LES FEUX D'ARTIFICE
de la conception au bouquet final !
LEFEBVRE Quentin 1èreS
SOBANSKI Jean
Annonciation, Seilh
LA LUMIERE (généralités)
La lumière est une onde électromagnétique. Elle constitue un déplacement d'énergie sans déplacement de matière.
1) Les émetteurs ou source de lumière
1) Les émetteurs ou source de lumière
La source de lumière naturelle la plus utilisée est évidemment le Soleil. Elle est également primaire.
Depuis des centaines d'années, l'homme utilise des sources de lumière artificielle: combustion du bois, de l'huile, de la bougie...
Récemment, l'électricité a permis de développer de nouveaux procédés visant à éméttre de la lumière : les ampoules à incandescence et les tubes fluorescents.
Un autre type de sources sont les sources secondaires qui ne font que diffuser la lumière qu'elles reçoivent d'une autre source lumineuse, comme c'est le cas de la Lune.
2) Les milieux de propagation
Les milieux opaques ne transmettent pas la lumière, mais ils diffusent une partie de la lumière reçue et absorbe le reste.
La lumière se propage dans les milieux transparents comme le verre, l'air ou l'eau, mais également dans le vide. On considère que la célérité c est la même dans l'air et dans le vide.
La lumière se propage en ligne droite.
c vide = vitesse de la lumière dans le vide = 3x10e8
c air = c vide
3) Les récepteurs de lumière
Les milieux opaques ne transmettent pas la lumière, mais ils diffusent une partie de la lumière reçue et absorbe le reste.
La lumière se propage dans les milieux transparents comme le verre, l'air ou l'eau, mais également dans le vide. On considère que la célérité c est la même dans l'air et dans le vide.
La lumière se propage en ligne droite.
c vide = vitesse de la lumière dans le vide = 3x10e8
c air = c vide
Nous allons nous intéresser essentiellement à l'oeil, qui, ne l'oublions pas, est le récepteur qui nous permet de voir les objets, les formes et les couleurs. C'est grâce à lui que nous pouvons admirer les feux d'artifices.
Les rayons lumineux issus d'un objet parviennent en ligne droite à notre oeil. La pupille agit comme un diaphragme, c'est à dire qu'elle se dilate ou se rétrécit pour laisser passer plus ou moins de lumière. Ensuite, les rayons lumineux atteignent le cristallin qui est en réalité une lentille convergente et qui concentre ces rayons sur la rétine. C'est sur la rétine, que l'on peut assimiler à un écran, que l'image se forme, mais à l'envers. Le cerveau recueillle les informations transmises par le biais du nerf optique et "renverse" l'image.
SPECTRES
Le spectre de la lumière est l'image obtenue lorsqu'on réalise la dispersion de la lumière émise par une source. Cette dispersion peut étre réalisée à l'aide d'un prisme comme l'a découvert Newton en 1666 : ses expériences ont permis de montrer qu'un prisme déforme les rayons émis en plusieurs rayonnements monochromatiques. On obtient ainsi le spectre d'émission suivant :
Si l'on ajoute un deuxième prisme derrière le premier, le spectre de la lumière blanche est recomposé.
La partie qui correspond à la lumière visible s'étend approximativement de 380 à 700 nm. Au-delà de ces longueurs d'onde, il y a les ultraviolets ( UV < 380 nm ) et les infrarouges ( IR > 700 nm ).
Chaque espèce chimique a un spectre d'émission spécifique.
Si l'on ajoute un deuxième prisme derrière le premier, le spectre de la lumière blanche est recomposé.
La partie qui correspond à la lumière visible s'étend approximativement de 380 à 700 nm. Au-delà de ces longueurs d'onde, il y a les ultraviolets ( UV < 380 nm ) et les infrarouges ( IR > 700 nm ).
Chaque espèce chimique a un spectre d'émission spécifique.
