Photographie/Rayonnements électromagnétiques/Histoire des théories de la lumière

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Rayonnements électromagnétiques


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C'est naturellement à partir de la lumière visible que l'humanité fit connaissance avec les radiations électromagnétiques.

Longtemps, la lumière et le son furent étu­diés ensemble. L'association de l'éclair et du tonnerre a sûrement frappé les esprits. Le fait que le son nécessite un milieu matériel pour se propager, contrairement à la lumière, va d'ailleurs lancer bien des physiciens sur la fausse piste de l'éther.


Conceptions antiques[modifier | modifier le wikicode]

Très tôt, la lumière est conçue comme un flux de projectiles émis par les corps lumineux selon Démocrite ou par l'œil selon Euclide. Platon imagine même qu'elle naît de la rencontre des particules émises par la source lumineuse et par l'œil. Pour Aristote et d'autres savants, la lumière ne peut pas se déplacer dans le vide. Ptolémée (90, 168) établit empiriquement les lois de la réfraction, phénomène qui fait par exemple qu'un bâton que l'on trempe obliquement dans l'eau paraît brisé.

Conceptions médiévales[modifier | modifier le wikicode]

Le savant égyptien Ibn-Al-Haytam, dit Alhazen (965, 1039) étudie la vision et développe une véritable théorie cor­pusculaire de la lumière, émise par le corps lumineux indépendamment de l'observateur. Les applications suivent et dès le XIe siècle, on fabrique en Egypte des lorgnons pour les presbytes !

La nature ondulatoire de la lumière semble avoir été affirmée pour la première fois par les moines anglais Grosseteste et Bacon.

Théories de la Renaissance et de l'époque classique[modifier | modifier le wikicode]

Johannes Kepler établit clairement le principe de la propagation de la lumière depuis la source lumineuse vers l'objet, à une vitesse qu'il pense infinie. Galilée décrit des méthodes de mesure de la vitesse de la lumière, mais ne parvient pas à les mettre en œuvre.


Willebrord Snell formule mathématiquement les lois de la réfraction et Descartes les fait connaître. Fermat les retrouve grâce au principe du moindre temps. Les théories de Descartes, très embrouillées, font pourtant autorité. Il faudra du temps pour que les physiciens s'en débarrassent !


Grimaldi et Malebranche croient en la nature ondulatoire de la lumière, après avoir étudié les franges de diffraction et la décomposition de la lumière blanche. Huygens imagine l'univers empli de particules qui se transmettent de proche en proche leurs mouvements oscillatoires. En vibrant ensemble, elles créent des ondelettes dont la réunion constitue l'onde lumineuse, à la manière des rides qui se propagent à la surface de l'eau. Huygens explique ainsi la réflexion, la réfraction et bien d'autres phénomènes. Il envisage aussi l'existence de particules et certaines de ses intuitions seront démontrées beaucoup plus tard.

Les travaux expérimentaux de Newton sont très importants. On lui doit le premier télescope. Cependant, le génial auteur de la théorie de la gravitation, trop attaché aux aspects corpusculaires, n'arrive pas à établir une théorie satisfaisante de la lumière. Sa conception très compliquée prévaudra tout de même pendant un siècle, malgré les critiques de quelques détracteurs (Hooke, Euler, ...).


Rømer mesure la vitesse de la lumière en 1675, grâce à l'observation des satellites de Jupiter. Bradley fait une seconde mesure en 1728. La théorie ondulatoire revient, un siècle plus tard, grâce aux mathématiciens qui créent les outils dont Huygens aurait eu besoin. Le médecin anglais Young, esprit universel par excellence (il fut aussi un égyptologue renommé), réalise des expériences décisives. L'idée lui vient que la vibration lumineuse est transversale et pas longitudinale.

Naissance des théories modernes[modifier | modifier le wikicode]

Fresnel, pour qui "Newton radote", développe la théorie du vecteur lumineux et de la lumière polarisée. De nouvelles sources lumineuses apparaissent : l'arc électrique (Davy), la lampe à incandescence (Moylens puis Edison), tube à décharge (Geissler). Les premiers spécialistes de la spectroscopie sont Bunsen et Kirchhoff. Les travaux de Maxwell établissent de manière apparemment définitive que la lumière est une vibration électromagnétique transversale.

Les conceptions actuelles[modifier | modifier le wikicode]

Planck trouve en 1900 la loi qui décrit le rayonnement lumineux thermique et s'interroge sur le caractère discontinu de certains phénomènes. On considère habituellement que pour obtenir cette loi, Planck a dû introduire une hypothèse selon laquelle l'énergie rayonnée ne varie pas de façon continue, mais par multiples entiers de quantités d'énergie élémentaires ou quanta. En 1905, Einstein, reprenant une idée de Newton, imagine une particule élémentaire de lumière, le photon, doté d'une énergie cinétique et d'une quantité de mouvement.


La théorie vibratoire de la lumière, développée par Young et Fresnel puis étendue à toutes les autres radiations par Maxwell et Hertz, explique les phénomènes liés à la propagation des ondes (interférences, ondes stationnaires, etc.) mais l'effet photoélectrique ou l'émission des rayons X ne peuvent être compris qu'en admettant l'existence de « grains de lumière » distincts ou photons. Selon les idées actuelles, les aspects ondulatoire et corpusculaire ne sont pas contradictoires mais complémentaires et intégrés dans la théorie de la mécanique ondulatoire de Louis de Broglie et Schrödinger.


Richard Feynman, dans Lumière et matière, résume la situation :

Aujourd'hui, nous savons que la lumière est faite de particules parce que nous possédons des instruments extrêmement sensibles qui font « clic » à chaque fois qu'ils reçoivent de la lumière, et ce, même si l'intensité de la lumière est abaissée considérablement : les « clics » sont les mêmes, seul leur nombre diminue.

Il évoque [...] une période où l'intelligence des physiciens fut mise à rude épreuve : la lumière, disait-on, doit être considérée soit comme une onde, soit comme un ensemble de particules selon les situations expérimentales. C'est ce qu'on a appelé la «dualité onde-corpuscule». [...] à cette époque la lumière était une onde les lundis, mercredis et vendredis, et un ensemble de particules les mardis, jeudis et samedis. Restait le dimanche pour réfléchir à la question.


Selon la théorie des quanta, le photon est considéré comme une particule pratiquement sans masse, animée de la vitesse c dans le vide et porteur d'une quantité élémentaire d'énergie appelée quantum. Ce dernier est proportionnel à la fréquence de la radiation :



Ondes.png

h est la constante de Planck, qui vaut 6,626176 10–34 joule.seconde. Par convention, c'est la quantité que l'on appelle photon.


L'aspect corpusculaire des radiations élec­tromagnétiques prend le pas sur l'aspect ondulatoire au fur et à mesure que la longueur d'onde diminue, c'est-à-dire lorsque l'énergie des photons augmente. Les photons « violets », dont la longueur d'onde est à peu près la moitié de celle des photons « rouges » transportent donc environ deux fois plus d'énergie.


Rayonnements électromagnétiques