Dossier – La Lumière

On 26.05.2011, in Dossiers, by Mathieu
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Il n’est pas facile de définir la lumière, car elle peut être représentée de deux façon différentes:

  • Nature ondulatoire.
  • Nature corpusculaire (particule).

La métaphore du cylindre est l’exemple d’un objet ayant des propriétés apparemment inconciliables. Il serait à première vue incongru d’affirmer qu’un objet a à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle; sur un plan (au sens géométrique), un objet est soit un cercle, soit un rectangle. Mais si l’on considère un cylindre : une projection dans l’axe du cylindre donne un cercle (source lumineuse dans l’axe projette une ombre en cercle sur un mur), et une projection perpendiculairement à cet axe donne un rectangle (source lumineuse perpendiculaire à l’axe projette un ombre rectangle sur un mur). On a donc bien un objet ayant les propriétés d’un cercle et d’un rectangle (mais il n’est ni l’un, ni l’autre).

Dualité

Quand on dit que la lumière est à la fois onde et particule, ce sont des manières de voir les choses et non pas les choses en elles-même, ce sont des représentations.

Nature ondulatoire

La lumière visible est composée de l’ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l’oeil humain, c’est-à-dire comprises dans des longueurs d’onde situées entre le violet et le rouge.

Outre la lumière visible, par extension, on appelle aussi parfois « lumière » d’autres ondes électromagnétiques, telles que celles situées dans les domaines de fréquences de l’ultraviolet et de l’infrarouge.

Spectre optique

Ce sont les travaux sur l’életromagnétisme de James Clerk Maxwell aboutis en 1873 qui permettent d’expliquer le phénomène ondulatoire de la lumière. Il définit la lumière comme une onde qui se propage sous la forme d’un rayonnement électromagnétique (le rayonnement électromagnétique est une variation des champs électriques et magnétiques). Maxwell a montré que la lumière peut être modélisée par un champ électromagnétique (qui se propage dans une direction perpendiculaire à lui-même). Lorsque ce champ a une fréquence bien déterminée, l’onde associée peut être caractérisée par sa longueur d’onde qui dépend, d’ailleurs, du milieu où elle se propage. Dans le cas de la lumière visible, la couleur perçue par le cerveau, via l’œil, est la manifestation de la fréquence et non de la longueur d’onde (la diffraction, les interférences ou la polarisation nécessitent de prendre en compte la nature ondulatoire de la lumière).

Le spectre du rayonnement lumineux visible n’est qu’une partie de l’ensemble du rayonnement électromagnétique, beaucoup plus large : infrarouge, ultraviolet, ondes radio, rayons X, les rayons γ

Spèctre

Ce sont les fameuse équations de Maxwell qui permettent de développer une théorie générale de l’électromagnétisme. Elles permettent d’expliquer aussi bien la propagation de la lumière que le fonctionnement d’un électroaimant. Ces équations de Maxwell constituent des lois fondamentales de la physique et sont des postulats de base de l’électromagnétisme. Elles décrivent la force électromagnétique, qui est l’une des 4 forces fondamentales de l’Univers.

Nature corpusculaire

C’est Newton qui avait développé au départ une théorie purement corpusculaire de la lumière. Plus tard, la physique du XXéme siècle a montré que l’énergie transportée par la lumière est quantifiée grâce à des particules qu’on appelle photons. Le concept de photon a été développé par Albert Einstein entre 1905 et 1917 pour expliquer des observations expérimentales qui ne pouvaient être comprises dans le cadre d’un modèle ondulatoire classique de la lumière. Il a ainsi montré que parallèlement à son comportement ondulatoire — interférences et diffraction —, la propagation du champ électromagnétique présente simultanément des propriétés corpusculaires. On appelle photon:

  • le quantum d’énergie, c’est à dire la plus petite quantité d’énergie, indivisible, qui compose la lumière.
  • le photon peut être représenté comme une particule porteuse d’énergie, mais dépourvue de masse!

