Histoire légère, nature, comportement, propagation

La lumière C'est une onde électromagnétique qui peut être capturée par le sens de la vue. Elle fait partie du spectre électromagnétique: celle connue sous le nom de lumière visible. Au fil des ans, diverses théories ont été proposées pour expliquer leur nature.

Par exemple, pendant longtemps, la conviction que la lumière consistait en un flux de particules émises par les objets ou par les yeux des observateurs. Cette croyance des Arabes et des anciens Grecs a été partagé par Isaac Newton (1642-1727) pour expliquer les phénomènes de la lumière.

Figure 1. Le ciel est bleu grâce à la dispersion du soleil dans l'atmosphère. Source: Pixabay.

Bien que Newton soit venu soupçonner que Light avait des qualités ondulées et Christian Huygens (1629-1695) a géré.

À l'aube de ce siècle, le physicien anglais Thomas Young a montré sans aucun doute que les rayons lumineux peuvent interférer les uns avec les autres, comme les ondes mécaniques le font sur les cordes.

Cela ne pouvait que signifier que la lumière était une vague et non une particule, bien que personne ne sache ce que le type d'onde était qu'en 1873, James Clerk Maxwell a déclaré que la lumière était une vague électromagnétique.

Avec le soutien des résultats expérimentaux de Heinrich Hertz en 1887, la nature ondulée de la lumière a été établie comme un fait scientifique.

Mais au début du 20e siècle, de nouvelles preuves ont surgi sur la nature corpusculaire de la lumière. Cette nature est présente dans les phénomènes d'émission et d'absorption, dans lesquels l'énergie lumineuse est transportée dans des forfaits appelés "photons".

Ainsi, puisque la lumière se propage sous forme d'onde et interagit avec la matière ainsi qu'une particule, une double nature est actuellement reconnue dans la lumière: onde-particules.

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Nature de la lumière

Il est clair que la nature de la lumière est double, se propageant comme une onde électromagnétique, dont l'énergie se présente en photons.

Ceux-ci, qui n'ont pas de masse, se déplacent sous vide avec une vitesse constante de 300.000 km / s. C'est la vitesse bien connue de la lumière dans le vide, mais la lumière peut voyager à travers d'autres médias, bien qu'avec des vitesses différentes.

Lorsque les photons atteignent nos yeux, les capteurs qui détectent la présence de lumière sont activés. Les informations sont transmises au cerveau et interprétées là-bas.

Lorsqu'une source émet un grand nombre de photons, nous le voyons comme une source brillante. Si au contraire, il en émet peu, il est interprété comme une source opaque. Chaque photon a une certaine énergie, que le cerveau interprète comme couleur. Par exemple, les photons bleus sont plus énergiques que les photons rouges.

Toute source émet généralement des photons de diverses énergies, à partir de là vient la couleur avec laquelle elle est vue.

Si rien d'autre n'émet des photons avec un seul type d'énergie, on l'appelle Lumière monochromatique. Le laser est un bon exemple de lumière monochromatique. Enfin, la distribution des photons dans une source est appelée spectre.

Une vague est également caractérisée par un certain longueur d'onde. Comme nous l'avons dit, la lumière appartient au spectre électromagnétique, qui couvre une plage de longueurs d'onde extrêmement large, des ondes radio aux rayons gamma. L'image suivante montre un faisceau de lumière blanche un prisme triangulaire. La lumière est séparée en longue longueur d'onde (rouge) et courte (bleu).

Au milieu se trouve la bande étroite de longueurs d'onde connue avec le nom du spectre visible, qui passe de 400 nanomètres (nm) à 700 nm.

Figure 2. Le spectre électromagnétique montrant la plage d'éclairage visible. Source: Source: Wikimedia Commons. Auteur: Horst Frank.

Comportement léger

La lumière a un comportement double, onde et particules comme examiné. La lumière se propage de la même manière qu'une onde électromagnétique, et en tant que telle, il est capable de transporter l'énergie. Mais lorsque la lumière interagit avec la question, elle se comporte comme s'il s'agissait d'un faisceau de particules appelé photons.

