LUMIERE - EXPLICATIONS
Vingt siècles d’études sur la lumière et un peu plus d’un demi pour la mécanique quantique pour nous permettre de comprendre aujourd’hui à notre manière ce qu’est la lumière.
la lumière : c'est quoi ?
Pour l’être humain, la lumière permet la vision, mais la lumière existe sans que notre œil soit là pour en témoigner.
La vision n’est qu’un effet parmi tout ce que la lumière produit.
La lumière, une onde
Quand on jette un caillou dans l’eau, des rides circulaires se forment à la surface et progressent du centre vers la périphérie.
Le caillou entraîne des particules d’eau vers le bas, elles tentent alors de revenir à leur position initiale mais leur inertie fait qu’elles la dépasse : elles vibrent. Leur mouvement se communique aux particules voisines, il est ainsi transmit.
On peut dire que l’onde est un état de la matière, et non la matière elle même.
Si on mesure la profondeur des vaguelettes, on détermine la taille des fronts et des creux : c’est l’amplitude.
La mesure horizontale entre le point de départ d’un front ascendant et point d’arrivée en position initiale de son front descendant correspond à la longueur d’onde.
Ce sont les deux mesures spatiales qui permettent de définir une onde, mais nous pouvons également mesurer la formation d’une onde dans le temps :
Le temps que mettent les particules d’eau à communiquer le mouvement (temps que mettent un front creux et un front haut à se former) est appelé période, c’est la durée d’une vibration.
Lorsqu’on dénombre le nombre de fronts par unité de temps, on détermine la fréquence.
La vitesse est le temps que met l’onde à parcourir une certaine distance.
En ce qui concerne la lumière, la vitesse admise est de 299 790 km/s dans le vide.
Puisque la lumière se propage même dans le vide, alors qu’une onde est un mouvement de matière, la lumière est donc constituée par quelque chose…
Le son se propage dans l’air par les vibrations des molécules qui constituent l’air.
En 1864, le physicien Maxwell étudie l’électromagnétisme et compare le comportement de la lumière aux propagations d’ondes électromagnétiques : celles-ci résultent d’un équilibre entre un champ électrique et un champ magnétique qui se déplacent sur des plans opposés.
Les deux champs sont perpendiculaires et se propagent synchroniquement, les vibrations de l’un entraînent des variations de l’autre, leurs oscillations se propagent de proche en proche comme les vaguelettes à la surface de l’eau.
Les Interférences
Les ondes peuvent se composer ou s’annuler.
Si deux ondes ont la même longueur, la même amplitude et qu’elles se propagent dans le même sens :
Elles se composent si le sommet ascendant de l’une correspond au le sommet ascendant de l’autre. On dit alors qu’elles sont en phase. L’énergie résultante est le cumul des deux ondes.
Elles s’annulent si au même instant leurs sommets sont opposés.
lDeux ondes opposées d'une demi longueur d'onde. S1 et S2 sont nos sources de lumière, les interférences ont lieu à la rencontre des cercles.
Young découvre le phénomène des interférences avec l’expérience suivante :
Lorsqu’on éclaire un écran percé d’un petit trou avec un rayonnement qui ne possède qu’une seule longueur d’onde, le trou se comporte comme s’il était lui même une petite source lumineuse, il émet un faisceau divergent.
Si on perce un deuxième trou, les deux faisceaux transmis se superposent dans une zone où ont lieu des interférences :
Alternativement, des rayures sombres et claires apparaissent.
Au centre, à égale distance des deux trous, il y a une frange intense, les ondes ont parcouru la même distance, leur différence de marche est nulle, les vibrations concordent et se renforcent.
De part et d’autre de cette frange on observe deux inter-franges sombres où les ondes s’opposent.
On peut mesurer la distance (i) entre une inter-frange et le centre de la première frange lumineuse. L’écartement (a) entre les deux trous et la distance (d) entre ceux-ci et l’écran.
On peut ainsi évaluer la longueur d’onde du rayonnement par la formule : l = i . a / d.
