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II. OPTIQUE ONDULATOIRE

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

II. OPTIQUE ONDULATOIRE

A. Rappel: Nature de la lumière

Nature ondulatoire: Champ électromagnétique oscillant

E 

B 

v

(2)

E

v

 = v T

  longueur d'onde T  période

f = 1/T  fréquence v =  f

Dans le vide v = c = 300.000 km/s

Dans la matière v = c/n (n  indice de réfraction) Nature corpusculaire: "grain de lumière" (photon)

E = hf h = 6,62 10-34 J.s (constante de Planck) + revoir "spectre électromagnétique" !!!

(3)

1) Rayonnement thermique.

1 2 3 4

(µm)

Energie/s

F.O.

B. Sources de lumière

(4)

Donc, pour T°  :

1°) Le spectre glisse vers les courtes 

(max)

(m) T(K)

10 (max) 2,9

-3

 (Loi de

Wien)

min : …………..

2°) La surface (énergie rayonnée/s)    T4

t

Q 

 (Loi de Stefan)

(5)

(Schéma exact et détaillé du spectre d’émission thermique pour différentes températures)

(6)

N.B.: Sources de lumière "thermiques"

+) flamme

+) lampe à filament

(7)

2) Emission atomique.

Atome de Bohr:

Noyau

Orbites électroniques (couches électron.)

Electrons liés

2 3 n=1

(8)

n² K Z² -

E :

n niveau un

d'

Energie

n

 

 

 

2

1 2

2

2 1

n - 1 n

1 KZ² hf

E

: n n

n transitio une

d' Energie

 spectre de raies!!

(9)

 Signature de chaque atome!!!

Hydrogène

Sodium

Xénon

(10)

N.B.: Lampes à émission atomique

Ex: Tube néon

Lampe au sodium

Lampe au mercure (labo: U.V.,…) H.T.

(11)

C. Diffraction de la lumière

N.B.: Optique géométrique

?

Optique ondulatoire

Ecran Diaphragme

d

Source monochromatique

()

(12)

S

d >> 

Ombre Lumière

S

d 

S

d  

"Franges"

!!!

(13)

1) Diffraction par une ouverture circulaire

…ou un objet de taille   !!

Halo

Tache centrale

 "Tache de diffraction"

sin  1,22 d

a) Loi de base

(14)

Principe: deux objets sont distinguables si les pics centraux sont séparés.

 Un microscope

optique a une limite de résolution

(Photos ou schémas: figure de diffraction, courbe de diffraction, taches voisines qui tendent à se superposer,…)

(15)

b) Limite de résolution du microscope.

sin n

2 

  

Objectif

Objet

=

moyen de la lumière utilisée

n = indice de réf. du milieu qui sépare objet et objectif

n sin  = "Ouverture numérique"

(16)

(n)

Conditions "normales"

0,6µm

: blanche

Lumière  

Air: n  1

  45°

 = 0,42µm

  0,5 µm Améliorations

0,4µm

: violette

Lumière  

Huile de cèdre: n  1,5

  90° (?)

 = 0,13µm

  0,1 µm Ou encore:

Ultra-violet  Photographie

Microscope électronique :   1 nm !

(17)

c) Microscope à contraste de phase.

Tache de diffraction

1) Tache centrale 1

2

+

2) Halo Caractéristiques:

a) Intensité (1) > Intensité (2)

b) (2) déphasé de ¼ de période par rapport à (1) 1

2

(18)

1 2

Principe du microscope à contraste de phase:

a) Atténuer (1) pour avoir la même intensité que (2) b) Accroître le déphasage de (2) jusqu'à ½ période

1 2

Alors, le mélange des 2 composantes donnera une interférence destructive

(19)

En pratique:

1 2

a) (1) traverse une lame atténuatrice d'épaisseur d d

b) (2) traverse une lame transparente d'épaisseur d'>d (d'-d= "1/4 d'onde"!)

c) Une lentille les recombine  se détruisent (point sombre)

d'

(20)

(Photo d’un microscope à contraste de phase, schéma détaillé du fonctionnement, exemples

d’images « avec » et « sans » contraste de phase)

(21)

2) Le réseau de diffraction

 "écran" muni d'un grand nombre de fentes équidistantes

A l'arrière chaque fente se

comporte comme une

source de lumière (ondes sphériques)

En pratique:

fentes="griffes" et on regarde en réflexion

En principe, toutes ces ondes se détruisent

(interférence destructive)

…sauf pour quelques directions précises !

