Émission spontanée de radiations électromagnétiques par les corps, liée à la valeur de leur température.

Ce rayonnement, qui transporte de l’énergie, est émis, quelle que soit la température, sur l’ensemble des longueurs d’onde, avec, toutefois, un maximum sur une longueur d’onde intermédiaire qui dépend à la fois du corps et de sa température. C’est en raison de leur rayonnement thermique que les corps deviennent lumineux à partir d’une certaine température, voisine de 500 °C pour les solides. En dessous de cette température, le rayonnement est émis presque exclusivement sur les longueurs d’onde du domaine infrarouge. Vers 500 °C apparaît un rayonnement de couleur rouge et qui s’étend, par élévation de la température, à la totalité du spectre visible et à l’ultraviolet ; il en est ainsi en particulier pour le Soleil, dont la température (superficielle) d’émission est de 6 000 K environ et qui émet à la fois dans les domaines I-R, visible, et U-V, avec un maximum très accusé au voisinage de 0,5 μ.

Un corps exposé au rayonnement des autres corps en réfléchit une partie et absorbe le reste, et la partie absorbée peut avoir comme unique effet d’élever la température du corps, ce qui accroît son rayonnement propre : un état stationnaire du rayonnement peut être la conséquence de ces échanges.

Définitions

L’étude du rayonnement thermique et l’énoncé de ses lois nécessitent la définition de certaines grandeurs : les unes relatives au rayonnement total, émis ou absorbé sur l’ensemble des longueurs d’onde, et d’autres au rayonnement monochromatique, au voisinage immédiat d’une longueur d’onde donnée. La puissance totale rayonnée par une source S, ou flux d’énergie, est l’énergie rayonnée par seconde ; elle s’exprime en watts. À partir de là on définit, comme en photométrie : l’intensité énergétique de la source dans une direction donnée, étant l’angle solide de sommet S construit autour de la direction considérée et dans lequel la puissance émise est la luminance énergétique, quotient étant la surface apparente de la source dans la direction donnée ; l’émittance énergétique, quotient de la puissance émise par un élément de source par son aire dΣ. Des grandeurs analogues sont définies au voisinage d’une longueur d’onde : la puissance monochromatique définie par

et, de façon analogue, etc.

Les définitions précédentes ont trait à un corps jouant le rôle de source. Quand on considère le rôle de récepteur de ce corps, on définit son facteur d’absorption : c’est pour un élément de sa surface le quotient

Pour chaque longueur d’onde, on définit de même

Il s’agit de nombres compris entre zéro (corps parfaitement réfléchissant) et un (corps parfaitement absorbant). Ces extrêmes n’existent pas dans la réalité, mais la notion de corps parfaitement absorbant sur l’ensemble des longueurs d’onde est importante dans l’étude théorique du rayonnement. Un tel corps est appelé corps noir. On peut le réaliser de façon approchée en recouvrant une surface de noir de fumée (thermomètre noirci) ; mais une enceinte vide de gaz, dont les parois sont opaques au rayonnement et percée d’un petit trou pour l’observation (fig. 1), constitue le corps noir de façon parfaite ; un four industriel pour températures élevées peut en fournir une bonne réalisation pratique. C’est qu’en effet un rayonnement pénétrant par le trou est, à la suite de nombreuses réflexions et quel que soit le facteur d’absorption des parois de l’enceinte, totalement absorbé ; chaque élément de la surface interne émet, réfléchit, absorbe du rayonnement, et un état stationnaire s’établit, caractérisé par une température uniforme et une densité intérieure d’énergie rayonnante dont on montre qu’elle est fonction de la seule température, indépendante de la nature et de la forme des parois et de la présence éventuelle de solides à l’intérieur ; le trou pratiqué dans l’enceinte se comporte comme un corps noir, et son rayonnement est celui du corps noir à la température de l’enceinte.

Lois du rayonnement du corps noir

Ce furent à l’origine des lois expérimentales ; par la suite, le raisonnement thermodynamique a permis de les établir et de les préciser.

• Loi de Stefan (1879). Elle concerne le rayonnement total. L’émittance énergétique du corps noir est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue : H = σ ∙ T⁴, avec σ = 5,67 W ∙ m^–2 ∙ K^–4. Cette loi fut établie théoriquement par Boltzmann* (1884).

• Répartition spectrale du rayonnement isotherme. L’expérience avait montré, à la fin du xix^e s., que, pour T donné, L_λ = f (λ, T) est traduite par une courbe en cloche (fig. 2). Suivant la loi de Wien, λ_m ∙ T = constante, la longueur d’onde correspondant au maximum de la courbe se déplace en raison inverse de la température absolue. Une tentative avait été faite (par John William Strutt Rayleigh [1842-1919] et James Hopwood Jeans [1877-1946]) pour prévoir par la théorie la forme de la courbe isotherme de répartition spectrale. Fondée sur l’hypothèse alors admise de la continuité des échanges d’énergie entre matière et rayonnement, la théorie conduisait à des résultats aberrants dans le domaine des courtes longueurs d’onde. C’est Max Planck* qui, à l’aide de son hypothèse hardie des quanta, retrouva (1900), en utilisant les résultats de la statistique classique de Boltzmann, la forme exacte de la courbe de répartition, avec la formule

(C₁ = 2hc², C₂ = hc / k, h constante de Planck, c vitesse de la lumière dans le vide, k constante de Boltzmann). Ce fut le premier succès de l’hypothèse des quanta. Plus tard, Satyendranath Bose (1894-1974), appliquant aux photons contenus dans l’enceinte du corps noir les principes de sa statistique quantique, retrouva de façon plus cohérente la formule de Planck.