Figure 4. Propagation d'une onde électromagnétique. Source: Wikimedia Commons. Supermanu [cc by-sa 3.0 (http: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0 /]].

En 1802, le physicien Thomas Young (1773-1829) a montré que la lumière avait un comportement ondulatoire À travers l'expérience à double fente.

De cette façon, il a pu produire des interférences maximales et minimales sur un écran. Ce comportement est typique des ondes et donc jeune pouvait montrer que la lumière était une vague et pouvait également mesurer sa longueur d'onde.

L'autre aspect de la lumière est celui de particule, représenté par des packages d'énergie appelés photons, qui dans un mouvement sous vide avec la vitesse c = 3 x 10⁸ m / s et n'avez pas de masse. Mais ils ont de l'énergie ET:

E = hf

Et aussi une quantité de mouvement de magnitude:

Peut vous servir: numéro de flux: comment il est calculé et des exemples

 P = e / c

Où H C'est la constante de Planck, dont la valeur est 6.63 x 10^{-3. 4} Joule.deuxième et F est la fréquence de l'onde. Combinant ces expressions:

P = hf / c

Et depuis la longueur d'onde λ et la fréquence est liée par C = λ.F, est laissé:

P = h / λ → λ = h / p

Principe Huygens

Figure 5. Des rayons d'onde et d'éclairage qui se propagent en ligne droite. Source: SERRAY. R. Physique pour la science et l'ingénierie.

Lorsque vous étudiez le comportement de la lumière, il y a deux principes importants à prendre en compte: le principe Huygens et le principe Fermat. Le principe Huygens stipule que:

Tout point dans le front des vagues se comporte comme une source spécifique, qui à son tour produit des ondes sphériques secondaires.

Pourquoi les vagues sphériques? Si nous supposons que le médium est homogène, la lumière qui émet une source spécifique se propagera dans toutes les directions également. Nous pouvons imaginer que la lumière se propage au milieu d'une grande sphère avec les rayons distribués uniformément. Celui qui observe cette lumière perçoit qu'il se déplace en ligne droite à son œil et se déplace perpendiculairement au front de l'onde.

Si les rayons lumineux proviennent d'une source très éloignée, par exemple le soleil, le front d'onde est plat et les rayons sont parallèles. C'est l'approche du Optique géométrique.

Principe de Fermat

Le principe de Fermat stipule que:

Un éclair qui parcourt entre deux points suit la trajectoire requise par le temps minimum.

Ce principe doit son nom au mathématicien français Pierre de Fermat (1601-1665), qui l'a établi pour la première fois en 1662.

Selon ce principe, dans un milieu homogène, la lumière se propage à vitesse constante, il a donc un mouvement rectiligne uniforme et sa trajectoire est une ligne droite.

Propagation de la lumière

La lumière se propage comme une onde électromagnétique. Le champ électrique et le champ magnétique sont générés l'un à l'autre, constituant des ondes couplées qui sont en phase et perpendiculaires les unes aux autres et la direction de propagation.

En général, une vague qui se propage dans l'espace peut être décrite en termes de Front de vague. C'est l'ensemble des points qui ont la même amplitude et la même phase. Connaissant l'emplacement du front d'onde à un instant donné, vous pouvez connaître n'importe quel emplacement ultérieur, selon le principe Huygens.

Diffraction

Laser diffracté par une fente hexagonale. Lienzocien [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]

Le comportement ondulatoire de la lumière révèle clairement dans deux phénomènes importants qui surviennent lors de sa propagation: diffraction et interférence. Dans la diffraction, Les vagues, que ce soit à partir de l'eau, du son ou de la lumière, sont déformés lorsqu'ils passent par des ouvertures, des obstacles entourés ou des coins à économiser.

Si l'ouverture est grande par rapport à la longueur d'onde, la distorsion n'est pas très grande, mais si l'ouverture est petite, le changement de la forme d'onde est plus appréciable. La diffraction est une propriété exclusive des vagues, donc lorsque la lumière présente une diffraction, nous savons qu'il a un comportement non ondulé.

