Émission de lumière
1 Introduction.
En physique, l’émission de lumière est un phénomène très général lié au mouvement des particules qui constituent la matière. Nous nous intéresserons, dans ce qui suit, aux modes d’émission mis en œuvre pour créer des sources de lumière. Ils seront brièvement analysés pour montrer qu’ils sont à la base des technologies particulières à chaque famille de lampes.
2 Thermorayonnance.
C’est le mécanisme de l’émission de lumière qui résulte de l’agitation thermique des particules.
2.1 Corps noir, source de lumière.
L’étude du corps noir montre comment l’émission énergétique spectrale varie avec la température. On peut écrire (loi de Planck) :
c1 et c2 étant les deux constantes de rayonnement.
Une conséquence (loi de Stefan-Boltzmann) est que l’exitance énergétique Me, flux total émis par unité d’aire, s’exprime, en watts par mètre carré, par la relation :
avec σ = 5,7 · 10– 8 W · m–2 K–4 constante de Stefan-Boltzmann.
La Figure 1 donne les courbes correspondantes. Ce flux énergétique augmente donc très rapidement avec la température et le jeu de courbes nous indique les conditions nécessaires pour obtenir le maximum d’émission lumineuse dans la zone du visible (longueurs d’onde comprises entre 400 et 750 nm).
On remarque que le maximum de la courbe est de plus en plus accentué à température croissante et qu’il se déplace vers les courtes longueurs d’onde. L’expression simple (loi de Wien) qui relie la position λmax , en nanomètres, de ce maximum à la température est :
L’émission du corps noir, qui a lieu d’abord uniquement dans l’infrarouge, devient lumineuse à partir de T = 700 K environ.
La proportion d’énergie rayonnée dans le visible augmente jusqu’à 6 000-7 000 K et décroît ensuite.
L’efficacité lumineuse K de rayonnement, quotient de l’exitance lumineuse par l’exitance énergétique, passe par un maximum de 90 lm · W–1, la proportion d’énergie rayonnée dans le visible étant alors de 44 %.
Le Tableau 1 donne les caractéristiques du corps noir entre 1 000 et 10 000 K : exitance énergétique, exitance lumineuse (flux lumineux rapporté à l’unité d’aire), efficacité de rayonnement, longueur d’onde du maximum d’émission énergétique, proportion de l’énergie visible.
2.2 Émission des corps non noirs.
On rattache l’émission d’un corps non noir, c’est-à-dire quelconque, à celle du corps noir en faisant le rapport, pour une longueur d’onde donnée λ et une même température T, des exitances énergétiques spectrales. La Figure 2 donne un exemple.
Ce rapport des valeurs Meλ est, par définition, l’émissivité spectrale du corps considéré :
avec M1 exitance énergétique spectrale du corps non noir, M2 exitance énergétique spectrale du corps noir.
Ce rapport est toujours inférieur à 1, puisque le corps noir donne la valeur plafond de l’émission possible.
Il faut néanmoins noter que l’efficacité lumineuse de rayonnement d’un corps quelconque peut être supérieure à celle du corps noir. Il suffit pour cela que les émissivités dans le visible soient supérieures aux émissivités dans l’infrarouge, l’émission représentée par la partie gauche de la courbe de la Figure 2 se trouve favorisée par rapport à l’émission représentée par la partie droite. C’est le cas des métaux en général.
2.3 Effet de corps noir.
La Figure 3 montre comment on peut réaliser pratiquement un corps noir. Dans une enceinte isotherme, au sens thermodynamique du terme, on effectue une petite ouverture. Le rayonnement sortant de cet orifice est sensiblement celui du corps noir à la température T de l’enceinte, parce que tout rayonnement pénétrant dans l’enceinte est absorbé par les réflexions successives qu’il y subit. L’exitance énergétique correspondante est donc plus élevée que celle de la paroi d’une enceinte constituée d’un corps non noir (par exemple, le tungstène) et il en est de même pour l’émission lumineuse.
Si de telles conditions ne sont réalisées qu’en laboratoire, il faut néanmoins retenir que toute disposition favorisant les interréflexions (par exemple, une surface rugueuse au lieu d’une surface lisse) entraîne un certain effet de corps noir modifiant les caractéristiques de l’émission.
3 Luminescence.
On définit le phénomène de luminescence par une proposition négative : il intervient lorsque la thermorayonnance ne peut expliquer l’émission lumineuse.
La luminescence peut être attribuée à des causes diverses (chimiques, biologiques, mécaniques, électriques), qui entraînent des modifications réversibles de la structure de la matière. Pour créer des sources de lumière, certaines luminescences ont été particulièrement étudiées et exploitées et, en premier lieu, la luminescence résultant de l’excitation électronique dans un milieu gazeux.
