LA LUMIERE

La lumière peut se comporter comme un corpuscule (photon), mais dans bien des expériences, elle se comporte comme une onde. C'est la déroutante "dualité onde corpuscule". Ce n'est que dans les interactions de la lumière avec la matière que nous aurons à considérer la lumière comme faite de photons. Ce sera le cas de l'effet photoélectrique où les photons arrachent des électrons à la matière. Ce sera aussi le cas de l'interaction avec les atomes. Hormis ces cas précis, nous considérerons la lumière comme une onde.

Un point lumineux, comme une étoile, va émettre des ondes dans tout l'espace environnant. Ce sera une onde sphérique. Nous avons une représentation plane d'une telle onde quand nous jetons un caillou dans l'eau et que nous voyons les vagues s'éloigner du point de chute en larges cercles concentriques.


A très grande distance du point d'émission, le cercle est si grand que nous ne percevons qu'une onde plane. Là encore, les vagues qui s'échouent sur la plage en longues lignes parallèles, loin de la dépression qui les a formées, donnent également une image concrète de cet effet. Le dessin ci-dessous aussi.


Pour se représenter une onde de manière très générale, nous dirons qu'il s'agit d'un phénomène périodique : la variation de la hauteur de l'eau pour une vague ; la variation de la pression de l'air pour un son ; la variation d'un champ électrique pour une onde lumineuse. Tous les points de l'onde qui sont dans le même état sont dits en phase. Par exemple, tous les points qui sont au maximum de hauteur dans une vague sont dits en phase. Nous avons choisi le maximum, mais n'importe quelle hauteur conviendrait à la définition, à la condition toutefois que l'évolution se fasse dans le même sens. Il y a deux façon d'être à la même hauteur : en montant ou en redescendant.
C'est pour ça qu'on choisit le maximum (ou le minimum) pour éviter cette difficulté. La distance entre deux maxima consécutifs définit la longueur d'onde l. Si en un point je compte combien de temps s'écoule entre le passage de deux maxima successifs, je mesure la période de l'onde. Il y a évidemment une relation entre la période, la longueur d'onde et la vitesse V de déplacement de l'onde :

l = V T.

Parfois on utilise aussi la fréquence :

n = 1/T.

C'est le nombre de maxima qui passent par unité de temps (disons par seconde). Ce n'est pas forcément un nombre entier, pas plus que T n'est un nombre entier de secondes. Signalons encore un cas particulier que nous rencontrerons. Si la vitesse de l'onde dépend de la longue d'onde, on dira que nous avons à faire à un milieu dispersif.
Certaine propriétés en résulteront.

Pour revenir au cas spécifique de la lumière, nous considérerons que c'est le champ électrique qui variera en fonction du temps. Cette variation périodique en fonction du temps s'écrit sous la forme :

E = Eo sin (2 p t / T),

Où t est le temps mesuré depuis une origine arbitraire, T, la période et E le champ électrique. Le champ électrique est ce qu'on appelle un vecteur. Nous l'écrirons en caractère gras pour cette raison.

Faisons un petit calcul pour connaître les fréquences des ondes lumineuses.
Nous verrons que la lumière se propage dans le vide à une vitesse de 300000 km/s. Nous verrons également que la longueur d'onde de la lumière jaune par exemple est de 600 nanomètres. La fréquence est donc

n = 3.108/600.10-9 = 0,5.1015 Hz.

C'est dire qu'à chaque seconde le champ E s'inverse et revient à sa position de départ, environ un million de milliards de fois.
Comment a-t-on pu mesurer des quantités aussi fantastiques ? C'est ce que nous allons découvrir dans les sections suivantes.