Interférence et polarisation

Pour sa part ingérence de la lumière se produit lorsque les ondes électromagnétiques se chevauchent qui les composent. Ce faisant, ils se joignent à Vectorly et cela pourrait conduire à deux types d'interférence:

-Constructif, lorsque l'intensité de l'onde résultante est supérieure à l'intensité des composants.

-Destructeur si l'intensité est inférieure à celle des composants.

L'interférence des ondes lumineuses se produit lorsque les vagues sont monochromatiques et maintiennent la même différence de phase tout le temps. C'est appelé la cohérence. Une lumière comme celle-ci peut provenir d'un laser par exemple. Les sources habituelles telles que les ampoules à incandescence ne produisent pas de lumière cohérente car la lumière émise par les millions d'atomes du filament modifie constamment la phase.

Mais si un écran opaque avec deux petites ouvertures les uns avec les autres, la lumière qui sort de chaque emplacement agit comme une source cohérente est placée sur cette même ampoule.

Enfin, lorsque les oscillations du champ électromagnétique sont toutes dans la même direction, le Polarisation. La lumière naturelle n'est pas polarisée, car elle est formée par de nombreux composants et chacun oscille dans une direction différente.

Jeune expérience

Au début du 19e siècle, le physicien anglais Thomas Young a été le premier à obtenir une lumière compatible avec une source de lumière ordinaire.

Dans sa célèbre expérience à double lit, il a donné la lumière à travers une fente pratiquée sur un écran opaque. Selon le principe Huygens, deux sources secondaires sont générées, qui à leur tour ont traversé un deuxième écran opaque avec deux fentes.

Peut vous servir: chaleur absorbée: formules, comment la calculer et résoudre des exercicesFigure 6. Animation de Young's Young Experiment. Source: Wikimedia Commons.

La lumière ainsi obtenue illumine un mur dans une pièce sombre. Ce qui a été vu était un schéma composé de zones alternatives et sombres. L'existence de ce modèle s'explique par le phénomène d'interférence décrit ci-dessus.

L'expérience de Young était très importante car elle montrait la nature ondulée de la lumière. Par la suite, l'expérience a été réalisée avec des particules fondamentales telles que les électrons, les neutrons et les protons, avec des résultats similaires.

Phénomènes légers

Réflexion

Reflexion de la lumière dans l'eau

Lorsqu'un rayon de lumière affecte une surface, une partie de la lumière peut être réfléchie et une autre absorbe. S'il s'agit d'un support transparent, une partie de la lumière continue son chemin à travers elle.

De plus, la surface peut être lisse, comme un miroir ou rugueux et irrégulier. À la réflexion qui se produit sur une surface lisse est appelée le reflet spéculaire, Sinon c'est réflexion diffuse ou réflexion irrégulière. Une surface très polie, comme un miroir, peut refléter jusqu'à 95% de la lumière incidente.

Le reflet spéculaire

La figure montre un rayon de lumière voyageant dans un milieu, qui peut être l'air. INCIDE avec l'angle θ₁ Sur une surface spéculaire plate et se reflète avec l'angle θ₂. La ligne désignée normale est perpendiculaire à la surface.

L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion. Source: SERRAY. R. Physique pour la science et l'ingénierie.

Le rayon incident et réfléchi et normal à la surface spéculaire sont dans le même plan. Les Grecs anciens avaient déjà observé que l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion:

θ₁ = θ₂

Cette expression mathématique est la loi sur la réflexion de la lumière. Cependant, d'autres vagues telles que Sound par exemple sont également capables de vivre une réflexion.

La plupart des surfaces sont rugueuses, et donc la réflexion de la lumière est diffuse. De cette façon, la lumière qu'ils réfléchissent est envoyée à toutes les directions, donc les objets peuvent être vus de n'importe où.

Étant donné que certaines longueurs d'onde se reflètent plus que d'autres, les objets ont des couleurs différentes.