Cette expérience fonctionne parfaitement si la lumière est parfaitement monochromatique, mais à faible intensité, les rayures deviennent discontinues, comme s’il en résultait d’une série d’impacts individuels.
Si Young reste perplexe devant ce résultat, nous devons à Einstein l’explication de ce phénomène.
La lumière, une énergie, les photons.
En 1913, les particules qui constituent la lumière sont officiellement appelées photons.
La quantité d’énergie transportée par une onde dépend de la longueur de celle-ci.
Plus l’onde est courte, plus la quantité d’énergie transportée est grande.
L’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde.
En 1900, le physicien Max Planck découvrait que l’énergie des ondes électromagnétiques ne varie pas de manière continue, et qu’elle admet certaines valeurs précises, ce qui permet d’évaluer la quantité d’énergie transportée :
(E) représente l’énergie du rayonnement en joule par seconde
(h) est appelé constante de Planck et a la valeur de 6,625,10-34 j/s
(V) désigne la fréquence de vibration
E= h . V
Il y a émission de lumière lorsqu'au sein d'un atome, les électrons changent de niveau d’énergie. On parle d'excitation lorsqu'un électron passe à un niveau d'énergie supérieur, quand celui-ci retombe à son niveau initial, il émet de l'énergie : un photon est alors libéré.
La lumière, la notion de source lumineuse. L'incandescence
L'échauffement d'un corps provoque une accélération des atomes qui le constituent. S'il est suffisamment chauffé, des électrons vont être excités et il va se dégager des photons. Ceux-ci vont d'abord vibrer faiblement, et plus la température augmente, plus l’émission de photons va s'enrichir de vibrations plus rapides.
Ainsi, lorsqu'on chauffe un corps noir, il se met d'abord à rougir, puis à jaunir et finalement à blanchir. Il y a d'abord émission de grandes longueurs d'ondes, puis simultanément, des ondes de plus en plus courtes vont être émises. La lumière ainsi produite est la somme de toutes les longueurs d'ondes
la mesure des températures de couleur : une mise en relation de la chaleur et de la sensation de blanc...
On mesure la température de couleur de la lumière en degrés Kelvin, (0 degré Kelvin = - 273,15°C), en mesurant la température d'un corps noir en le chauffant, on donne des valeurs de références pour certains paliers qui correspondent à une qualité d'émission de lumière. Une température de couleur basse donnera une lumière très riche en rouges et pauvre en bleus. Plus la température augmente, plus les courtes longueurs d'ondes sont présentes, plus la lumière paraît blanche et même bleutée.
Lorsqu’on échauffe un filament dans une ampoule : L'ampoule possède une atmosphère qui empêche le filament de brûler, elle permet de porter le filament à une forte température (2800-3200°K). On utilise cet échauffement pour produire de la lumière.
Les premières 'lampes' étaient réalisées avec un filament simple en carbone. En chauffant celui-ci, Mr Edison à eu l'idée de le protéger pour empêcher sa combustion : l'ampoule était née.
Aujourd'hui, les filaments sont spiralés pour accroître leur longueur et augmenter ainsi la quantité de lumière produite. Ils sont en tungstène, plus résistant que le carbone. L'atmosphère des ampoules à été travaillée pour réduire au maximum la dégradation du filament.
Lors de la chauffe, le filament brûle peu à peu et des dépôts apparaissent sur le verre de l'ampoule, c'est de la matière enlevée à celui-ci qui voit sa fragilité s’accroître. On a donc cherché un moyen pour éviter cette perte et augmenter la durée de vie du filament. Les lampes halogènes sont témoins de cette évolution : le verre de l'ampoule est remplacé par du quartz, et des halogénures métalliques sont incorporées dans le gaz; résultat : les particules métalliques du filament ne se fixent plus sur le verre mais se redéposent sur le filament lui même, et le régénèrent. Ce dispositif permet ainsi d'augmenter l’échauffement du filament (puisque celui-ci brûle moins vite) et d'obtenir une lumière plus intense et dont la température de couleur est plus élevée.
la couleur