LE CORPS NOIR

module 3 – vidéo 1

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 Comme je vous l’annonçais dans la vidéo précédente nous allons aborder la notion de Corps Noir qui est à la base de la thermodynamique des interactions entre matière et lumière, lumière au sens large bien sûr. Ce problème des interactions entre matière et lumière a figuré au premier plan des préoccupations des physiciens de la fin du 19ème siècle et du début du 20 ème. Le problème posé était simple : pourquoi les rayons du Soleil chauffent-ils, pourquoi un morceau de fer chauffé émet-il de la lumière ?

On avait quand même quelques idées, et l’une était de se débarrasser des gênantes réflexions qui faussaient les mesures puisqu’elles dépendaient de l’état de surface et de la couleur des échantillons sur lesquels on faisait des expériences d’absorption des radiations. Les physiciens ont inventé pour cela le concept de Corps Noir, un corps qui par définition ne réfléchirait aucune radiation et donc les absorberait bien évidemment toutes. Réciproquement il serait capable de les émettre toutes quand on le chauffe.

Avant d’aller plus loin notez que tout ce que je vais vous raconter s’applique exclusivement aux corps solides et liquides, car comme je vous l’indiquerai plus tard, encore que je crois l’avoir mentionné, les gaz ne rayonnent jamais.

Il n’existe sans doute pas de Corps Noir absolus dans la nature car aussi noirs que soient les corps naturels il est difficile d’éliminer toutes les réflexions et dans les labos on utilise comme Corps Noir artificiels des sphères creuses percées d’un petit trou par lequel entre le rayonnement que l’on étudie qui s’y trouve piégé. Il se réfléchit jusqu’à être totalement absorbé sauf l’infime fraction qui retrouve le chemin d’entrée. Il est donc pratiquement totalement absorbé.

A l’inverse si on étudie le rayonnement émis à une température donnée tous les points de l’intérieur de la sphère émettent le même de sorte que celui qui sort par le petit trou est bien représentatif de la réaction du Corps Noir.

Avec ce dispositif expérimental on relève le diagramme de Planck, c’est-à-dire une série de courbes représentants les spectres du Corps Noir en fonction de la température, courbes que l’on appelle couramment des planckiennes. Ce diagramme de Planck est absolument fondamental. Gardez le à l’esprit c’est la clé de toute compréhension des relations entre température et émission de radiation.

Le problème a été que les théories en vigueur qui attribuaient les émissions électromagnétiques à des vibrations internes des molécules permettaient d’écrire des formules qui marchaient relativement bien pour les basses températures qui généraient des ondes de basse fréquence mais s’affolaient complétement dès lors que la température augmentait et que les fréquences des ondes émises augmentaient aussi. Les spectres calculés s’envolaient et ne ressemblaient plus du tout aux spectres établis expérimentalement. C’est ce qu’on a appelé la catastrophe ultraviolette.

Je vous ai exposé dans la vidéo précédente l’origine de la théorie quantique mais je n’ai pas suivi l’ordre chronologique suivant lequel c’est à la catastrophe ultraviolette qu’elle doit sa naissance. L’accoucheur a été le célèbre physicien autrichien Planck. Il a imaginé une astuce mathématique qui permettait de réécrire les équations de telle sorte qu’on évitait la catastrophe ultraviolette et que les courbes représentatives collaient avec les spectres expérimentaux. Mais c’était vraiment une démarche artificielle, un artifice mathématique, une sorte de tour de prestidigitation très éloigné à priori de toute interprétation physique au point que Planck lui-même n’y voyait qu’un stratagème. C’est trop compliqué et trop technique pour que je vous expose ça en détail mais j’y consacrerai une petite vidéo satellite ou un paragraphe sur le site, car si l’histoire est souvent racontée, les détails du calcul sont rarement exposés.

Toujours est-il que c’est l’interprétation physique de cette astuce qui a conduit à admettre qu’une onde électromagnétique d’une fréquence donnée ne pouvait être émise que par petits paquets qu’on a baptisé « quanta ». Plus exactement c’est l’énergie de cette onde qui est portée par petits paquets ce qu’exprime la célèbre formule de Planck que j’ai déjà mentionnée e=h .nu

La propriété fondamentale et à première vue très étonnante du Corps Noir est que ces spectres sont complètement indépendants de la nature du Corps Noir. Quel que soit le matériau dont il est constitué, à une température donnée le spectre est le même. Cela permet entre autres de considérer le Corps Noir comme un parfait thermomètre. Une seconde constatation est que la surface sous une planckienne, qui représente si vous vous souvenez l’énergie émise par le Corps Noir à cette température croit beaucoup plus vite que la température. Ceci fait l’objet de la Loi de Stephen qui exprime que l’énergie croit comme la puissance 4 de la température. Autrement dit il faut à l’inverse beaucoup chauffer pour élever la température d’un Corps Noir, pour la doubler il faut 16 fois plus d’énergie. Attention, on parle de température absolue. Pour doubler la température de la Terre, c’est-à-dire passer en gros de 300 à 600 K il faudrait que le Soleil soit 16 fois plus brillant !

