23 avril 2008
Vulgarisons la science : rayonnement du corps noir
Tout d'abord, qu'est ce qu'un corps noir? C'est un truc que les physiciens ont inventé, et c'est sensé absorber tout les rayons électromagnétiques. Il est donc de couleur noire, car il absorbe la lumière, mais il absorbe aussi les autres rayons électromagnétiques comme le son, les rayons X, les ondes radio...L'intérêt d'un corps noir, c'est que si il absorbe toutes les longueurs d'ondes, il ne peut ni les réfléchir, ni la laisser se transmettre comme le ferait un objet transparent. Un corps noir est donc l'émetteur d'ondes électromagnétiques le plus parfait possible.Vous vous doutez bien qu'un tel objet n'existe pas en réalité, et l'objet qui s'en rapproche le plus est un four, dont l'intérieur est recouvert d'une substance quasi noire. Il ne nous reste plus qu'à percer un trou dans ce four afin de laisser passer des rayons, et tout rayonnement pénétrant dans la cavité par cette ouverture va collisionner plusieurs fois la paroi et sera donc totalement absorbé avant d'avoir pu ressortir. Nous plaçons un petit objet en terre cuite à l'intérieur de ce four et nous chauffons notre four. Que va-t-il se passer ?
Premièrement, nous avons fait le vide dans notre four, ce qui fait que l'énergie que va produire notre corps noir ne pourra ni être transmise par convection, ni être transmise par diffusion, car ces deux modes de transferts nécessitent de la matière. L'énergie va donc être transmise par rayonnement.
Notre
four va donc rayonner, et transmettre son énergie à
notre objet en terre cuite, ce dernier va donc absorber cette énergie
et rayonner lui aussi jusqu'à ce que notre système soit
en équilibre selon la deuxième loi de la
thermodynamique : "Tout
système laissé à lui-même tend vers un
équilibre thermodynamique pour lequel son entropie est
maximale. Il y a alors uniformité pour la température." (l'entropie étant une mesure du désordre)
Nous allons ainsi exploiter ces résultats en traçant l'intensité du rayonnement émis en fonction de la fréquence de l'onde, soit en d'autres termes : l'énergie de la lumière, en fonction de sa vitesse d'oscillation.
Or les calculs prouvent que plus on fait osciller rapidement la lumière, plus elle doit être intense. Car notre corps étant à l'équilibre thermodynamique, il ne peut plus s'échauffer, il doit donc compenser ce trop-plein d'énergie qu'il a reçu en rayonnant. Nous avons vu que la température était un moyen de mesurer la vitesse des molécules. D'où, en chauffant, notre corps va augmenter la vitesse d'oscillation de ses molécules . Mais vu qu'il reçoit de l'énergie en continu, et qu'il ne peut plus s'échauffer (car il est déjà en équilibre à cause de la deuxième loi de la thermodynamique, il ne peut donc plus bouger thermodynamiquement), il va compenser en fournissant de l'énergie lumineuse. Et plus la lumière fournie a une vitesse d'oscillation importante, plus son intensité lumineuse doit être importante. Mais nous n'observons pas du tout ce phénomène. À partir des ultraviolets, plus la fréquence augmente, plus l'intensité baisse... c'est la catastrophe ultraviolette.
Les physiciens étaient perdus, eux qui pouvaient tout expliquer, restaient bloqués sur un truc apparemment simple. En 1900, Planck fit une hypothèse : la lumière n'est pas envoyée continuellement, mais par quantités, et l'énergie que nécessite l'émission de cette lumière est donc proportionnelle à la fréquence. Ce qui veut dire que plus une lumière à une fréquence élevée, plus l'énergie qu'il est nécessaire de fournir pour émettre cette lumière est grande, notre corps à donc besoin de moins de quantité de lumière à émettre.
Notre corps a une énergie qu'il ne peut pas garder (c'est le second principe de la thermodynamique qui le lui dit), il faut qu'il se débarrasse de cette énergie, et il ne le peut qu'en diffusant des quantums de lumière (ce que l'on appelle des trains d'onde). Or plus cette lumière a une fréquence importante, moins il aura besoin d'émettre de trains d'ondes pour se débarrasser de son énergie, ce qui explique la faible intensité lumineuse. Mais pour une lumière de faible fréquence, il devra émettre plus de trains d'ondes pour dépenser la même énergie que précédemment, ce qui explique une intensité lumineuse plus importante.
