La lumière

Chapitre I
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I. LA LUMIERE
Ce chapitre contient un bref aperçu des connaissances actuelles sur la vision et sur la nature de la
lumière.
A. La lumière et la vision
1. Source lumineuse
La lumière est émise par des sources lumineuses ou sources de lumière : le Soleil, les
étoiles, les lampes, les lasers …
Le Soleil émet de la lumière « blanche », les lasers émettent de la lumière
monochromatique (d’une seule couleur). L’arc-en-ciel résulte de la dispersion des lumières
monochromatiques qui constituent la lumière blanche.
2. La vision
Dans l’Antiquité, les Hommes ont crû que la vision résultait de rayons visuels émis par
l’œil et allant { la rencontre des objets pour les analyser, les sources de lumière ne servant qu’{
éclairer la scène regardée. Il subsiste parfois quelque chose de cette théorie dans les explications
spontanées des étudiants.
Cependant, l’étude anatomique et physiologique de l’œil a montré que les rayons
lumineux entrent dans l’œil par la pupille et vont impressionner la rétine, ce qui produit une
information qui est véhiculée par le nerf optique jusqu’au cerveau. Celui-ci interprète ces
données et alors nous voyons.
Nous reviendrons sur la description et la modélisation de l’œil au fur et { mesure de
notre progression.
B. Nature de la lumière
1. L’optique géométrique et la nature de la lumière
Nous allons apprendre l’optique géométrique et bien que cette branche de l’optique
fonctionne sans faire d’hypothèse sur la nature de la lumière, nous nous poserons quand même
la question suivante : « De quoi la lumière est-elle constituée ?».
2. La lumière, onde et corpuscule
Au XIXe siècle, deux théories s’opposaient : la théorie corpusculaire et la théorie
ondulatoire. La première affirme que la lumière est constituée de particules (ou corpuscules
maintenant nommés photons), la seconde que la lumière est une onde.
Les particules rebondissent sur une surface (comme des balles), les ondes s’y
réfléchissent (par exemple, quand vous entendez l’écho de votre voix, l’onde sonore que vous
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avez émise, s’est réfléchie sur un obstacle avant de revenir vers vous). Les deux théories rendent
compte de la réflexion de la lumière.
Lors d’interférences lumineuses, de la lumière superposée { de la lumière donne, soit de
la lumière - ce qui semble normal - soit de l’obscurité - ce qui surprend. Cependant cela
s’explique facilement si la lumière est une onde.
Lors de l’effet photoélectrique, dans certaines conditions, de la lumière éclairant un
métal lui arrache des électrons. Les conditions nécessaires pour que cela se produise sont
facilement expliquées si la lumière est constituée de particules.
Chaque théorie avait donc ses succès et ses échecs. La théorie corpusculaire explique
facilement la réflexion et l’effet photoélectrique mais ne peut interpréter aisément les
interférences lumineuses tandis que la théorie ondulatoire explique la réflexion ainsi que les
interférences mais ne peut interpréter l’effet photoélectrique.
3. La lumière, système quantique
Le XXe siècle a dépassé les deux points de vue grâce à la théorie quantique qui interprète
tous les phénomènes lumineux. L’adjectif quantique est inspiré du latin quantum (au pluriel
quanta) pris dans le sens de quantité indivisible. Selon cette théorie, l’énergie lumineuse n’est
pas répartie de façon continue dans l’espace comme celle d’une onde, mais est constituée de
quanta toujours nommés photons, qu’aucun système classique ne peut représenter.
Cependant, selon les conditions expérimentales, la lumière semble apparaître plutôt
comme une onde ou plutôt comme une particule, ce que l’on nomme « dualité onde-corpuscule »
et qui explique les succès de chacune des théories antérieures.
Chaque particule photon est caractérisée par son énergie E et chaque onde
monochromatique (d’une seule couleur) est caractérisée par sa fréquence f ou sa période T
(inverse de sa fréquence). La théorie quantique relie la particule { l’onde par la relation :
E=hf
qui a été introduite par Albert Einstein pour interpréter l’effet photoélectrique. La constante de
Planck, h = 6,62. 10-34 J.s (joule.seconde), est une constante universelle, c’est { dire qu’elle ne
dépend de rien (sauf des unités choisies !).
Pour terminer ce paragraphe, calculons l’énergie d’un photon de lumière jaune ; la
fréquence est d’environ 5. 1014 Hz, donc l’énergie h f vaut environ 3. 10-19 J.
La vision résulte de l’interprétation par le cerveau de l’information apportée par les rayons
lumineux entrant dans l’œil.
La lumière est constituée de photons. La théorie actuelle affirme que chaque photon est un système
quantique caractérisé par son énergie.