Sciences · Physique
La lumière
La lumière est une onde électromagnétique, également décrite comme un flux de photons. L’œil humain perçoit les longueurs d’onde comprises entre environ 400 et 750 nanomètres.
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La lumière nous permet de voir, apporte l’énergie du Soleil à la Terre et transporte presque toute l’information que nous avons sur l’Univers. Sa nature a fait l’objet d’un des plus longs débats de l’histoire des sciences : onde ou particule ? La réponse moderne est qu’elle possède les deux aspects. On la décrit comme une onde électromagnétique pour expliquer sa propagation, et comme un ensemble de photons pour expliquer ses échanges d’énergie avec la matière.
Une onde électromagnétique
Une onde électromagnétique est une oscillation couplée d’un champ électrique et d’un champ magnétique, perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation. Contrairement au son, elle n’a besoin d’aucun milieu : elle se propage dans le vide, à la vitesse de la lumière, c = 299 792 458 m/s.
Elle est caractérisée par :
- sa longueur d’onde λ (distance entre deux crêtes, en mètres ou nanomètres) ;
- sa fréquence ν ou f (nombre d’oscillations par seconde, en hertz) ;
- reliées par
c = λ × ν.
Le spectre électromagnétique
La lumière visible n’est qu’une petite partie du spectre électromagnétique.
| Domaine | Longueur d’onde | Exemples d’usage |
|---|---|---|
| Ondes radio | > 1 mm (jusqu’à plusieurs km) | Radio, télévision, téléphonie |
| Micro-ondes | 1 mm à 30 cm | Four, Wi-Fi, radar |
| Infrarouge | 750 nm à 1 mm | Chaleur, télécommandes, vision nocturne |
| Visible | ≈ 400 à 750 nm | Vision humaine |
| Ultraviolet | 10 à 400 nm | Bronzage, stérilisation |
| Rayons X | 0,01 à 10 nm | Radiographie |
| Rayons gamma | < 0,01 nm | Radioactivité, radiothérapie |
Plus la longueur d’onde est courte, plus la fréquence est élevée et plus chaque photon transporte d’énergie. C’est pourquoi les UV, les X et les gamma peuvent endommager l’ADN, alors que les ondes radio ne le peuvent pas.
Les couleurs
Les couleurs du spectre visible
| Couleur | Longueur d’onde approximative |
|---|---|
| Violet | 400 – 450 nm |
| Bleu | 450 – 490 nm |
| Vert | 490 – 570 nm |
| Jaune | 570 – 590 nm |
| Orange | 590 – 620 nm |
| Rouge | 620 – 750 nm |
En 1666, Isaac Newton décompose la lumière blanche du Soleil avec un prisme et montre qu’elle est un mélange de toutes les couleurs ; un second prisme les recompose en lumière blanche. L’arc-en-ciel résulte du même phénomène, les gouttes de pluie jouant le rôle de prismes.
Synthèse additive et soustractive
- Synthèse additive (écrans, projecteurs) : on superpose des lumières. Rouge + vert + bleu = blanc ; rouge + vert = jaune.
- Synthèse soustractive (peinture, imprimerie) : chaque pigment absorbe une partie de la lumière. Cyan + magenta + jaune = noir (en théorie).
Un objet nous apparaît rouge parce qu’il diffuse surtout le rouge et absorbe les autres couleurs. Le ciel est bleu parce que les molécules de l’air diffusent beaucoup plus les courtes longueurs d’onde (diffusion de Rayleigh) ; au coucher du soleil, la lumière traverse plus d’atmosphère, le bleu est diffusé en route et il reste surtout du rouge et de l’orange.
Les propriétés de la lumière
Propagation rectiligne
Dans un milieu homogène, la lumière se propage en ligne droite. C’est ce qui explique les ombres et les éclipses.
Réflexion
Sur une surface lisse (miroir), l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence. Sur une surface rugueuse, la lumière est renvoyée dans toutes les directions (réflexion diffuse) : c’est ainsi que nous voyons les objets non lumineux.
Réfraction
En passant d’un milieu à un autre (air vers eau), la lumière change de vitesse et de direction. La loi de Snell-Descartes s’écrit n₁ × sin i₁ = n₂ × sin i₂, où n est l'indice de réfraction du milieu (n = c / v).
| Milieu | Indice n | Vitesse de la lumière |
|---|---|---|
| Vide | 1 | 299 792 km/s |
| Air | 1,000 3 | ≈ 299 700 km/s |
| Eau | 1,33 | ≈ 225 000 km/s |
| Verre ordinaire | ≈ 1,5 | ≈ 200 000 km/s |
| Diamant | 2,42 | ≈ 124 000 km/s |
La réfraction explique le bâton qui paraît brisé dans l’eau, les lentilles, les lunettes et le fonctionnement de l’œil. La réflexion totale, qui se produit au-delà d’un angle limite, guide la lumière dans les fibres optiques.
Diffraction et interférences
En passant par une fente très fine, la lumière s’étale ; deux faisceaux qui se superposent produisent des franges claires et sombres. L’expérience des fentes de Young (1801) a prouvé la nature ondulatoire de la lumière.
Onde ou particule ? La dualité
| Époque | Savant | Modèle |
|---|---|---|
| 1690 | Christiaan Huygens | Onde |
| 1704 | Isaac Newton (Opticks) | Corpuscules |
| 1801 | Thomas Young | Onde (interférences) |
| 1818 | Augustin Fresnel | Théorie ondulatoire de la diffraction |
| 1865 | James Clerk Maxwell | Onde électromagnétique |
| 1905 | Albert Einstein | Quanta de lumière (effet photoélectrique) |
| 1926 | Gilbert Lewis | Nom de « photon » |
L'effet photoélectrique (des électrons arrachés à un métal par la lumière) ne s’explique que si la lumière arrive par paquets d’énergie E = h × ν, où h ≈ 6,626 × 10⁻³⁴ J·s est la constante de Planck. Einstein reçoit pour cette explication le prix Nobel de physique 1921. La lumière est donc à la fois onde et particule : c’est la dualité onde-corpuscule, fondement de la mécanique quantique.
La lumière et l’œil
La rétine contient des bâtonnets, très sensibles mais qui ne distinguent pas les couleurs (vision de nuit), et trois types de cônes, sensibles au rouge, au vert et au bleu. Le cerveau reconstitue toutes les couleurs à partir de ces trois signaux, d’où le principe RVB des écrans.
Questions fréquentes
La lumière a-t-elle une masse ?
Non, le photon a une masse nulle. Il transporte cependant de l’énergie et une quantité de mouvement : la lumière exerce une pression, exploitée par les voiles solaires.
Pourquoi la lumière blanche se décompose-t-elle dans un prisme ?
Parce que l’indice de réfraction du verre dépend de la longueur d’onde : le violet est plus dévié que le rouge. Les couleurs, mélangées dans la lumière blanche, se séparent (dispersion).
Le noir est-il une couleur ?
Physiquement, le noir est l’absence de lumière visible perçue : un objet noir absorbe presque toutes les longueurs d’onde. Le blanc, à l’inverse, les diffuse toutes.
Quelle est la différence entre lumière et rayonnement ?
Le rayonnement électromagnétique couvre tout le spectre, des ondes radio aux rayons gamma. La lumière en est la partie visible. Le rayonnement nucléaire comprend en outre des particules (alpha, bêta) qui ne sont pas de la lumière.