En 1804, un médecin et physicien anglais nommé Thomas Young présente devant la Royal Society une expérience si simple qu’elle va trancher un débat vieux de plus d’un siècle sur la nature de la lumière ! Sa démonstration repose sur un principe qu’on appelle aujourd’hui la division du front d’onde : séparer géométriquement le rayon lumineux issu d’une source unique en deux parties qui gardent entre elles une parfaite cohérence, pour les faire interférer.
Ce dispositif reste, plus de deux siècles après, un point central du programme de terminale spécialité physique-chimie. Voici comment il fonctionne, à quelles conditions les franges sont constructives ou destructives, ce qui change avec un réseau de plusieurs ouvertures, et pourquoi l’interféromètre de Michelson illustre une toute autre famille de diviseurs.
Qu’est-ce que la division du front d’onde et l’expérience des trous d’Young ? 🔬
Le principe consiste à séparer géométriquement le rayon lumineux émis par une source unique en deux (ou plusieurs) parties qui conservent leur cohérence, capables ensuite d’interférer entre elles.
C’est ce que Thomas Young met en évidence en
où deux petites ouvertures percées dans un plan opaque jouent le rôle de sources secondaires cohérentes.
Trois dates à retenir :
1801 → Young présente sa théorie de la lumière devant la Royal Society
1802 → il reformule la loi d’interférence
1804 → il publie la démonstration expérimentale qui porte désormais son nom
📅 1801, 1802, 1804 : la chronologie de la démonstration de Young
Young ne démontre pas son idée d’un seul coup :
1801
Il présente devant la Royal Society une première théorie de la lumière et des couleurs, construite par analogie avec les interférences des ondes sonores
1802
Il reformule la loi d’interférence, expliquant que la lumière devient la plus intense lorsque la différence des trajets parcourus est un multiple d’une certaine longueur
1804
Il publie, dans les Philosophical Transactions of the Royal Society of London, la démonstration expérimentale qui rend le phénomène visible et concevable pour des contemporains encore sceptiques
Il décrit lui-même sa démarche en ces termes, dans son article de 1804 (The Bakerian Lecture. Experiments and calculations relative to physical optics, vol. 94, p. 1-16) :
In making some experiments on the fringes of colours accompanying shadows, I have found so simple and so demonstrative a proof of the general law of the interference of two portions of light, which I have already endeavoured to establish, that I think it right to lay before the Royal Society, a short statement of the facts which appear to me so decisive.
Thomas Young, The Bakerian Lecture. Experiments and calculations relative to physical optics, vol. 94, p. 1-16
🔍 Deux trous, une même source : le principe de la division
Le dispositif fait interférer deux rayons de lumière issus d’une même source primaire ponctuelle et monochromatique.
Le rayon incident traverse deux petites ouvertures percées dans un plan opaque : elles se comportent comme deux sources secondaires, gardant entre elles une parfaite cohérence puisqu’elles proviennent du même point initial.
Sur un écran placé en vis-à-vis, on observe un motif de franges sombres et brillantes en alternance, la preuve directe de la nature ondulatoire de la lumière.
Le même montage, réalisé avec de la matière (atomes, molécules, électrons), révèle la dualité particule-onde : impacts individuels sur l’écran, mais figure d’ensemble typiquement ondulatoire.
La source primaire est une lampe spectrale associée à un filtre et un diaphragme circulaire de l’ordre du millimètre
Les sources secondaires sont créées par diffraction à travers deux petites ouvertures circulaires de l’ordre du dixième de millimètre
L’écran d’observation est placé à grande distance D des sources, avec D >> a, où a est l’écart entre les deux trous
L’interfrange, c’est-à-dire la distance entre deux franges brillantes consécutives, dépend de la longueur d’onde λ de la source et de la surface d’observation : elle se calcule avec la formule :
Pour approfondir ce point du programme, tu peux consulter des cours de physique en ligne ou des cours de physique chimie seconde.
Quelles sont les conditions d’interférence constructive et destructive ? ⚡
En réalité,
rayons cohérents interfèrent :
De façon constructive quand leur déphasage vaut :
(en phase, intensité maximale)
De façon destructive quand :
(en opposition de phase, intensité minimale ou nulle)
Sans oublier que k est un entier ! C’est la modélisation officielle retenue par le programme de terminale spécialité.
Selon la ressource pédagogique officielle publiée par Éduscol (2018), les interférences de deux ondes se modélisent par la somme de deux fonctions sinusoïdales synchrones, de même période, déphasées d’un angle φ.
C’est cette modélisation qui permet de prédire la position des franges visibles sur l’écran, brillantes ou sombres, quel que soit le dispositif interférentiel utilisé (Young, réseau, Michelson).
➡️ φ = 2kπ : les interférences constructives
Quand les deux rayons arrivent en phase en un point de l’écran, leurs amplitudes s’additionnent et l’intensité lumineuse y est maximale. Cette condition correspond aux franges brillantes observées expérimentalement.
✅ φ = 2kπ + π : les interférences destructives
Quand les deux rayons arrivent en opposition de phase, leurs amplitudes se compensent et l’intensité lumineuse y est minimale, voire nulle. Cette condition correspond aux franges sombres de la figure d’interférences. Besoin d’aller plus loin sur ce chapitre ? Un prof de physique chimie peut t’aider à consolider ces notions avant un contrôle !
Les conditions d’interférence ne dépendent que du déphasage φ entre les deux ondes. Elles s’appliquent à tous les dispositifs interférentiels : trous d’Young, réseau de n trous, ou interféromètre de Michelson.