La théorie de la quantification de l'énergie était née : pour les grandes fréquences, l'énergie E est un multiple entier de la fréquence multipliée par une constante : la constante de Planck.
E = n . (h . f) Avec n qui peut prendre les valeurs 1,2,3,4..., h =6.625.10-34 qui est la constante de Planck et f la fréquence.
L'énergie d'une onde peut prendre une fois la valeur h.f, deux fois fois, trois fois etc, etc... mais elle ne peut pas passer de la valeur 1.4 à 1.5, comme lorsque l'on augmente une vitesse, une taille ou n'importe quoi d'autre. C'est comme si je pouvais mesurer 1 mètre ou 2 mètre, mais qu'il m'était impossible de mesurer 1.5 mètre.
Le problème du corps noir est donc résolu : pour les faibles fréquences, nous sommes dans l'approximation de la physique classique : l'énergie est tellement peu quantifiable qu'elle apparaît comme continue, et plus la fréquence augmente, plus on entre dans le domaine de la physique quantique.
Commentaires
pas d'approximation svp, même en vulgarisation
"""En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet matériel n'existe pas, mais il représente un cas idéalisé servant de référence pour les physiciens. Contrairement à ce que son nom suggère, un corps noir n'apparaît pas forcément noir. En effet l'adjectif «noir» signifie ici que l'objet lui-même absorbe toute la lumière extérieure qui tomberait sur lui, et ne reflète aucune radiation non plus. La seule radiation provenant du corps noir est la radiation thermique, ne dépendant que de la température du corps. Le nom corps noir a été introduit par le physicien Gustav Kirchhoff en 1860. Le modèle du corps noir permit à Max Planck de découvrir la quantification des interactions électromagnétiques, qui fut un des fondements de la physique quantique.""""
OK finis la vulgarisation
Maintenant, je voudrais juste savoir comment on peut lier un spectre électromagnétique à une température. Les deux sont d'une origine totalement différentes.
Nous nous servons du corps noir comme d'un émetteur de radiation, car il est capable de toutes les absorber, donc il est aussi capable de les émettre.Un corps noir parfait est donc nécessairement de couleur noire, car si il est sensé absorber toutes les ondes électromagnétiques, il absorbe forcément la lumière. C'est comme pour une antenne radio, si elle capte les ondes, elle est capable aussi de les transmettre, donc mieux elle capte, mieux elle transmet. C'est pour cela qu'un corps noir parfait est "noir"
Autre définition du corps noir (liant longueur d'onde et température)
Une étoile, ou une planète, émet un rayonnement électromagnétique, composé d'un spectre continu (corps noir) qui dépend de sa température, des raies d'émission et des raies d'absorption qui dépendent de la matière qui se trouve entre cet objet et le télescope.
Un corps noir interagit fortement avec le rayonnement qu'il émet, il est "opaque". Il absorbe toute l'énergie qu'il reçoit et il émet un rayonnement qui dépend de sa température, dans toutes les longueurs d'onde. Plus il est chaud, plus sa lumière est décalée vers les courtes longueurs d'onde. La loi de Wien : donne la longueur d'onde du maximum d'émission :
[lambda_max(en mètre)=0.003/T(en Kelvin)] .
Elle permet de définir une relation entre température et couleur, via la correspondance entre longueur d'onde et couleur.
On dispose ainsi d'un thermomètre : une étoile bleue est plus chaude qu'une étoile rouge.
désolé mais je n'ai pas le clavier scientifique sous la main..
Salut et.....bonne nuit
"""Maintenant, je voudrais juste savoir comment on peut lier un spectre électromagnétique à une température. Les deux sont d'une origine totalement différentes."""
Allons, vous êtes sérieux?,
Un astronome observe une étoile avec son radio télescope et vous donne sa composition par le bias des températures. Les rayonnements se déplacent sur le spectre en fonction de la température du corps étudié, chaque composant a une caractéristique de longueur d'onde par température de couleur.
Mais vous savez déjà tout cela!!
bon, soyez rassuré, je suis venu chez vous par un pur des hasard, mais ce n'est pas par hasard que je n'y viendrai plus, j'aime la vulgarisation, mais pas au détriment des bases scientifiques.
"C'est pas sorcier" fait mieux que vous, avant il y a eu des De Closets, des Chevalet, des Hubert Reeves....
Allez à un d'ces 4
----au revoir
Je n'y connais rein du tout , mais toutefois ,il me semble que.....................
