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Différentes sources de lumière

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Objectif(s)

Connaître la notion de radiation monochromatique et polychromatique. Faire la distinction entre spectre continu et spectre discret. Faire un tri parmi les sources de lumière rencontrées.

Les sources de lumière se divisent en deux catégories : les sources primaires et les sources secondaires. Seules les premières produisent par elles-mêmes la lumière qu’elles émettent.
Parmi elles, les exemples ne manquent pas. De plus, toutes les sources ne produisent pas le même type de lumière : couleur(s), intensité, etc. D’ailleurs, la production de lumière, d’une source à l’autre, peut exploiter différents phénomènes physiques.

1. Rappels

La lumière émise par une source peut être décomposée à l’aide d’un prisme afin de faire apparaître les différentes radiations qui la composent. Le résultat obtenu est le spectre de la lumière analysée. Comme un arc en ciel, si le spectre est composé d’un ensemble continu de radiations, c’est un spectre continu. Si par contre il n’est composé que de raies lumineuses, il est nommé à juste titre spectre de raies, ou spectre discret.

Un spectre composé d’une seule radiation (une seule longueur d’onde) est un spectre monochromatique : une seule raie brillante apparaît. S’il est composé de plusieurs radiations, il est dit polychromatique. Typiquement, la lumière blanche est polychromatique.

2. Sources de lumière par rayonnement thermique

Si un corps est porté à hautes températures, il émettra un rayonnement visible, appelé rayonnement thermique.

Le Soleil est un bon exemple de ce type de rayonnement. Les réactions nucléaires de fusion au cœur de l'étoile permettent à l’astre de briller. Sa température de surface est de 5770 °K.

Il en est de même pour les autres étoiles, à la différence qu’il existe des étoiles plus chaudes ou plus froides que le Soleil. Les couleurs de ces astres tendent alors vers le bleu ou le rouge.

La première source de lumière «domestiquée » par l’Homme est le feu. Par le biais de réactions exothermiques, des gaz chauds composant la flamme émettent alors de la lumière. Des flammes rouges, jaunes, ou blanches peuvent être observées, et même des flammes bleues pour les brûleurs à gaz des cuisines.

Ensuite, en portant à incandescence un métal par circulation d’un courant électrique dans une enceinte dépourvue d’oxygène (afin d’éviter qu’il brûle), l’Homme a créé la lampe à incandescence. La lumière émise est souvent jaune ou blanche selon les modèles. Les lampes halogènes sont une variante, présentant une forte intensité lumineuse et une couleur émise très blanche.

Il existe d’autres exemples de corps émettant un rayonnement thermique :
- la lave d’un volcan
- du métal en fusion en sidérurgie
- les explosions conventionnelles ou nucléaires
- les éclairs

Ceux-ci produisent aussi de la lumière, du fait des hautes températures atteintes.

D’une manière générale : les sources de lumière émettant un rayonnement thermique présentent toutes un spectre continu, donc nécessairement polychromatique.

3. Emission de lumière sans dégagement de chaleur

Le rayonnement thermique n’est pas la seule source de lumière. Il est ainsi possible de produire de la lumière sans chaleur.

a. Lampes à décharge

En envoyant des décharges électriques dans une enceinte contenant un gaz, les atomes de celui-ci vont passer dans un état excité. En se désexcitant, ils vont émettre de la lumière. C’est le principe des lampes à décharge, dont se servent les enseignes lumineuses (« les néons »).

La couleur d’émission des lampes à décharge dépend du gaz employé dans le tube. Comme les atomes du gaz n’émettent que certaines radiations, les spectres seront des spectres de raies. Pour les lampes à vapeur de sodium, employées pour l’éclairage public, seules deux raies jaunes très proches sont observables dans le domaine du visible : son spectre est considéré comme monochromatique pour le domaine du visible.

b. La fluorescence

En déposant un certain type de poudre à l’intérieur d’une lampe à décharge, la poudre capte certaines radiations émises par le gaz, et émet de la lumière par fluorescence, souvent blanche. Cette lumière est de spectre continu. Les tubes fluorescents utilisés dans les lieux publics sont basés sur ce mode de fonctionnement.
Cela concerne aussi les lampes à économie d’énergie, dites lampes fluocompactes.


Tube fluorescent	Lampe fluocompacte

c. Sources de lumière contemporaines

Diverses technologies ont été développées pour certaines applications, comme les écrans cathodiques, les écrans plasma,etc.
Les écrans à cristaux liquides utilisent quant à eux des diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais). Ces composants électroniques peuvent aussi s’employer comme voyant lumineux (appareils électroniques, feux routiers).
Une DEL utilise les propriétés de certains matériaux (semi-conducteurs) à produire certaines radiations lumineuses. Une grande panoplie de couleurs est permise, y compris le blanc (rétroéclairage d’écrans LCD ou phares de voiture). Les spectres obtenus sont polychromatiques, sauf pour les diodes LASER.

D’ailleurs, le LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation / amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement), par diode ou par d’autres technologies, est devenu un outil optique incontournable dans le quotidien. On peut parler des lecteurs DVD, des télécommunications, de ses applications médicales …

Le faisceau LASER est un faisceau de lumière très étroit, de grande intensité lumineuse. C’est la source de lumière la plus monochromatique que l’on sache faire. Sa longueur d’onde est en principe constante pour un LASER donné.

4. Autres sources de lumière

On peut également produire de la lumière par des réactions chimiques. Ce principe est employé par les lucioles (vers luisants / lampyres), par bioluminescence. En criminologie, le luminol émet une lumière bleue par chimiluminescence, en présence de certaines substances, dont le sang.

Certains corps peuvent émettre de la lumière pendant quelques instants après avoir été éclairés. Il s’agit du phénomène de phosphorescence.

Enfin, la radioactivité peut créer certains rayonnements visibles.
Par exemple, l’effet Cherenkov consiste en une lumière bleue quand des particules traversent de l’eau (centrales nucléaires).

L'essentiel

Il existe diverses possibilités pour produire de la lumière. Le rayonnement thermique des corps chauffés est une des plus connues. Elle concerne la lumière des étoiles, du feu et des lampes à incandescences. Cette lumière est de spectre continu.
Cependant, il est possible de produire de la lumière par des phénomènes induits par l’électricité, comme pour les tubes fluorescents, les néons, les écrans, le LASER, etc. Les spectres obtenus sont alors continus et/ou discrets. Le LASER est une source de lumière monochromatique.
Enfin, la chimie ou même la physique nucléaire sont susceptibles de créer des sources de lumière.