Le pénomène de rayonnement ou radiation en physique désigne le processus d’émission ou de transmission d’énergie impliquant une particule porteuse. Le rayonnement électromagnétique a comme vecteur le photon. À chaque type de radiation correspond sa particule porteuse : le photon pour le rayonnement électromagnétique, ou les particules alphabêta ou neutron pour respectivement les rayonnement alphabêta ou neutronique

Dualité onde-particule

La théorie ondulatoire de Maxwell ne rend pas compte de toutes les propriétés de la lumière. Cette théorie prédit que l’énergie d’une onde lumineuse dépend seulement de l’amplitude de l’onde, mais pas de sa fréquence. Or de nombreuses expériences indiquent que l’énergie transférée de la lumière aux atomes dépend seulement de la fréquence et non de l’amplitude. En 1905, Albert Einstein réconcilia la théorie de Maxwell avec celle de Newton : il expliqua l’effet photoélectrique, un effet dans lequel la lumière n’agit pas en tant qu’onde, mais en postulant l’existence des photons. L’effet laser s’explique aussi en terme de photons. Einstein postula que la fréquence ν de la lumière, est liée à l’énergie E des photons.

Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence ν (ou période T), de longueur d’onde λ associée ou d’énergie des photons E.

Spectre onde electromagnetique

Mise en évidence de la dualité grâce aux fentes de Young

Une des manières les plus claires de mettre en évidence la dualité onde-particule est l’expérience des fentes de Young. Cette expérience est connue depuis le XIXe siècle, où elle a d’abord mis clairement en évidence l’aspect purement ondulatoire de la lumière. Modifiée de manière adéquate, elle peut démontrer de manière spectaculaire la dualité onde-corpuscule de la lumière.

L’expérience consiste à éclairer par une source lumineuse un écran percé de deux fentes très fines et très rapprochées. Ces deux fentes se comportent comme deux sources secondaires d’émission lumineuse. Une plaque photographique placée derrière l’écran enregistre la lumière issue des deux fentes.

Fentes de Young

 

Ces deux sources interfèrent et forment sur la plaque photographique des franges lumineuses que l’on appelle une figure d’interférence. Cette figure est caractéristique d’un comportement ondulatoire de la lumière. Si l’expérience en reste à ce niveau, l’aspect corpusculaire n’apparaît pas.

Interférences

En fait, il est possible de diminuer l’intensité lumineuse de la source primaire de manière à ce que la lumière soit émise photon par photon. Le comportement de la lumière devient alors inexplicable sans faire appel à la dualité onde-corpuscule. Si on remplace la source lumineuse par un canon qui tire des micro-billes à travers les deux fentes, donc de “vraies” particules, on n’obtient aucune figure d’interférence, mais simplement une zone plus dense, en face des fentes, correspondant aux impacts des micro-billes. Or, dans le cas d’une émission lumineuse de faible intensité et envoyée par une sorte de canon à photons, on constate que l’impact de la lumière sur l’écran est marqué de la même manière que les micro-billes. Au fur et à mesure que les impacts augmentent sur la plaque photographique, on retrouve petit à petit une figure d’interférence reconstituée par l’ensemble des impacts des photons. On retrouve donc une figure d’interférence caractéristique des ondes, en même temps qu’un aspect corpusculaire des impacts sur la plaque photographique.

L’interprétation de cette expérience est difficile, car si on considère la lumière comme une onde, alors les points d’impacts sur la plaque photographique sont inexplicables; on devrait voir dans ce cas très faiblement, dès les premiers instants, la figure d’interférence, puis la voire de plus en plus intense. Au contraire, si on considère la lumière comme étant exclusivement composée de particules, alors les impacts sur la plaque photographique s’expliquent aisément, mais la figure d’interférence qui se crée peu à peu ne s’explique pas : comment et pourquoi certaines zones seraient privilégiées et d’autres interdites à ces particules ?

