Applications : Lampes fluocompactes et tubes fluorescents
Les tubes fluorescents, tout comme les lampes fluocompactes, contiennent un mélange d'argon et de vapeur de mercure à basse pression (et pas forcément de néon comme le langage populaire le laisserait croire). La lumière visible est produite par deux processus successifs :
L'ionisation du mélange gazeux sous l'effet d'un courant électrique génère des rayonnements dans la gamme des ultraviolets (donc invisible), mais très énergétique. Les rayonnements principalement émis correspondent à deux raies du mercure : 185 nm et 254 nm.
Ce premier rayonnement est ensuite converti en lumière visible à la surface interne du tube par un mélange de luminophores fluorescentes : lorsqu'un atome fluorescent (ou une molécule fluorescente) absorbe un photon, il accède à un état électronique excité Ee ; avant de se désexciter, l'atome (ou la molécule) subit une relaxation vibrationnelle, c'est-à-dire qu'il perd un peu d'énergie sous forme de chaleur. Il atteint alors un niveau intermédiaire Ei. Il retourne ensuite à son état électronique fondamental Ef en émettant un photon d'énergie correspondant à la différence d'énergie entre l'état excité (relaxé) et l'état initial.
1. Sur le schéma ci-contre, indiquer : - Les niveaux Ef, Ee et Ei
- Les transitions correspondant à l’absorption du rayonnement UV (flèche bleue), à la relaxation vibrationnelle (flèche pointillée noire) et l’émission du photon (flèche verte).
2. La longueur d’onde de la radiation émise est-elle supérieure ou inférieure à celle de la radiation absorbée ? Justifier. A quel domaine d’onde électromagnétique doit-elle appartenir ?
3. Soit un tube fluorescent dont le spectre est donné ci-contre. On s’intéresse au l’atome fluorescent émettant la radiation bleue (λb=410nm)
a. Quelle est la différence d’énergie entre les niveaux Ef et Ee d’un luminophore bleu qui absorberait la longueur d’onde λuv=254nm ? b. Quelle est l’énergie du photon émis par ce luminophore ?
c. Quelle est le pourcentage d’énergie convertie en chaleur ?
4. Quel est l’intérêt de recouvrir la surface interne du tube avec différents luminophores ?
Autres lampes du commerce
Lampe halogène à haute efficacité : Lampe à filament de tungstène baignant dans un gaz d’éléments chimiques de la famille des halogènes, retardant l’usure du filament. IRC de 100.
LED (Lampe à Diode Electroluminescente) : De la lumière bleue est émise par une diode. Une partie de cette lumière est
absorbée par des luminophores qui réémettent de la lumière
jaune. La synthèse additive des rayonnements bleu et jaune donnent une lumière perçue blanche. IRC entre 80 et 100.
E 0
Indice de rendu des couleurs (IRC) : permet d’évaluer la capacité d’une source de lumière à reproduire la couleur d’un objet éclairé en lumière blanche. (IRC de 100 pour la lumière blanche).
1. Sur le schéma ci-contre, indiquer : - Les niveaux Ef, Ee et Ei
- Les transitions correspondant à l’absorption du rayonnement UV (flèche bleue), à la relaxation vibrationnelle (flèche pointillée noire) et l’émission du photon (flèche verte).
2. La longueur d’onde de la radiation émise est-elle supérieure ou inférieure à celle de la radiation absorbée ? Justifier. A quel domaine d’onde électromagnétique doit-elle appartenir ?
L’absorption d’énergie lumineuse est supérieure à l’émission d’énergie lumineuse : la radiation absorbée a donc une longueur d’onde plus courte que la radiation émise qui appartient au domaine du visible (intérêt d’une lampe : émettre de la lumière visible…)
3. Soit un tube fluorescent dont le spectre est donné ci-contre. On s’intéresse au l’atome fluorescent émettant la radiation bleue (λb=410nm)
a. Quelle est la différence d’énergie entre les niveaux Ef et Ee
d’un luminophore bleu qui absorberait la longueur d’onde λuv=254nm ?
uv absorbé photon
c E h
E
A.N. E 9 19J
8 34
10 81 , 10 7
254
10 00 , 3 10 62 ,
6
b. Quelle est la l’énergie du photon émis par ce luminophore ?
b émis photon
c E h
A.N. E 9 19J
8 34
10 84 , 10 4
410
10 00 , 3 10 62 ,
6
c. Quelle est le pourcentage d’énergie convertie en chaleur ? 100
100
absorbé photon
émis photon absorbé
photon absorbé
photon chaleur
E
E E
E e E Pourcentag
A.N. 100 38%
81 , 7
84 , 4 81 ,
7
e Pourcentag
4. Quel est l’intérêt de recouvrir la surface interne du tube avec différents luminophores ?
L’intérêt est d’obtenir de la lumière d’apparence blanche. Il faut donc au minium des luminophores rouge, bleu et vert. (voir encadré IRC ci-dessous).
E 0
Ef
Ei
Ee
Absorption du photon UV
Relaxation vibrationnelle
Emission photon visible