Par exemple, les feuilles des arbres reflètent la lumière qui est approximativement au milieu du spectre visible, ce qui correspond à la couleur verte. Le reste des longueurs d'onde visibles est absorbé: de l'ultraviolet près du bleu (350-450 nm) et de la lumière rouge (650-700 nm).

Réfraction

Phénomène de réfraction. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]

La réfraction de la lumière se produit car la lumière se déplace à différentes vitesses selon le milieu. Dans un vide, la vitesse de la lumière est C = 3 x 10⁸ m / s, mais lorsque la lumière atteint un milieu de matériau, des processus d'absorption et d'émission surviennent qui font que l'énergie diminue, et avec elle la vitesse.

Par exemple, lorsqu'il se déplaçant dans l'air, la lumière se déplace rapidement ainsi que C, mais dans l'eau, la lumière se déplace à trois quarts de c, Tandis que dans le verre, il fait environ les deux tiers de c.

Indice de réfraction

L'indice de réfraction est indiqué n Et il est défini comme le quotient entre la vitesse de la lumière dans le vide c Et sa vitesse dans ledit médium V:

N = c / v

L'indice de réfraction est toujours supérieur à 1, car la vitesse de la lumière dans le vide est toujours supérieure à celle d'un milieu matérial. Certaines valeurs N typiques sont:

-Air: 1.0003

-Eau: 1.33

-Verre: 1.5

-Diamond: 2.42

Loi de Snell

Lorsqu'un rayon de lumière affecte obliquement dans la frontière entre deux milieux, comme l'air et le verre par exemple, une partie de la lumière est réfléchie et une autre partie suit son chemin à l'intérieur du verre.

Dans ce cas, la longueur d'onde et la vitesse éprouvent une variation lors du passage d'un moyen à l'autre, mais la fréquence. Puisque v = c / n = λ.F  Et aussi dans le vide C = λo. F, Alors vous avez:

(λ_soit.f / n) = λ.f → λ = λ_soit/ n

C'est-à-dire que la longueur d'onde dans un milieu donné est toujours inférieure à la longueur d'onde dans un vide λo.

Figure 8. Loi de Snell. Source: Figure gauche: Schéma de réfraction léger. Rex, un. Fondamentaux de la physique. Figure de droite: Wikimedia Commons. Josel7 [cc by-sa 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)].

Notez les triangles qui ont une hypoténuse commune en couleur rouge. Dans chaque milieu, l'hypoténuse mesure λ₁/ sin θ₁ et λ₂/ sin θ₂ respectivement, compte tenu du fait que λ et v sont donc proportionnels:

Peut vous servir: propriétés optiques des matériaux

λ₁/ sin θ₁ = λ₂/ sin θ₂

Comme λ = λ_soit/ n il faut que:

(λ_soit/ n₁) / Sen θ₁ = (λ_soit/ n₂) / Sen θ₂

Qui peut être exprimé comme:

n_{1 .} sin θ₁ = n₂ .sin θ₂

Ceci est la formule de la loi de Snell, en l'honneur des mathématiques néerlandais.

Alternativement, la loi de Snell est écrite en termes de vitesse de la lumière dans chaque environnement, en utilisant la définition de l'indice de réfraction: N = c / v:

(CV₁) . sin θ₁ = (CV₂) .sin θ₂

V_{2 .} sin θ₁ = V₁ .sin θ₂

Dispersion

Comme expliqué ci-dessus, la lumière est composée de photons avec des énergies différentes, et chaque énergie est perçue comme une couleur. La lumière blanche contient des photons de toutes les énergies et peut donc être décomposé en lumières de différentes couleurs. Cela consiste en la dispersion de la lumière, qui avait déjà été étudiée par Newton.

Les gouttes d'eau dans l'atmosphère se comportent comme de petits prismes. Source: Pixabay.

Newton a pris un prisme optique, Ray un faisceau de lumière blanche à travers lui et a obtenu des bandes de couleurs qui sont passées du rouge au violet. Cette bande est le spectre de la lumière visible vue sur la figure 2.

