Nature de la lumière : caractère ondulatoire et structure


Banque de connaissance scientifique
Formation de l’image photographique  – Nature de la lumière

Retour au menu 
Accès à la banque de connaissance technique

Caractère ondulatoire de la lumière.

La lumière se propage en un mouvement vibratoire ou ondes.

Cette idée, émise par Huyghens au 17ème siècle, fut reprise par Young au début du 19ème siècle, puis développée successivement par Fresnel et Maxwell. Mais, entre temps, et à la suite des travaux d’Oersted et d’Ampère, Faraday développa la notion de champ, c’est-à-dire d’action par contact, représentée par des lignes de force à l’intérieur d’un diélectrique. Il découvrit, d’autre part, qu’un champ magnétique fait tourner le plan de polarisation d’un faisceau lumineux, laissant supposer, par là, une parenté étroite entre la lumière et le magnétisme.

Les expériences de Faraday formulées mathématiquement, d’abord par Gauss, furent mises à profit par Maxwell qui montra que les actions électromagnétiques se produisaient à la vitesse de la lumière. Précisant alors l’idée d’onde transversale, Maxwell considéra la lumière comme une perturbation électromagnétique. L’onde lumineuse est figurée, en chaque point de sa sphère d’émission, par deux vecteurs oscillants perpendiculaires, inscrits dans un plan lui-même perpendiculaire à la direction de propagation : l’un des vecteurs est électrique et l’autre magnétique. Un rayonnement est donc considéré comme
une variation périodique, dans l’espace, d’un champ électrique et d’un champ magnétique combinés.

Un rayon lumineux se propageant à une vitesse “c” accomplit, chaque seconde, un nombre d’oscillations complètes : v = c/λ.
v” est la fréquence de l’onde ; elle est d’autant plus élevée que “λ” est petit ( voir note 1). Comme oscillations durent une seconde, une seule oscillation dure un temps ou période : T=1/v seconde.

 

A la suite de Hertz qui, par des décharges oscillantes entre deux électrodes, montra que les ondes lumineuses et les ondes électriques ont une nature commune, on a pu représenter l’échelle des ondes électromagnétiques, sans discontinuité depuis les oscillations radioélectriques se mesurant par milliers de mètres, jusqu’aux rayons “λ” du radium inférieurs au 1/1 000 d’Angström :

  • Ondes radioélectriques plusieurs dizaines de km jusqu’à 1 mm
  • Radiations infrarouges (ou calorifiques) 1 000 µ à 0,74 µ
  • Spectre visible 740 nm à 400 nm (ou mµ)
  • Ultraviolet 400 nm à 10 nm (ou mµ)
  • Rayons non définis 100 Å à 20 Å
  • Rayons X mous vers 12 Å
  • Rayons X durs vers 0,05 Å
  • Rayons y du radium vers 0,001 Å

Tout rayonnement transporte de l’énergie. Cette énergie est décelable par l’œil humain (dans d’étroites limites) et plus généralement par la plaque photographique, la cellule photoélectrique, la pile thermoélectrique, le bolomètre (variation de résistance d’un ruban métallique) et le radiomètre de Crookes. On peut déceler ainsi un flux énergétique de 10-9 à 10-15 watt.

Structure de la lumière.

D’après la théorie ondulatoire, l’onde sphérique émise par une source lumineuse devrait se perdre dans l’espace par une dissémination progressive. Or il n’en est rien puisque, même après avoir parcouru des distances considérables, un rayon de lumière est capable de produire des effets photochimiques et photoélectriques qui nécessitent une certaine énergie.

La lumière est constituée de grains qui ne peuvent être fractionnés. Nous connaissons déjà la discontinuité de la matière qui se résout en fragments entiers indépendants : molécules, atomes, électrons… Une nature également discontinue de la lumière ne peut donc nous surprendre. Cette hypothèse, autrefois soutenue par Newton, fut reprise avec succès par Einstein.

Pourtant un rayon peut contourner un obstacle, comme le prouvent les phénomènes de diffraction et d’interférences, ce que ne saurait faire un projectile (qui serait entièrement dévié de son chemin).

Le caractère ondulatoire de la lumière étant un fait indiscutable mais insuffisant, il fallait trouver une explication rationnelle. Cela fut réalisé par l’ingénieuse association des deux théories corpusculaire et ondulatoire, d’ailleurs envisagée par Newton lui-même.

La mécanique ondulatoire, développée par L. de Broglie et Schriidinger, repose sur la théorie des quanta de Planck, perfectionnée par Bohr.

Cette théorie, suppose que les mouvements corpusculaires se font suivant une suite discontinue de valeurs entières, ou quanta.

La lumière, étant de nature vibratoire, n’est pas divisible à l’infini. Chaque oscillation complète correspond à une quantité d’énergie invariable h égale à 6,62.10-27 erg/s (voir note 2). “h” est la constante de Planck.

Si “v” est la fréquence de la radiation considérée (nombre d’oscillations par seconde) la quantité d’énergie mise en jeu pendant une seconde est “hv”, dont la valeur est d’autant plus élevée que la longueur d’onde est plus courte. Par convention, on appelle “hv” quantum d’énergie ou photon.


Note 1 : La longueur d’onde λ est caractéristique de la couleur (également sa fréquence “v”, ce qui revient au même). La longueur d’onde se mesure en prenant pour unité le micron µ. (ou millième de millimètre), le nanomètre nm (millionième de mm ou millimicron mµ) et l’Angström Å (ou dix millionième de mm). 1 nm vaut donc 10 Å.

Note 2 :  Erg : travail accompli par une force de 1 dyne déplaçant son point d’application de 1 cm dans la direction de la force. La dyne, ou 10-5 Newton, est la force qui, appliquée à une masse de 1 gramme lui communique une accélération de 1 cm par seconde F = my. 1 kg/mètre = 10′ ergs environ et 1 W = 107 ergs/s.


Retour au menu 
Accès à la banque de connaissance technique