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LA LUMIÈRE
Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur…
SOMMAIRE
I. Présentation générale
II. Réfraction et dispersion
III. Ondulatoire vs corpusculaire
IV. Le photon, une particule quantique
V. Vers la relativité
Mais qu’est-ce que la lumière ?
I) PRÉSENTATION GÉNÉRALE
• Visible ou invisible (infrarouge et ultraviolet)
• Couleurs (=différentes fréquences)
• Plus ou moins énergétiques
• Plus ou moins intenses
• Vitesse : 300 000 km/s
• Se propage dans le vide en ligne droite
• Prend toujours le chemin le plus court énergétiquement
• Conversion en électricité, en chaleur voire en mouvement…
• Produit par les étoiles, les lampes, certains animaux
• Peut être diffusée, réfléchie et réfractée
II ) RÉFRACTION ET DISPERSION
II ) RÉFRACTION ET DISPERSION Réfraction
Déviation de la lumière lorsqu’elle change de milieu.
René Descartes (1637)
français
n1 sin( i 1) = n2 sin (i 2)
II ) RÉFRACTION ET DISPERSION
II ) RÉFRACTION ET DISPERSION
Dispersion
Décomposition plus ou moins visible de la lumière
blanche lors de la traversée d’un milieu.
Isaac Newton (1650)
anglais
La lumière blanche est la
superposition de lumières
monochromatiques.
On peut la décomposer à
l’aide d’un prisme.
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRECorpusculaire
La lumière est un flux de particules.
Ondulatoire
La lumière est une onde.
Isaac Newton (1650)
anglais
Traité Opticks
Christian Huygens (1678)
hollandais
Traité de la lumière
Théorie ondulatoire
de la lumière
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
Travaux sur la diffraction et sur les interférences (au XIXème siècle)
Augustin Jean Fresnel (1788)
français
Thomas Young (1773)
anglais
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
Théorie de Huygens-Fresnel (1835)
Grâce à l’analyse de Fourier :
Joseph Fourier (1822)
français
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
Equations de Maxwell
James Clerk Maxwell
(1831-1879)
anglais
ε0 μ0 c2 = 1La lumière est une onde électromagnétique !
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
Puis retour de la théorie corpusculaire :
Max Planck (1858 – 1947)
allemand
Prix Nobel de Physique en 1918
E = h fh : constante de Planck
Énergie limitée et quantifiée
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
Effet photoélectrique (1905)
Albert Einstein (1879 – 1955)
allemand
Prix Nobel de Physique en 1921
Résultats de l’expérience
• Il faut une lumière suffisamment
énergétique (qui dépend du matériau)
• Nombre d’électrons émis proportionnel
à l’intensité lumineuse
• Énergie des électrons proportionnelle à
la fréquence
Existence d’un quanta lumineux, d’une particule :
Le photon est né !
III ) CORPUSCULAIRE VS ONDULATOIRE
Spectre des atomes : quantification de l’énergie (1913)
Niels Bohr (1885 – 1962)
danois
Prix Nobel de Physique en 1922
IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUEOndulatoire
Equation de Maxwell
→ diffraction, réfraction
→ propagation dans le vide
→ lien avec l’électromagnétisme
Corpusculaire
Photon de masse nulle (<10-54kg) et de charge électrique nulle
Effet photoélectrique
→ énergie quantifiée de Planck
→ mise en évidence du photon
→ lien avec les spectres
Mécanique quantique → dualité onde corpuscule
IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE
IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUEBohr :
« Quiconque n'est pas choqué par la théorie quantique ne la comprend pas. »
Principes de la mécanique quantique :
• l’énergie est quantifiée (Planck, Bohr).
• On peut décrire une particule par un corpuscule ou par l’onde qui lui est associée (dualité).
• A chaque particule est associée une fonction d’onde, c’est-à-dire une loi de probabilité de présence (aspect ondulatoire de la lumière).
• La particule n’existe de façon déterminée que lorsqu’on mesure où elle se trouve ou lorsqu’on la détecte.
• La mesure perturbe ainsi l’expérience.
IV ) LE PHOTON, UNE PARTICULE QUANTIQUE
V ) VERS LA RELATIVITÉ
Ether (luminifère) : toile de fond de l’univers
Expérience de Michelson-Morley (1887)
pour mesurer la vitesse de la Terre par rapport à l’éther en mesurant la vitesse de la lumière à l’aide d’un interféromètre.
Albert Abraham Michelson (1852 – 1931)
américain
Prix Nobel de Physique en 1907
V ) VERS LA RELATIVITÉThéorie de la relativité restreinte (1905)
Albert Einstein (1879 – 1955)
allemand
• L’éther est un artifice physique non nécessaire à la théorie de
la relativité.
• La vitesse de la lumière (et les lois de la physique) est
invariante par changement de référentiel.
• Toute vitesse dans l’univers est inférieure à c vitesse de la
lumière considérée comme constante. (c = 299 792 458 m/s)
• Le temps devient une grandeur relative aux déplacements
des référentiels les uns par rapport aux autres.
IV ) VERS LA RELATIVITÉVers les Étoiles
c = 299 792 458 m/s
Une année lumière = 9,5 . 1012 km
Âge de l’univers = 13 milliards d’années
BIBLIOGRAPHIE
• Photographies et vidéos (licence libre)
• Documentaire La Magie du Cosmos (BBC puis Arte)
• Animation www.toutestquantique.fr
• Vidéos expériences MIT
A.Devulder