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2. La lumière

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2.1 Les ondes électromagnétiques
2.2 Les longueurs d'ondes
2.3 Les photons

 
2.1 Les ondes électromagnétiques

Pour les physiciens, la lumière est une forme de rayonnement électromagnétique.
Il en existe une gamme infinie depuis les rayons gamma et cosmique jusqu'aux ondes radio en passant par les micro-ondes et les ondes lumineuses. Tous ces rayonnements sont de nature ondulatoire (les ondes radios possédant la plus grande longueur et les rayons cosmiques, la plus courte), et ils constituent un spectre continu dont les radiations lumineuses ne forment qu'une infime partie.
 
 Tableau 1

Le spectre électromagnétique

Dans ce tableau nous retrouvons en partant du haut le domaine des hautes fréquences
et des petites longueurs d’ondes, dans cette région les photons possèdent  une haute énergie.
En se dirigeant vers le bas du tableau, nous arrivons dans le domaine des basses fréquences
et des grandes longueurs et l’énergie photoniques va en s’affaiblissant.

   

  Longueurs
d’ondes
en mètres
Type de rayonnement Équivalence
d’échelle
  10 -15  Noyau atomique  
  10 -14 Rayons cosmiques  
  10 -12 Rayons Gamma  
  10 -10 Rayons X durs Molécule d’eau
  10 -9 Rayons X  Protéine
  10 -8 Rayons Ultra Violet Virus
  10 -7 Lumière solaire Bactérie
  10 -6 Couleurs visibles Entre 380 et 720 nanomètres
  10 -5 Infrarouge / Ondes calorifiques Cellule
  10 -4 Micro-ondes Un point dans une fin de phrase (.)
  10 -3   Balle de baseball 
  10 -2    
  1 mètre Ondes télévisuelles 1 mètre
  10 1         1 maison
  10 2      Ondes radios 1 terrain de soccer
  10 3     Ondes radios 1 kilomètre
  10 6 Ondes électriques 1000 kilomètres
  10 9   Distance de la lune
  10 10   Distance du soleil

2.2  Les longueurs d'onde
On peut dire d'une onde qu'elle est un rayon d'énergie pure qui change de propriété dépendant de sa longueur.

Quant à la lumière, elle est la partie du spectre électromagnétique perceptible par l'œil humain. Cette fraction du spectre est appelée lumière visible. Les longueurs d'onde de la lumière visible sont comprises entre environ 380 nanomètres pour le Bleu et 720 nanomètres pour le Rouge.

Décomposition de la lumière. À l'aide d'un prisme et d'une 

source de lumière blanche on décompose l'énergie lumineuse en ses principaux

éléments constitutifs visibles, les couleurs lumière.

La lumière est une sorte de mouvement ondulatoire qui se caractérise par des quantités telles que sa longueur, sa fréquence et son amplitude.

Longueur
La longueur se définit comme la distance séparant deux maxima successifs.
Cette distance est très faible, on l'exprime habituellement en nanomètres.

Un nanomètre vaut un millionième de millimètre.

Fréquence
La fréquence est le nombre de longueurs d'ondes émises par seconde.
 

Amplitude
Quant à l'amplitude, elle détermine l'intensité lumineuse ; la lumière brillante ( forte intensité ) est de grande amplitude, tandis que la pénombre ( faible intensité ) est de petite amplitude.

Pour résumer; l'onde électromagnétique est la propagation d'un mouvement vibratoire
qui se transmet dans les gaz (l'air), dans les liquides et dans les solides.
 

Longueur et amplitude d'une onde
1. La Longueur: Distance entre le début et la fin d'une vibration.
2. L'amplitude: Il s'agit de la force de la vibration qui s'exprime par la hauteur ascendante et descendante de l'onde.


La Fréquence d'une onde
Nombre de longueurs qui peuvent être complétées en une seconde.

2.3 Les photons

Le photon est sans doute un des éléments le plus mystérieux de la physique.
En 1864 le physicien écossais James Clark Maxwell mettait au point les équations
fondamentales auxquelles obéissent les champs électrique et magnétique.

