Qu’est-ce que la lumière ?

La lumière est une onde

La lumière est une onde électromagnétique.

La présence de particules chargées comme les électrons et les protons dans la matière induit un champ électrique. Par le déplacement des particules, le courant électrique généré crée un champ magnétique.

C’est ce qu’on observe sur Terre avec le champ magnétique terrestre qui oriente les boussoles.

Si on crée une petite perturbation de ce champ, par exemple en faisant vibrer des particules chargées, alors la perturbation se propage. C’est cette propagation qu’on nomme “onde”.

La lumière est une perturbation du champ électro-magnétique qui se déplace. Elle peut donc se déplacer dans le vide dans lequel existe aussi un champ électro-magnétique.

D’autres ondes ont besoin d'un support matériel comme le son qui se déplace dans l'air ou les vagues à la surface de l'eau.

La lumière est classée parmi les ondes électro-magnétiques. Cela dit, il en existe plusieurs autres types. Vous les connaissez certainement également, ce sont :

  • les rayons X,
  • les ondes radios,
  • les rayons Gamma.

Caractéristiques d’une onde lumineuse

Comme tous les phénomènes périodiques, la lumière est caractérisée par une fréquence (notée avec la lettre grecque ? prononcée nu), mais aussi par sa période (T) et sa longueur d'onde (λ).

Il existe une relation entre ces trois grandeurs :

Relation entre période et fréquence :

    \[\nu=\frac{1}{T}\]

Relation entre période et longueur d'onde :

    \[\lambda=c \times T\]

où c est la célérité ou vitesse de déplacement d'une onde électromagnétique et dépend du milieu dans lequel elle se propage. Dans le vide, c vaut 3.108 m.s-1

Il suffit donc de connaître l'une de ces trois grandeurs pour pouvoir déterminer les autres.

Les interactions de la lumière avec la matière

La lumière interagit beaucoup avec la matière.

Elle peut être :

  • absorbée,
  • réfléchie,
  • déviée
  • ou émise par la matière.

Absorption de la lumière

Un corps qui paraît noir même quand on l'éclaire absorbe toute la lumière qui lui parvient, il n'en émet aucune, donc il paraît noir.

L'absorption de la lumière est un phénomène optique au cours duquel l'énergie lumineuse ou électromagnétique est absorbée par une substance quelconque.

Habituellement, l'énergie lumineuse est transformée en énergie thermique lors de ce phénomène. C’est pourquoi un corps noir, qui absorbe toute la lumière va avoir tendance à chauffer.

En revanche, un corps blanc n’absorbe aucune lumière et donc reste à la même température.

Réflexion de la lumière

Un miroir réfléchit la lumière : il renvoie votre propre image.

Lorsqu’un rayon de lumière rencontre un objet, il rebondit sur l'objet : on dit que le rayon lumineux est réfléchi.

Si la réflexion se fait sur une surface plane, il est possible de prévoir la trajectoire de la lumière après le rebond. En revanche, après réflexion sur une surface non place, la lumière est diffusée dans toutes les directions.

Ce phénomène est également utilisé pour voir à l’extérieur de notre champ de vision : rétroviseurs des automobiles, périscopes des sous-marins.

Déviation de la lumière

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent.

Lorsque la lumière passe d’un milieu à un autre, elle est déviée : c’est exactement ce qu’il se passe lorsqu’on regarde dans l’eau.

On parle alors de réfraction de la lumière : la réfraction de la lumière est le changement de direction de propagation que subit un rayon lumineux lorsqu’il traverse la surface de séparation entre deux milieux de propagation.

Si le milieu traversé n’est pas homogène, alors la lumière ne se propage plus en ligne droite : c’est ce qu’on observe avec les mirages.

Emission de lumière

Le filament d'une ampoule émet de la lumière lorsque le courant électrique le traverse.

En effet, lorsque les atomes d’un corps absorbe de l’énergie, sous forme électrique dans notre exemple, alors les atomes sont dans un état dit “excité”. Pour revenir à leur état dit “fondamental”, les atomes libèrent le surplus d’énergie sous forme de chaleur et de radiations lumineuses.

Un objet chaud émet aussi de la lumière : en effet ses particules sont agitées et ce mouvement incessant crée des perturbations du champ électro-magnétique. Donc de la lumière. Si on ne la voit pas c'est qu'il s'agit de l'infra-rouge.

Mais il est important de savoir que tout objet chaud crée de la lumière.

Phénomène de fluorescence

La lumière visible peut interagir avec les atomes, et plus particulièrement les électrons des atomes ou des molécules.

Elle peut leur communiquer de l'énergie, lorsqu'elle arrive sur un atome. Les atomes peuvent quant à eux se débarrasser d'un trop plein d'énergie en émettant de la lumière.

C'est ce qui explique le fonctionnement des lasers ou encore la fluorescence, la couleur des objets...

La lumière est aussi composée de particules

Pour finir, il faut savoir que la lumière n'est pas seulement une onde.

En fait, elle est composée de particules appelées photons. Chaque photon a une couleur précise. Et chaque photon est un peu plus qu'une particule, puisqu'il se comporte comme une onde. Donc un "troupeau" de photon se comporte comme une onde.

