Thomas Ebbesen

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Thomas Ebbesen

1[…] Pour comprendre comment la lumière est absorbée par la matière, le plus simple est de considérer les atomes, le plus simple d’entre eux étant l’hydrogène. Au xix^e siècle, on a remarqué que des gaz d’atomes avaient des raies d’absorption et d’émission bien définies (figure 1).

Figure 1.

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Figure 1.

L’absorption de la lumière par un atome a lieu quand le photon incident a juste l’énergie nécessaire à la transition entre deux états d’énergie de l’atome. Plus l’atome a d’électrons, plus il y a de niveaux d’énergie discrets (e– : électron, H : hydrogène, He : hélium, C : carbone, O : oxygène).

2Les scientifiques de l’époque ont compris que les atomes avaient des niveaux d’énergie précis et discrets, c’est-à-dire quantifiés. C’est de ce type d’observations spectroscopiques qu’est née la physique quantique. Les niveaux d’énergie que peut avoir un atome sont dessinés par des traits horizontaux dans la figure 1. L’atome peut seulement absorber les photons ayant l’énergie correspondant à la différence d’énergie de deux états. Ainsi, le photon incident à la bonne énergie va faire transiter l’atome d’un état à un autre et, de ce fait, être absorbé par l’atome.

3L’atome est dit « excité » car il a emmagasiné l’énergie du photon. Le retour vers l’état initial peut donner lieu à l’émission d’un photon. À chaque transition correspond ainsi une raie dans le spectre d’absorption ou d’émission.

4Comme les atomes, la matière de manière générale est toujours structurée avec des niveaux d’énergie discrets et les propriétés de chaque matériau sont déterminées en premier lieu par leur jeu d’états d’énergie.

5Dans la figure 1, on peut aussi voir qu’en allant de l’hydrogène à l’oxygène, il y a de plus en plus de raies. Cette complexification est due au fait qu’il y a de plus en plus d’électrons autour du noyau quand on passe d’un atome à un autre, ce qui génère un nombre croissant d’états d’énergie. Quand maintenant on assemble des atomes pour former des molécules, une nouvelle complexification va se refléter dans les spectres, comme on peut le voir dans la figure 2 donnant le spectre d’absorption de deux variantes de la chlorophylle. On remarque tout de suite qu’il n’y a plus de raies mais des bandes d’absorption larges. Cette largeur est due en partie aux vibrations des atomes dans la molécule. En effet, les molécules ne sont pas des boules et des bâtonnets à l’échelle microscopique, mais des structures très flexibles. Les énergies de vibration que peuvent prendre les atomes d’une molécule sont aussi quantifiées et on les représente par des sous-niveaux dans la figure 2.

Figure 2.

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Figure 2.

En haut, les spectres de deux variantes de la chlorophylle (a et b) et leur spectres d’absorption (source : Daniele Pugliesi, M0tty/Wikimedia Commons). En bas, les transitions entre états de la chlorophylle auxquelles les pics d’absorption correspondent avec leurs sous-niveaux vibrationnels.

6Une fois qu’elle a absorbé un photon, la molécule excitée peut retourner à l’état initial, dit « fondamental », soit en transformant l’énergie absorbée en chaleur par interaction avec le milieu comme le solvant, soit en émettant de la lumière par fluorescence (hv_f, figure 2), soit en donnant lieu à une chimie, à une photochimie (par exemple la photosynthèse), par opposition à la chimie normale qui s’effectue dans l’état fondamental de la molécule, typiquement en chauffant l’échantillon. La photochimie est un domaine vaste qui inclut la formation de la vitamine D dans la peau, la photo-isomérisation du rétinal dans l’œil, et le transfert d’électrons dans la photosynthèse.

7Ce qui peut paraître plus surprenant pour les non-physiciens est que les interactions entre la lumière et la matière interviennent même dans l’obscurité la plus totale. De manière plus générale, elles entrent en jeu dans les forces intermoléculaires, dans un liquide ou dans un tissu biologique, et ont donc un rôle vital. On ne peut vraiment comprendre ces types d’interaction sans mieux comprendre le rôle du vide.