LUMINESCENCE

La lumière visible est l’un des principaux outils qui nous permettent d’appréhender le monde, car la façon dont elle interagit avec la matière est riche d’informations.

La luminescence est un phénomène lié à cette interaction lumière-matière. Elle est observée lorsqu’un « objet » – au sens large, les physiciens préfèrent le terme corps – émet de la lumière visible (ou par extension dans les domaines du spectre électromagnétique qui entourent le visible : l’ultraviolet d’un côté [longueur d’onde plus petite] et l’infrarouge de l’autre [longueur d’onde plus grande]). Ce n’est pas le cas de tous les objets : la plupart du temps, la couleur d’un objet est simplement liée au fait qu’il absorbe une partie de la lumière « blanche » du Soleil ou d’une ampoule et ne renvoie vers nos yeux que le complément, c’est-à-dire sa propre couleur. Ainsi un coquelicot, rouge, absorbe la lumière bleue et renvoie la lumière rouge : il n’émet pas lui-même de lumière rouge, ce n’est pas un objet luminescent. En revanche, un objet « fluo » jaune ne renvoie pas seulement la lumière jaune du Soleil : il émet aussi sa propre lumière jaune, d’où l’impression de brillance.

Mécanismes de luminescence

Bien que le terme luminescence n’ait été inventé qu’en 1888 par le physicien allemand Eilhard Wiedemann à partir du mot latin lumen, qui signifie « lumière », les phénomènes de luminescence sont connus depuis l’Antiquité, ne serait-ce qu’à travers l’exemple des « vers luisants » rapporté dans différentes mythologies.

Néanmoins, tous les objets qui émettent de la lumière ne le font pas par luminescence. De façon très schématique, il existe deux sortes de lumières émises par les objets : la lumière dite « chaude », ou incandescence, et la lumière dite « froide », ou luminescence. Dans le premier cas, l’émission de lumière est d’origine thermique : c’est la température du corps qui détermine sa couleur. Ainsi la température de la surface du Soleil (5 500 ⁰C) correspond à une lumière dont le maximum d’intensité est jaune. Un objet moins chaud, comme la résistance d’un four, sera rouge, et certaines étoiles plus chaudes que le Soleil émettent une lumière bleue.

Dans le cas de la luminescence, ce n’est pas la température de l’objet qui détermine la lumière émise mais d’autres phénomènes liés à la structure de la matière de l’objet. La luminescence est donc propre à l’objet qui émet. Il existe de nombreuses façons de provoquer l’émission de lumière par un matériau qui définissent autant de luminescences : absorption de lumière (photoluminescence), réaction chimique (chimiluminescence), champ électrique (électroluminescence)…, mais la lumière qu’il émet en retour lui est propre.

Bioluminescence

Bioluminescence d'organismes marins unicellulaires Noctiluca scintillans. La lumière qu'ils émettent attire leur proies (baie de Dapeng, ville de Shenzhen, province du Guangdong en Chine). 

Crédits : Visual China Group via Getty Images

Afficher

Pour expliquer les mécanismes de la luminescence, ceux de la photoluminescence sont les plus fréquents et vont être plus particulièrement développés. Toutefois, dans les autres cas de luminescence, seul le mode d’excitation pour produire la lumière change.

Atomes et molécules isolés

Selon les lois de la mécanique quantique, les atomes isolés, ou assemblés en molécules, puis en solides, possèdent des niveaux d’énergie. Pour comprendre les phénomènes de luminescence, il faut essentiellement considérer les niveaux d’énergies associés aux états électroniques.

Dans le cas d’un atome isolé, intéressons-nous à ses trois premiers niveaux électroniques, d’énergie E0, E1 et E2. Dans un gaz atomique à température ordinaire, presque tous les atomes sont au niveau d’énergie E0. L’absorption d’un photon, de longueur d’onde appropriée pour provoquer l’excitation, peut faire passer l’atome dans l’état excité E2. De là, il pourra se désexciter et revenir à l’état fondamental en émettant un photon de même longueur d’onde (phénomène appelé « résonance ») ou par un processus en plusieurs étapes impliquant plusieurs photons d’énergie plus faible (donc de longueur d’onde plus grande, c’est-à-dire décalée vers la partie rouge du spectre), mais dont la somme des énergies est égale à celle du photon excitateur.

Diagramme d’énergie d’un atome représentant les niveaux électroniques.

L'atome passe du niveau d'énergie E0 au niveau E2 en absorbant un photon. Il peut se désexciter directement vers l'état fondamental en émettant un photon de même énergie (résonance) ou lors d'un processus à plusieurs étapes, via un niveau intermédiaire.  

Crédits : Encyclopædia Universalis France

Afficher

Le principe reste le même dans le cas des molécules, mais la complexité s’accroît en raison de la présence d’autres niveaux d’énergie liés à la vibration des atomes à l’intérieur de la molécule et à la rotation. Il en résulte un phénomèn [...]

1  2  3  4  5 …
pour nos abonnés,
l’article se compose de 7 pages

Médias de l’article

Bioluminescence
Crédits : Visual China Group via Getty Images

photographie

Diagramme d’énergie d’un atome représentant les niveaux électroniques.
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Schéma de bandes d’un cristal
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Spectre d’absorption et d’émission de fluorescence en fonction de la longueur d’onde
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 6 médias de l'article