, un processus appelé ionisation. Notre atome d’hydrogène handicapé ne pourrait alors plus absorber ou émettre de lumière jusqu’à ce qu’il parvienne à capturer un électron libre dans un niveau d’énergie lié.

Nous avons discuté d’une transition spécifique ou d’un « saut d’énergie » dans un atome, mais bien entendu, dans tout système physique, il existe de nombreux atomes. Dans un gaz hydrogène, tous les atomes séparés pourraient absorber et émettre des photons correspondant à l’ensemble des transitions « autorisées » entre les différents niveaux d’énergie, dont chacun absorberait ou émettrait à des longueurs d’onde spécifiques correspondant aux différences d’énergie entre les niveaux d’énergie. niveaux d’énergie. Ce modèle d’absorption (ou d’émissions) est propre à l’hydrogène – aucun autre élément ne peut avoir le même modèle – et crée un modèle reconnaissable de raies d’absorption (ou d’émission) dans un spectre.

Ce graphique montre le spectre optique que l’on pourrait voir d’un gaz néon rougeoyant, à la fois en formats ColorBar et graphiques. Comme dans le cas de l’hydrogène, dont il est question dans le texte, le néon présente un ensemble spécifique de raies spectrales. Notez que chaque ligne de couleur vive dans la barre de couleur correspond à un « pic » ascendant dans le format graphique. Étant donné que la plupart des lignes se trouvent dans les régions jaune et rouge du spectre optique, une lampe au néon apparaît « orange » à l’œil. La présence de ce motif de lignes dans le spectre d’un nuage rougeoyant dans l’espace indiquerait aux astronomes que le nuage contient du néon dans le gaz.

Ce diagramme montre comment le spectre du néon apparaîtrait dans le spectre d’une étoile. Ici, l’arrière-plan « arc-en-ciel » provient de l’atmosphère de l’étoile, et les atomes de néon de l’atmosphère de l’étoile (ou des couches externes) absorbent la lumière de l’étoile, laissant des lignes sombres. Notez que le graphique affiche les creux à chaque position de la ligne, produisant le motif caractéristique des lignes attendues du néon.

En prolongeant cela un peu, il devrait être clair que puisque chaque élément chimique possède son propre ensemble unique de niveaux d’énergie autorisés, chaque élément possède également son propre motif distinctif de lignes d’absorption (et d’émission) spectrale! (Voir les schémas ci-dessus pour le néon, par exemple.) C’est cette « empreinte digitale » spectrale que les astronomes utilisent pour identifier la présence des divers éléments chimiques dans des objets astronomiques. Les raies spectrales sont ce qui nous permet, à partir d’un « spectre », d’obtenir autant d’informations sur l’objet observé!


Source de la page: http://blair.pha.jhu.edu/spectroscopy/basics.html

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *