Théorie ondulante de la lumière Explication, applications, exemples

La Théorie ondulante de la lumière C'est une théorie qui cherche à expliquer la nature de la lumière et considère que c'est une onde électromagnétique. Il a été formulé en 1678 par le physicien néerlandais Christian Huygens, bien qu'à l'époque il ait peu accepté par d'autres scientifiques.

Tout au long de son histoire, l'humanité a toujours ressenti un intérêt vivant à comprendre la lumière et à chaque époque, les scientifiques et les penseurs ont élaboré diverses théories. Cependant, la théorie ondulée est celle qui explique avec les plus grands phénomènes de la lumière, comme les interférences, qui consistent au chevauchement de deux ou plusieurs vagues dans un lieu d'espace.

Figure 1. La théorie ondulante de la lumière a été créée par le physicien néerlandais Christian Huygens en 1678. Source: F. Zapata.

L'interférence est un phénomène qui ne se produit que dans les vagues, pas dans les particules (au niveau macroscopique).

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Histoire

Les découvertes scientifiques du XIXe siècle ont apporté des preuves solides qui soutiennent la théorie ondulante. L'un d'eux était le modèle de bandes claires et sombres que le physicien anglais Thomas Young a trouvé dans sa célèbre expérience à double fente. Seules les vagues sont capables d'un tel comportement (voir figure 7).

Mais avant cela, la lumière était également considérée comme un flux de particules qui émanait des objets: c'est la théorie corpusculaire de la lumière proposée par Isaac Newton (1642-1727), dont Huygens était plus ou moins contemporain.

Figure 2: Théorie des Huygens et Einstein

Avec sa théorie corpusculaire, Newton pourrait également expliquer de manière satisfaisante des phénomènes quotidiens tels que la réfraction et la réflexion. Et au début du 20e siècle, de nouvelles découvertes ont émergé en faveur de cette théorie.

Ensuite, il vaut la peine de demander: quelle est la lumière enfin? La réponse est à double nature: lors de la propagation, la lumière présente un comportement d'onde et lors de l'interaction avec la matière, elle le fait comme une particule: le photon.

Explication

La réflexion et la réfraction de la lumière sont des comportements qu'il a lorsqu'il passe d'un moyen à un autre. Grâce à la réflexion, nous voyons notre réflexion sur les surfaces et miroirs en métal polis.

Peut vous servir: électricité statiqueFigure 3: Réfraction légère

La réfraction est observée lorsqu'un crayon ou une tige semble être divisé en deux en étant partiellement submergé dans l'eau ou que nous les voyons simplement à travers le verre du verre.

Figure 4. La réfraction de la lumière lors du passage de l'air à différents supports, comme le verre et l'eau, car dans chacun change sa direction et sa vitesse. Source: Wikimedia Commons. Par Mehran Moghtadai - propre travail, CC par -sa 3.0.

D'un autre côté, la lumière se déplace en ligne droite, quelque chose que Christian Huygens avait également observé et l'expliquer. Huygens a proposé ce qui suit:

-La lumière se compose d'un front d'onde plat qui se propage après une ligne droite.

-La réflexion et la réfraction se produisent car chaque front d'onde équivaut à un éclair.

-Un support matériel appelé éther est nécessaire, de sorte que la lumière se propage, car le son a besoin de l'air pour transmettre.

Huygens croyait que la lumière était une vague longitudinale, ainsi que le son, dont le comportement était bien mieux connu pour le temps grâce aux expériences de Robert Boyle (1627-1691). Cela s'est reflété dans son travail intitulé Traité de la lumière.

De nombreux scientifiques ont cherché avec impatience à l'éther proposé par Huygens, mais je ne l'ai jamais trouvé.

Et comme la théorie corpusculaire de Newton a également expliqué la réflexion et la réfraction, cela a prévalu jusqu'au début du XIXe siècle, lorsque Thomas Young a effectué sa célèbre expérience.

Principe Huygens

Pour expliquer la réflexion et la réfraction de la lumière, Huygens a développé une construction géométrique appelée Principe Huygens:

Tout point d'un front d'onde est, à son tour, une source ponctuelle qui produit également des ondes sphériques secondaires.

Ce sont des ondes sphériques, car nous supposons que l'environnement dans lequel ils voyagent est homogène, donc une source légère émet des rayons qui se propagent dans toutes les directions également. Sur les fronts ou les surfaces d'onde, tous les points sont dans le même état de vibration.

Peut vous servir: soleil

Mais lorsque la source est suffisamment éloignée, un observateur perçoit que la lumière se déplace dans la direction perpendiculaire au front de l'onde, qui est perçue comme un plan à cause de la distance, et le fait également en ligne droite.