3.1 Ionisation et excitation électroniques.
3.1.1 Énergie d’ionisation.
On peut raisonner sur la représentation la plus simple de l’atome : celle de Bohr.
La Figure 4 montre, à titre d’exemple, le schéma d’un atome de sodium avec son noyau et ses 11 électrons répartis sur trois orbites. La charge positive du noyau équilibre normalement la charge négative des 11 électrons.
La couche extérieure n’a qu’un seul électron ; elle n’est pas saturée et cet électron peut être libéré relativement facilement. Le noyau devient alors positif et, si le phénomène est provoqué dans le sodium gazeux, le gaz est ionisé.
Des schémas de ce type, établis pour les gaz rares de l’air, donnent deux couches d’électrons pour le néon, trois couches pour l’argon, quatre couches pour le krypton, cinq couches pour le xénon, mais la couche extérieure de tous ces gaz, constituée de 8 électrons, est toujours saturée. Ces gaz, monoatomiques et chimiquement neutres, jouent un rôle important dans la technologie de toutes les lampes d’éclairage.
Les gaz ne sont pas, à l’état normal, conducteurs de l’électricité. Le passage du courant demande qu’ils soient ionisés, c’est-à-dire séparés en éléments positifs et en éléments négatifs. Dans le cas du sodium, l’arrachement de l’électron de la couronne périphérique conduit au résultat recherché. Cet arrachement demande une énergie minimale qui est l’énergie d’ionisation.
S’il y a, dans le tube à décharge, quelques électrons libres (on peut compter, au minimum, sur ceux qui sont engendrés par les rayons γ et par la radioactivité de l’environnement), ils engendrent d’eux-mêmes, dans un champ électrique suffisamment intense, d’autres électrons par chocs. Ces chocs sont déterminants au point de vue de l’émission lumineuse. Certains sont élastiques, d’autres ionisent le gaz mais beaucoup excitent ce dernier.
3.1.2 Niveaux d’excitation.
La Figure 4 schématise l’excitation d’un atome de sodium : l’électron périphérique n’est pas arraché mais porté sur une nouvelle orbite correspondant à un état d’énergie supérieure et quantifiée de l’atome. Cette énergie nécessaire pour porter l’atome sur cette orbite est l’énergie d’excitation. Cet état est instable, car l’électron tend à revenir au niveau initial (état neutre).
Si W2 est l’état d’énergie supérieure et W1 celui du niveau inférieur, la transition est conforme à la formule fondamentale :
avec h = 6,62 · 10–34 J · s constante de Planck.
ν fréquence de la radiation émise lors de la transition.
Rappelons que ν correspond à la longueur d’onde :
avec c vitesse de la lumière.
Pour obtenir λ en nanomètres, W1 et W2 étant exprimés en électronvolts, on a, compte tenu de la valeur de h :
Les valeurs de W2 et de W1 sont données par les schémas spectraux des spectroscopistes.
La Figure 5 montre les schémas spectraux simplifiés du mercure et du sodium. Ils procurent une indication importante : celle des transitions possibles entre niveaux d’excitation, qui sont multiples et obéissent à des lois de quantification déterminées.
Certains niveaux sont particulièrement importants pour l’émission de lumière : si l’électron est porté à un niveau qui est directement relié à l’état neutre, on parle de niveau de résonance, parce que l’énergie libérée par le retour à zéro peut être instantanément reprise par un atome voisin, ce qui tend à multiplier les atomes excités sur ce niveau.
Certains niveaux sont dits métastables parce que le retour vers l’état d’équilibre n’est pas directement possible. Il faut un apport d’énergie pour repasser par un niveau plus élevé. Il en résulte que la durée d’excitation sur le niveau métastable est de l’ordre de 10–2 s au lieu de 10–8 s sur les autres niveaux d’excitation.
Dans le Tableau 2 sont indiqués les principaux niveaux des gaz rares, du sodium et du mercure.
Ce tableau permet des comparaisons utiles, notamment quand plusieurs gaz (ou vapeurs métalliques) sont présents dans un tube à décharge. Il montre que tel gaz peut fournir des niveaux d’excitation suffisants pour ioniser tel autre ou pour l’exciter à son tour.
3.1.3 Élargissement des raies.