Un corps aussi "noir" atire les photons,etc, loin autour de lui, comme le font les corps massifs sutout ,ce qui déforme les images qui se forment auprés d'eux (corbures,ou entomoire, ce qui pourrait devenir un "accèlérateur" ? )pour les rayonement places plus loin dèrrière changement de fréquence ?)?
Si bien que je me demandes si ces corps noirs sont aussi gros que nous semblons le croire ?
Ne pourraient'ils pas etre relativement "infiniment petits ",ce qui porte a croire qu'ils seraient en fait plus "visibles";-) qu'ils ne le sont en réalité ?
Sous quelle forme d'énèrgie sont ils fait?(une hypèr "condensation"?:-)
A leurs opposés, n'y a t'il pas des corps parfaitement transparents ?
Bon, je vais reprendre la suite de la lècture plus tard.C'est un brien lourd pour moi :-(
C'est cool
@ un physicien
Wouaw, j'adore me faire chier dessus! Je suis content que vous ayez passé votre soirée à perdre votre temps pour me dire que ce que je fait c'est de la merde. Mais c'est facile de faire un copié collé sur wikipédia, et ça l'est moins d'expliquer un phénomène avec ses propres mots.
Quand je parle de corps noir, je parle du vrai corps noir, pas d'approximation. Il est vrai que l'on peut chauffer un métal, observer sa couleur et faire le lien avec sa température par la loi de Wien que vous avez écrit plus tôt. Mais je parle de ce phénomène justement. Pour qu'on ne soit pas gêné par d'autres phénomènes parasites, il faut que notre corps noir soit un émetteur parfait, ou sinon, l'énergie transmise par radiation n'est pas strictement la même que l'énergie que notre corps a en trop. C'est pour cela que je vous ai demandé comment fait on pour lier le spectre électromagnétique à une température, car je savais que pour faire cela, il fallait négliger les autres modes de transfert d'énergie, donc supposer que nous avons un émetteur pur: "un corps noir"
Ceci dit j'aimerais connaitre votre parcours physicien, car je suis passé par l'université, et je n'ai passé qu'une heure sur le rayonnement du corps noir, mais vu que je suis de nature curieuse, je me suis renseigné, j'ai lu le Cohen Tannoudji, et là j'ai vraiment compris. Maintenant, si pouvais me répondre sur ce petit point qu'est : "est ce qu'un corps noir est de couleur noire?" car il me semble bien que c'est de ce principe que vous êtes partis.
Si vous revenez, tant mieux, mais exposez votre point de vue jusqu'au bout. Mais je vous en supplie, ne recopiez plus wikipédia!
@ UN chouka
Pour ce qui est de l'attirance des photons par un corps massif, c'est un phénomène totalement différent, appelé "mirage gravitationnel", cela fait partie de la théorie de la relativité générale. Un corps massif attire de la lumière, ce qui va dévier les rayons de lumière. Ceci à la fâcheuse tendance, à nous faire croire que nous voyons pleins d'étoiles, mais en réalité, nous voyons plusieurs fois la même étoile. Un lien pour bien expliquer ce phénomène est: http://jrosu.club.fr/univers/galaxies/mirages1/mirage1.htm
Pour la suite donc, un corps noir n'est pas une énergie, c'est un simple matériau, qui émet des radiation. Les métaux ont des propriétés de corps noir, plus on les chauffe, plus ils vont changer de couleur.
De même que les matériaux totalement absorbant n'existent pas (il n'absorbent en réalité que dans une bande de rayons électromagnétiques) les matériaux totalement transparents n'existent pas non plus, Ils ne sont transparents que pour une gamme de rayons, mais pas pour d'autres. Le verre laisse passer la lumière, mais ne laisse pas passer le son.
Ceci est certes très complexe, mais si d'autre veulent essayer d'expliquer ces phénomènes, ils sont les bien-venus.
Bon,.........
Chèr gitan, ces réfexions sont pour moi difficiles et je dois prendre mon temps (ça pompe mes "batteries ")
Aussi le matin ,frai et dispos, je peus essayer de lire ces trucs sympats mais tres ardus pour un ignard de mon èspèce hélas .Le matin !
J'ai aussi pensé que dans un environement tres sérré, il ne doit pas y avoir de gaz qui trainent autour ?............
Si les trous noirs sont au centre des galaxies, comme je l'ai lu,et que ceux ci émètent des rayons alpha lorsqu'ils sont pèrcutés par un corps solide ,cela voudrait dire que la dèstination de la "matière " est justement un trou noir ?......................PFfffffffffffff!