Enfin dernière constatation on voit qu’au fur et à mesure que la température s’élève les courbes suivent le mouvement, chacune englobant celles correspondants à des températures inférieures. Le sommet de ces courbes se déplace aussi vers la gauche, c’est-à-dire vers les fréquences élevées et sa trajectoire est une courbe définie par la loi dite loi de Wien.

Le diagramme de Planck et les équations associés décrivent parfaitement le comportement émissif des Corps Noirs, mais ne répondent pas à la question plus fondamentale : Pourquoi donc ces corps émettent-ils des radiations ? La réponse est assez simple : il  n’existe que deux moyens et deux seulement  de générer des ondes électromagnétiques. Je vous parlerai du second plus tard mais le premier est beaucoup plus courant. N’oublions pas que créer une onde c’est créer ou perturber un champ électromagnétique. Ceci implique le mouvement d’une charge électrique ou magnétique. Le plus souvent, j’ai envie de dire « le plus banalement » mais sans que ce soit le moins du monde exclusif il s’agit d’électrons qui s’agitent dans un conducteur métallique. On peut également avoir des ions, c’est-à-dire des atomes qui ont perdu un électron ou des molécules qui se sont brisées en deux morceaux polarisés. L’eau par exemple de formule H2O peut donner naissance à un ion OH négatif et à un ion H positif. Si ces ions se déplacent ils engendrent des champs électromagnétiques.

C’est comme ça par exemple que fonctionnent la radio, la télévision et les téléphones mobiles : des courants électriques, c’est-à-dire comme nous l’avons vu, des flux d’électrons qui oscillent dans des antennes métalliques génèrent les ondes que nos appareils déchiffrent pour transformer leurs modulations en messages humainement compréhensibles. C’est comme ça aussi que les filaments des anciennes lampes à incandescence, qui nous ramènent au Corps Noir émettent des ondes lumineuses. Simplement les fréquences ne sont pas les mêmes mais fondamentalement les deux phénomènes sont identiques. Ceci découle du fait que dans les solides les atomes sont liés les uns aux autres dans des réseaux cristallins dont les noyaux qui contiennent les protons positifs occupent les nœuds. Ils sont en quelque sorte figés, tandis que les électrons qui orbitent autour des noyaux sont beaucoup plus libres, en particulier dans les métaux qui de ce fait sont de bons conducteurs de l’électricité et de la chaleur. En ce qui concerne les émissions thermiques, la chaleur est générée et se transmet par conduction, c’est-à-dire par choc de molécules ce qui bouscule ces électrons qui entrent en vibration et émettent des ondes électromagnétiques.

Le Corps Noir émet des ondes mais il est aussi par définition capable d’absorber toutes les ondes quelle que soient leurs fréquences. Ces ondes vont l’échauffer et il va à son tour rayonner selon un spectre qui dépend de sa température. Je vous ai dit que c’était un thermomètre idéal mais c’est aussi un convertisseur de fréquences. En termes d’énergie il absorbe l’énergie incidente et la restitue à l’équilibre sous d’autres fréquences en fonction de sa température. Vous reconnaîtrez dans ce phénomène le comportement de la Terre qui absorbe le rayonnement solaire qui se situe essentiellement dans le visible, c’est-à-dire dans le domaine des hautes fréquences et le restitue sous forme d’infrarouges dans le domaine des basses fréquences.

Comment le Corps Noir – ou tout autre corps, y compris cette fois les gaz – absorbe-t-il les rayonnements électromagnétiques. Là encore c’est assez simple et parfaitement décrit par l’électrodynamique classique et les équations de Maxwell. Un rayonnement qui traverse un solide correspond à une perturbation du champ électromagnétique qui exerce sur les composants chargés de ce solide – protons et électrons – des forces de Laplace.

Visualisez une molécule comme un assemblage d’atomes liés les uns aux autres par des petits ressorts, ces liens étant dans la pratique la mise en commun d’électrons périphériques baptisés électrons de valence. Un tel assemblage « mécanique » ébranlé par une onde électromécanique se met à vibrer et comme il possède des fréquences de résonance il absorbe spécifiquement ces fréquences en transformant ainsi leur énergie électromécanique en énergie mécanique tandis que les autres fréquences ne sont pas absorbées. Ceci se traduit par une sorte de quantification mais qui n’a aucun rapport avec la mécanique quantique, pas plus que n’en a le pommier qui produit des pommes entières et jamais des demi pommes !

