La lumière: une onde
Dans l'antiquité, il était communément admis
que la lumière consistait en très petits grains de
matière expulsés par les objets et pouvant être
captés par des organes tels que les yeux.
Lorsque Newton,
en 1672, exposa la décomposition de la lumière
blanche par le prisme, il s'en tenait toujours à la nature
corpusculaire de la lumière. |
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Une onde?
Mais dès 1678 le savant
Néerlandais Huygens
montra que certains phénomènes lumineux, notamment
la diffraction, ne
pouvaient s'expliquer qu'en considérant que la lumière
avait la nature d'une onde.
Huygens, cependant, eut besoin de considérer qu'une
onde lumineuse se propageait non pas dans le vide, mais dans
un milieu matériel invisible appelé " éther". |
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Pendant deux siècles,
on perfectionna cette théorie. En 1873, l'anglais Maxwell
lui donna une rigueur mathématique ainsi qu'une généralité
plus grande en considérant la lumière comme
une onde électromagnétique.
Plus précisément, un champ
électrique (représenté ci-dessous par
une flèche verticale ou vecteur)
voyage dans un plan vertical en changeant de taille selon
une loi périodique. Il le fait en compagnie d'un champ
magnétique qui lui est perpendiculaire (ici représenté
par un vecteur horizontal) et varie, lui aussi, selon la même
périodicité. |
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Les performances de ce petit système sont, à nos
yeux humains, proprement extraordinaires:
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ces ondes se progagent
(dans le vide) à la vitesse de 300000 km/sec
(exactement 299 792,458 km/sec) (la vitesse de la lumière
est notée c par les physiciens) |
- |
selon leur périodicité (ou fréquence,
en général symbolisée par ),
on distingue les catégories suivantes:
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ondes radio
micro-ondes
infra-rouges
lumière visible
ultra-violet
rayons X
rayons gamma
rayons cosmiques
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fréquences
approx.
105...8
109
)
)1014
)
1016
1018...19
1020...21 |
la fréquence s'exprime en "nombre de fois par
seconde", que l'on appelle aussi Hertz:
25 Hertz veut donc dire "25 fois par seconde".
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- |
les ondes électromagnétiques se propagent sur
des distances colossales, nous pemettant d'observer les objets
célestes les plus lointains. |
On notera aussi qu'une onde électromagnétique se
propage - sauf obstacle - dans toutes les directions à la
fois (au bout d'une seconde, elle atteint donc la surface d'une
sphère de 300000 km de rayon.
Longueur d'onde
Vu ce qui précède, la propagation de la lumière
peut se représenter comme suit.
Si la vitesse de la lumière est c et sa
fréquence ,
sa longueur d'onde est
=
c /
En une seconde, une onde parcourt
300000 km, c-à-d 3 x 1017 nm (nanomètres).
Si, en une seconde, elle oscille 555 x 1012 fois
(cas de la couleur verte moyenne), la distance qu'elle parcourt
le temps d'une oscillation est de 3 x 1017 / 555
x 10 12 = 540 nm, qui est donc la longueur d'onde
du vert moyen.
Interférences
Lorsque deux ondes se rencontrent,
il peut arriver qu'elles se combinent de telle manière que
leurs effets se renforcent ou au contraire s'affaiblissent mutuellement.
Prenons l'exemple de l'onde électromagnétique
que nous venons de décrire, et supposons que nous soyons
capables d'envoyer, à partir du même point, deux ondes
de mêmes fréquences et amplitudes, se suivant à
un intervalle de temps égal à un sixième de
la durée d'une période de l'onde. Nous savons maintenant
qu'une des composantes de ces ondes est un champ électrique.
En chaque point, les intensités de ces champs s'additionnent
, comme dans la figure ci-dessous.
Mais attention! Ce phénomène,
appelé interférence
n'est possible que si les deux rayons ont la même fréquence.
Le cas est rare. Pourtant, il se présente lors de la diffraction.
Voici pourquoi et comment.
Diffraction
1. |
Une lumière est diffusée
dans toutes les directions par tout point matériel qu'elle
rencontre, sans rupture de sa périodicité. |
2. |
Si une lumière émise
rencontre simultanément deux points matériels,
elle sera diffusée par les deux points; les deux lumières
résultantes auront la même périodicité.
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3. |
Les deux trains d'onde, en se rencontrant, produisent
des interférences comme décrit plus haut. Dans
l'exemple ci-dessous, on voit en rouge les points de
l'espace où les deux ondes sont parfaitement en phase,
et donc se renforcent l'une l'autre.
En bleu, les points de l'espace où au contraire
elles sont décalées d'une demi-longueur d'onde,
et s'annulent. |
Pour visualiser ce qui précède, on remplacera les
deux points par une ouverture minuscule dans un écran: les
bords de l'ouverture seront alors les points de diffusion. Et pour
observer le résultat, on placera ensuite un second écran,
sur lequel se projetteront les lumières obtenues.
Les dessins que l'on observera sont très variables, en fonction
- de la forme et de la taille de la fente
- de la longueur d'onde de la lumière
(en cliquant ICI,
ou pourra faire varier ces deux paramètres et observer le
résultat).
On trouvera sur différents sites Internet de nombreux exemples
de figures de diffraction.
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