C'est a se faire peter une durite ;-)
Je n'ai pas tout compris, mais toutefois,les corps qui reflètent une ou plusieurs couleurs ne sont pas éméteurs ce ces couleurs a la base, puisque c'est une réflexion ,et que le rèste est absorbé par le corps coloré ?
Sans lumière extèrieur, il n'émétraient aucuns fréquence spécifiques ,il me semble,ce qui n'est pas en rapport avec leurs tempérétures ?
Tout juste vérions nous les IR si leurs températures sont différents de l'environement ?
Pour moi, il y a une embiguité entre couleur émise par l'état pysique(T) et couleur réfléchie ?
Nul probablement ?
Déjà, pour ton premier commentaire, tu parles de trous noirs, ce sont des objets très massifs, (d'anciens soleils qui se sont transformés en trous noirs et non pas en naine blanche ni en étoile à neutrons, car ce soleil était trop lourd) du coup d'après la loi de la gravitation, les masses sont attirés entre elles (la terre par le soleil, le soleil par la terre...). Du coup, en effet, la matière est attiré par les trous noirs.
Pour ce qui est de réflexion, et d'émission de lumière (donc de couleur), tu as raison, ma chemise bleu va absorber le rouge et le vert. Mais je parle d'émission quand je fait chauffer un métal, la il va émettre une couleur dans le noir. Et cette couleur va dépendre de la température selon la loi de Wien.
Un objet peut soit réfléchir la lumière (son coefficient de réflexion R) soit être absorbée (coefficient d'absorption A), soit être transmise (coefficient de transmition T). Pour chaque objets, on a le rapport A + R + T = 1.
Maintenant, quand un élément chimique absorbe un lumière, il gagne de l'énergie, et quand il en émet, c'est qu'il a besoin d'en perdre.
Enfin, l'œil est incapable de capter les IR (c'est d'ailleurs pour cela qu'ils s'appellent IR).
Maintenant, j'espère que nous parlons de la même chose, se serait couillon que je t'explique un truc que tu connaisses déjà ;-)
mes excuses faut lire rayons gamma, au lieux de alpha :-(
Que non ,je n'ai pas étudié la lumière ni le son, ni les ondes .J'ai juste des notions que j'ai lu ,donc si tu parles de ce sujet, ça m'intéresseau contraire .
Je viens de lire en entier la note.
L'exemple décrit resemble au capteur solaire " plat ou sphérique ,parfait "?
Le vide est maintenu entre l'absorbeur(face noire), et le "clapet a IR" (la vitre en verre ) ?Les IR se trouve donc piégé a l'intèrieur.
Le corps noir ,n'émet donc plus de lumière visible donc il rèstera sombre ?
Donc, l'absorbeur, vat monter en température en fonction de sa masse ,jusqu'a 5000 degrés C,puis la fréquence EM,vat s'élever dans l'invisible, mais en chutant en intensité(normal, puisqu'il faut plus d'énèrgie, pour monter en fréquence ?) ?
Ainsi, le corps noir vat se passer des barrages pour émètre au dela du clapet ,tout autour ,dans des fréquences tres hautes ?
Lénèrgie, s'échappe donc de ce montage par une expression qui passera de plus en plus au travèrs des corps les plus "opaques ",a l'instar des rayons gamma?
Ce schémat corrèspond aussi a d'autres transformatin de l'énèrgie ?
Les "produits "obtenus sont tout le temps plus couteux en énèrgie,mais peut etre que la masse de ces "produits" n'augmente pas forcément,mais en quelque sorte, ils contiènent de l'énèrgie latente ?
Comment cette énèrgie "latente" pourrait elle se libérer autrement que par la dèstruction des atomes environants ?
Bon, je n'y comprends rien ,mais c'est mon idée ;-)
Donc pour faireun générateur a rayonements haute fréquence, il faut réaliser ce fameux four incroyanble ?
Dangereux tout de meme ?non ?
Salut Gitan,et a +
Là, peut etre que nous n'avons pas trop de moyen pour controler ce qui est émi par ce capteur ?
pour une utilisation pratique, si j'ai bien compris, l'absorbeur doit suporter 5000 °c sans se transformer en autre chose, puis il se mettra a émètre des UV ?
Le verre est 'il pèrméable aux UV ?
AH, tu dois bien savoir Gitan, qu'il existe un petit test pour reconaitre un métal a l'aide d'une meule ?Il suffit de voir la couleur des étincelles pour connaitre de quoi, il s'agit aprés une identification visuelle sommaire ?
