Le rayonnement du corps noir

Tout corps chaud rayonne

Un objet chaud émet de la lumière. Un tison rougeoie, une résistance de four vire à l'orange, le filament d'une ampoule brille en blanc. Ce rayonnement thermique existe à toute température — même toi, tu émets dans l'infrarouge, invisible à l'œil mais bien réel (c'est ce que voient les caméras thermiques).

Le corps noir : un émetteur idéal

Pour étudier ce rayonnement sans se soucier de la matière particulière, les physiciens ont défini un objet idéal : le corps noir. C'est un corps qui absorbe tout le rayonnement qu'il reçoit (il ne réfléchit rien, d'où « noir »), et qui, chauffé, réémet un rayonnement ne dépendant que de sa température — pas de sa composition.

   Modele concret : une cavite avec un petit trou

        ___________
       /           /|
      /___________/ |       Le trou se comporte comme
      |           | |       un corps noir : tout rayon
      |     o<----|-------  qui entre rebondit a l'interieur
      |   (trou)  | /       et finit absorbe. Chauffee, la
      |___________|/        cavite reemet par le trou.

Le spectre dépend de la température

Si l'on décompose la lumière émise par un corps noir, on obtient une courbe : l'intensité émise en fonction de la longueur d'onde. Cette courbe a une forme de « bosse » caractéristique, et sa position dépend de la température :

   intensite
      ^
      |         .-.        T eleve (courbe haute,
      |        /   \\           bosse vers le BLEU/UV)
      |       /     \\
      |      /  .--.  \\
      |     /  /    \\  '.      T faible (courbe basse,
      |    / /       '.  '-.      bosse vers le ROUGE/IR)
      |   //           '-.  '--..
      |  //               '--..  '''----...
      +--------------------------------------> longueur d'onde
      UV    bleu  vert  rouge      infrarouge

Deux observations essentielles :

1. Plus le corps est chaud, plus il émet (la courbe monte globalement).
2. Plus le corps est chaud, plus le maximum se décale vers les courtes longueurs d'onde (vers le bleu).

La loi de Wien : la couleur trahit la température

Ce décalage du maximum obéit à la loi de Wien : la longueur d'onde du pic est inversement proportionnelle à la température (en kelvins) :

   λ_max × T = constante  (≈ 2,9 × 10^-3 m·K)

C'est pourquoi la couleur d'un objet chaud renseigne sur sa température :

   Objet             Temperature      Couleur dominante
   ----------------  ---------------  ------------------
   tison             ~1000 K          rouge sombre
   filament ampoule  ~3000 K          orange-blanc
   Soleil            ~5800 K          jaune-blanc
   etoile bleue      ~20000 K         bleu

Un astronome lit ainsi la température d'une étoile rien qu'à sa couleur — application directe de la loi de Wien.

En résumé

Tout corps chaud émet un rayonnement thermique. Le corps noir est l'émetteur idéal, dont le spectre ne dépend que de la température : une courbe en bosse dont le maximum se décale vers le bleu quand la température monte (loi de Wien : λ_max × T = cste). La couleur d'un objet chaud révèle donc sa température. Reste à expliquer la forme de cette courbe — et c'est là que la physique classique va s'effondrer.