lorsque la lumière frappe un objet, elle n’a généralement pas une seule fréquence (ou longueur d’onde) mais plusieurs. Les objets ont tendance à absorber, réfléchir ou transmettre sélectivement la lumière de certaines fréquences. C’est-à-dire qu’un objet peut réfléchir la lumière verte tout en absorbant toutes les autres fréquences de la lumière visible. Un autre objet peut transmettre sélectivement la lumière bleue tout en absorbant toutes les autres fréquences de la lumière visible., La manière dont la lumière visible interagit avec un objet dépend de la fréquence de la lumière, la nature des atomes dans l’objet, et souvent la nature des électrons dans les atomes de l’objet.
certains matériaux permettent à une grande partie de la lumière qui tombe sur eux d’être transmise à travers le matériau sans être réfléchie. Les matériaux qui permettent la transmission des ondes lumineuses à travers eux sont appelés optiquement transparents. Le verre de fenêtre chimiquement pur (non dopé) et l’eau propre de rivière ou de source en sont de parfaits exemples.,
Les matériaux qui ne permettent pas la transmission de fréquences d’ondes lumineuses sont appelés opaques. Ces substances peuvent avoir une composition chimique qui comprend ce que l’on appelle les centres d’absorption. La plupart des matériaux sont composés de matériaux sélectifs dans leur absorption des fréquences lumineuses. Ainsi, ils n’absorbent que certaines parties du spectre visible. Les fréquences du spectre qui ne sont pas absorbées sont soit réfléchies, soit transmises pour notre observation physique. Dans la partie visible du spectre, c’est ce qui donne naissance à la couleur.,
Les centres D’Absorption sont en grande partie responsables de l’apparition de longueurs d’onde spécifiques de la lumière visible tout autour de nous. Passer de longueurs d’onde plus longues (0,7 micromètre) à plus courtes (0,4 micromètre): le rouge, l’orange, le jaune, le vert et le bleu (ROYGB) peuvent tous être identifiés par nos sens dans l’apparence de la couleur par l’absorption sélective de fréquences d’ondes lumineuses spécifiques (ou longueurs d’onde). Les mécanismes d’absorption sélective des ondes lumineuses comprennent:
- électronique: Transitions dans les niveaux d’énergie électronique à l’intérieur de l’atome (p. ex., pigments)., Ces transitions sont typiquement dans les parties ultraviolettes (UV) et / ou visibles du spectre.
- Vibrational: résonance dans les modes vibrationnels atomiques / moléculaires. Ces transitions sont typiquement dans la partie infrarouge du spectre.
UV-Vis: transitions Électroniquesmodifier
dans l’absorption électronique, la fréquence de l’onde lumineuse entrante est à ou près des niveaux d’énergie des électrons dans les atomes qui composent la substance., Dans ce cas, les électrons absorberont l’énergie de l’onde lumineuse et augmenteront leur état d’énergie, se déplaçant souvent vers l’extérieur du noyau de l’atome dans une enveloppe externe ou orbitale.
Les atomes qui se lient ensemble pour faire les molécules d’une substance particulière contiennent un certain nombre d’électrons (donné par le numéro atomique Z dans le tableau périodique). Rappelons que toutes les ondes lumineuses sont d’origine électromagnétique. Ainsi, ils sont fortement affectés lorsqu’ils entrent en contact avec des électrons chargés négativement dans la matière., Lorsque des photons (paquets individuels d’énergie lumineuse) entrent en contact avec les électrons de valence de l’atome, une de plusieurs choses peut et va se produire:
- Une molécule absorbe le photon, une partie de l’énergie peut être perdue par luminescence, fluorescence et phosphorescence.
- une molécule absorbe le photon, ce qui entraîne une réflexion ou une diffusion.
- Une molécule ne peut pas absorber l’énergie du photon et le photon, continue son chemin. Il en résulte une transmission (à condition qu’aucun autre mécanisme d’absorption ne soit actif).,
la Plupart du temps, c’est une combinaison de ce qui précède, qu’advient-il de la lumière frappe un objet. Les états dans différents matériaux varient dans la gamme d’énergie qu’ils peuvent absorber. La plupart des lunettes, par exemple, bloquent la lumière ultraviolette (UV). Ce qui se passe, c’est que les électrons dans le verre absorbent l’énergie des photons dans la gamme UV tout en ignorant l’énergie plus faible des photons dans le spectre de la lumière visible. Mais il existe également des types de verre spéciaux, comme les types spéciaux de verre borosilicaté ou de quartz qui sont perméables aux UV et permettent ainsi une transmission élevée de la lumière ultraviolette.,
ainsi, lorsqu’un matériau est éclairé, des photons de lumière individuels peuvent faire passer les électrons de valence d’un atome à un niveau d’énergie électronique plus élevé. Le photon est détruit dans le processus et l’énergie rayonnante absorbée est transformée en énergie potentielle électrique. Plusieurs choses peuvent alors arriver à l’énergie absorbée: elle peut être réémise par l’électron sous forme d’énergie rayonnante( dans ce cas l’effet global est en fait une diffusion de la lumière), dissipée au reste du matériau (c’est-à-dire, l’électron peut être libéré de l’atome (comme dans les effets photoélectriques et Compton).
