2. Rayonnement thermique
La matière émet des radiations
L'expérience de la vie quotidienne le montre : Les objets chauds émettent de la lumière. Une cigarette qui couve brille d'une lumière rougeâtre, un feu de bois brille d'une lumière jaune, le filament d'une lampe produit une lumière blanchâtre. Ce phénomène est apparemment lié à la température: Le filament est plus chaud que le feu de bois, tandis que le feu de bois est plus chaud que la cigarette. Il est étonnant qu'il ait été impossible pendant longtemps de comprendre les lois physiques qui se cachent derrière ce soi-disant rayonnement thermique ! La seconde moitié du 19e siècle a mis l'accent sur ces sciences.
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Vers 1860, le physicien Gustav Kirchhoff
a supposé - il faisait des recherches sur les lois des circuits électriques et l'analyse des éléments sur la base
de leurs raies spectrales - une fonction universelle qui explique l'émission de lumière des corps chauds en
fonction de leur température.
Il a examiné comment ces corps peuvent également absorber la lumière. Ce faisant, il a découvert que le rayonnement thermique émis est le plus intense si un corps absorbe la totalité du rayonnement entrant. Cela signifie qu'il est complètement opaque et non réfléchissant. Il a appelé ce type d'objets des corps noirs.
Puisque les corps noirs ne réfléchissent pas la lumière, tout résultat dans le rayonnement doit être causé par eux-mêmes. Cette connaissance représente une simplification importante pour les examens expérimentaux et pour le développement de théories physiques sur le rayonnement thermique. -
On pourrait mesurer que le spectre du rayonnement thermique des corps chauds a un maximum et décline à droite et
à gauche de ce maximum. La lumière du soleil, par exemple, a un maximum de luminosité dans le vert et diminue en
passant aux longueurs d'onde du bleu et du rouge. La zone située sous le spectre correspond à l'intensité. Le
spectre a été étudié expérimentalement par
Josef Stefan
et théoriquement par
Ludwig Boltzmann.
En 1884, ils ont obtenu un résultat qui est aujourd'hui connu sous le nom de loi Stefan-Boltzmann : L'intensité augmente avec la puissance 4 de la température absolue. Une température doublée se traduit donc par une intensité 16 fois plus élevée. - Parallèlement à l'augmentation de l'émission à des températures plus élevées, le maximum est déplacé vers des longueurs d'onde plus courtes. En 1893, Wilhelm Wien a formulé une loi pour ce phénomène : La longueur d'onde du maximum est inversement proportionnelle à la température absolue. Une température doublée entraîne donc une réduction de moitié des longueurs d'onde des rayonnements les plus intenses du spectre. C'est la loi de déplacement de Wien.
Malgré ces progrès, aucune loi physique n'a été trouvée pour expliquer complètement les spectres mesurés du rayonnement thermique des corps noirs.
À l'aide de la thermodynamique et du modèle des ondes électromagnétiques (voir chapitre 1), Max Planck a tenté d'expliquer théoriquement le rayonnement thermique. Une équation qu'il a inventée - appelée aujourd'hui loi du rayonnement de Planck - nécessite la quantification des ondes électromagnétiques afin de correspondre aux données obtenues lors des expériences. L'énergie de ces quanta est alors reliée à la fréquence des ondes selon la loi suivante :
La quantité est une constante ; la constante de Planck avec une valeur de
Ces liens formulés en 1900 entre les propriétés ondulatoires et particulaires de la lumière sont considérés comme le point de départ de la théorie quantique. Les quanta d'énergie de la lumière sont les photons (voir chapitre 1).
Source: ESA
