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LE VERRE
1. Les frontières de la fenêtre de transparence
L’absorption des rayonnements est un phénomène de résonance : selon
la théorie électromagnétique, les particules chargées électriquement qui
sont présentes dans la matière peuvent être considérées comme des
oscillateurs auxquels l’onde lumineuse cède de l’énergie lorsque la fréquence de l’onde est voisine de leur fréquence propre. Cette énergie se
transforme progressivement en chaleur au fur et à mesure de l’amortissement des oscillations.
Les métaux sont opaques, car ils contiennent des électrons libres qui
ont la faculté de pouvoir osciller à n’importe quelle fréquence et qui par
conséquent absorbent tous les rayonnements.
Les verres d’oxyde qui ne contiennent pas d’électrons libres laissent
passer largement les rayonnements. On y rencontre toutefois deux mécanismes d’absorption : les transitions électroniques et les vibrations moléculaires. Les premières limitent la transparence du côté de l’ultra-violet
et les secondes du côté de l’infra-rouge.
1.1. Les transitions électroniques
Dans un verre d’oxyde, les électrons sont liés à leurs atomes. Les électrons des couches internes ont des mouvements extrêmement rapides
dont la fréquence propre, de l’ordre de 10
19 Hz, correspond à celle du
rayonnement X. Les électrons des couches externes, qu’on appelle électrons de valence, absorbent les photons dont l’énergie hν est égale à la différence de niveau entre la bande de valence et l’un des états inoccupés de
la bande de conduction. Dans le cas de la silice, le phénomène se manifeste par une absorption pour des fréquences supérieures à 1,9.10
15 Hz
soit des longueurs d’onde inférieures à 160 nm. Cette limite varie avec
l’intensité de champ du cation. Pour les verres de B 2 O 3 et de P 2 O 5 , elle se
situe respectivement à 172 et 145 nm. Si le verre contient des alcalins, la
transition est plus facile pour les électrons des oxygènes non-pontants,
liés moins solidement que ceux des oxygènes pontants. De ce fait, un
verre sodocalcique absorbe dès 300 nm. En revanche, le remplacement
partiel de SiO 2 par Al 2 O 3 dans un verre de silicate alcalin élargit la fenêtre
de transmission car, comme l’aluminium adopte une coordinence tétraédrique en se substituant au silicium, son incorporation fait diminuer la
proportion d’oxygènes non-pontants [115].
Des transitions concernant des électrons liés à certains cations (Tl
+ ,
Pb
2+ , Bi
3+
) présents dans le verre peuvent provoquer l’absorption du
rayonnement ultraviolet. Pour un cation donné, la position de la bande
LE VERRE
1. Les frontières de la fenêtre de transparence
L’absorption des rayonnements est un phénomène de résonance : selon
la théorie électromagnétique, les particules chargées électriquement qui
sont présentes dans la matière peuvent être considérées comme des
oscillateurs auxquels l’onde lumineuse cède de l’énergie lorsque la fréquence de l’onde est voisine de leur fréquence propre. Cette énergie se
transforme progressivement en chaleur au fur et à mesure de l’amortissement des oscillations.
Les métaux sont opaques, car ils contiennent des électrons libres qui
ont la faculté de pouvoir osciller à n’importe quelle fréquence et qui par
conséquent absorbent tous les rayonnements.
Les verres d’oxyde qui ne contiennent pas d’électrons libres laissent
passer largement les rayonnements. On y rencontre toutefois deux mécanismes d’absorption : les transitions électroniques et les vibrations moléculaires. Les premières limitent la transparence du côté de l’ultra-violet
et les secondes du côté de l’infra-rouge.
1.1. Les transitions électroniques
Dans un verre d’oxyde, les électrons sont liés à leurs atomes. Les électrons des couches internes ont des mouvements extrêmement rapides
dont la fréquence propre, de l’ordre de 10
19 Hz, correspond à celle du
rayonnement X. Les électrons des couches externes, qu’on appelle électrons de valence, absorbent les photons dont l’énergie hν est égale à la différence de niveau entre la bande de valence et l’un des états inoccupés de
la bande de conduction. Dans le cas de la silice, le phénomène se manifeste par une absorption pour des fréquences supérieures à 1,9.10
15 Hz
soit des longueurs d’onde inférieures à 160 nm. Cette limite varie avec
l’intensité de champ du cation. Pour les verres de B 2 O 3 et de P 2 O 5 , elle se
situe respectivement à 172 et 145 nm. Si le verre contient des alcalins, la
transition est plus facile pour les électrons des oxygènes non-pontants,
liés moins solidement que ceux des oxygènes pontants. De ce fait, un
verre sodocalcique absorbe dès 300 nm. En revanche, le remplacement
partiel de SiO 2 par Al 2 O 3 dans un verre de silicate alcalin élargit la fenêtre
de transmission car, comme l’aluminium adopte une coordinence tétraédrique en se substituant au silicium, son incorporation fait diminuer la
proportion d’oxygènes non-pontants [115].
Des transitions concernant des électrons liés à certains cations (Tl
+ ,
Pb
2+ , Bi
3+
) présents dans le verre peuvent provoquer l’absorption du
rayonnement ultraviolet. Pour un cation donné, la position de la bande