Que se passe-t-il avec un réseau de n trous alignés ? 📐
Remplacer les deux ouvertures d’Young par N ouvertures alignées et équidistantes revient à multiplier le nombre de sources secondaires cohérentes, sans changer le déphasage entre deux rayons consécutifs. On observe alors des interférences entre N ondes de même amplitude, dont les phases sont en progression arithmétique.
On se place généralement dans les conditions de Fraunhofer : source primaire renvoyée à l’infini, ce qui revient à envoyer un faisceau de rayons parallèles sur les ouvertures, et figure d’interférences observée elle aussi à l’infini. Dans ce cadre, un point M à l’infini est simplement défini par une direction. La vibration résultante en M est la somme des N vibrations issues de chacune des ouvertures.
Les franges brillantes restent définies par les mêmes conditions d’interférence constructive :
Leur finesse augmente avec N : plus il y a d’ouvertures, plus les franges visibles sont fines et contrastées
Remplacer les ouvertures par des fentes (comme dans un réseau de diffraction réel) ne change pas ce déphasage entre rayons consécutifs, ce qui confirme la cohérence entre la théorie et les observations expérimentales sur les réseaux
L’interféromètre de Michelson, un autre diviseur d’onde 🔀
L’interféromètre de Michelson ne divise pas géométriquement le rayon incident comme le dispositif de Young : il divise l’amplitude du faisceau grâce à une lame semi-réfléchissante. C’est un exemple de la seconde grande famille de dispositifs interférentiels, complémentaire de la division du front d’onde.
In making some experiments on the fringes of colours accompanying shadows, I have found so simple and so demonstrative a proof of the general law of the interference of two portions of light, which I have already endeavoured to establish, that I think it right to lay before the Royal Society, a short statement of the facts which appear to me so decisive.
Thomas Young, The Bakerian Lecture. Experiments and calculations relative to physical optics, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1804
🆚 Division du front d’onde ou division d’amplitude ?
On distingue deux grandes familles de diviseurs.
Le diviseur du front d’onde sépare géométriquement le rayon incident émis par la source primaire : c’est le cas des ouvertures et fentes d’Young, ou des miroirs de Fresnel.
Le diviseur d’amplitude sépare l’énergie du faisceau grâce à une lame semi-réfléchissante : c’est le principe de l’interféromètre de Michelson.
Avec les deux miroirs rigoureusement perpendiculaires, ce dernier devient équivalent à une lame d’air à faces parallèles, ce qui permet de retrouver des anneaux, des franges circulaires appelées franges d’égale inclinaison.
| Dispositif | Famille | Mode de séparation | Ce que tu observes |
|---|---|---|---|
| Trous d’Young | Division du front d’onde | Deux ouvertures percées dans un plan opaque, sources secondaires cohérentes | Franges sombres et brillantes en alternance, d’interfrange i = λD/a |
| Réseau de N trous | Division du front d’onde | N ouvertures alignées et équidistantes, phases en progression arithmétique | Mêmes franges brillantes ( φ = 2kπ ), plus fines et contrastées à mesure que N augmente |
| Miroirs de Fresnel | Division du front d’onde | Séparation géométrique du rayon incident issu de la source primaire | Interférences entre deux parties cohérentes du même faisceau |
| Interféromètre de Michelson | Division d’amplitude | Lame semi-réfléchissante qui partage l’énergie du faisceau | Miroirs perpendiculaires : anneaux, franges d’égale inclinaison |
🏛️ Un dispositif toujours au programme officiel
Le programme officiel de terminale spécialité, en vigueur depuis
couvre explicitement les interférences de deux ondes.
Ainsi, nous avons au programme les conditions d’observation, les franges constructives et destructives ainsi que la diffraction par une ouverture, dans le thème « Ondes et signaux ». La division du front d’onde et ses différents dispositifs restent donc un point central du programme, aussi bien pour les révisions du bac que pour la prépa.
La démonstration expérimentale de Young remonte à
autrement dit l'année de publication de "The Bakerian Lecture dans les Philosophical Transactions of the Royal Society of London" (source : Royal Society Publishing).
La division du front d’onde reste l’un des exemples les plus élégants pour comprendre la nature ondulatoire de la lumière : deux ouvertures, une source unique, et un motif de franges visibles qui a suffi à convaincre les scientifiques du XIXe siècle.
Que tu prépares le bac ou un concours de prépa, maîtriser les conditions d’interférence et la distinction avec les diviseurs d’amplitude comme le Michelson te donne une base solide pour aborder l’ensemble du chapitre ! Pour progresser sur ce point précis du programme, tu peux aussi consulter des cours de physique, ou des cours de physique seconde pour revoir les bases.
Sources 📚
- Young, Thomas. "I. The Bakerian Lecture. Experiments and calculations relative to physical optics." Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 94, 1804, p. 1-16, https://royalsocietypublishing.org/rstl/article/doi/10.1098/rstl.1804.0001/121319/I-The-Bakerian-Lecture-Experiments-and.
- Éduscol, Ministère de l’Éducation nationale et de la Jeunesse. "Interférences de deux ondes." 2018, https://eduscol.education.gouv.fr/sites/default/files/document/ra18lyceephchinterferencesdeuxondes1044114pdf-76545.pdf.
- Culture Sciences Physique, ENS de Lyon. "Les expériences de Young." https://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/experiences-Young.xml.
- Culture Sciences Physique, ENS de Lyon. "Ressources pour la spécialité physique-chimie de la voie générale." https://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/programmes/ressources-pour-les-programmes-de-terminales/ressources-pour-la-specialite-physique-chimie-de-la-voie-generale.
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