Il y a trois autres points que je voudrais mentionner au sujet du Corps Noir car ils ne le sont jamais. Le premier est que l’on considère toujours inconsciemment le Corps Noir en fonctionnement statique ce qui suppose, ce qu’on a tendance à oublier, qu’il doit être chauffé pour compenser la déperdition d’énergie par radiation ou par conduction. Si ce chauffage n’est pas assuré le Corps Noir se refroidit progressivement et son spectre évolue dans le temps. Il dégringole les planckiennes. Je rappellerai ce point quand je vous parlerai de la seconde méthode de génération des ondes électromagnétiques pour souligner un comportement complétement différent, ce qui aura son importance quand je démontrerai que les gaz ne rayonnent pas. Le second est que le rayonnement du Corps Noir est émis à sa surface et dépend strictement de la température de cette dernière. Si par exemple le Corps Noir est chauffé de l’intérieur il s’établit un gradient de température du centre à la surface mais le spectre émis est celui correspondant à la température de surface. Ceci légitime quand on parlera de la température de la Terre de l’assimiler à sa température de surface. Le troisième point est que beaucoup de gens s’appuyant sur le principe de Kirchhoff ou Stephan selon lequel la chaleur ne peut passer que d’un corps chaud à un corps plus froid, considèrent qu’un Corps Noir chaud ne peut absorber les radiations d’un Corps plus froid. C’est évidemment faux et paradoxal puisque par définition un Corps Noir absorbe toutes les radiations, et c’est oublier que le principe en question ne concerne que les transferts par conduction et ne s’applique qu’à l’interface des deux corps.

Voilà, je crois que je vous ai tout dit de ce qu’il faut savoir sur le Corps Noir, mais avant de vous quitter je ne résiste pas au plaisir de vous faire une dernière surprise. Je vous ai dit qu’il n’y avait probablement pas de Corps Naturel et je vous ai menti ! Il en existe un, énorme, dont on est sûr, et auquel dans votre grande majorité vous ne pensez vraisemblablement pas ……  Lequel ?    …. Tout bonnement l’Univers tout entier, il absorbe toutes les radiations, où pourraient-elles aller ailleurs ?

Je vous montre son spectre : il correspond à l’énergie libérée lors du Big Bang mais affaiblie par l’expansion de l’espace en quelques 14 milliards d’années. Constatez, c’est une parfaite planckienne correspondant à une température de 2,75 Kelvin. Tous les points marqués sur la courbe correspondent à ces mesures. Je vous laisse vous émerveiller de leur précision.  

Ce diagramme de Planck de l’Univers est une de mes images préférées et je ne cesse de m’émerveiller qu’une courbe aussi simple démontre à la fois la Réalité du Big Bang et celle de la Mécanique Quantique.

J’espère que vous partagerez cet émerveillement et je vous dis au revoir pour la prochaine vidéo qui traitera de luminescence, la seconde façon pour un corps de rayonner. Je vous en ai déjà parlé en vous disant que c’était un gros morceau et que j’y consacrerai une vidéo particulière. La voici, c’est une pièce essentielle de ma démonstration que les gaz ne rayonnent jamais. Ne la manquez pas.

A très bientôt

 COMPLEMENT HORS VIDEO

Avant de vous parler du spectre de l’Univers j’ai mentionné deux points qui le sont rarement. Je voudrais en ajouter un troisième au sujet de ce qu’on appelle un Corps Gris, c’est-à-dire un Corps qui n’absorbe pas toutes les fréquences et qui agit comme un miroir pour celles qu’il n’absorbe pas. Cela concerne évidemment tous les corps naturels puisque les Corps Noirs sont si particuliers qu’il n’en existe peut-être même pas ! Cependant si au niveau de l’absorption les Corps Noirs et les Corps Gris se comportent différemment ce n’est pas le cas au niveau de l’émission.

Nous avons vu que le spectre d’un Corps Noir ne dépendait absolument pas de sa nature et donc tout Corps Gris à une certaine température émet exactement le même spectre que le Corps Noir à la même température. Par contre bien sûr pour la même énergie absorbée la température n’est pas la même et dépend cette fois de la capacité calorifique du matériau concerné.

On assimile souvent la Terre en première approximation à un Corps Noir alors qu’elle est évidemment typiquement un Corps Gris. Mais si vous considérez chaque élément de sa surface, ce dernier absorbe une certaine gamme de fréquence du rayonnement solaire en fonction de sa couleur et va s’échauffer en fonction de sa nature et de sa capacité calorifique. Mais ensuite il va rayonner comme un Corps Noir de la même température et participer au spectre de la Terre en fonction de ce rayonnement et de sa surface. Le spectre terrestre au niveau du sol, c’est à dire avant toute absorption par l’atmosphère est donc constitué de la somme pondérée de toutes ces planckiennes. Ce n’est pas une planckienne à proprement parler mais une courbe que l’on peut en première approximation appartenir à une famille voisine. Je l’ai baptisée « pseudo planckienne terrestre » et elle se confond bien sûr avec le spectre terrestre au-dessus immédiat de la surface terrestre.

Je précise que cette interprétation du comportement des Corps Gris est toute personnelle et que je n’ai rien trouvé dans mes recherches qui traite de près ou de loin de ce problème. C’est une thèse personnelle que je pense bien fonde, mais comme elle est récente je la tiens ouverte à la critique et aux commentaires, fussent-ils contraires !

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