Fluorescence et Phosphorescence

## Problème original posé en Septembre 2015

Le but du projet sera de proposer des expériences permettant d’étudier les phénomènes de fluorescences et de phosphorescences.

## Présentation du projet

Après
avoir réalisé un spectromètre maison permettant de visualiser les spectres d’émission d’objets fluo ou phosphorescents, il faudra réalisé un montage permettant de
différencier les deux états en mesurant l’influence de différents paramètres.

## Principes Physiques

Fluo ?
Phosphorescence ? Différence entre les deux ?
Excitation lumineuse ?

Quel est le rôle du matériau dans ces phénomènes ?

Quels paramètres seraient intéressants ?

Lumière visible, définition, spectre ?
Comment visualiser un spectre de lumière (réseau, prisme ...) ?

Traitement de données , caméra web ? logiciel ?

## Datasheets

Arduino Uno : lien

## Annexe 3 : LogBook

Déroulé chronologique : Suivi de l'avancement : rédaction hebdomadaire (en fin de séance ou dans la semaine, bien avant la séance suivante).

### Fluorescence :

Manipulation : Elle consiste en la visualisation directe du phénomène , un tube contenant des substances fluorescente est placé dans une boîte noire éclairée par des lumières de différentes longueurs d'onde et on observe. L'explication du phénomène se fera à l'aide des connaissances obtenues lors des recherches et de l'acquisition de données vu en directe depuis un ordinateur. La mise en scène devant le public sera simple : chaque liquide fluorescent (fluorescéine, mercurochrome, Schweppes) seront disposés sur un pupitre, puis une lampe UV sera passée devant chaque produit afin de montrer le phénomène "grossièrement". Ensuite, le phénomène sera expliqué plus en détail avec le dispositif de la boite noire.

**Matériel supplémentaire : il nous faudrait une source de lumière blanche avec son spectre large ( pas de composition à base des couleurs primaires de synthèse ni à incandescence** )

Matériel EPA utilisé et à remplacer par l'institut Neel : une lampe de bureau, un Spectrovio II (fibre optique), un élévateur à crémaillère et une led multicolore télécommandée.

### Phosphorescence :

Manipulation : Excitation lumineuse d'une étoile phosphorescente à partir de LEDs (blanc, rouge, bleu, UV), alimentées à partir d'un GBF réglé à 3V. L'étoile est posée sur un Module Peltier, permettant de la chauffer ou de la refroidir en fonction du sens du courant émis par un nouveau GBF, en principe réglé autour de 4V. La lumière réémise par l'étoile est ainsi captée et mesurée par le luxmètre qui nous transmettra directement ses données sur l'ordinateur par le biais du logiciel CassiLab.

**Matériel supplémentaire : La LED UV et la caméra/webcam. Pour les deux manipulations, il nous faudrait un ordinateur pour les images de la caméra et pour l'expérience de fluorescence (logiciel du Spectrovio II). Également, un spectromètre électronique.**

Matériel EPA utilisé et à remplacer par l'institut Neel :

- 2 GFB,

- 1 multimètre

- 1 chronomètre

- 1 thermomètre

- 1 luxmètre

- un logiciel d'acquisition pour les données du luxmètre.

### Mardi 03 Mai 2016

#### Bilan de la séance

Expérience avec module Peltier

On a observé que le temps de réémission de l'étoile en milieu chaud était beaucoup plus court pour des expositions à la lumière blanche et bleue mais d'autant plus longue pour la lumière rouge ( possibilité d'erreur de manipulation car mauvaise étanchéité, non précision du luxmètre, etc-).

#### Demandes

Bonjour, avez-vous pu obtenir une LED UV pour notre montage phosphorescent ?

### Mardi 25 Avril 2016

#### Bilan de la séance

Début de toutes les manipulations (fluo et phospho) les résultats ont l'air concluants.

Exemple : Expérience phosphorescence sous LEDs blanc, bleu et rouge , sans module Peltier.

Temps d'exposition : 60s

Temps réémission :

blanc : 99.5s

bleu : 118s

rouge : 24s

### Mardi 05 Janvier 2016

#### Bilan de la séance

Nous avons étudié le module Peltier afin de déterminer un coefficient de proportionnalité entre la valeur de la tension qui alimente le module et la température émise par celui-ci (côté chaud et froid). Il faudra cependant préciser les mesures afin d'affiner l'étude.

D'autre part, ci-joint les croquis du montage pour la fluorescence.