L’existence du photon ne contredit pas la théorie ondulatoire, au contraire : en mécanique quantique, la dualité onde-particule (ou onde-corpuscule) dit qu’à chacune des particules est associée une onde. Cette onde est appelée fonction d’onde de la particule, et c’est elle qui code la densité de probabilité des variables mesurables de la particule.  Si on considère le déplacement d’un unique photon (la position du photon est l’une des variables de la particule), les points d’arrivée possibles sont donnés sous forme de probabilités par l’onde associée. Sur un très grand nombre de photons, chaque lieu d’arrivée est illuminé avec une intensité proportionnelle à la probabilité de chacun des photons… ce qui correspond au résultat de la figure d’interférence de la théorie classique ondulatoire.

Sur la plaque photographique de l’expérience des fentes de Young, il se produit ce que l’on appelle une réduction du paquet d’onde, ou une décohérence de la fonction d’onde : le photon se matérialise, avec une probabilité donnée par la fonction d’onde: élevée à certains endroits (frange brillante), faible ou nulle à d’autres (franges sombres).

Cette expérience illustre également une caractéristique essentielle de la mécanique quantique:

  • Jusqu’à ce qu’une observation soit faite, la position d’une particule est décrite en termes d’ondes de probabilité, mais après que la particule est observée (ou mesurée), elle est décrite par une valeur fixe.

La lumière est donc considérée comme constituée de photons qui se comportent comme:

  • des corpuscules dans leurs interactions avec la matière.
  • des ondes pour leur propagation.

Optique Géométrique

L’optique géométrique est une approche complémentaire de l’optique ondulatoire et de l’optique quantique. Elle est en revanche plus ancienne, ayant été développée dès l’antiquité. C’est l’optique géométrique, qui reste l’outil le plus flexible et le plus efficace pour expliquer un certain nombre de phénomènes simples liés à la lumière. Par exemple, la lumière incidente sur l’interface entre deux milieux peut être réfléchieréfractée (dispersée) ou absorbée.

Réflexion-Réfraction

Réflexion

La lumière se déplace en ligne droite dans tout milieu transparent, en particulier dans le vide ou l’air. Dans le vide, la lumière se déplace à une vitesse fixe et indépassable d’environ 300’000 km/s. La lumière est un peu plus lente dans l’air, et notablement plus lente dans l’eau.

Le phénomène de réflexion est dû au fait que les rayons lumineux sont déviés (réfléchis) lors de la rencontre d’une surface réfléchissante (miroir). Les rayons lumineux réfléchis le sont tels que l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence sur la surface réfléchissante.

Réfraction

La réfraction survient généralement à l’interface entre deux milieux, ou lors d’un changement de densité du milieu. Les rayons lumineux peuvent changer de trajectoire lors du passage d’un milieu à un autre. Tout milieu homogène dans lequel se propage un rayon lumineux possède un indice de réfraction. En tombant sur une surface (dioptre) séparant le milieu où il se propage (milieu d’incidence) d’un autre milieu possédant un autre indice de réfraction, ça donne naissance, dans ce second milieu, à un rayon qui n’est pas dans son prolongement, qui est dévié: c’est le rayon réfracté. Le fonctionnement des lentilles est basé sur ce phénomène de réfraction de la lumière.

Refraction Verre

Dans l’approche ondulatoire, la réfraction est un phénomène de déviation d’une onde lorsque sa vitesse change entre deux milieux. La vitesse de la lumière n’est pas la même dans les deux milieux. Ce changement de valeur suffit à interpréter le changement de direction de l’onde.

Lorsque la lumière incidente est monochromatique, on parle de simple pénomène de réfraction. Dans le cas de la lumière polychromatique, la réfraction conduit alors à un phénomène plus étendu et généralisé qu’on appelle de dispersion.

Dispersion

La dispersion est le phénomène affectant une onde dans un milieu dans lequel les différentes fréquences constituant l’onde ne se propagent pas à la même vitesse. L’indice de réfraction du milieu n’est pas le même pour toutes les composantes ondulatoires d’un rayon lumineux polychrome. L’indice de réfraction dépend de la longueur d’onde des composantes de la lumière.

