Wikipédia:Oracle/semaine 28 2022

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D'où viennent les photons des ampoules ?

Bonjour Oracle, je viens suite à l'appel laissé sur le Bistro, mais c'est une question que je me pose depuis des mois !! En fait, je ne comprends pas pourquoi le fait de chauffer certaines choses produit de la lumière. Je prends l'exemple de la lampe à incandescence : sans électricité, le filament ne chauffe pas, et il n'y a donc pas de lumière, mais dès que le filament chauffe, il se met à émettre de la lumière. La lumière étant composée de photons, cela donne l'impression qu'il y a une quasi-infinité de photons contenue dans les matériaux (idem pour le bois, le fer, le soleil..), et qu'il suffit pour cela de les chauffer pour qu'ils soient expulsés.. Et je me dis que ces photons ne peuvent pas être dans l'air ambiant, car sinon, la pièce où est l'ampoule serait déjà éclairée ! Alors, Oracle, d'où vient la lumière d'une ampoule ? Éclaire-moi, Oracle... . --EijiroSaito (discuter) 17 juillet 2022 à 13:42 (CEST)

Peut-être regarder du côté de Rayonnement du corps noir. Je ne sais pas si la réponse d'y trouve mais la lecture en est sûrement intéressante. Déjà, le titre est interpellant. -- Xofc ^{[me contacter]} 17 juillet 2022 à 13:56 (CEST)

Bonjour.

Mes cours d'électromagnétique commencent malheureusement à se faire un peu vieux mais je peux déjà t'assurer qu'il n'y a pas une quasi-infinité de photons contenue dans les matériaux. Le fonctionnement simplifié d'une ampoule est, en effet, résumable en : je fais passer de l'électricité dans le filament, puis ça devient chaud, puis ça fait de la lumière.

Au niveau atomique, ce qu'il se passe c'est que les atomes qui composent le filament reçoivent de l'énergie de la part du courant électrique, ce qui fait monter les électrons de chaque atome en couche électronique (je recommande la lecture du RI si cette notion ne t'est pas familière). Or cette nouvelle couche électronique n'est pas stable, donc l'électron rescend ensuite à une couche inférieure en émettant un rayonnement électromagnétique d'énergie E=h*nu correspondant à la différence entre ces deux couches : un photon d'énergie E est ainsi émis ! Comme il y a plein de configurations possible de différences d'énergie entre deux couches, on a une vaste couverture de différences E possibles, qui correspondent donc à une vaste palette de fréquences nu pour ces photons. Toutes ces fréquences vont ensuite constituer de spectre de la lumière émise. J'espère que c'est plus clair ainsi.

Amicalement, Charlestpt (discuter) 17 juillet 2022 à 18:43 (CEST)

Merci pour ces réponses, que je vais pouvoir malaxer doucement dans mon esprit :). Je partais un peu du principe que les photons étant des particules élémentaires, ils ne pouvaient pas être créés (une croyance qui m'a donc beaucoup induit en erreur), alors qu'en fait ils sont le produit d'un rayonnement électromagnétique. --EijiroSaito (discuter) 17 juillet 2022 à 20:51 (CEST)

Formellement, je ne suis pas sûr qu'on puisse parler de création (il faudrait l'intervention d'un physicien aguerri à ce sujet), mais c'est l'idée. Au passage, je fournis une petite illustration tirée de l'article couche électronique qui montre bien la descente entre deux couches et l'émission d'un photon associée. Pour un info, je viens de m'en souvenir, tout un pan de la recherche sur les ampoules (notamment LED) et les économies d'énergie repose sur le fait de choisir des matériaux où les différences entre les couches sont bien connues et contrôlées : l'objectif est d'obtenir des énergies E correspondant à des photons ayant une fréquence nu dans le visible et donc de ne pas "chauffer pour rien" en émettant des photons dans l'infrarouge ou l'ultraviolet (entre autres).

Amicalement, Charlestpt (discuter) 17 juillet 2022 à 22:06 (CEST)

Bonjour,

On peut tout à fait parler de création de particules. De l'énergie peut se transformer en particule. C'est le cas dans l'exemple de l'émission des photons mais aussi par exemple lorsqu'on fait apparaitre de nouvelles particules dans les collisionneurs. D'ailleurs lorsque les physiciens qui travaillent dans ce domaine s'intéressent aux particules créées, ils discutent de la masse des particules en donnant plutôt leur équivalent en énergie (Énergie de masse).

Dans la théorie la plus avancée qu'on a, la théorie quantique des champs, qui comprend la relativité restreinte et la mécanique quantique, on se rend compte qu'il ne peut pas exister de nombre fixe de particules élémentaires. OhPurée (discuter) 18 juillet 2022 à 02:25 (CEST)

Bonjour EijiroSaito

Pour répondre à la question en complétant maigrement ci-dessus, il faut quelques concepts élémentaires :