Ces équations démontrent que le champ électromagnétique peut vibrer et que cette oscillation se propage dans le vide à la vitesse de la lumière (300 000 km/sec.).
Ce qui vint confirmer que la lumière est une onde électromagnétique.
Cette hypothèse n'expliquait cependant pas tous les comportements des photons.

Il fallut attendre les travaux de Max Planck en 1900 sur le rayonnement du " corps noir "
et les travaux d'Albert Einstein en 1905 sur les effets photoélectriques. Ces travaux complémentaires à Maxwell vinrent démontrer une nouvelle facette des photons.

En effet, il révélait que les photons pouvaient aussi se comporter comme des " quanta ",
c'est-à-dire des paquets exprimés par des quantités bien définies. Les quanta de lumière seront renommés photons en 1926 par le chimiste Gilbert Newton Lewis.
 

Propagation d'une onde électromagnétique dans le vide

Les photons, sont les vecteurs de la force électromagnétique.

Ils n'ont ni masse, ni charge électrique.

La lumière est un phénomène photoélectrique issu de l'interaction entre les photons et les électrons. Pour qu'il y ait de la lumière, un électron doit être arraché à l'orbite le plus éloigné du noyau atomique. Il faut donc une énergie plus grande que celle qui unie le dernier électron à son noyau. Cette énergie existe sous forme de particules que l'on nomme photons.

Les photons se propagent à la vitesse constante de 300,000 kilomètres à la seconde sous forme d'onde lumineuse. C'est ce qu'on appelle la vitesse de la lumière.

 A partir d'une source d'énergie lumineuse, des photons sont émis en un mouvement ondulatoire rectiligne.

La force de l'énergie se traduit par la fréquence d'émission de longueurs d'ondes.
Plus la fréquence est grande, plus l'énergie est forte.
Dès que la lumière arrive sur l'atome, des photons peuvent rencontrer des électrons et leur céder leur énergie; les électrons sont alors immédiatement éjectés. L'énergie des électrons arrachés varie avec la fréquence du rayonnement: Cette énergie des électrons est égale à la différence entre l'énergie des photons moins l'énergie de liaison des atomes; celle-ci est constante; lorsque la fréquence augmente, celle des électrons éjectés augmente aussi.

Le nombre d'électrons émis varie avec l'intensité (amplitude) du rayonnement.

Plus l'intensité d'un faisceau est grande, plus le nombre de photons est important,
plus il se produit de collisions entre les photons et les électrons et plus les électrons sont éjectés en nombre important.
[Fig.9 à 13] Propagation de la lumière à travers la matière

1. Un atome d'hydrogène dessiné selon le
schéma simplifié de Rutherford donne naissance à de la lumière lorsqu'un de ces éléments constitutifs, un électron, se met à osciller, par un aller retour entre deux niveaux orbitaux.
 

2. Cette oscillation est amorcée par l'apport à l'atome d'une quantité d'énergie de provenance extérieure soit celle d'un photon.
 

3. Une partie de cette énergie absorbée accroît la charge énergétique d'un électron, qui passeà un niveau supérieur; du point de vue de l'atomece phénomène se traduit par un brusque changement d'orbite. L'électron quitte son orbite et gagne un nouvel orbite.
 

4. Cependant les niveaux d'énergie les plus élevés, qui correspondent aux orbites est plus éloignés de l'atome sont moins stables. La force de liaison fait que l'électron retombe rapidement à un niveau d'énergie moindre.
 

5. L'énergie qu'il perd est récupérée sous
la forme d'une onde lumineuse, donc d'un nouveau photon et sa longueur d'onde est produite en fonction de la différence entre les niveaux d'énergie correspondant aux deux orbites.

Dans le cas de l'atome d'hydrogène, la fréquence d'oscillation de l'électron engendre une onde lumineuse dont la longueur perçue par l'oeil correspond dans le cerveau à la notion de rouge.