Dispersion

Les arcs-en-ciel sont une manifestation de la dispersion induite par réfraction des rayons du soleil par les gouttelettes d’eau en suspension dans l’air.

La lumière blanche peut aussi se décomposer en arc-en-ciel à l’aide d’un prisme de verre. La décomposition de la lumière génère des raies spectrales qui correspondent aux différentes longueurs d’ondes émises. Le terme spectre fut employé pour la première fois en 1666 par Isaac Newton pour se référer à ce phénomène par lequel un prisme de verre peut séparer les couleurs contenues dans la lumière du Soleil. Chaque « couleur spectrale » de cette décomposition correspond à une longueur d’onde précise. Etant donné que l’indice de réfraction n’est pas le même pour les différentes longueurs d’onde d’un faisceau de lumière blanche: le bleu est plus dévié que le jaune, lui-même plus dévié que le rouge…

Dans les expériences du prisme, du point de vue de l’optique géométrique, un prisme est l’association de deux dioptres plans non parallèles (air-verre-air).

prisme

Absorption

L’absorption, en électromagnétisme, désigne un processus physique par lequel l’énergie électromagnétique est transformée en une autre forme d’énergie.

Au niveau des photons, l’absorption représente le phénomène par lequel l’énergie d’un photon est capturée par une autre particule, par exemple par les électrons qui se traduit par une transition entre 2 niveaux d’énergie électronique. Le photon est alors détruit par l’opération, l’énergie électromagnétique est absorbée et transformée en énergie électronique. On voit donc que l’absorption d’un photon peut provoquer des transitions atomiques, c’est-à-dire d’exciter un atome dont l’énergie augmente par la modification de l’orbite d’un de ses électrons. Cette énergie absorbée peut par la suite être:

  • re-transformée en énergie électromagnétique par l’émission de nouveau(x) photon(s). Lorsqu’un atome excité revient à son état d’énergie fondamental, il émet un photon dont l’énergie (et donc la fréquence) correspond à une différence entre deux états d’énergie de l’atome.
  • transformée en agitation particulaire (augmentation de la vitesse de la particule) ce qui se traduit au niveau macroscopique par une augmentation de la température (l’énergie électromagnétique a été transformée en chaleur).

C’est Niels Bohr qui interpréta l’émission de lumière par l’émission d’un photon lorsque l’atome passe d’un niveau d’énergie à un autre. Le spectre d’émission de n’importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l’élément. Les photons sont ainsi des « paquets » d’énergie élémentaires, ou quanta de rayonnement électromagnétique, qui sont échangés lors de l’absorption ou de l’émission de lumière par la matière.

Pour la plupart des substances, le taux d’absorption varie avec la longueur d’onde de la lumière incidente, menant à l‘apparence de couleur dans les pigments qui absorbent certaines longueurs d’onde mais pas d’autres. Par exemple, avec une lumière blanche incidente, un objet qui absorbe les longueurs d’onde dans le bleu, vert et jaune, apparaîtra de couleur rouge. Un matériau de couleur noire absorbe toutes les longueurs d’onde (converties en chaleur), alors qu’un matériau de couleur blanche les réfléchit.

Diffraction

L’optique géométrique qui explique bien la grande partie des phénomènes de réflexion et réfraction ne permet pas d’expliquer tous les phénomènes lumineux. En particulier, elle ne tient pas compte du fait que la lumière est de nature ondulatoire. Lorsque tous les objets qui interagissent avec la lumière ont des tailles caractéristiques grandes devant la longueur d’onde du rayon lumineux alors il est convenable et plus simple d’utiliser l’optique géométrique pour décrire son comportement avec une bonne précision. Mais quand la lumière passe à travers des objets dont la taille est du même ordre de grandeur (voire plus petits) que sa longueur d’onde, alors il n’est plus possible de négliger l’aspect ondulatoire et on entre dans le domaine de l’optique ondulatoire. Deux phénomènes caractéristiques de l’optique ondulatoire, inexplicables dans le contexte de l’optique géométrique, sont les interférences lumineuses (Fentes de Young) et la diffraction.