Cela se produit avec les rayons d'une source relativement lointaine, comme le soleil.

Figure 5. La lumière se propage en ligne droite et perpendiculaire aux fronts d'onde. Si la source est distante, les fronts sont considérés comme des plans. Source: F. Zapata.

Lumière comme onde électromagnétique

Ceci est une prédiction des équations faites par James Clerk Maxwell (1831-1879) au cours du 19e siècle. Lorsque les champs électriques et magnétiques dépendent du temps, ils sont liés de telle manière que l'un d'eux génère l'autre.

Couplées, les champs se déplacent comme une onde électromagnétique capable de se propager même dans le vide.

Figure 6.- Une onde électromagnétique, composée d'un champ électrique et d'un autre magnétique, perpendiculaire les uns aux autres. À son tour, la vague se déplace perpendiculaire. Source: Wikimedia Commons.

Les champs électriques et magnétiques sont perpendiculaires les uns aux autres et la direction de la propagation des vagues. La lumière n'est pas une onde longitudinale, comme le croyait Huygens, mais transversal.

Lorsque les atomes et les molécules réorganisent leurs électrons constituants émettent de la lumière, donc cela se produit dans notre soleil. De là, la lumière se déplace dans le vide de l'espace à vitesse constante, il arrive sur Terre et est en route vers des milieux matériels, comme l'air et l'eau.

La lumière visible occupe une petite bande de fréquences dans le spectre électromagnétique, car nous ne voyons que ceux auxquels l'œil est sensible.

Exemples de théorie corpusculaire

La nature ondulée de la lumière et sa propagation rectiligne se révèle dans:

Peut vous servir: qu'est-ce qu'un processus isotherme? (Exemples, exercices)

-Les phénomènes de toutes sortes d'ondes, cette lumière est également capable d'expérimenter, comme la polarisation, les interférences, la diffraction, la réflexion et la réfraction.

-Les couleurs irisées qui se forment dans des couches minces de savon.

-L'expérience de Young, dans laquelle un front de vague affecte les deux fentes, donnant naissance à de nouvelles fronts de vague qui se combinent (interférant) sur l'écran opposé. Il y a un motif caractéristique de bandes brillantes alternant avec des bandes sombres.

Figure 7. Expérience à double fente de Young. Source: physique. Santillana hypertexte.

-La formation d'ombres, les zones sombres qui apparaissent lorsqu'un objet se dresse entre la lumière et nos yeux. Si la lumière ne se propage pas de manière rectiligne, il serait possible de voir à travers des objets opaques.

Applications

En possédant des qualités d'onde, la lumière a d'innombrables applications:

Films minces

L'interférence destructrice de la lumière dans les films minces - comme les bulles de savon susmentionnées - est appliquée pour fabriquer des revêtements anti-réfléchissants pour les verres pour les verres.

Le laser

C'est une source lumineuse intense et cohérente, qui a été possible à construire une fois que la nature de la lumière de la lumière a été comprise.

Holographie

Il s'agit d'une technique dans laquelle le modèle d'interférence d'un objet à trois dimensions est enregistré sur une plaque photographique plate.

Ensuite, la plaque avec la source lumineuse appropriée (généralement laser) a illuminé l'image à trois dimensions de l'objet.

Polarimétrie

Il s'agit d'une technique qui utilise la polarisation de la lumière, un phénomène qui surgit lorsque le champ électromagnétique va toujours dans la même direction.

La polarimétrie est appliquée industriellement pour connaître les domaines où les pièces connaissent des efforts mécaniques plus importants. De cette façon, les matériaux de conception et de construction sont optimisés.

Interférométrie

L'interférométrie est une technique qui utilise le phénomène d'interférence de lumière. Il est utilisé en astronomie lors de la combinaison de la lumière de plusieurs télescopes, afin de former un réseau avec une plus grande résolution.

Il s'applique à la fois en radiofréquence (une autre région du spectre électromagnétique qui n'est pas visible), ainsi que dans la plage optique. Une autre application de l'interférométrie est dans la détection des fissures et des échecs dans les pièces fabriquées.

Les références

1. Figueroa, D. (2005). Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 7. Vagues et physique quantique. Édité par Douglas Figueroa (USB).
2. Giancoli, D.  2006. Physique: principes avec applications. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Rex, un. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson.
4. Romero, O. 2009. Physique. Santillana hypertexte.
5. SERAY, R. 2019. Physique pour la science et l'ingénierie. 10e. Édition. 2ieme volume. Cengage.
6. Shipman, J. 2009. Une introduction aux sciences physiques. Douzième édition. Brooks / Cole, Cengage Editions.
7. Wikipédia. Lumière. Récupéré de: est.Wikipédia.org.