Nature de la lumière Que suis-je ? Particules ? Ondes ?

Les points essentiels L’évolution des idées; Nature corpusculaire; Nature ondulatoire; La mesure de la vitesse de la lumière; Le spectre électromagnétique; La lumière visible

Dans un passé très lointain … Pythagore Euclide Mais, comment se fait-il que nous ne puissions pas voir dans le noir; l'œil pourrait pourtant encore émettre des rayons? Dans un passé très lointain … Au 3e siècle avant J.-C., les Euclide et Pythagore parlaient de rayons lumineux qui étaient émis par l'œil et qui se propageaient en ligne droite.

La lumière est une particule Non! La lumière est une onde au XVIIème siècle, deux scientifiques avaient des visons différentes sur la nature de la lumière…… Isaac Newton 1643 - 1727 La lumière est une particule Christian Huygens 1629 - 1695 Non! La lumière est une onde

Ce que l’on devait expliquer… La réflexion et la réfraction de la lumière !

Newton propose sa « théorie corpusculaire » afin d’expliquer ces phénomènes. (source: “Opticks”, publié par Isaac Newton en 1704) Je pense que la lumière est composée de petites particules, appelées corpuscules …

Théorie corpusculaire Pourquoi un prisme donne-t-il des couleurs à un rayon de soleil qui le traverse? La lumière blanche est un mélange de 7 corpuscules de masses différentes qui sont déviés différemment selon leur masse.

Explication de la réflexion selon la théorie corpusculaire Selon Newton, une force perpendiculaire à la surface de réflexion s'exerce au point où la lumière frappe la surface. Elle agit à très faible distance et son intensité décroit avec l’éloignement du plan. Balle Rebond Lumière Réflexion Un très grand nombre de corpuscule Miroir

Explication de la réfraction selon la théorie corpusculaire Selon Newton les corps transparents doivent avoir assez de pores libres pour transmettre la lumière sans obstacle. Si la force réfractante est assez intense, il y a réflexion, sinon la lumière est juste déviée et c'est la réfraction Balle Lumière eau air http://www1.fis.uc.pt/museu/optiNG.htm: Newton thus described the nature of light as follows (the theory was closely linked to his mechanics): it comprises corpuscles of different masses emitted by a source; these are propagated in space at a tremendous velocity. When they reach the surface of a medium, these particles are acted upon by a refracting force, excited by them, which is perpendicular to the surface and proportional to the density of the affected body and acts at a short distance from it. This force, deflecting the trajectory of the corpuscles, causes reflection, refraction, dispersion and what Grimaldi called diffraction. Selon Newton, la lumière voyage plus vite dans la matière

Huygens propose sa « théorie ondulatoire » afin d’expliquer ces phénomènes.   (Source: « Principia » 1687) Comment admettre une théorie corpusculaire alors que deux faisceaux qui se croisent ne se dévient pas ? Le mouvement ne pouvant être accompagné d’aucun transport de matière, il est dû à des ondes.

Propagation d’une onde « Chacun des points d’un front d’onde agit comme une source de petites Ondelettes secondaires. À un instant donné ultérieur, l’enveloppe des bords avant des petites ondes forme le nouveau front d’onde. »

Construction d’Huygens pour la réflexion Alors q1 = q’1 L’angle d’incidence égal l’angle de réflexion.

Construction d’Huygens pour la réfraction et En utilisant v1 = c/n1 et v2 = c/n2 on obtient: n1 sin q 1 = n2 sin q 2 Selon Huygens, la lumière voyage moins vite dans la matière

Qui a gagné ? Conclusion : L’autorité de Newton laisse la nature ondulatoire de côté durant plus d’un siècle !

La lumière se déplace dans le vide à très grande vitesse Galilée tenta, sans succès de mesurer la vitesse de la lumière en demandant à son assistant situé une colline voisine d’ouvrir sa lanterne à l’instant où il ouvrirait la sienne. La lumière ne prend que 30 microsecondes pour parcourir la distance de 10 km séparant les deux montagnes!

Römer en 1672 Variation de la période de Io (lune de Jupiter).

Römer (suite) Variation de la période de Io (lune de Jupiter). Terre Jupiter Soleil Variation de la période de Io (lune de Jupiter). Lorsque la Terre s’éloigne de Jupiter, la période est plus longue, que lorsque la Terre se rapproche de Jupiter (15s). Ainsi, la variation de 22 minutes mesurée par Römer dans la prédiction du début de l’éclipse est causée par la distance supplémentaire que doit parcourir la lumière. Résultats: c = x / t = 2,27 x 108 m/s.

