LA LUMIÈRE

Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur…

SOMMAIRE

I. Présentation générale

II. Réfraction et dispersion

III. Ondulatoire vs corpusculaire

IV. Le photon, une particule quantique

V. Vers la relativité

Mais qu’est-ce que la lumière ?

I) PRÉSENTATION GÉNÉRALE

• Visible ou invisible (infrarouge et ultraviolet)

• Couleurs (=différentes fréquences)

• Plus ou moins énergétiques

• Plus ou moins intenses

• Vitesse : 300 000 km/s

• Se propage dans le vide en ligne droite

• Prend toujours le chemin le plus court énergétiquement

• Conversion en électricité, en chaleur voire en mouvement…

• Produit par les étoiles, les lampes, certains animaux

• Peut être diffusée, réfléchie et réfractée

II ) RÉFRACTION ET DISPERSION

II ) RÉFRACTION ET DISPERSION Réfraction

Déviation de la lumière lorsqu’elle change de milieu.

René Descartes (1637)

français

n1 sin( i 1) = n2 sin (i 2)

II ) RÉFRACTION ET DISPERSION

II ) RÉFRACTION ET DISPERSION

Dispersion

Décomposition plus ou moins visible de la lumière

blanche lors de la traversée d’un milieu.

Isaac Newton (1650)

anglais

La lumière blanche est la

superposition de lumières

monochromatiques.

On peut la décomposer à

l’aide d’un prisme.

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRECorpusculaire

La lumière est un flux de particules.

Ondulatoire

La lumière est une onde.

Isaac Newton (1650)

anglais

Traité Opticks

Christian Huygens (1678)

hollandais

Traité de la lumière

Théorie ondulatoire

de la lumière

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

Travaux sur la diffraction et sur les interférences (au XIXème siècle)

Augustin Jean Fresnel (1788)

français

Thomas Young (1773)

anglais

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

Théorie de Huygens-Fresnel (1835)

Grâce à l’analyse de Fourier :

Joseph Fourier (1822)

français

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

Equations de Maxwell

James Clerk Maxwell

(1831-1879)

anglais

ε0 μ0 c2 = 1La lumière est une onde électromagnétique !

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

Puis retour de la théorie corpusculaire :

Max Planck (1858 – 1947)

allemand

Prix Nobel de Physique en 1918

E = h fh : constante de Planck

Énergie limitée et quantifiée

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

Effet photoélectrique (1905)

Albert Einstein (1879 – 1955)

allemand

Prix Nobel de Physique en 1921

Résultats de l’expérience

• Il faut une lumière suffisamment

énergétique (qui dépend du matériau)

• Nombre d’électrons émis proportionnel

à l’intensité lumineuse

• Énergie des électrons proportionnelle à

la fréquence

Existence d’un quanta lumineux, d’une particule :

Le photon est né !

III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE

Spectre des atomes : quantification de l’énergie (1913)

Niels Bohr (1885 – 1962)

danois

Prix Nobel de Physique en 1922

IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUEOndulatoire

Equation de Maxwell

→ diffraction, réfraction

→ propagation dans le vide

→ lien avec l’électromagnétisme

Corpusculaire

Photon de masse nulle (<10-54kg) et de charge électrique nulle

Effet photoélectrique

→ énergie quantifiée de Planck

→ mise en évidence du photon

→ lien avec les spectres

Mécanique quantique → dualité onde corpuscule

IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE

IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUEBohr :

« Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas. »

Principes de la mécanique quantique :

• l’énergie est quantifiée (Planck, Bohr).

• On peut décrire une particule par un corpuscule ou par l’onde qui lui est associée (dualité).

• A chaque particule est associée une fonction d’onde, c’est-à-dire une loi de probabilité de présence (aspect ondulatoire de la lumière).

• La particule n’existe de façon déterminée que lorsqu’on mesure où elle se trouve ou lorsqu’on la détecte.

• La mesure perturbe ainsi l’expérience.

IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE

V ) VERS LA RELATIVITÉ

Ether (luminifère) : toile de fond de l’univers

Expérience de Michelson-Morley (1887)

pour mesurer la vitesse de la Terre par rapport à l’éther en mesurant la vitesse de la lumière à l’aide d’un interféromètre.

Albert Abraham Michelson (1852 – 1931)

américain

Prix Nobel de Physique en 1907

V ) VERS LA RELATIVITÉThéorie de la relativité restreinte (1905)

Albert Einstein (1879 – 1955)

allemand

• L’éther est un artifice physique non nécessaire à la théorie de

la relativité.

• La vitesse de la lumière (et les lois de la physique) est

invariante par changement de référentiel.

• Toute vitesse dans l’univers est inférieure à c vitesse de la

lumière considérée comme constante. (c = 299 792 458 m/s)

• Le temps devient une grandeur relative aux déplacements

des référentiels les uns par rapport aux autres.

IV ) VERS LA RELATIVITÉVers les Étoiles

c = 299 792 458 m/s

Une année lumière = 9,5 . 1012 km

Âge de l’univers = 13 milliards d’années

BIBLIOGRAPHIE

• Photographies et vidéos (licence libre)

• Documentaire La Magie du Cosmos (BBC puis Arte)

• Animation www.toutestquantique.fr

• Vidéos expériences MIT

A.Devulder