(22)

1) Vers l'avant

"ordre 0"

2) Sous un angle  tel que …

"ordre 1"

d 

sin    d

…dépend de !!

 Décomposition de la lumière blanche

(23)

3) Autre possibilité:

d

2

d sin   2 

"ordre 2"

…etc…

n d

sin   

"ordre n"

Limite: sin   1 …ou n  d

  d n

En pratique: ordre 1!!

(24)

Lumière blanche

…en pratique, les

"fentes" sont plutôt des

"griffes"

…et on travaille vers l'arrière

(25)

(schéma détaillé des ondes émises vers l’arrière et des zones d’interférence)

(26)

D. Spectroscopie.

1) Décomposition de la lumière blanche.

Réseau:

Ou: prisme!!

Principe: n = n() n(violet) > n(rouge) Lumière

blanche

(27)

2) Spectroscope.

Source Fente!

(Photo d’un spectroscope)

(28)

3) Spectroscopie.

1°) par émission: la source est l'objet de l'analyse

Sodium

(29)

2°) par absorption: la lumière traverse l'objet à analyser, qui absorbe les longueurs d'onde qui lui sont propres

Source objet

fente

(30)

E. Lumière polarisée.

1) Définitions.

Rappel: photon champ électrique oscillant

E 

(31)

En général, dans un faisceau: orientations quelconques des E

 faisceau

"non polarisé"

Symbole:

(32)

Faisceau polarisé "plan" (…ou "polarisation linéaire")

Symbole:

N.B.: en réalité: "pourcentage de polarisation" !!

(33)

Polarisation circulaire: tourne autour de la direction de propagation

E

Symboles:

"circulaire droite"

"circulaire gauche"

(34)

2) Obtention de lumière polarisée.

a) Diffusion à 90° par un gaz.

N.B.: Vue naïve (mais utile) sur la diffusion:

1°) Les électrons du gaz absorbent la lumière

…et oscillent dans le sens imposé par E

2°) Ils réémettent la lumière dans une direction quelconque

…avec un qui oscille comme eux

E

(35)

Couche de gaz

Lumière incidente non polarisée

Oscillateurs (électrons) selon le plan

Lumière réémise vers l'avant: non polarisée

Lumière réémise à 90°:

polarisée "plan"

(36)

Exemple: La lumière diffusée

provenant de cette région du ciel (bleu!) est

fortement polarisée

(37)

b) Par réflexion: Angle de Brewster.

Rayon réfléchi: polarisé plan si  au rayon réfracté

1 2

Lumière incidente non polarisée

Lumière réfractée non polarisée

Lumière réfléchie polarisée

(38)

1 2

1

1

2

Rappel: n1sin

1 = n2sin

2

Or ici:

1+

2 = 90°

 sin

2 = cos

1

n1sin

1 = n2cos

1

1 2 1

1

n n cos

sin 

n g n

t

1 2 1

(Angle de Brewster)

(39)

Exemple:

Les reflets du soleil sur un plan d'eau sont partiellement polarisés

(40)

c) Par transmission: Les polaroïds

Polaroïd = longues chaînes moléculaires alignées

B A B

Selon B: les électrons vont "perdre" leur

énergie le long de la molécule

 Energie absorbée

A

Selon A : bonnes "oscillations"

 Bonne transmission A

Direction A = "AXE OPTIQUE"

(41)

N.B.: Polaroïds croisés  Absorption totale

A.O. A.O.

(42)

3) Analyse en lumière polarisée.

A.O.

A.O.

1 2 3 4 5 6 7

1) Lumière non polarisée 2) Polariseur

3) Lumière polarisée selon A.O.

(43)

A.O.

A.O.

1 2 3 4 5 6 7

4) Cuvette d'analyse

Substances "optiquement actives"

"dextrogyres"

"lévogyres"

5) Lumière polarisée sous un angle  6) Analyseur

(44)

A.O.

A.O.

1 2 3 4 5 6 7

7) Mesure  faire tourner (6) de  de façon à obtenir à nouveau l'absorption totale

 =  L c L  longueur cuvette

c  CONCENTRATION!!

 pouvoir rotatoire L

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