La diffraction est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, est dévié dans de multiples directions par une interaction avec d’autres objets ou un obstacle. La diffraction décrit donc le comportement des ondes lorsqu’elles rencontrent un obstacle. Elle se manifeste par le fait qu’après la rencontre d’un objet, la densité de l’onde n’est pas conservée selon les lois de l’optique géométrique. La diffraction s’observe avec la lumière, mais également avec le son, les vagues, les rayons X…. Elle est une signature de la nature ondulatoire d’un phénomène.

On parle d’interférence lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l’une avec l’autre. La diffraction est le résultat de l’interférence des ondes diffusées par chaque point.

Diffraction

Exemple Pratique: Miroir et Photon

Soit un miroir avec un pouvoir réflecteur de 90 % (on considère qu’on reste dans le cadre la lumière visible humaine). Une source envoie simultanément 100 photons à la même fréquence contre ce miroir. Que va-t-il se passer?

  • Le miroir va réfléchir 90 photons et en absorber 10 (l’absorption des 10 photons pourrait se traduire par une petite augmentation de chaleur du miroir).

Sur quel critère 10% des photons vont passer à la “trappe” et vont être absorbé s’ils sont tous semblables. Qu’est ce qui va etre déterminant sur le choix des photons à réfléchir et ceux qui vont être absorbé ?

  • Sur la base de la nature corpusculaire de la lumière dont l’essence est intrinséquement probabiliste selon la mécanique quantique, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi et 1 chance sur 10 d’être absorbé.

Un autre question plus tordue: un seul photon est émis, et envoyé à la rencontre du miroir. Celà voudrait-il dire que 0,9 photon est réfléchi et 0,1 est absorbé? Qu’est ce que 0,9 photon?

  • A nouveau, le photon aura 9 chances sur 10 d’être réfléchi, et 1 chance sur 10 d’être absorbé.

Ce qu’il faut savoir c’est que en réalité, ça n’a même pas de sens de se demander “lesquels” des 100 photons sont réfléchis et lesquels sont absorbés, parce qu’on ne peut pas les individualiser. Il faut plutot imaginer l’état d’un champ composés de 100 photons. Ce champs va évoluer vers un nouvel état composés de 90 photons réfléchis, l’énergie manquante ayant été absorbée. La même idée peut être expliqué dans le fonctionnement des comptes bancaires: c’est comme si la banque prélevait 10 euros de frais et commission sur 100 euros déposés sur un compte… on ne se pose pas la questions sur quels sont les euros parmi les 100 qui ont été prélevés!

Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Lumi%C3%A8re

http://fr.wikipedia.org/wiki/Rayonnement_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Photon

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dualit%C3%A9_onde-particule

http://fr.wikipedia.org/wiki/Optique_g%C3%A9om%C3%A9trique

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9fraction_des_ondes

http://fr.wikipedia.org/wiki/Absorption_(optique)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Dispersion

http://fr.wikipedia.org/wiki/Diffraction

http://forums.futura-sciences.com/physique/268537-miroir-photon-oeoeoeoemoi-2-autres-menervent.html

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  • jean.teremetz@free.fr

    Bonjour

    Ce qu’est la lumière ? Page 65 et suivantes de :

    liberes-des-mathematiques-savoir-enfin-ce-qu’est-l-univers.net

    Bien cordialement Jean Vladimir Térémetz

  • http://alan.vonlanthen.org Alan

    M. Teremetz.
    Pas la peine de faire le tour des posts de ce blog pour y trouver les supports idéaux afin de placer des liens sur votre document fumeux. Les liens seront systématiquement désactivés.
    Les commentaires sont un lieu d’échange, merci de respecter les règles du jeu.
    Si vous voulez discuter de manière constructive en respectant le cadre scientifique (arguments étayés et documents de référence à l’appui), vous êtes le bienvenu.
    Si en revanche vous voulez juste faire de la pub pour votre réquisitoire anti-scientifique truffé de fautes d’orthographe, vous êtes prié d’aller le faire ailleurs.

