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.

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".

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.

Les performances de ce petit système sont, à nos yeux humains, proprement extraordinaires:

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:

ondes radio
micro-ondes
infra-rouges
lumière visible
ultra-violet
rayons X
rayons gamma
rayons cosmiques

fréquences
approx.

10^5...8
10⁹)
)10¹⁴
)
10¹⁶
10^18...19
10^20...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".

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.

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.