II. OPTIQUE ONDULATOIRE
A. Rappel: Nature de la lumière
Nature ondulatoire: Champ électromagnétique oscillant
E
B
v
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" !!!
1) Rayonnement thermique.
1 2 3 4
(µm)Energie/s
F.O.
B. Sources de lumière
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)
(Schéma exact et détaillé du spectre d’émission thermique pour différentes températures)
N.B.: Sources de lumière "thermiques"
+) flamme
+) lampe à filament
…
2) Emission atomique.
Atome de Bohr:
Noyau
Orbites électroniques (couches électron.)
Electrons liés
2 3 n=1
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!!
Signature de chaque atome!!!
Hydrogène
Sodium
Xénon
N.B.: Lampes à émission atomique
Ex: Tube néon
Lampe au sodium
Lampe au mercure (labo: U.V.,…) H.T.
C. Diffraction de la lumière
N.B.: Optique géométrique
?
Optique ondulatoireEcran Diaphragme
d
Source monochromatique
()
S
d >>
Ombre Lumière
S
d
S
d
"Franges"
!!!
1) Diffraction par une ouverture circulaire
…ou un objet de taille !!
Halo
Tache centrale
"Tache de diffraction"
sin 1,22 da) Loi de base
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,…)
b) Limite de résolution du microscope.
sin n
2
Objectif
Objet
=
moyen de la lumière utiliséen = indice de réf. du milieu qui sépare objet et objectif
n sin = "Ouverture numérique"
(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 !
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
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
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'
(Photo d’un microscope à contraste de phase, schéma détaillé du fonctionnement, exemples
d’images « avec » et « sans » contraste de phase)
2) Le réseau de diffraction
"écran" muni d'un grand nombre de fentes équidistantes
A l'arrière chaque fente secomporte 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 !
1) Vers l'avant
"ordre 0"
2) Sous un angle tel que …
"ordre 1"
d
sin d
…dépend de !!
Décomposition de la lumière blanche
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!!
Lumière blanche
…en pratique, les
"fentes" sont plutôt des
"griffes"
…et on travaille vers l'arrière
(schéma détaillé des ondes émises vers l’arrière et des zones d’interférence)
D. Spectroscopie.
1) Décomposition de la lumière blanche.
Réseau:
Ou: prisme!!
Principe: n = n() n(violet) > n(rouge) Lumière
blanche
2) Spectroscope.
Source Fente!
(Photo d’un spectroscope)
3) Spectroscopie.
1°) par émission: la source est l'objet de l'analyse
Sodium
2°) par absorption: la lumière traverse l'objet à analyser, qui absorbe les longueurs d'onde qui lui sont propres
Source objet
fente
E. Lumière polarisée.
1) Définitions.
Rappel: photon champ électrique oscillant
E
En général, dans un faisceau: orientations quelconques des E
faisceau
"non polarisé"
Symbole:
Faisceau polarisé "plan" (…ou "polarisation linéaire")
Symbole:
N.B.: en réalité: "pourcentage de polarisation" !!
Polarisation circulaire: tourne autour de la direction de propagation
E
Symboles:
"circulaire droite"
"circulaire gauche"
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
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"
Exemple: La lumière diffusée
provenant de cette région du ciel (bleu!) est
fortement polarisée
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
1 2
1
1
2Rappel: n1sin
1 = n2sin
2Or ici:
1+
2 = 90° sin
2 = cos
1n1sin
1 = n2cos
11 2 1
1
n n cos
sin
n g n
t
1 2 1
(Angle de Brewster)Exemple:
Les reflets du soleil sur un plan d'eau sont partiellement polarisés
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"
N.B.: Polaroïds croisés Absorption totale
A.O. A.O.
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.
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
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