LUMIÈRE: HISTOIRE, NATURE, COMPORTEMENT, PROPAGATION - PHYSIQUE - 2025

La lumière est une onde électromagnétique qui peut être détectée par le sens de la vue. Elle fait partie du spectre électromagnétique: ce que l'on appelle la lumière visible. Au fil des ans, diverses théories ont été proposées pour expliquer sa nature.

Par exemple, la croyance que la lumière consistait en un flux de particules émis par des objets ou par les yeux des observateurs a longtemps été maintenue. Cette croyance des Arabes et des Grecs de l'Antiquité a été partagée par Isaac Newton (1642-1727) pour expliquer les phénomènes de la lumière.

Figure 1. Le ciel est bleu grâce à la diffusion de la lumière du soleil dans l'atmosphère. Source: Pixabay.

Bien que Newton en vint à soupçonner que la lumière avait des qualités d'ondes et que Christian Huygens (1629-1695) réussit à expliquer la réfraction et la réflexion avec une théorie des ondes, la croyance que la lumière était une particule était répandue parmi tous les scientifiques jusqu'au début du 19e siècle..

À l'aube de ce siècle, le physicien anglais Thomas Young a montré sans aucun doute que les rayons lumineux peuvent interférer les uns avec les autres, tout comme les ondes mécaniques dans les cordes.

Cela ne pouvait que signifier que la lumière était une onde et non une particule, bien que personne ne sache de quel genre d'onde il s'agissait jusqu'en 1873, James Clerk Maxwell affirma que la lumière était une onde électromagnétique.

Avec le soutien des résultats expérimentaux de Heinrich Hertz en 1887, la nature ondulatoire de la lumière a été établie comme un fait scientifique.

Mais au début du 20e siècle, de nouvelles preuves ont émergé sur la nature corpusculaire de la lumière. Cette nature est présente dans les phénomènes d'émission et d'absorption, dans lesquels l'énergie lumineuse est transportée dans des emballages appelés «photons».

Ainsi, puisque la lumière se propage comme une onde et interagit avec la matière comme une particule, une double nature est actuellement reconnue dans la lumière: onde-particule.

Nature de la lumière

Il est clair que la nature de la lumière est double, se propageant sous forme d'onde électromagnétique, dont l'énergie se présente sous forme de photons.

Celles-ci, sans masse, se déplacent dans le vide à une vitesse constante de 300 000 km / s. C'est la vitesse connue de la lumière dans le vide, mais la lumière peut voyager à travers d'autres médias, bien qu'à des vitesses différentes.

Lorsque les photons atteignent nos yeux, les capteurs qui détectent la présence de lumière sont activés. Les informations sont transmises au cerveau et y sont interprétées.

Lorsqu'une source émet un grand nombre de photons, nous la voyons comme une source lumineuse. Si, au contraire, il émet peu, il est interprété comme une source opaque. Chaque photon a une certaine énergie, que le cerveau interprète comme une couleur. Par exemple, les photons bleus sont plus énergétiques que les photons rouges.

Toute source émet généralement des photons d'énergies différentes, d'où la couleur avec laquelle elle est vue.

Si rien d'autre n'émet des photons avec un seul type d'énergie, on parle de lumière monochromatique. Le laser est un bon exemple de lumière monochromatique. Enfin, la distribution des photons dans une source est appelée spectre.

Une onde se caractérise également par une certaine longueur d'onde. Comme nous l'avons dit, la lumière appartient au spectre électromagnétique, qui couvre une gamme extrêmement large de longueurs d'onde, des ondes radio aux rayons gamma. L'image suivante montre comment un faisceau de lumière blanche diffuse un prisme triangulaire. La lumière est séparée en longueurs d'onde longues (rouge) et courtes (bleu).

Au milieu se trouve la bande étroite de longueurs d'onde connue sous le nom de spectre visible, allant de 400 nanomètres (nm) à 700 nm.