Ainsi la lumière présente toutes les propriétés d'une onde, et notamment les propriétés d'interférence et de diffraction, bien qu'elle soit composée de particules. C’est ce qu’on appelle des quanta de lumière.

Domaine de longueur d'onde de la lumière visible

Décomposition de la lumière blanche

On appelle lumière blanche la lumière émise par le Soleil ou la lumière émise par certaines lampes.

Un prisme de verre (bloc constitué d’une autre matière transparente ayant une base triangulaire) décompose la lumière blanche d’une lampe à incandescence.

Comment utiliser le prisme pour décomposer la lumière ? Un triangle de verre décompose la lumière blanche en raies de différentes couleurs.

Ces lumières sont initialement présentes dans la lumière blanche. Le prisme ne fait que séparer ces lumières et fait apparaître le spectre des couleurs du visible.

Le spectre coloré obtenu est un spectre continu passant par toutes les couleurs visibles à l’œil :

  • rouge,
  • orange,
  • jaune,
  • vert,
  • bleu,
  • indigo
  • et violet.

D’autres spectres sont discontinus, comme par exemple celui émis par une lampe basse consommation.

Le spectre de la lumière

Ce qu’on appelle le spectre de la lumière, c’est l'ensemble des longueurs d'onde dont la lumière est constituée.

Les ondes appartenant au domaine des rayonnements visibles ont des longueurs d'onde comprises entre 400 nm (pour le violet) et 800 nm (pour le rouge).

CouleurLongueur d'onde (nm)Fréquence (THz)
Rouged'environ 625 à 740d'environ 405 à 480
Oranged'environ 590 à 625d'environ 480 à 510
Jauned'environ 565 à 590d'environ 510 à 530
Vertd'environ 520 à 565d'environ 530 à 580
Bleud'environ 446 à 520d'environ 580 à 690
Violetd'environ 380 à 446d'environ 690 à 790

Au delà de cet intervalle les rayonnements ne sont plus perceptibles par l'œil humain et possèdent d'autres propriétés.

Observation du spectre lumineux

Un spectroscope permet de décomposer la lumière blanche : il s’agit de tout appareil servant à disperser par réfraction les rayons lumineux afin de permettre d'observer un spectre.

Quels objets du quotidien permettent d'observer la décomposition de la lumière blanche ? Les CDs permettent de visualiser la diffraction de la lumière.

De nombreux spectroscopes permettent de décomposer la lumière blanche dans la vie quotidienne.

Citons les CDs par exemple, mais aussi les gouttes d'eau qui décomposent la lumière du soleil pour former les arcs-en-ciel.

Les autres ondes électromagnétiques

Les ultraviolets

Comme son nom l’indique, l’ultraviolet est “au delà du” violet. C’est le nom qu’on donne aux longueurs d’ondes inférieures à 380 nm.

Les ultraviolets sont responsables du bronzage de la peau via la formation de la mélanine. Pour les plus faibles longueurs d'onde, ils peuvent s'avérer dangereux pour la santé humaine, notamment à cause de leur effet mutagène. Les ultraviolets ont en effet tendance à favoriser les mutations génétiques.

Les ultraviolets interviennent également dans la synthèse de la chlorophylle par les plantes ou l’assimilation du calcium par l’organisme.

Ils ne peuvent être observés qu’indirectement, soit par fluorescence, soit à l’aide de détecteurs spécialisés.

Les infrarouges

Comme son nom l’indique, les infrarouges sont de “plus basse” fréquence que le rouge. C’est le nom qu’on donne ondes électromagnétiques dont les longueurs d’ondes sont supérieures à 780 nm et dont la fréquence est inférieure à 400 THz.

Les infrarouges sont souvent associés à la chaleur car à température ambiante, tous les corps émettant de la chaleur émettent également des radiations dans les longueurs d’ondes infrarouges.

Ces radiations permettent de visualiser un corps d’humain ou d’animal la nuit grâce aux appareils de vision nocturne. Ils interviennent également dans la mise au point automatique en photographie, dans les alarmes, les télécommandes ou l’échauffement par effet de serre.

La lumière émise par les sources monochromatiques

Lorsque la lumière émise par une source ne comprend qu'une seule raie et n'est caractérisée que par une seule longueur d'onde et une seule fréquence.

On qualifie cette dernière de monochromatique.

Les sources monochromatiques sont peu nombreuses mais on peut citer l'exemple des lasers.

La lumière émise par les sources polychromatiques

Elles émettent des lumières comportant soit plusieurs raies soit une portion continue du spectre de la lumière visible.

Quel phénomène physique se cache derrière les arcs-en-ciel ? L'arc en ciel est le résultat de la diffraction de la lumière du Soleil.

Une source de lumière polychromatique est caractérisée par plusieurs fréquences, donc plusieurs longueurs d’onde dans le vide.

La plupart des sources de lumière appartiennent à cette catégorie : le Soleil, les étoiles, les lampes à incandescence, les lampes fluocompact, les néons, etc.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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