Des tableaux ont également été réalisés afin de faciliter la prise de mesures lors de l'expérimentation du projet concernant la fluorescence et la phosphorescence.

#### Objectifs de la séance suivante

Se concentrer sur ce coefficient de proportionnalité entre tension et température sur le module Peltier ainsi que de simplifier le montage qui n'incluerai donc pas de thermomètre.

#### Questions/demandes

Serait-il possible de nous faire parvenir de petites LED ou diodes de couleurs blanche, rouge, verte, bleue, voire UV le plus rapidement possible? Car c'est le seul élément qui nous manque pour mener à son terme la réalisation du montage permettant d'étudier la phosphorecence.

### Mardi 15 Décembre 2015

#### Bilan de la séance

Le montage est terminé. Il nous reste à mesurer la température émise pas le module Peltier.

D'autre part, pour la fluorescence, la création de croquis a débuté afin de créer une boite en bois, hermétique à la lumière, dans laquelle nous étudierons l'influence de la source lumineuse sur le produit étudié (mercurochrome et fluorescéine) à l'aide d'une LED télécommandée (fournie par le laboratoire de l'école). L'étude sera faite grâce à la fibre optique qui sera inclue dans le montage. Les croquis sont à venir...

#### Objectifs de la séance suivante

Avancer dans l'étude du facteur de proportionnalité entre la tension émise par le générateur qui alimente le module Peltier et la température que celui-ci émet (autant chaud que froid).

#### Questions/demandes

Serait-il possible de nous faire parvenir de petites LED ou diodes de couleurs blanche, rouge, verte, bleue, voire UV d'ici début Janvier 2016?

De plus, nous aimerions relever la température du module Peltier à partir d'une certaine tension électrique avant de faire les expériences avec l'étoile, cependant, nous ne savons pas comment mesurer cette température, sinon avec un contrôleur de température qui est un dispositif à intégrer en plus au montage qui est déjà assez conséquent.

### Mardi 8 Décembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons coupé et adapté le tuyau au luxmètre ainsi qu'au radiateur du Modèle Peltier (voir photo ci-jointe).

#### Objectifs de la séance suivante

Trouver les diodes indispensables à la réalisation des premières expériences pour la phosphorescence.

Nous avons trouvé une LED à télécommande (cependant de taille conséquente)

De plus, nous allons nous associer avec un groupe de terminales qui étudie les mêmes phénomènes afin de voir s'ils peuvent nous apporter des informations en plus, voire de s'entraider sur ce projet commun.

### Mardi 1 Décembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons effectué le plan de notre future expérience concernant la phosphorescence ainsi que des recherches complémentaires sur la fluorescence et sur le Module Peltier.

#### Objectifs de la séance suivante

Mettre en place le protocole et commencer le montage, voire même effectuer les premières expériences concernant la phosphorescence.

#### Questions/demandes

Il nous faudrait une LED UV, une LED blanche et une LED qui fait trois couleurs rouge, vert, bleu, qui pourrait éventuellement être géré par télécommande.

### Mardi 24 Novembre 2015

#### Bilan de la séance

Visite des chercheurs qui nous ont apporté des conseils par rapport à l'avancée du projet. Ce bilan nous a permit de modéliser deux expériences : un module sera créé pour la phosphorescence et un autre pour la fluorescence.

#### Objectif de la séance suivante

Mise en place du montage de l'étude de la phosphorescence (module Peltier...) et recherches sur la fluorescéine.

### Mardi 17 Novembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons modélisé de nouveau le spectre de la fluorescéine. Celui-ci nous paraît plus juste. De plus, avec un luxmètre nous avons pu tracer une courbe de la tension en fonction du temps avec le logiciel Cassylab. Ensuite avec une règle de trois nous avons pu avoir des LUX.

#### Objectifs de la séance suivante

La prochaine étape est d'avoir la courbe entière de l’intensité lumineuse en fonction du temps. Aussi faire un autre montage avec un capteur plus précis afin d'avoir un montage finis qui sera disponible a faire d'autres mesures sans démonter le dispositif a chaque. On tiendra compte pour cela du schéma joint précédemment

#### Questions/demandes

C'est pour cela, sachant votre arrivée la semaine prochaine si vous pouviez nous fournir un capteur d'intensité lumineuse qui serait permanent dans notre montage et qu'il nous permettra d'avoir directement des LUX en fonction du temps. Si cela n'est pas possible un capteur qui nous donne une tension en sortie et à nous de faire la conversion avec le dossier technique.