Figure 2. Le spectre électromagnétique montrant la gamme de lumière visible. Source: Source: Wikimedia Commons. Auteur: Horst Frank.

Comportement de la lumière

La lumière a un comportement double, d'onde et de particule comme examiné. La lumière se propage de la même manière qu'une onde électromagnétique, et en tant que telle, elle est capable de transporter de l'énergie. Mais lorsque la lumière interagit avec la matière, elle se comporte comme un faisceau de particules appelées photons.

Figure 4. Propagation d'une onde électromagnétique. Source: Wikimedia Commons. SuperManu.

En 1802, le physicien Thomas Young (1773-1829) a démontré que la lumière avait un comportement ondulatoire en utilisant l'expérience à double fente.

De cette façon, il a pu produire des interférences maximales et minimales sur un écran. Ce comportement est typique des ondes et Young a donc pu démontrer que la lumière était une onde et pouvait également mesurer sa longueur d'onde.

L'autre aspect de la lumière est celui d'une particule, représentée par des paquets d'énergie appelés photons, qui dans le vide se déplacent à une vitesse c = 3 x 10 ⁸ m / s et n'ont pas de masse. Mais ils ont de l'énergie E:

Et aussi un élan de magnitude:

Où h est la constante de Planck, dont la valeur est 6,63 x 10 ^-34 Joule.seconde et f est la fréquence de l'onde. Combinant ces expressions:

Et comme la longueur d'onde λ et la fréquence sont liées par c = λ.f, il reste:

Principe de Huygens

Figure 5. Front d'onde et rayons lumineux se propageant en ligne droite. Source: Serway. R. Physique pour la science et l'ingénierie.

Lors de l'étude du comportement de la lumière, il y a deux principes importants à considérer: le principe de Huygens et le principe de Fermat. Le principe de Huygens stipule que:

Pourquoi des ondes sphériques? Si nous supposons que le milieu est homogène, la lumière émise par une source ponctuelle se propagera dans toutes les directions de manière égale. On peut imaginer la lumière se propageant au milieu d'une grande sphère avec les rayons uniformément répartis. Quiconque observe cette lumière perçoit qu'elle se déplace en ligne droite vers son œil et se déplace perpendiculairement au front d'onde.

Si les rayons lumineux proviennent d'une source très éloignée, par exemple le Soleil, le front d'onde est plat et les rayons sont parallèles. C'est ce qu'est l'approche de l'optique géométrique.

Principe de Fermat

Le principe de Fermat stipule que:

Ce principe doit son nom au mathématicien français Pierre de Fermat (1601-1665), qui l'a établi pour la première fois en 1662.

Selon ce principe, dans un milieu homogène la lumière se propage à une vitesse constante, elle a donc un mouvement rectiligne uniforme et sa trajectoire est une ligne droite.

Propagation de la lumière

La lumière voyage comme une onde électromagnétique. Le champ électrique et le champ magnétique se génèrent l'un l'autre, constituant des ondes couplées qui sont en phase et sont perpendiculaires l'une à l'autre et à la direction de propagation.

En général, une onde se propageant dans l'espace peut être décrite en termes de front d'onde. C'est l'ensemble des points qui ont une amplitude et une phase égales. Connaissant l'emplacement du front d'onde à un instant donné, tout emplacement ultérieur peut être connu, selon le principe de Huygens.

Diffraction

Laser diffracté par une fente hexagonale. Lienzocien

Le comportement ondulatoire de la lumière est clairement mis en évidence par deux phénomènes importants qui surviennent lors de sa propagation: la diffraction et l'interférence. Lors de la diffraction, les ondes, qu'elles soient de l'eau, du son ou de la lumière, sont déformées lorsqu'elles traversent des ouvertures, contournent des obstacles ou contournent les coins.

