Absorption, diffusion et transmission

Absorption, diffusion et transmission de la lumière

niveau: 1ère — thème: Lumière : images et couleurs

Objectifs

Comprendre les notions d'absorption, diffusion et transmission
Relier ces phénomènes aux couleurs observées et aux applications expérimentales
Connaître la loi de Beer-Lambert et la dépendance en longueur d'onde

Notions clés

Absorption : une partie de l'énergie lumineuse est transformée en chaleur ou en énergie interne du matériau; dépend fortement de la longueur d'onde. Un milieu absorbant atténue l'intensité lumineuse.

Transmission : fraction de la lumière qui traverse un milieu. Le coefficient de transmission T est défini par T = I / I0.

Diffusion : redirection de la lumière par des particules ou des surfaces. Si la redirection est aléatoire on parle de diffusion diffuse; pour de petites particules on distingue la diffusion de Rayleigh et de Mie.

Loi de Beer-Lambert

Pour un faisceau monochromatique traversant un milieu homogène d'épaisseur x, l'atténuation s'exprime par :

I(x) = I0·e^-αx où α est le coefficient d'absorption linéique (en m^-1).

Formulation utilisée en chimie analytique :

I = I0·10^-ε·c·l où ε est le coefficient d'extinction molaire, c la concentration, l la longueur de la cuve.

Conséquences pratiques :

Transmittance T = I / I0 = e^-αx (ou T = 10^-εcl).
Plus la concentration ou l'épaisseur augmente, plus la transmission diminue exponentiellement.

Dépendance en longueur d'onde et couleur

Un matériau absorbe souvent sélectivement certaines longueurs d'onde. La couleur observée provient des longueurs d'onde qui sont transmises ou réfléchies vers l'observateur.

Exemple : une solution bleue absorbe majoritairement le rouge et transmet le bleu.
Un filtre coloré est caractérisé par sa courbe de transmission T(λ).

Diffusion : types et exemples

Diffusion de Rayleigh : pour des particules bien plus petites que λ. L'intensité diffusée varie approximativement comme 1 / λ⁴. Explique pourquoi le ciel est bleu.
Diffusion de Mie : pour des particules de taille comparable à λ. Moins de dépendance en λ; explique la blancheur des nuages.
Diffusion par surface rugueuse : réflexion diffuse (surface lambertienne), la lumière est renvoyée dans de nombreuses directions.

Expériences simples et protocoles

Mesure de la transmission : mesurer I0 et I avec un photomètre ou un spectrophotomètre pour différentes longueurs d'onde. Utiliser la loi de Beer-Lambert pour déterminer ε ou α.
Effet Tyndall : préparer une suspension colloïdale (par ex. un peu de lait dilué dans l'eau). Éclairer latéralement la cuve et observer la lumière diffusée, surtout dans le bleu.
Filtres colorés : placer des filtres entre une source blanche et un écran, observer et comparer les couleurs et la transmission spectrale à l'aide d'un petit spectroscope.

Applications

Dosage colorimétrique et spectrophotométrie en chimie analytique.
Conception de filtres optiques, caméras et écrans pour contrôler les couleurs.
Compréhension des couleurs naturelles : atmosphère, océans, matériaux colorés.

Exercices rapides

Une solution a une transmittance T = 0,1 pour une cuve de 1 cm. Calculer l'atténuation en décibels (dB). Rappel : atténuation en dB = -10·log10 T.
Expliquer pourquoi le ciel au coucher de soleil apparaît rouge en utilisant la diffusion de Rayleigh.
On mesure I / I0 = 0,5 après passage dans un milieu d'épaisseur l = 2 cm. Déterminer α (coefficient d'absorption linéique en m^-1).

Réponses indicatives

Ex1 : atténuation = -10·log10(0,1) = 10 dB.
Ex2 : à faible élévation solaire la lumière parcourt une plus grande épaisseur d'atmosphère; les courtes longueurs d'onde (bleu) sont diffusées hors du faisceau direct, il reste majoritairement des rouges et orangés qui atteignent l'observateur.
Ex3 : 0,5 = e^-α·0.02 → α = -ln(0,5) / 0.02 ≈ 34,66 m^-1.