### Mardi 10 Novembre 2015

#### Bilan de la séance

L'école a pu nous fournir un spectromètre scientifique : Spectrovio2, dont la gamme spectrale est de l'ordre de 350-900 nm et dont la fente d'entrée mesure 40 micromètres. Il nous permet de modéliser les spectres de différents matériaux , que ce soit par absorbance ou par le biais de la fibre optique.

Nous avons donc expérimenté l'utilisation de ce spectromètre sur différents matériaux sous lampe UV : fluorescéine, mercurochrome et étoile phosphorescente. Nous avons ainsi pu obtenir leurs spectres respectifs cependant, le spectre de la fluorescéine nous paraît absurde.

#### Objectifs de la séance suivante

Nous allons refaire la modélisation des spectres de certains matériaux (fluorescéine), ainsi que nous atteler à la mesure du temps de décroissance de la lumière réémise par phosphorescence grâce au capteur d'intensité lumineuse et à la carte d'acquisition.

#### Bilan de la séance

Voici-ci contre le schéma de notre spectrophotomètre maison, plusieurs photos de celui-ci (vue côté réseau et côté lame) ainsi qu'une photo du spectre obtenu à partir d'une source de lumière blanche. La fente est créée à partir de lames de rasoir, elle n'est donc pas réglable.

    Pour répondre à la question : "Comment mesurer le temps de décroissance de la lumière réémise par la phosphorescence ?", nous avons élaboré un protocole qui est le suivant :

- exciter l'étoile phosphorescente à notre disposition,

    - l'insérer dans une boîte noire totalement étanche à la lumière, munie d'un capteur d'intensité lumineuse qui sera alors relié à une carte d'acquisition,

- la carte d'acquisition nous permettra d'obtenir une tension en fonction du temps afin de créer une courbe représentant la tension en fonction du temps,

- à l'aide de la fiche technique du capteur, nous permettra de convertir la tension électrique en intensité lumineuse , nous aurons donc une nouvelle courbe qui représentera l'intensité lumineuse en fonction du temps donc le temps de décroissance de la lumière réémise par la phosphorescence.

Schéma du système élaboré :

...

#### Objectifs de la séance suivante

Nous allons récupérer du mercurochrome ainsi que de la fluorescéine et tenter d'observer leur spectre grâce à notre spectrophotomètre maison. Cependant, il serait bien que vous nous fassiez parvenir le spectromètre scientifique afin d'avoir des mesures précises et avancer dans nos recherches.

#### Mardi 13 Octobre 2015

La création du spectromètre est achevée puisqu'au lieu d'utiliser le réseau d'un CD, toujours sans résultat, nous avons utilisé un véritable réseau déjà construit. Ainsi l'observation d'une lumière blanche avec notre spectromètre nous permet de voir un prisme coloré. Le spectromètre fonctionne.

Par la suite, nous avons observé le spectre d'une peinture fluorescente éclairée par lampe UV (voir image), cependant, seule une raie orange était observable à l'aide du spectromètre.

Nous avons ensuite exposé la petite étoile phosphorescente à la lumière puis nous l'avons regardé à travers le spectromètre maison, le spectre observé était proche de celui du visible.

#### Bilan de la séance

Le spectromètre maison est terminé et il fonctionne.

#### Objectifs de la séance suivante

Tenter plusieurs expériences quant à l'observation des spectres de chacun des phénomènes (avec ou sans lampe UV, avec ou sans excitation lumineuse, etc).

Réfléchir quant à la capture de ces spectres avec une caméra de téléphone ou une webcam.

**Remarque: Effectivement il faudra réfléchir à un système permettant de mesurer et calibrer le spectre observé. Pouvez-vous m'envoyer un plan, schéma voir une photo de votre montage ainsi qu'une description détaillée ? (Avez-vous utilisé une fente d'entrée, des lentilles ainsi qu'un détecteur ? Votre fente est-elle réglable ? quels types de lentilles avez-vous utilisés ? Pas du réseau ?).**

#### Questions/demandes

Pour observer le spectre de la fluorescence, sommes nous obligé de l'exposer sous une lampe UV ?