Si l'ouverture est grande par rapport à la longueur d'onde, la distorsion n'est pas très grande, mais si l'ouverture est petite, le changement de forme d'onde est plus perceptible. La diffraction est une propriété exclusive des ondes, donc lorsque la lumière présente une diffraction, nous savons qu'elle a un comportement d'onde.

Interférence et polarisation

De son côté, l'interférence de la lumière se produit lorsque les ondes électromagnétiques qui les composent se chevauchent. Ce faisant, ils sont ajoutés de manière vectorielle et cela pourrait donner lieu à deux types d'interférences:

–Constructif, lorsque l'intensité de l'onde résultante est supérieure à l'intensité des composants.

–Destructif si l'intensité est inférieure à celle des composants.

L'interférence des ondes lumineuses se produit lorsque les ondes sont monochromatiques et conservent la même différence de phase tout le temps. C'est ce qu'on appelle la cohérence. Une lumière comme celle-ci peut provenir d'un laser par exemple. Les sources courantes telles que les ampoules à incandescence ne produisent pas de lumière cohérente car la lumière émise par les millions d'atomes du filament change constamment de phase.

Mais si un abat-jour opaque avec deux petites ouvertures proches l'une de l'autre est placé sur cette même ampoule, la lumière qui sort de chaque fente agit comme une source cohérente.

Enfin, lorsque les oscillations du champ électromagnétique sont toutes dans le même sens, une polarisation se produit. La lumière naturelle n'est pas polarisée, car elle est composée de nombreux composants, chacun oscillant dans une direction différente.

L'expérience de Young

Au début du XIXe siècle, le physicien anglais Thomas Young fut le premier à obtenir une lumière cohérente avec une source lumineuse ordinaire.

Dans sa célèbre expérience à double fente, il a fait passer la lumière à travers une fente dans un écran opaque. Selon le principe de Huygens, deux sources secondaires sont générées, qui à leur tour ont traversé un deuxième écran opaque à deux fentes.

Figure 6. Animation de l'expérience de double fente de Young. Source: Wikimedia Commons.

La lumière ainsi obtenue illumine un mur dans une pièce sombre. Ce qui était visible était un motif constitué d'une alternance de zones claires et sombres. L'existence de ce motif s'explique par le phénomène d'interférence décrit ci-dessus.

L'expérience de Young était très importante car elle révélait la nature ondulatoire de la lumière. Par la suite, l'expérience a été menée avec des particules fondamentales telles que les électrons, les neutrons et les protons, avec des résultats similaires.

Phénomènes de la lumière

Réflexion

Réflexion de la lumière dans l'eau

Lorsqu'un rayon de lumière frappe une surface, une partie de la lumière peut être réfléchie et une partie absorbée. S'il s'agit d'un support transparent, une partie de la lumière continue son chemin à travers.

En outre, la surface peut être lisse, comme un miroir, ou rugueuse et inégale. La réflexion qui se produit sur une surface lisse est appelée réflexion spéculaire, sinon c'est une réflexion diffuse ou une réflexion irrégulière. Une surface très polie, comme un miroir, peut réfléchir jusqu'à 95% de la lumière incidente.

Le reflet spéculaire

La figure montre un rayon de lumière voyageant dans un milieu, qui peut être de l'air. Il tombe à l'angle θ ₁ sur une surface spéculaire plane et est réfléchi à l'angle θ ₂. La ligne notée normale est perpendiculaire à la surface.

L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion. Source: Serway. R. Physique pour la science et l'ingénierie.

Le rayon incident et réfléchi et la normale à la surface spéculaire sont tous deux dans le même plan. Les Grecs de l'Antiquité avaient déjà observé que l'angle d'incidence était égal à l'angle de réflexion:

Cette expression mathématique est la loi de réflexion de la lumière. Cependant, d'autres ondes comme le son par exemple, sont également capables de réflexion.

La plupart des surfaces sont rugueuses et la réflexion de la lumière est donc diffuse. De cette façon, la lumière qu'ils réfléchissent est envoyée dans toutes les directions, de sorte que les objets peuvent être vus de n'importe où.

