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Auteur(s)
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Elisabeth GIACOBINO : Directeur de Recherche au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
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Pour préciser comment la lumière interagit avec la matière, nous présenterons tout d’abord de brefs rappels sur les propriétés de ses constituants de base, les atomes 1.1 . Les atomes sont parfois groupés en molécules, dont nous discuterons la structure 1.2. Un ensemble d’atomes et de molécules peut émettre de la lumière, absorber ou modifier celle qui le traverse avec des particularités qui dépendent des caractéristiques propres des composants. Mais ces caractéristiques ne dominent les propriétés optiques du milieu que si la concentration est faible, comme dans un gaz sous faible pression. Dans les milieux condensés comme les liquides et les solides, les propriétés optiques sont liées aux interactions très fortes entre atomes voisins et nécessitent un traitement particulier 1.3.
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Interaction de la lumière avec la matière
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1. Rappel sur la structure de la matière
1.1 Atome
Les atomes sont formés de particules élémentaires : des protons et des neutrons associés dans un noyau très dense portant une charge électrique positive et des électrons, particules très légères chargées négativement en mouvement autour du noyau.
Les atomes ont un rayon total de l’ordre de 0,1 nm, les noyaux atomiques ont des dimensions de l’ordre de quelques femtomètres (10 –15 m). Quant aux électrons, ce sont des particules ponctuelles, dépourvues de dimensions. La masse du proton ou du neutron est environ 1,7 × 10– 27 kg, celle de l’électron, 9,1 × 10 – 31 kg.
1.1.1 Modèle de Bohr et niveaux d’énergie atomique
Historiquement, le premier modèle d’atome est celui de J.J. Thomson qui, en 1904, a suggéré que les électrons sont des constituants de tous les atomes et a proposé un modèle pour la structure atomique. La théorie de Thomson décrivait un atome constitué de charges positives distribuées uniformément sur son volume et d’électrons arrangés en couches successives. Ce modèle permettait une description quantitative des phénomènes d’absorption, de dispersion et de diffusion de la lumière par les atomes. Le modèle de Thomson, correspondant à des électrons élastiquement liés, est encore souvent utilisé pour certaines représentations de l’interaction avec une onde lumineuse 2.5.2.
Mais en 1912, la théorie de Thomson fut remise en cause par l’expérience de Rutherford qui montra, en étudiant la déviation de particules α (atomes d’hélium ionisé deux fois, He++) par les atomes d’une mince feuille d’or, que les charges positives étaient...
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Rappel sur la structure de la matière
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FEYNMAN (R.P.) - Le cours de physique : électromagnétisme. -
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(2) - BORN (M.), WOLF (E.) - Principles of optics. - Pergamon (1970).
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(3) - CAGNAC (B.), PEBAY-PEROULA (J.C.) - Physique atomique. - Tomes 1 et 2, Dunod (1983).
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(4) - LAVAL (G.) - Matière et rayonnement. - Cours de physique à l’École Polytechnique (non publié) (1986).
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(5) - DESVIGNES (F.) - Détection et détecteurs de rayonnement. - Masson (1987).
-
(6) - BERTIN (M.), FAROUX (J.P.), RENAULT (J.) - Électromagnétisme. - Tome 4, Milieux diélectriques et milieux aimantés. Dunod (1984).
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