Qu'est-ce que la lumière ?
Le spectre lumineux
décomposé par les gouttes d'eaux
La question de la nature de la
lumière intrigua bon nombre de scientifiques et de savants:
certains pensaient que la lumière était une onde,
d'autres pensaient qu'elle était constituée de petit
corpuscule. La question fut tranché lorsque l'on
découvrit que la lumière subissait une diffraction, lors
de son passage dans un petit obstacle. La diffraction est un
phénomène propre aux ondes, la lumière serait donc
une onde. Or, on découvrit aussi au début du XXème
siècle que la lumière est constituée de
corpuscules. Qui avait tort ? Qui avait raison ? En
réalité, les deux camps ont raison, la lumière est
à la fois une onde, et un ensemble de corpuscule (nous
reviendrons sur ce point dans le chapitre sur la mécanique
quantique). Nous allons donc voir dans ce chapitre quelques
caractéristiques de la lumière, dans un premier temps
nous verrons les caractéristiques de la lumière en tant
qu'onde, puis nous parlerons ensuite du modèle corpusculaire.
La lumière est une onde
électromagnétique. Elle se
propage dans le vide à une vitesse d'environ 300 000 km/s,
limite infranchissable fixée par la relativité
restreinte d'Einstein. Avant de rentrer dans les
caractéristiques de la lumière, nous devons d'abord nous
familliariser avec quelques notions concernant les ondes. La longueur
d'onde d'une onde est la distance entre deux crêtes ou deux creux
de l'onde. La longueur d'onde est inversement proportionnelle à
la fréquence de l'onde, c'est à dire que plus la longueur
d'onde est grande, plus la fréquence est petite, et inversement,
plus la longueur d'onde est petite, plus la fréquence est grande.
Vous avez déjà surement entendu parler d'infrarouge,
ultraviolet ou encore de rayons X. En réalité, tous
ces types de rayonnement sont de même type que la lumière.
Ce qui définit la nature du rayonnement est sa longueur d'onde
(voir schéma ci-dessous). Par exemple, les ondes radio ont une
longueur d'onde de 10cm environ. La lumière visible (les
couleurs de l'arc-en-ciel, rouge orange jaune vert bleu violet) se
situe sur une toute petite portion du spectre, entre 700 nm
(nanomètre) et 400 nm. Les couleurs proviennent du fait que la
lumière blanche soit absorbée par les
éléments chimiques, qui ne laisse passer que certaines
longueurs d'ondes. Ainsi, si vous voyez un objet rouge, cela signifie
que les éléments chimiques le constituant ont
absorbés les couleurs vertes, bleu et violette, pour ne laisser
passer que les longueurs d'ondes correspondantes aux rouge, orange et
jaune. Prenons un exemple concret: notre ciel est bleu, pourquoi ? Car
notre atmosphère absorbe la partie inférieure du spectre,
correspondant aux grandes longueurs d'ondes et ne laisse passé
que les petites longueurs d'ondes correspondant aux couleurs rouge,
orange et jaune.
Le spectre
électromagnétique (cliquer pour agrandir).
Maintenant que nous
avons vu l'aspect ondulatoire de la lumière, nous allons nous
intéresser à l'aspect corpusculaire. Nous verrons
cependant dans le chapitre consacré à la mécanique
quantique ce qui a conduit à ériger une théorie
corpusculaire de la lumière.
La particule de lumière, les "grains de lumière" sont
appelés les photons. Le photon est une particule ne
possédant pas de masse. Il se déplace à la vitesse
de la lumière, qui est d'environ 300 000 km/s comme nous l'avons
déjà vu. Dans le modèle corpusculaire de la
lumière, il faut raisonner en terme d'énergie.
L'énergie d'un photon est inversement proportionnelle
à la longueur d'onde de la lumière correspondante. Par
exemple, pour les rayons gamma, dont la longueur est très
petite, de l'ordre de 0,001 nm, les photons seront extrêmement
énergétique, tandis que pour les ondes radio, dont la
longeur d'onde est relativement grande (environ 10cm), les photons
auront une faible énergie.
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