La dispersion de la lumière est un phénomène naturel, dont nous admirons la beauté dans le ciel lorsque l'arc-en-ciel est formé. La lumière du soleil affecte les gouttes d'eau dans l'atmosphère, qui agissent comme de minuscules prismes égaux à Newton, dispersant la lumière.

La couleur bleue avec laquelle nous voyons le ciel est également une conséquence de la dispersion. Riche en azote et en oxygène, l'atmosphère disperse principalement les tons de bleu et de violet, mais l'œil humain est plus sensible au bleu et donc nous voyons le ciel de cette couleur.

Lorsque le soleil est plus bas à l'horizon, pendant le lever du soleil ou le coucher du soleil, le ciel est teint à partir de tons orange grâce aux rayons de lumière doit traverser une couche plus épaisse de l'atmosphère. Les tons rougeâtres à faible fréquence interagissent moins avec les éléments de l'atmosphère et profitent de l'occasion pour atteindre la surface.

Atmosphères abondantes dans la poussière et la pollution, comme celles de certaines grandes villes, ont l'air d'un ciel grisâtre en raison de la dispersion des basses fréquences.

Théories légères

La lumière a été considérée comme fondamentalement comme une particule ou comme une vague. La théorie corpusculaire que Newton a défendu, considérée comme une lumière comme un faisceau de particules. Tandis que la réflexion et la réfraction pouvaient être expliquées correctement en supposant que la lumière était une vague, comme l'a dit Huygens.

Mais bien avant ces scientifiques notables, les gens avaient déjà spéculé sur la nature de la lumière. Parmi eux ne pouvaient pas manquer le philosophe grec Aristote. Vous trouverez ci-dessous un bref résumé des théories de la lumière au fil du temps:

Théorie aristotélicienne

2.500 ans, Aristotle a déclaré que la lumière est apparue des yeux de l'observateur, a éclairé les objets et est revenu d'une manière ou d'une autre avec l'image afin qu'elle puisse être appréciée par la personne.

Théorie corpusculaire de Newton

Newton a cru que la lumière se composait de petites particules qui se propagent en ligne droite dans toutes les directions. Quand ils atteignent les yeux, ils enregistrent la sensation comme une lumière.

Huygens Théorie ondulante

Huygens a publié une œuvre intitulée Traité de la lumière dans lequel il a proposé que c'était une perturbation de l'environnement similaire aux ondes sonores.

Théorie électromagnétique de Maxwell

Alors que l'expérience à double rafraîchissement ne laissait aucun doute sur la nature ondulée de la lumière, pendant une grande partie du XIXe siècle, il a été spéculé sur le type de vague qui était, jusqu'à ce que Maxwell dit dans sa théorie électromagnétique que la lumière consistait en la propagation d'un électromagnétique champ.

La lumière en tant qu'onde électromagnétique explique les phénomènes de propagation de la lumière comme décrit dans les sections précédentes et est un concept accepté par la physique actuelle, tout comme la nature corpusculaire de la lumière.

Théorie corpusculaire d'Einstein

Selon la conception moderne de la lumière, cela se compose de particules sans masse et sans charge appelée photons. Malgré aucune masse, ils ont du temps et de l'énergie, comme expliqué ci-dessus. Cette théorie explique de manière satisfaisante la manière dont la lumière interagit avec la matière, en échangeant de l'énergie en quantités discrètes (quantifiées).

L'existence de celles de la lumière a été proposée par Albert Einstein pour expliquer le effet photoélectrique Découvert par Heinrich Hertz quelques années auparavant. L'effet photoélectrique consiste en l'émission d'électrons par une substance sur laquelle un certain type de rayonnement électromagnétique a été influencé, presque toujours dans le rang de lumière ultraviolette à visible.

Les références

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8. Shipman, J. 2009. Une introduction aux sciences physiques. Douzième édition. Brooks / Cole, Cengage Editions.
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