**Non pas forcement. Cela dépend de la composition de votre objet fluorescent. Je vous ai donné à la première séance de la peinture fluo mais vous pouvez essayer avec d'autres choses comme du Schweppes, du mercurochrome ou de la fluorescéine par exemples. Vous verrez dans ce cas de la fluorescence même en lumière blanche...**

Est-ce normal d'avoir obtenu un spectre proche de celui du visible lors de l'étude de la phosphorescence?

**Oui dans le cas de l'étoile, mais comme pour la fluorescence cela dépend de l'objet phosphorescent.**

L'observation du spectre de la phosphorescence, d'après nos recherches, nécessite l'utilisation de lentilles convergentes et divergentes. Sommes-nous sur la bonne voie ? Un prisme serait-il nécessaire ?

Cependant, nous ne savons pas exactement comment nous y prendre, pouvez-vous nous donner des indices ?

**Il vaut mieux faire l'observation du spectre simplement pour la fluorescence**. **Pour l'étude de la phosphorescence, le mieux serai plutôt d'orienter vos recherches sur le fait que l'objet phospho réémet de la lumière pendant un certain temps. Donc si vous pouviez proposer un système permettant de mesurer le temps de décroissance de cette lumière réémise, cela serait très bien !**

### Mardi 6 Octobre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons fabriqué le nouveau spectro dans une boite VHS, cependant nous avons eu de sérieux problèmes quant à la fabrication du spectre à partir d'un CD car : soit le réseau était impossible à retirer du CD, soit il se brisait, soit, une fois monté sur le spectre, nous n'observions strictement rien. Cela nous a malheureusement prit la séance.

#### Objectifs de la séance suivante

Nouvelle tentative de prélèvement du réseau d'un CD puis d'un DVD, si cela échoue, nous utiliserons une autre méthode pour avoir tout de même un réseau fonctionnel.

### Mardi 29 Septembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons créer un premier spectrophotomètre dans un support cylindrique. Cependant, la forme du dispositif n'a pas été avantageuse puisque le spectre observé était situé un peu trop sur le côté rendant sa visibilité difficile.

#### Objectifs de la séance suivante

Nouvelle création du spectro dans une boite à cassette rectangulaire.

### Mardi 22 Septembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons établi la liste du matériel nécessaire à la création de notre spectromètre maison. Celle-ci : tube en carton ( pour la structure ), DVD, Scotch, lame de rasoir ( pour une fente nette ), un cutter. Les achats seront effectués par nos professeurs. Ainsi, la semaine prochaine la création voir la finition du spectromètre sera notre objectif. En parallèle, nous avons continué à définir ce que sont la fluorescence et la phosphorescence afin de les comparer et de mettre en valeur leurs différences. Ces travaux seront la base de notre étude et de nos manipulations à suivre.

#### Objectifs de la séance suivante

Constituer le spectromètre maison à l'issue des deux heures, effectuer de nouvelles recherches sur le sujet étudié, ainsi que d'expérimenter la fluorescence et la phosphorescence dans le laboratoire (observations de l'étoile phosphorescente et de la peinture fluorescente sous lampe-UV).

#### Questions/demandes posées aux encadrants

Après la réalisation de notre spectromètre maison, sur quoi devons-nous nous tourner principalement par la suite?

***Réponse : Le spectromètre maison vous permettra de faire l'étude de la fluorescence. Par la suite il faudra aussi que vous réalisiez un montage permettant l'étude de la phosphorescence (avant de vous dire quoi que ce soit j'attends vos idées, propositions...).***

***Par contre pour votre spectromètre, j’attends aussi vos plans ou vos photos du montage. Il faudra aussi me décrire le fonctionnement de chaque élément. Sinon avez-vous pensé en sortie du spectromètre, au détecteur permettant de "voir" le spectre  ?***

***De plus comme on va regarder de la fluo, l'intensité lumineuse sera faible... A tester avec votre spectro (peut-être que des lentilles seront nécessaires...).***

### Mardi 15 Septembre 2015

#### Bilan de la séance

Nous avons effectué des recherches sur notre sujet et regardé des vidéos concernant la construction du spectromètre maison, de ceci nous avons tiré le protocole et la liste du matériel qui nous permettra de le mettre en forme.

#### Objectifs de la séance suivante

Effectuer la liste du matériel nécessaire à la création du spectromètre maison au professeur.

#### Questions/demandes posées aux encadrants

(matériel, idée, choix, informations, protocole de
mesures, réalisation … ).

### Mardi 8 Septembre 2015

Présentation du cadre général du partenariat puis des huit projets.

Présentation de quelques matériels.