Les mesures spectroscopiques demandent l’émission de raies aussi fines que possible. Elle est obtenue par des décharges dans des gaz raréfiés, c’est-à-dire dont les atomes sont suffisamment espacés pour ne pas subir les modifications énergétiques dues à l’influence des atomes voisins. L’intensité des radiations de résonance est largement dominante. Dans les lampes à décharge, on peut s’intéresser particulièrement à l’émission des raies des niveaux plus élevés et augmenter la pression pour favoriser celle-ci. Non seulement la nature des chocs est modifiée, mais les raies s’élargissent parce que, comme le schématise la Figure 6, les niveaux d’excitation sont influencés par la présence des atomes très voisins.
3.2 Fluorescence.
La fluorescence est une photoluminescence lorsque l’émission lumineuse est obtenue par l’action excitatrice d’un autre rayonnement optique. Par la décharge électrique, on sait obtenir des radiations ultraviolettes qui sont quelquefois l’accompagnement indésirable des radiations visibles. Il est avantageux d’utiliser l’ultraviolet pour provoquer ou améliorer l’émission lumineuse.
Les phosphates, silicates, tungstates, etc., utilisés dans les sources de lumière constituent des réseaux cristallins dans lesquels a été introduit un (ou plusieurs) activateur (antimoine, manganèse, terres rares, etc.). Il faut comprendre que cet activateur occupe la place d’un des ions des cristaux et qu’il est utilisé en très petite quantité. On explique par la mobilité des électrons et celle des trous le fait que les recombinaisons génératrices de lumière sont attribuables aux activateurs.
À titre d’exemple, la Figure 7a montre un spectre à large bande (avec deux activateurs) et la Figure 7b un spectre de raies caractéristique de l’emploi de terres rares.
3.3 Électroluminescence.
Avec certaines matières fluorescentes, la génération des électrons libres nécessaires à l’émission lumineuse peut être obtenue dans le champ électrique alternatif d’un condensateur (effet Destriau).
Pour réaliser une source de lumière, le principe est celui qu’illustre la Figure 8 :
Ø une plaque du condensateur est métallique avec une couche réfléchissante ;
Ø l’autre plaque est en verre, rendu conducteur par une couche mince appropriée (par exemple, d’oxyde d’indium) qui ne diminue que très peu la transparence ;
Ø la couche fluorescente est le diélectrique.
La luminance augmente avec la tension et la fréquence du courant alternatif. Malgré les espoirs mis dans ce procédé, il n’a pas été possible d’obtenir une efficacité lumineuse permettant de l’utiliser pour faire de véritables sources de lumière et les applications sont marginales.
La luminescence obtenue à la jonction PN de certains semiconducteurs a permis de vulgariser les diodes électroluminescente.
Celles-ci offrent l’avantage de fonctionner sous une tension continue de faible valeur (quelques volts). Elles connaissent un grand essor pour l’affichage et la visualisation. Citons, comme matière de base, le phosphure de gallium convenablement dopé, source de lumière verte.
3.4 Laser.
Marginal également, en ce qui concerne l’éclairage, le laser (light amplification by stimulated emission of radiation) fournit un faisceau lumineux étroit et intense, utilisé dans des illuminations décoratives de plus en plus nombreuses.
Le principe est de faire agir sur une population d’atomes portés au niveau W2 et susceptibles de revenir à un niveau W1 plus bas, avec l’émission d’une radiation de fréquence ν (conformément à W2 – W1 = hν), un rayonnement de cette fréquence ν de façon à provoquer une libération d’énergie qui n’est pas aléatoire, comme dans le cas des lampes à décharge, mais stimulée et présentant par suite, ce qui est exceptionnel pour le rayonnement émis, une cohérence de phase.
La réalisation matérielle comporte un résonateur constitué d’un volume cylindrique (d’un gaz ou d’un cristal comme le rubis), délimité par deux miroirs terminaux, positionnés avec précision pour que leur écartement soit accordé à la longueur d’onde de la radiation de fréquence ν. Un des deux miroirs est semi-transparent pour transmettre le rayonnement. Autour du résonateur est disposé le système qui permet, par une technique de décharge électrique, de développer la population des atomes de niveau W2 nécessaire.
Dans les lampes à décharge, la population d’atomes portés au niveau W2 est toujours très inférieure à celle des atomes de niveau W1 et l’action des radiations de fréquence ν s’exerce sur ces derniers. Dans les lasers, on s’arrange pour obtenir une majorité d’atomes au niveau W2 (inversion de population).
Le résonateur, par la réflexion aux deux extrémités, renforce le rayonnement en phase et le laser émet, dans l’axe du tube, un faisceau de rayons rigoureusement parallèles qu’aucun dispositif optique ne pourrait fournir à partir des sources classiques.
La Figure 9 représentant le schéma d’un laser à mélange hélium-néon est donnée à titre d’exemple.
0 comments:
Enregistrer un commentaire