Étant donné que certaines longueurs d'onde sont plus réfléchies que d'autres, les objets ont des couleurs différentes.

Par exemple, les feuilles des arbres réfléchissent la lumière qui se situe approximativement au milieu du spectre visible, ce qui correspond à la couleur verte. Le reste des longueurs d'onde visibles sont absorbées: de l'ultraviolet proche du bleu (350-450 nm) et de la lumière rouge (650-700 nm).

Réfraction

Phénomène de réfraction. Josell7

La réfraction de la lumière se produit parce que la lumière se déplace à des vitesses différentes selon le milieu. Dans le vide, la vitesse de la lumière est c = 3 x 10 ⁸ m / s, mais lorsque la lumière atteint un milieu matériel, des processus d'absorption et d'émission se produisent qui font diminuer l'énergie, et avec elle la vitesse.

Par exemple, lorsqu'elle se déplace dans l'air, la lumière se déplace à une vitesse presque égale à c, mais dans l'eau, la lumière se déplace aux trois quarts de c, tandis que dans le verre, elle se déplace à environ les deux tiers de c.

Indice de réfraction

L'indice de réfraction est noté n et défini comme le quotient entre la vitesse de la lumière dans le vide c et sa vitesse dans ledit milieu v:

L'indice de réfraction est toujours supérieur à 1, car la vitesse de la lumière dans le vide est toujours supérieure à celle d'un milieu matériel. Certaines valeurs typiques de n sont:

-Air: 1.0003

-Eau: 1,33

-Verre: 1,5

-Diamant: 2,42

Loi de Snell

Lorsqu'un rayon de lumière frappe obliquement la frontière entre deux supports, tels que l'air et le verre par exemple, une partie de la lumière est réfléchie et une autre partie continue son chemin dans le verre.

Dans ce cas, la longueur d'onde et la vitesse subissent une variation lors du passage d'un milieu à l'autre, mais pas la fréquence. Puisque v = c / n = λ.f et aussi dans le vide c = λo. f, alors nous avons:

Autrement dit, la longueur d'onde dans un milieu donné est toujours inférieure à la longueur d'onde dans le vide λo.

Figure 8. Loi de Snell. Source: Figure de gauche: diagramme de la réfraction de la lumière. Rex, A. Fondamentaux de la physique. Figure de droite: Wikimedia Commons. Josell7.

Notez les triangles qui ont une hypoténuse commune en rouge. Dans chaque milieu, l'hypoténuse mesure respectivement λ ₁ / sin θ ₁ et λ ₂ / sin θ ₂, puisque λ et v sont proportionnels, donc:

Puisque λ = λ _o / n nous avons:

Qui peut être exprimé comme:

Telle est la formule de la loi de Snell, en l'honneur du mathématicien néerlandais Willebrord Snell (1580-1626), qui l'a dérivée expérimentalement en observant la lumière passant de l'air à l'eau et au verre.

Alternativement, la loi de Snell est écrite en termes de vitesse de la lumière dans chaque milieu, en utilisant la définition de l'indice de réfraction: n = c / v:

Dispersion

Comme expliqué ci-dessus, la lumière est composée de photons avec des énergies différentes, et chaque énergie est perçue comme une couleur. La lumière blanche contient des photons de toutes les énergies et peut donc être décomposée en différentes lumières colorées. C'est la diffusion de la lumière, qui avait déjà été étudiée par Newton.

Les gouttes d'eau dans l'atmosphère se comportent comme de petits prismes. Source: Pixabay.

Newton a pris un prisme optique, a fait passer un faisceau de lumière blanche à travers lui et a obtenu des bandes colorées allant du rouge au violet. Cette frange est le spectre de la lumière visible vu sur la figure 2.

