LUMIÈRE

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Optique ondulatoire

Les physiciens du xviie siècle ont posé les jalons d'un débat qui se poursuivra jusqu'au début du xixe siècle : la lumière est-elle une substance ou un mouvement spécifique ? La propagation rectiligne de la lumière semble s'expliquer plus intuitivement si on lui confère une nature corpusculaire, comme le pensait Newton dont les travaux sur l'optique commencent en 1666. À l'inverse, en 1678, le physicien hollandais Christian Huygens émit l'idée que la lumière pourrait être une vibration se propageant dans l'éther, un milieu matériel fluide très ténu remplissant tout l'Univers (Einstein en réfutera l'existence au début du xxe siècle). D'une manière générale, une onde est une perturbation qui se propage et transporte de l'énergie, provoquant localement un changement passager de certaines propriétés du milieu. La périodicité spatiale d'une onde est caractérisée par sa longueur d'onde λ. Ainsi, le son est une onde (la pression de l'air varie à son passage). On peut cependant noter une importante différence : contrairement à la lumière, le son ne se propage pas dans le vide. De plus, le son se propage plus vite dans l'eau que dans l'air – c'est l'inverse pour la lumière –, la vitesse du son augmentant avec la rigidité du milieu.

Les interférences lumineuses

Une des expériences clés de l'optique ondulatoire est l'expérience des fentes d'Young. Ce médecin anglais montra en 1804 que la superposition de deux lumières pouvait engendrer... de l'obscurité ! En éclairant avec une même source deux fentes disposées sur un cache, il observa sur un écran placé en aval une alternance de franges claires et sombres (fig. 2a). Ce phénomène d'interférences s'explique facilement dans le cadre d'une théorie ondulatoire de la lumière. Les ondes lumineuses issues de chacune des deux fentes se superposent sur l'écran : l'addition de deux maxima donne un renforcement de l'intensité lumineuse alors que la coïncidence en un point d'un minimum de l'une et d'un maximum de l'autre conduit à une annulation de l'intensité lumineuse.

Lumière : phénomènes ondulatoires

Dessin : Lumière : phénomènes ondulatoires

Phénomènes ondulatoires. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Cette conception ondulatoire allait permettre de donner une interprétation à d'autres phénomènes liés à la lumière : la diffraction, la diffusion et la polarisation. Les lois de la réflexion et de la réfraction s'inscrivent également très bien dans le cadre d'une théorie ondulatoire.

La diffraction

La diffraction de la lumière est un phénomène observable lorsque la longueur d'onde de la lumière est du même ordre de grandeur que la dimension d'un obstacle qu'elle franchit (trou, fente, etc.). Si l'image de l'objet est vue de suffisamment loin, son contour n'est pas net : on observe des figures d'interférences (zones claires ou sombres) au-delà de la zone d'éclairement prédite par l'optique géométrique (fig. 2b).

Les figures de diffraction peuvent être modélisées grâce au principe d'Huygens-Fresnel (dont l'écriture mathématique ne sera pas abordée ici) : à chaque instant, tout point d'un front d'onde peut être considéré comme une source secondaire et l'on peut obtenir la position du front d'onde à l'instant suivant en calculant la figure d'interférence entre les ondes émises par toutes ces sources ponctuelles.

La diffraction limite la possibilité d'obtenir une image nette d'un objet. Ainsi, avec de la lumière visible, le microscope optique le plus performant ne pourra pas résoudre de détails plus fins que quelques dixièmes de micromètres.

Il peut y avoir diffraction par transmission ou réflexion de la lumière. Lorsque la surface de l'objet diffractant présente une structure périodique, on obtient des propriétés très intéressantes. Un réseau est un instrument d'optique formé d'un grand nombre de traits fins gravés sur un support. L'intensité de la lumière diffractée – transmise ou réfléchie – présente des minima et des maxima dont la position dans l'espace dépend de la longueur d'onde ; on peut ainsi disperser la lumière. Les réseaux équipent de nombreux instruments utilisés pour analyser la lumière en spectroscopie. Plus quotidiennement, on peut observer l'effet d'un tel réseau en examinant la surface irisée d'un CD-ROM.

La diffraction résulte d'une adéquation entre la longueur d'onde et la dimension de l'objet. Ainsi les ondes radio ne sont pas diffractées par les obstacles (maison, collines...) et, à l'inverse, la lumière de très courte longueur d'onde, comme les rayons X, est diffractée par le réseau que constituent les atomes dans une structure périodique cristalline. Grâce à une loi énoncée par Bragg en 1915, on peut déduire de la figure de diffraction les distances caractéristiques de la structure cristalline pour de nombreux types de matériaux périodiques (métaux, polymères réticulés, protéines...).

La diffusion

Les rayons lumineux qui traversent un milieu transparent contenant de petites particules peuvent être diffusés dans de multiples directions. La taille des particules est un paramètre clé pour classer les phénomènes de diffusion. Si elle est équivalente ou inférieure au dixième de la longueur d'onde, on parle de diffusion Rayleigh, qui est plus importante pour les courtes longueurs d'onde de la lumière : ainsi, les molécules de l'air diffusent la partie bleue du rayonnement visible, donnant sa couleur au ciel. Pour des particules plus grosses, comme les gouttelettes d'eau formant les nuages, tout le rayonnement solaire est diffusé, d'où la couleur blanche de ces derniers (diffusion de Mie). C'est également la diffusion de Mie qui explique la translucidité de certains objets.

Les ondes électromagnétiques

Un des apports décisifs à la théorie ondulatoire de la lumière fut l'œuvre de l'Écossais James Clerk Maxwell. Ayant compris les similitudes qui existaient entre l'électricité et le magnétisme – un champ magnétique variant dans le temps produit un courant et, à l'inverse, un courant électrique peut dévier l'aiguille d'une boussole –, il mit au point une théorie unifiée de l'électromagnétisme (vers 1865) et postula que la lumière était une onde électromagnétique. En se propageant dans l'espace depuis un point source – qui peut être assimilé dans une approche simplifiée à un dipôle oscillant formé par l'électron dans le champ de son atome –, la lumière modifie les valeurs des champs électrique et magnétique, qui sont perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation (fig. 3).

Lumière : propagation du champ électromagnétique

Dessin : Lumière : propagation du champ électromagnétique

Propagation du champ électromagnétique. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Selon la longueur d'onde, on distingue différents domaines du spectre électromagnétique (fig. 4). Le domaine de la lumière visible par l'œil humain s'étend de 400 nm (violet) à 780 nm (rouge) environ. Lorsqu'on augmente la longueur d'onde (ce qui est équivalent à diminuer la fréquence : λ = c/ν dans le vide), on rencontre successivement les domaines de l [...]

Ondes électromagnétiques

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Différents types d'ondes électromagnétiques classées en longueurs d'onde croissantes (fréquences décroissantes). 

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Réflexion et réfraction de la lumière

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Pour citer l’article

Séverine MARTRENCHARD-BARRA, « LUMIÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lumiere/