MISE EN LIEN AVEC LES FEUX D'ARTIFICE
Les feux d'artifices sont avant tout un spectacle visuel qui nécessite une grande variété de couleurs. Différents phénomènes physiques et chimiques liés sont à l'origine des diverses colorations de la matière.
1) Incandescence
λ : longueur d'onde en mètre
T : température en Kelvin
Constante = 2,898.10-3 m.K
Un corps émet un rayonnement lorsqu'il est chauffé. Ce phénomène physique est appelé "incandescence". A haute température, ce rayonnement devient visible et se traduit par une émission de lumière. Il existe une relation entre la température d'un corps et son rayonnement (longueur d'onde), énoncée par la loi de Wien :
λmax x T = constante
Cette loi permet de déterminer la température d'un corps connaissant sa longueur d'onde maximale et vice versa.
Cependant, la loi de Wien ne suffit pas à prévoir la couleur d'un corps chauffé car celle-ci dépend de l'ensemble des radiations visibles émises.
Dans les feux d'artifice, la chaleur produite lors de l'explosion engendre ce phénomène d'incandescence des particules contenues dans les effets.
2) Emission de photons
La lumière a un aspect ondulatoire, puisqu'il sagit d'un rayonnement électromagnétique. Mais il est également possible de l'envisager sous son aspect corpusculaire. Selon le physicien Max PLANCK, un faisceau de lumière monochromatique est constitué par un ensemble de grains d'énergie, appelés quantum puis photons, se déplaçant à la vitesse de la lumière.
Un photon a une énergie telle que :
ΔE = h.ν
ΔE : énergie du photon en Joule (1,60 x 10e-19 J = 1 eV)
h : constante de Planck = 3 x 10e8 m/s
ν : - fréquence du rayonnement en Hertz
= c/λ
Dans un atome, les électrons se répartissent sur différentes couches électroniques qui correspondent à des niveaux d'énergie ( le niveau E1 étant l'état fondamental).
Lorsqu'un atome reçoit de la chaleur, c'est-à-dire de l'énergie, un électron d'un niveau d'énergie quelconque est excité et migre vers un niveau d'énergie supérieur. Cet électron absorbe alors une certaine quantité d'énergie (absorption). Quand l'électron libère l'énergie qu'il a emmagasinée, il retourne au niveau d'énergie inférieur, et c'est durant ce passage qu'il émet un photon d'énergie ΔE = h.ν. ΔE correspond à l'énergie libérée entre deux niveaux d'énergie donnés.
De ce fait, il est possible de retrouver par le calcul la longueur d'onde du photon émis, et donc la couleur perçue.
3) Espèces chimiques et couleurs
Les feux d'artifices utilisent de nombreuses espèces chimiques. En effet, chaque élément chimique ayant un spectre d'émission spécifique, une large palette de couleurs peut s'offrir à nos yeux. Voici un tableau les référençant :
Les éléments sous forme de poudre auront tendance à faire de la fumée tandis que ceux sous forme de grains feront plutôt des étincelles.
Voici quelques expériences qui nous permettent de montrer qu'avec certains matériaux, on obtient des couleurs différentes : c'est comme cela que sont obtenues les couleurs des feux d'artifices, par ajout de matériau dans les étoiles.
Dans cette vidéo, nous avons réalisé la même expérience avec trois matériaux différents. Tout d'abord avec du sel de cuisine (sodium), ensuite avec du sulfate de cuivre et enfin avec du soufre.
Pour le sodium et le soufre, nous avons mis dans un verre du coton, par dessus la substance, et un tout petit peu d'alcool à brûler. Ainsi le sodium ou le soufre sont sous forme d'ions et cela nous permet de mieux réussir cette expérience. Ensuite, il ne reste plus qu'à mettre le feu à la boule de coton et le tour est joué : nous obtenons ainsi une flamme jaune avec le sodium, une flamme verte avec du sulfate de cuivre et enfin une flamme légèrement dorée avec le soufre !