Les quanta d'énergies associés aux rayonnements lumineux

Bonjour,

J’étudie la notion de quanta et je n’arrive pas à me représenter clairement ce que c’est.

De ce que j’ai compris :

• Un rayonnement lumineux monochromatique est constitué de photons
• Ces photons possèdent une longueur d’onde $\lambda$ et une énergie $E$
• $E = hf$ où $f = c/\lambda$

Si j’ai bien compris, la quantité $E$ est discrète, càd il n’existe qu’une série finie de valeurs possibles pour $E$.
Par conséquent, il en est de même pour $f$ (la fréquence du rayonnement).

Mais ça ne me paraît pas du tout intuitif, quelque chose cloche dans mon raisonnement.

Il manque un truc, en effet: le système avec lequel interagit ton rayonnement. Dans l’absolu, toutes les valeurs de $E$ sont possible (et observées en pratique). Maintenant, si ce rayonnement provient d’un système en particulier, ce n’est plus le cas. Si je prend le système que je connais le mieux, l’atome, l’excitation d’un électron d’une couche électronique à une autre demande une quantité bien précise d’énergie, et donc, loi de conservation oblige, la désexcitation produira un photon d’une longueur d’onde (ou d’une énergie) bien précise. Comme il y a plusieurs niveau électroniques, on peut avoir toute une série de valeurs possibles (voir par exemple ici pour l’atome d’hydrogène), mais au delà de ça … Rien. On a donc bien une "quantification", dans le sens ou toutes les valeurs ne sont pas possibles … pour ce système.

Et c’est toujours comme ça, en gros: t’a un système, et t’a toujours bien une condition qui à un moment induit de la quantification (mathématiquement, c’est souvent des conditions de conservation ou de continuité, d’ailleurs, en mode "rien ici" ou "ce qui rentre doit forcément sortir").

D’accord, merci pour l’explication !

Du coup, dans l’effet photoélectrique, je ne comprends pas très bien pourquoi arracher des électrons ne dépend pas du temps d’exposition de la lumière.

Ce que j’ai compris de l’effet photoélectrique :

• Un photon de lumière est absorbé par un électron
• Si l’énergie $E$ du photon dépasse un certain seuil, l’électron est arraché
• Sinon, l’énergie du photon est absorbée par l’électron, mais il n’est pas arraché.

Par conséquent, pourquoi, après avoir absorbé plusieurs photons, un électron ne s’arrache-t-il pas après un certain temps d’exposition ?

Parce que si le photon ne correspond pas à l’énergie d’arrachement (ou l’énergie de transition entre deux niveaux), il ne sera pas absorbé. Donc tu peux en mettre autant que tu veux, aucun ne sera absorbé. Il n’y a donc pas d’énergie qui s’accumule jusqu’à atteindre le seuil d’énergie nécessaire.

Oui … Mais pas que. L’énergie étant effectivement absorbée (en partie), elle est aussi dissipée sous forme de chaleur dans le métal, "tout bêtement".

J’ai une question annexe justement : est-ce que toutes les émissions de photon par la matière se fait par saut (ou arrachement) électronique ? Dans ce cas, comment expliquer que le rayonnement du soleil soit continu de type corps noir ?
Tu parles de "dissipation sous forme de chaleur", justement c’est censé produire des infrarouges (comme notre corps d’ailleurs). Par quel mécanisme ?

J’ai une question annexe justement : est-ce que toutes les émissions de photon par la matière se fait par saut (ou arrachement) électronique ?

Non pas nécessairement, des composants de la matière en question peuvent être dans un état excité qui va produire un photon pour retrouver un état d’énergie plus bas. (https://en.wikipedia.org/wiki/Spontaneous_emission#Introduction)

Dans ce cas, comment expliquer que le rayonnement du soleil soit continu de type corps noir ?

Pour le cas du soleil, ca provient des anion hydrure (https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_anion) qui ont la particularité de ne pas avoir d’état lié qui conduit a un spectre continu.

Ça peut résulter d’une transition entre deux états, par exemple entre deux modes vibratoires qui correspondent a cette gamme d’énergie.

J’ai une question annexe justement : est-ce que toutes les émissions de photon par la matière se fait par saut (ou arrachement) électronique ?

Non (vu que la différence entre deux niveau électroniques ne peut pas être trop petite ou trop grande, pour plein de raisons), mais dans la gamme du visible, je dirais que c’est à peu près toujours le cas. Si on prend les infrarouges, c’est par contre globalement pas des excitations électroniques.

Dans ce cas, comment expliquer que le rayonnement du soleil soit continu de type corps noir ?

En fait, le spectre n’est pas continu (mais je vois ce que tu veux dire, ta notion de "continu" n’est probablement pas la mienne, toi tu veux dire qu’on a une "belle courbe bien lisse", non ?). Si il l’était, on aurait pas un pic comme c’est le cas (et qui "caractérise" le cours noir), mais un objet qui émettrait d’autant plus de rayonnement que l’énergie est grande (c’est la fameuse "catastrophe ultraviolette" qui a conduit, entre autre, à la découverte de la théorie quantique, justement).

Le phénomène sous-jacent est effectivement modélisé par une série "d’atomes modèles" (tous les mêmes) qui sont tous capable d’une unique excitation électronique (pour ceux que ça intéresse, voir la bêta de mon tuto, mais ça implique un peu de math, c’est pas forcément adapté à de la vulgarisation).

Difficile de répondre simplement, parce que énormément de phénomènes peuvent induire cela. Dans tout les cas, dans "la vraie vie", les échanges ne se font pas sans perte (vive la seconde loi de la thermodynamique), ce qui explique déjà une partie du phénomène. Il faut aussi s’imaginer que un photon émis par un atome peut être absorbé par un second (vu que la matière est essentiellement constituée de vide, rien ne dit que c’est les atomes "de surface" qui captent les photons, même si c’est statistiquement plus probable), etc.

EDIT: grillé par @Freedom. Par contre, me voilà bien ennuyé: le modèle du corps noir implique justement un unique état excité, et v’là que le soleil est constitué d’atomes qui n’en ont pas

Tu n’as pas besoin d’atomes avec un unique état excité pour le corps noir, la quantification du champs se suffit a elle-même.

Il n’a pas d’état excité mais c’est bien un état lié ! Le spectre est toujours continu quand on dépasse l’énergie d’ionisation.

@Looping : D’où vient le spectre continu du rayonnement du corps noirs concrètement (soleil certes, mais aussi : ampoule à filament, braise dans un feu, résistance chauffante, lave, partie jaune des flammes)?

Dans les milieux continus (matière suffisamment dense comme le métal) les états des différents atomes se couplent et on finis par avoir des niveaux si prochent en énergie que l’on va parler de bande d’énergie et non de niveau d’énergie : toute les énergies contenu dans la bande sont accessible. En pratique c’est un abus de langage c’est juste que la quantification à cette échelle est extrêmement faible et la différence d’énergie entre deux niveaux est négligeable. C’est le couplage entre ces bandes d’énergie et l’énergie de l’agitation thermique qui permet d’obtenir un spectre continu : absorption d’énergie thermique (phonon) par un électron qui devient excité et qui émet en photon en se désexcitant.

Dans le cas de la matière moins dense on peut avoir un autre rayonement continu dû à l’agitation thermique par rayonement Bremsshtralung (toutes charges accélérées émet un rayonement). C’est par exemple l’origine du rayonement émis par les plasmas ou les nébuleuses.

Ces rayonements continus sont modifiés par les éléments chimiques présent, peuvent donc s’y additionner des raies d’absorption ou d’émission à certaines longueurs d’ondes.