LUMIÈRE
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
Lumière : phénomènes ondulatoires
Encyclopædia Universalis France
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.
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.[...]
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Écrit par
- Séverine MARTRENCHARD-BARRA : chargée de recherche au C.N.R.S., Institut des sciences moléculaires d'Orsay, université de Paris-XI
Classification
Médias
Réflexion et réfraction de la lumière
Encyclopædia Universalis France
Lumière : phénomènes ondulatoires
Encyclopædia Universalis France
Lumière : propagation du champ électromagnétique
Encyclopædia Universalis France
Autres références
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LUMIÈRE, notion de
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