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  • thuilliercharmet

    il y a t’il une relation entre electromagnetisme de la terre et la vision qu’un arc en ciel est courbe ?

  • Alan Vonlanthen

    Wow! J’adore ces questions qui n’ont l’air de rien comme ça mais dont la réponse est une vraie prise de tête pour les non-spécialistes ;) Ce n’était pas du tout à ma portée en tout cas, du coup, j’ai posé la question à Julien Geandrot, prof de physique, auteur de l’excellent http://physagreg.fr, et qui était venu nous présenter un super dossier sur l’électromagnétisme, justement: http://goo.gl/GVMlym

    En résumé, c’est un phénomène optique, soit une combinaison subtile d’un effet électromagnétique et de la vision.

    Voici son message avec l’explication complète :

    Ah, l’arc en ciel ! c’est le bonheur de mes élèves que je reçois en début d’année scolaire. Je joins l’exercice que je propose aux étudiants avec la correction http://goo.gl/Btp9u6 ainsi qu’un schéma que je viens de faire http://goo.gl/eNnNR8 :

    L’arc en ciel, enfin l’arc primaire que l’on observe c’est deux réfractions et une réflexion qui ont lieu dans la goutte d’eau. Si on étudie la déviation subit par un rayon en fonction de l’angle d’incidence de celui-ci, on se rend compte qu’il existe un angle pour lequel la déviation est minimale. et qu’autour de cet angle, les angles proches renvoient la lumière pratiquement dans la même direction : il y a donc une accumulation de lumière dans cette direction définit par l’angle Dm (déviation minimale).
    Un angle complémentaire de Dm, Dm’ peut aussi définir cette direction privilégiée de la lumière.
    Ainsi, c’est un angle (Dm’ par exemple) qui définit où il y a accumulation de lumière, cet angle définit un cône de sommet l’observateur. Si on coupe ce cône par un plan (un rideau de pluie), on obtient un arc de cercle (il est coupé par le sol terrestre).
    Dans le deuxième schéma, on voit que les gouttes qui sont les plus basses dans le rideau renvoient le bleu, celles du dessus, le vert, … ceci car la déviation minimale est plus grande pour les radiations bleues que pour les radiations vertes … Alors le bleu se situe proche du centre de l’arc-en-ciel primaire, ensuite le vert …
    S’il y a deux réflexions au lieu d’une, on a un arc secondaire avec inversion des couleurs …
    L’explication de l’arc-en-ciel ne fait intervenir que des notions d’optique géométrique (notion de rayon lumineux), pas de notion d’optique ondulatoire (diffraction ou interférences par exemple).

  • Pascal Tc

    merci pour votre demonstration.
    donc deux observateurs d’origine genetiques tres differents (dans leur visions due a leur visions formes par leur environnement naturel au cours des temps comme les inuits et les aborignes) pourraient voir deux arc en ciel avec des positions tres tres legerement differentes ?

    p.thuillier-charmet
    08-01-2013

  • Alan Vonlanthen

    Houla, comme vous y allez ! Attention. Tous les humains sont génétiquement extrêmement proches. On a coutume de dire qu’il y a moins de différences génétiques entre un Inuït et un Aborigène d’Australie, justement, qu’entre deux chimpanzés d’un même groupe… Mais sur le fond, oui, vous avez raison. Vous savez que l’oeil humain dispose de 3 types de photorécepteurs (les fameux cônes qui nous permettent de distinguer le vert, le rouge et le bleu). Les couleurs ne l’arc-en-ciel que nous voyons sont des combinaisons des 3. Il est certain qu’un chien (qui ne dispose que de deux types de cônes) ou une crevette-mantis qui en a 16 (si, si! 16!!) ne verront pas le même arc-en-ciel que nous ;)