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 Pourquoi les vitres sont-elles transparentes ?

27/3/2013

Les vitres de verre sont obtenues par fusion d'un sable siliceux avec du carbonate de sodium ou de potassium. Elles ont une structure quasi cristalline c'est-à-dire très ordonnée qui leur confère une grande dureté (qui n'est pas synonyme de solidité) et les rend très cassable.

Les molécules de ce matériau sont composées d'atomes dont le spectre d'absorption ne comporte pas de raie dans le domaine du visible. Voilà, c'est dit ! Maintenant va falloir l'expliquer...

Pour comprendre cela il faut connaître la structure des atomes : un noyau chargé positivement (composé de protons chargés positivement et de neutrons de charge nulle) autour duquel tournent des électrons chargés négativement. Le système atome est stable c'est-à-dire qu'il porte une charge globale nulle : les charges positives et négatives se compensent exactement donc il y a autant d'électrons que de protons. L'électron portant la charge négative élémentaire et le proton portant celle positive. L'atome se comporte comme un système solaire dans lequel les planètes (les électrons) tournent autour du soleil (le noyau) en gardant la même orbite. Les différentes orbites de l'atome appelées orbitales atomiques correspondent à des niveaux d'énergie caractéristiques des électrons de cette orbitale. Les orbitales se remplissent d'électrons suivant la règle suivante : on remplit à partir de l'orbitale la plus proche du noyau, dès qu'une orbitale est remplie on passe à la suivante plus énergétique qui se trouve un peu plus loin du noyau (on dit quelle se trouve au dessus de la précédente).

Chaque type d'atome, c'est-à-dire chaque élément (élément Hydrogène, élément Uranium...) est caractérisé par un nombre d'électrons et de neutrons. A chaque élément correspond un spectre d'émission et un spectre d'absorption qui ne varie jamais : ce sont un peu sa carte d'identité. C'est d'ailleurs grâce à ces spectres qu'on peut deviner la composition des étoiles situées à des milliards d'années lumière : rien qu'en analysant la lumière qu'elle émettent.

Atome ionisé
Schéma du processus de ionisation d'un atome.

Mais il arrive quelque fois que ce système atome soit perturbé tout comme un système solaire dans lequel une météorite s'abattrait sur une planète et chamboulait son orbite. Ainsi il arrive que les électrons d'un atome soient percutés par des photons (des grains de lumière) dont l'énergie est fondamentalement lié à la longueur d'onde de sa couleur. Un électron ne peut être percuté que par un photon d'énergie strictement égale à l'énergie nécessaire à l'électron pour passer de son niveau d'énergie actuel (c'est-à-dire son orbitale) à un autre plus élevé qui correspond à une orbitale plus haute (plus loin de l'atome). Le photon qui transmet son énergie à l'électron est détruit. L'électron sauteur est dit excité. Un atome contenant au moins un électron excité est dit ionisé. Mais être excité est un état très instable et l'électron va revenir très rapidement à son niveau d'énergie d'origine. Mais l'énergie qu'il lui a fallu absorber pour s'exciter, il va falloir qu'il le rende pour retourner à son orbitale d'origine (appelée aussi état fondamental). Cette énergie prendra la forme d'un nouveau photon de même énergie qui celui qui avait percuté l'électron, ces deux photons auront donc la même couleur.

Les atomes possèdent un nombre limité de niveaux d'énergie contenant chacun un nombre réduit d'électrons potentiellement excitables. Donc pour un atome donné, par exemple l'oxygène, il n'existe que quelques valeurs de longueurs d'onde qui peuvent provoquer l'ionisation d'un atome : c'est-à-dire l'excitation d'un ou plusieurs électrons de niveaux d'énergie différents.

Or il se trouve que pour le verre, il n'existe pas de photon dont la longueur d'onde appartient au domaine de la lumière visible qui puisse ioniser les atomes du verre. Donc parmi tous les photons qui passent à travers une vitre, il n'y en a aucun qui percute d'électron. Donc les vitres sont transparentes.

Tout atome ionisé se dé-ionise en émettant un spectre de raies dont les longueurs d'onde forment une suite discrète, c'est-à-dire discontinue de valeurs : c'est le spectre d'émission. Le spectre d'absorption d'une substance transparente éclairée à la lumière blanche (somme de toutes les couleurs) révèle un spectre continu : celui de la lumière blanche moins certaines raies noires caractéristiques de la substance (ici le verre). Les raies de couleur du spectre d'émission sont en général les mêmes que celles qui apparaissent en noire dans le spectre d'absorption.

Si l'œil humain avait la faculté de voir les ultraviolets, alors le verre ne paraîtrait plus transparent mais serait opaque.

Synthèses additive des couleurs
Synthèses additive des couleurs.

Imaginons que les photons de couleur bleu soient absorbés, alors seuls tous les autres pourraient passer au travers de la vitre. Si on considèrent que la lumière blanche peut se résumer à la somme des trois couleurs primaires Rouge Vert et Bleu, alors comme la couleur bleu serait absorbée, seules les couleurs rouge et vert dont la somme donne le jaune seraient vues. Donc un matériaux opaque TrucMuche dont les atomes absorbent le bleu est de couleur jaune. C'est-à-dire que le spectre d'émission de TrucMuche comporte une raie noire à l'emplacement de la longueue d'onde correspondant à la couleur bleu. Tandit que son spectre d'absorption est tout noir sauf une raie de couleur bleu.


 




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