Ansi le fer, ou l'acier pass du noir au blanc brillant en s 'echauffant,puis aprés il pétille en petites étoiles blanches ?
Bon, je déconnes .
Bande / temperature
Alors pour être clair dès le debut, pour moi, les infra-rouges c'est 'chaleur'.
Ma question : Si un satélitte prend une photo Ir de la terre, qu'il travaille en particulier dans les bandes 4,5 et 7, quelles franges de température va t'il mesurer et à quelle bande correspondent ces temperatures?
Dit autrement, la bande correspond a une fréquence, la frequence a une temperature,etc.
Il est possible que cette question paraisse pour le moins étrange, dans ce cas me le dire avec beaucoup de tact. Merci
Au boulot
Déja, je veux clarifier quelques trucs... les infra rouges ne sont pas forcément synonimes de chaleur. Plus la fréquence diminue de la couleur rouge, plus on tend ves les infra rouges jusqu'aux micro-ondes. Donc les infra-rouges des hautes dréquences sont plus une couleur invisible pour l'oeil (mais visible avec des lunettes à infra-rouges).
ensuite, la chaleur que mon corps noir envoie n'est pas transmise par des InfraRouges, en fait la chaleur peut être transmise sous forme de lumière (plus c'est rouge, plus c'est chaud). Mais si il y a de la chaleur sans lumière, on est bien dans le cas d'un mode de transfert thermique par rayonnement IR (cas de notre chauffage)
Mais, ici on s'en fout, on ne s'occupe pas des IR, on s'occupe de la lumière.
Donc je récapitule, notre corps noire parfait n'existe pas. Nous allons prendre un espèce de four (pas celui que nous avons dans nos cuisines). Notre four sera comme une coquille de noix, mais l'interrieur de cette coquille sera recouverte d'une substance "noire" car sensée absorber les rayons électromagnétiques. Il n'y a pas de verre à l'interieur, et on regarde ce qu'il s'y passe par un petit trou. Et on chauffe ce corps noir qui va se mettre à rayonner de l'interieur. Nous savons qu'il va rayonner grâce au petit trou, comme quand on regarde une maison bruler au travers des fenêtres (je ne l'ai jamais fait mais je l'imagine ;-) ).
L'énergie est transmise sous forme de rayonnement de chaleur, c'est à dire, il va augmenter la température de notre objet en terre cuite (celui que l'on a mis dans notre noix), mais pour augmenter la température, on accélère les atomes qui constituent la matière de notre objet, si c'est est solide, la matière est très compacte, et donc, si on accélère trop la vitesse des atomes de notre solide, on va casser les liaisons qui font que notre matériau est solide, notre solide va donc fondre (se liquéfier), et donc se transformer en liquide, puis en gaz... On ne détruit pas les atomes comme ça. Mais dans notre cas, on ne chauffe pas notre corps noir suffisament pour qu'il fonde.
Normalement, plus notre corps émet dans les hautes fréquences, plus il émet dans ces hautes fréquences, il devrait donc émettre des rayons X et des rayons Gamma , mais selon la théorie quantique, il ne le fait pas. Et vue qu'un feu n'émet pas re rayons gamma (heureusement pour nous) la théorie quantique à l'air d'être bonne.
Et voila que le tèrme au "maire" est arrivés a son tèrme a temps .Ci git/temps avec ces tèrmes sur les thèrmes ?
bon...
Cela ne repond pas vraiment comme qui dirait a ma question, mais merci d'avoir essayé. Il est egalement possible que je n'ai rien pipé a la réponse...
ciao
Désolé
désolé Gael, je n'avais pas vu ta question en entier.
Je répète donc que la chaleur n'est pas focément des rayons IR, Mais lorsqu'un corps est chauffé, il va rayonner selon la loi de Wien, on peut relier fréquence à température grâce à cette loi :
Longueur d'onde = 0.00299 / Température
avec la température en degrès Kelvin...
Je ne sais pas à quelle fréquence correspondent les bandes 4.5 et 7, mais vu que les longueurs d'ondes des IR vont de 1 micromètres à 300 micromètres, on mesure des températures de 2500°C à -200°C (ce qui est assez vague...), donc si tu pouvais me donner les longueurs d'ondes correspondant à tes bandes, je pourrais être plus précis
Rayonnement
Bonjour
je suis un étudiant de la faculté des sciences rabat et j'aimerie bien poser la question suivante :
les corps solides et les corps liquides transmettent-ils un rayonnement?
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