La lumière n’est pas une particule! Thomas Young C’est en 1800 que Young remet en question l’interprétation corpusculaire de la lumière. En observant les couleurs d’une bulle de savon, il voit s’entremêler deux ondes réfléchies, l’une par la face extérieure et l’autre par la face intérieure. Les vitesses de la lumière sont différentes dans l’air et dans l’eau (comme l’a montré aussi Huygens). La lumière n’est pas une particule!

Fizeau 1849

Fizeau (suite) Distance source-miroir plan  8,63 km.

Les résultats de Fizeau Si on tourne la roue dentée avec une bonne vitesse, il est possible de « bloquer » la lumière à son retour.. c = 2 d  / D Exemple: Vitesse de rotation = 12,6 révolutions/s; Nombre de dents = 720. Résultats: c =  / t = 3,13 x 108 m/s

La méthode utilisée par Foucault en 1850

La conclusion de Foucault Foucault démontre que la vitesse de la lumière dans l’eau est plus petite que la vitesse dans l’air !!! Vitesse dans l’eau = 3/4 c c = 225 000 000 m/s. A partir de l'expérience de FOUCAULT, la communauté scientifique était convaincue de la nature ondulatoire de la lumière.

Michelson en 1920 Résultats: c = 2,99796 x 108 m/s. Distance source-miroir plan  35 km; La roue dentée est remplacée par un miroir à 8 faces; Résultats: c = 2,99796 x 108 m/s. N.B. On utilise c = 3 x 108 m/s

Théorie électromagnétique de Maxwell En 1860: Théorie électromagnétique de Maxwell Prédictions d’ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière.

Les équations de Maxwell Gauss Gauss Faraday Ampère-Maxwell

Production d’onde électromagnétique On peut produire des ondes électromagnétiques en reliant deux tiges à une source de courant alternatif. Les charges en accélération dans les tiges produisent le champ en radiation représenté sur la figure. Le champ électrique est représenté par des boucles fermées alors que le champ magnétique est normal à la page.

Le champ électrique d’un dipôle oscillant

Le champ magnétique d’un dipôle oscillant

Réception de la composante électrique

Réception de la composante magnétique

Les ondes électromagnétiques

Propriétés des ondes électromagnétiques Les ondes électromagnétisme sont transversales Les ondes électromagnétisme voyagent à la vitesse de la lumière Puisque les ondes EM voyagent à la vitesse qui est précisément celle de la lumière, la lumière est une onde électromagnétique Permittivité du vide Perméabilité du vide

Propriétés des ondes électromagnétiques Le rapport du champ électrique sur le champ magnétique donne la vitesse de la lumière L’onde électromagnétique transporte de l’énergie qui peut être transférée aux objets qu’elle rencontre sur son passage

Propriétés de la lumière La vitesse de la lumière est la même pour toutes les ondes électromagnétiques. La longue d’onde  est la distance entre deux crêtes ou deux creux consécutifs. La fréquence représente le nombre d’oscillations par seconde.

Exemple 1 Soit un rayon X dont la fréquence est de 3 x 1018 Hz. Calculez la longueur d’onde de cette onde électromagnétique.

Exemple 2 Une onde électromagnétique est donnée par : a) Déterminez la longueur d’onde de cette onde électromagnétique: l = 0,03 mètre b) Déterminez la fréquence de cette onde électromagnétique: f = c / l = (3 x 10 8 m/s)/ 0,03 m = 1 x 10 10 Hertz c) Déterminez l’amplitude du champ magnétique de cette onde EM

Le T-Shirt extrême

Confirmation des prédictions de Maxwell Heinrich Hertz a été le premier à générer et détecter des ondes électromagnétiques

Expérience de Hertz

Échec de la théorie électromagnétique classique La même expérience (Hertz) qui démontrait la preuve de la nature électromagnétique de la lumière, apporta la preuve de la nature corpusculaire. On observe expérimentalement l’influence de la lumière (des électrodes émettrices) sur les électrodes de la boucle réceptrice. Effet photoélectrique (Chapitre 9)

Explication d’Einstein Au lieu de répartir l’énergie d’un faisceau de lumière dans l’espace qu’occupent les ondes électromagnétiques, cette énergie est concentrée dans un petit paquet (photon). E  f

La lumière une onde? Pas question Albert Einstein La lumière une onde? Pas question

Dualité onde-corpuscule Compton (1923): diffusion des rayons X. De Broglie (1924): nature ondulatoire des particules.

Louis de Broglie La lumière n’est ni une onde, ni une particule, mais les deux à la fois.

Le spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique

Sensibilité de l’œil humain (ultraviolet) (infrarouge) Réponse concorde avec le maximum d’émission de la lumière solaire!

Fin…