La diffusion de la lumière est un phénomène naturel dont nous admirons la beauté dans le ciel lorsque l'arc-en-ciel se forme. La lumière du soleil tombe sur des gouttelettes d'eau dans l'atmosphère, qui agissent comme de minuscules prismes de type Newton, diffusant ainsi la lumière.

La couleur bleue avec laquelle on voit le ciel est également une conséquence de la dispersion. Riche en azote et en oxygène, l'atmosphère disperse principalement des nuances de bleu et de violet, mais l'œil humain est plus sensible au bleu et on voit donc le ciel de cette couleur.

Lorsque le Soleil est plus bas à l'horizon, au lever ou au coucher du soleil, le ciel devient orange grâce au fait que les rayons lumineux doivent traverser une couche plus épaisse de l'atmosphère. Les tons rougeâtres des basses fréquences interagissent moins avec les éléments de l'atmosphère et en profitent pour atteindre directement la surface.

Les atmosphères riches en poussières et en pollution, comme celles de certaines grandes villes, ont un ciel grisâtre en raison de la dispersion des basses fréquences.

Théories sur la lumière

La lumière a été considérée principalement comme une particule ou comme une onde. La théorie corpusculaire défendue par Newton considérait la lumière comme un faisceau de particules. Alors que la réflexion et la réfraction pourraient être expliquées de manière adéquate en supposant que la lumière était une onde, comme l'a soutenu Huygens.

Mais bien avant ces scientifiques remarquables, les gens avaient déjà spéculé sur la nature de la lumière. Parmi eux, le philosophe grec Aristote ne pouvait être absent. Voici un bref résumé des théories de la lumière au fil du temps:

Théorie aristotélicienne

Il y a 2500 ans, Aristote affirmait que la lumière émergeait des yeux de l'observateur, éclairait les objets et revenait d'une manière ou d'une autre avec l'image afin qu'elle puisse être appréciée par la personne.

Théorie corpusculaire de Newton

Newton croyait que la lumière se composait de minuscules particules qui se propagent en ligne droite dans toutes les directions. Lorsqu'ils atteignent les yeux, ils enregistrent la sensation sous forme de lumière.

Théorie des vagues de Huygens

Huygens a publié un ouvrage intitulé Treatise on light dans lequel il a proposé qu'il s'agissait d'une perturbation du milieu semblable aux ondes sonores.

Théorie électromagnétique de Maxwell

Bien que l'expérience à double fente ne laisse aucun doute sur la nature ondulatoire de la lumière, pendant une grande partie du XIXe siècle, il y eut des spéculations sur le type d'onde qu'il s'agissait, jusqu'à ce que Maxwell déclare dans sa théorie électromagnétique que la lumière se composait du propagation d'un champ électromagnétique.

La lumière en tant qu'onde électromagnétique explique les phénomènes de propagation de la lumière tels que décrits dans les sections précédentes et est un concept accepté par la physique actuelle, tout comme la nature corpusculaire de la lumière.

Théorie corpusculaire d'Einstein

Selon la conception moderne de la lumière, elle se compose de particules sans masse et non chargées appelées photons. Bien qu'ils n'aient pas de masse, ils ont de l'élan et de l'énergie, comme expliqué ci-dessus. Cette théorie explique avec succès la manière dont la lumière interagit avec la matière, en échangeant de l'énergie en quantités discrètes (quantifiées).

L'existence de quanta de lumière a été proposée par Albert Einstein pour expliquer l'effet photoélectrique découvert par Heinrich Hertz quelques années plus tôt. L'effet photoélectrique consiste en l'émission d'électrons par une substance sur laquelle un certain type de rayonnement électromagnétique a été frappé, presque toujours dans la gamme de l'ultraviolet à la lumière visible.

Références

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3. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6e. Ed Prentice Hall.
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8. Shipman, J. 2009. Une introduction à la science physique. Douzième édition. Brooks / Cole, éditions Cengage.
9. Wikipédia. Lumière. Récupéré de: es.wikipedia.org.