1. Ce qui nous entoure, le monde est autant invisible qu'invisible, défini qu'indéfini, mesurable qu'immesurable, connu qu'inconnu, etc.
2. La physique est loin d'avoir résolu tous les mystères du monde, mais cherche à expliquer ses phénomènes, donc uniquement ce qui peut être observé.
3. Lorsque tu étudies un phénomène, s'il n'est pas reproductible, il devient difficile de le mesurer et donc l'expliquer
4. Pour reproduire un phénomène naturel, il faut recréer un système ou le prendre dans son "état naturel" (hors laboratoire) : fermé, ouvert, isolé
5. Le rayonnement est principalement causé par deux choses ;
   • le thermique (tout objet émet un rayonnement qui dépend de sa température, plus il est chaud plus la lumière qu'il émet est intense et plus la longueur d'onde est courte)
   • l'excitation de l'atome, plus il y a de l'énergie donnée à l'atome, ou plus un électron est excité, plus le changement du niveau d'énergie de l'électron (couche dont parle Charlestpt) émettra un photon qui sera visible, humainement
     • État fondamental -> état excité : la différence d'énergie entre deux orbitales équivaut au "potentiel de lumière produite" ; moins la différence est importante, moins la fréquence d'un photon est perceptible humainement (un photon peut être dans les ondes radio )
6. Un atome peut recevoir ou émettre un photon
7. Lorsque l'atome reçoit une stimulation "trop forte", il finit par perdre un de ses électrons, et émet un photon (ex. la diffusion Compton lors de la ionisation)
   • Pas d'inquiétudes, les atomes s'échangent/volent aussi des électrons, sacrés farceurs !
8. Pour calculer l'énergie électromagnétique (quantum) transportée par un photon (car si l'atome reçoit quelque chose, il doit perdre quelque chose... : conservation de l'énergie), il faut voir du côté de la relation de Planck-Einstein
9. La lumière est une onde et un corpuscule (dualité onde-corpuscule), elle peut être déviée, réfléchie, diffusée (en tant qu'onde certes, mais aussi en tant que particule  : un photon peut en percuter un autre (en:Breit–Wheeler process) recréant de la matière  : rien ne se perd, encore une fois), elle peut être produite par beaucoup de choses (en:List of light sources)
   • Un photon seul ne peut pas produire de la lumière, il faut en une ribambelle, un flux
   • N'est visible pour toi directement que ce qui est dans le spectre visible, ce qui suppose déjà qu'un matériau soit en contact avec des photons et que l'absorption ne soit pas totale
   • Les lampes peuvent aussi s'éclairer grâce à la dexecitation de l'atome (lampe à décharge)

Donc, j'essaye de répondre à tes questions :

• « quasi-infinité de photons contenue dans les matériaux »
  • Tant que les matériaux seront constitués d'électrons (et positrons : rayonnement gamma, phosphorescence des écrans TV par exemple) dans un environnement qui n'est pas totalement fermé, il y a possiblement une infinité de photons donc de lumière (mais pas nécessairement visible pour tes yeux !)
  • les matériaux s'assemblent et se désassemblent continuellement, les atomes aussi mais on ne peut pas encore tout expliquer à une échelle infiniment petite (suffit de voir que le boson de Higgs a 10 ans)

La kinésine, une protéine qui "marche".

• • • Je pense que c'est en ce sens que Charlestpt dit « mais je peux déjà t'assurer qu'il n'y a pas une quasi-infinité de photons contenue dans les matériaux » : les atomes se dégradent, donc les photons ne peuvent pas être infinis, mais en théorie si tu recycles les matériaux à l'échelle atomique (recycler l'atome aussi), ça peut être infini. Par exemple, certains gels photoluminescents sont créés un peu comme des organismes (le gif permet de se faire une idée) pour "se régénerer" à l'échelle moléculaire (dans la lignée des nanomachines, prix nobel 2016), et ainsi continuer à émettre de la lumière ; à ma connaissance, il n'y a pas encore de matériau de ce type qui soit parfaitement non dégradable naturellement, mais on ne peut pas exclure cette possibilité
• « d'où vient la lumière d'une ampoule »
  • la lumière vient du transfert de l'énergie de l'atome sous forme de photons, par la chaleur ou l'excitation dûe au transfert d'énergie, la collision en est une forme, idem les rayonnements plus largement.
• « La lumière étant composée de photons »
  • la lumière n'est pas composée que de photons dans la mesure où c'est l'interaction entre les photons et les matériaux qui fait qu'elle existe : sans photons, pas de lumière, sans matériaux, pas de lumière non plus
• « Et je me dis que ces photons ne peuvent pas être dans l'air ambiant, car sinon, la pièce où est l'ampoule serait déjà éclairée »
  • ils sont partout, y compris dans l'obsurité totale et le vide parfait n'est que théorique : la lampe à incandescence est une des premières utilisations du (quasi)vide, c'est bon à savoir
  • s'il était possible de voir plus que le rayonnement lumineux, ton environnement serait indigeste : entre les ondes et les corpuscules, tu ferais une overdose de propagation d'énergie, et tu aurais probablement peur des bananes ou des pommes de terre qui sont des aliments radioactifs (à petite dose certes mais quand même à dose équivalente en bananes).

En espérant que ces quelques éléments t'éclaireront. LD (d) 18 juillet 2022 à 05:55 (CEST)

Magistral ! --Doalex (discuter) 18 juillet 2022 à 16:42 (CEST)

Merci LD — Cymbella (discuter chez moi). 18 juillet 2022 à 17:25 (CEST)

Merci à tous pour ces réponses complémentaires ! J'ai de quoi bien comprendre, mais cela va prendre plusieurs semaines, à force de relire les messages et les articles liés ^^. L'Oracle est efficace :). --EijiroSaito (discuter) 18 juillet 2022 à 17:44 (CEST)