infrarouge: Bond stretchingEdit
modes normaux de vibration dans un solide cristallin
le principal mécanisme physique pour stocker l’énergie mécanique du mouvement dans la matière condensée est par la chaleur, ou l’énergie thermique. L’énergie thermique se manifeste comme énergie de mouvement. Ainsi, la chaleur est un mouvement aux niveaux atomique et moléculaire. Le principal mode de mouvement dans les substances cristallines est la vibration., Tout atome donné vibrera autour d’une position moyenne ou moyenne dans une structure cristalline, entouré de ses voisins les plus proches. Cette vibration en deux dimensions équivaut à l’oscillation du pendule d’une horloge. Il oscille d’avant en arrière symétriquement autour d’une position moyenne ou moyenne (verticale). Les fréquences vibratoires atomiques et moléculaires peuvent être en moyenne de l’ordre de 1012 cycles par seconde (rayonnement térahertz).,
Lorsqu’une onde lumineuse d’une fréquence donnée frappe un matériau avec des particules ayant les mêmes fréquences vibratoires ou (résonantes), ces particules absorbent l’énergie de l’onde lumineuse et la transforment en énergie thermique de mouvement vibratoire. Puisque différents atomes et molécules ont différentes fréquences naturelles de vibration, ils absorberont sélectivement différentes fréquences (ou parties du spectre) de la lumière infrarouge., La réflexion et la transmission des ondes lumineuses se produisent parce que les fréquences des ondes lumineuses ne correspondent pas aux fréquences de résonance naturelles des vibrations des objets. Lorsque la lumière infrarouge de ces fréquences frappe un objet, l’énergie est réfléchie ou transmise.
Si l’objet est transparent, les ondes lumineuses sont transmises aux atomes voisins à travers la majeure partie du matériau et réémises du côté opposé de l’objet. De telles fréquences d’ondes lumineuses sont dites transmises.,
transparence dans les isolateursmodifier
Un objet peut ne pas être transparent soit parce qu’il réfléchit la lumière entrante, soit parce qu’il absorbe la lumière entrante. Presque tous les solides réfléchissent une partie et absorbent une partie de la lumière entrante.
lorsque la lumière tombe sur un bloc de métal, elle rencontre des atomes qui sont étroitement emballés dans un réseau régulier et une « mer d’électrons » se déplaçant au hasard entre les atomes., Dans les métaux, la plupart d’entre eux sont des électrons non liés (ou des électrons libres) par opposition aux électrons de liaison généralement trouvés dans les solides non métalliques (isolants) liés de manière covalente ou ioniquement. Dans une liaison métallique, tous les électrons de liaison potentiels peuvent facilement être perdus par les atomes dans une structure cristalline. L’effet de cette délocalisation est tout simplement à exagérer l’effet de la « mer d’électrons ». En raison de ces électrons, la plupart de la lumière entrante dans les métaux est réfléchie, c’est pourquoi nous voyons une surface métallique brillante.,
la plupart des isolateurs (ou matériaux diélectriques) sont maintenus ensemble par des liaisons ioniques. Ainsi, ces matériaux n’ont pas d’électrons de conduction libres, et les électrons de liaison ne reflètent qu’une petite fraction de l’onde incidente. Les fréquences restantes (ou longueurs d’onde) sont libres de se propager (ou d’être transmises). Cette classe de matériaux comprend toutes les céramiques et les verres.
Si un matériau diélectrique ne comprend pas de molécules additives absorbantes de la lumière (pigments, colorants, colorants), il est généralement transparent au spectre de la lumière visible., Les centres de couleur (ou molécules de colorant, ou « dopants ») dans un diélectrique absorbent une partie de la lumière entrante. Les fréquences restantes (ou longueurs d’onde) sont libres d’être réfléchies ou transmises. C’est ainsi que le verre coloré est produit.
la Plupart des liquides et des solutions aqueuses sont très transparents. Par exemple, l’eau, l’huile de cuisson, l’alcool à friction, l’air et le gaz naturel sont tous clairs. Absence de défauts structurels (vides, fissures, etc.) et la structure moléculaire de la plupart des liquides sont principalement responsables de leur excellente transmission optique., La capacité des liquides à « guérir » les défauts internes par écoulement visqueux est l’une des raisons pour lesquelles certains matériaux fibreux (par exemple, le papier ou le tissu) augmentent leur transparence apparente lorsqu’ils sont mouillés. Le liquide remplit de nombreux vides rendant le matériau Plus structurellement homogène.
la diffusion de la lumière dans un solide cristallin (non métallique) idéal sans défaut qui ne fournit aucun centre de diffusion pour la lumière entrante sera principalement due à des effets d’anharmonicité dans le réseau ordonné., La transmission de la lumière sera très directionnelle en raison de l’anisotropie typique des substances cristallines, qui comprend leur groupe de symétrie et leur réseau de Bravais. Par exemple, les sept formes cristallines différentes de silice de quartz (dioxyde de silicium, SiO2) sont toutes des matériaux clairs et transparents.