Diamant

Pages: 18 (4397 mots) Publié le: 16 mars 2011
Voici mon TPE de première, dont la problématique était : Pourquoi les diamants brillent?
En catégorie Maths-Physique.
« Le diamant est le meilleur ami de la femme » comme Marilyn Monroe le chantait en 1953. En effet, cette pierre unique fascine depuis toujours par son incroyable splendeur. Les civilisations antiques consacraient déjà le diamant comme la plus précieuses des gemmes. Son nomgrec « adamas » (l’invincible) évoque ses extraordinaires propriétés. Beaucoup de légendes sont associées à sa découverte ainsi qu’à ses pouvoirs magiques,  par exemple, on lui attribuait le pouvoir de protéger son possesseur des ennemis et de la maladie. Les larmes des dieux comme étaient surnommés les diamants dans l’Égypte antique, ont encore aujourd’hui une valeur inestimable.
Au delàd’être un objet de fascination, le diamant présente aussi des caractéristiques physiques et chimiques hors du commun (solidité, longévité, …) qui font que cette pierre est essentielle dans de nombreux domaines tels que l’industrie et la recherche spatiale. Plus connus du grand public pour son éclat, nous avons voulu nous pencher sur cet aspect du diamant. Nulle pierre ne permet d’obtenir les mêmes feuxqu’un diamant bien taillé, aucun autre minéral n’égale sa délicatesse et sa perfection. Ceci nous a amené à nous questionner sur l’origine des feux du diamant : pourquoi les diamants brillent-ils ?
Pour répondre à cette question, nous commencerons par observer le comportement de la lumière dans le diamant. Puis nous nous interrogerons le rôle de sa structure atomique.

I – L’effet du diamantsur le rayon lumineux

Comme dans tous les milieux transparents, la lumière qui passe dans un diamant se comporte de manière particulière. Deux expériences nous permettent de distinguer deux phénomènes distincts : la déviation du rayon lumineux et la dispersion de la lumière.

A – Le rayon est dévié : la réfraction

Expérience numéro 1 :

Nous sommes partis de l’observation qu’unrayon change de direction lorsqu’il passe d’un milieu transparent à un autre. Afin de valider ce constat nous avons réalisé une expérience.

Protocole expérimental :

Matériel :
laser du laboratoire
prisme en plastique
prisme en verre

On dispose d’un rayon laser et de plusieurs objets transparents. On éteint la lumière et on envoie successivement le rayon laser dans chacun de cesobjets. On observe le comportement de la lumière.

(voir vidéo)

On peut conclure de cette expérience que lorsqu’un rayon lumineux change de milieu transparent, sa direction change.

Présentation des lois de Descartes
Les lois de Snell-Descartes, énoncées en 1637, sont les règles fondamentales de l'optique géométrique. Elles définissent l’ensemble des caractéristiques de la trajectoire d’unrayon qui change de milieu. Elles nous permettent de savoir exactement comment va être réfracté le rayon lumineux comme montré dans l’expérience qui précède.

Première loi de Descartes :
Le rayon réfracté appartient au plan d’incidence qui est défini par le rayon incident et la normale (la perpendiculaire) à la surface de séparation.
Rayon incident
Rayon réfracté
Normale à la surface deséparation
Surface de séparation
i1
i2

Afin de mettre en évidence cette loi, nous avons procédé à une expérience qui permet de la vérifier.

Matériel :
- support
- fils à plomb
- bassin d’eau
- fluorescéine
- rayon laser

Nous disposons du matériel comme montré sur le schéma ci-dessous. Lorsqu’on émet un rayon lumineux à partir du laser, appartenant au plan défini par les fils à plombs,on remarque que le rayon réfracté appartient également à ce plan.

Eau + fluorescéine
Support + fils à plomb
Laser

(voir vidéo)
Deuxième loi de Descartes :
Pour un angle d’incidence i1 par rapport à la normale, l’angle de réfraction i2 est tel que :
n1 sin i1 = n2 sin i2 où n1 et n2 sont les indices de réfraction du premier et du second milieu, c'est-à-dire du milieu du rayon...
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