La propagation de la lumière
La propagation de la lumière est modélisée par un rayon lumineux. La vitesse de la lumière est d'environ 300 000 km.s-1 dans le vide.
Le modèle du rayon lumineux
Un rayon lumineux a une propagation rectiligne et à sens unique.
La lumière se propage de façon rectiligne (en ligne droite). Pour modéliser son trajet, on représente un rayon lumineux.
La lumière se propageant de manière rectiligne, si on intercale des feuilles entre une source lumineuse et un écran, les trous des feuilles percées doivent être alignés pour que la lumière atteigne l'écran.
Modèle du rayon lumineux
Le modèle du rayon lumineux illustre le principe de propagation rectiligne de la lumière. Le rayon est représenté par un trait et une flèche qui indique le sens de propagation de la lumière.
Une source laser émet un faisceau lumineux très fin, que l'on représente par un rayon lumineux se propageant de manière rectiligne.
En réalité, on ne peut pas isoler un rayon lumineux. Une source lumineuse émet un faisceau, composé d'une infinité de rayons lumineux.
La lumière ne se voit pas, on ne voit que la source de lumière et l'objet éclairé. Pour mettre en évidence un faisceau lumineux, on place sur son parcours des particules (fumée, brouillard, etc.) qui, en diffusant la lumière, rendront sa propagation visible.
Pour visualiser le faisceau lumineux d'un laser par exemple, on peut disperser de la fumée sur sa trajectoire.
La vitesse de la lumière
La vitesse de propagation de la lumière dépend du milieu qu'elle traverse. Elle est maximale dans le vide pour lequel elle vaut environ 300 000 km.s-1.
La vitesse de propagation ou célérité de la lumière est notée c et dépend du milieu qu'elle traverse. Elle est maximale dans le vide pour lequel c = 3{,}00 \cdot 10^8 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1} et on utilise cette même valeur dans l'air bien qu'elle y soit légèrement plus faible.
La vitesse du son est de 340 m.s-1, ainsi la lumière se propage environ un million de fois plus vite que le son. Lorsque la foudre éclate, on peut voir l'éclair avant d'entendre les grondements du tonnerre. C'est parce que la vitesse de la lumière est supérieure à celle du son dans l'air que l'on constate ce décalage.
L'analyse de la lumière
La décomposition de la lumière, à l'aide d'un prisme, permet de séparer la lumière en différentes ondes lumineuses. Chaque onde lumineuse possède une période spatiale qui lui est propre : la longueur d'onde. L'analyse de la décomposition de lumière permet de définir différents types de lumière.
La décomposition de la lumière
Le phénomène de dispersion, par un prisme, permet de décomposer une lumière et d'analyser les différentes ondes lumineuses qui la composent.
Le phénomène de dispersion permet de décomposer une lumière et ainsi de l'analyser, c'est-à-dire observer les différentes ondes lumineuses qui la constituent.
Spectre
Le spectre est la figure obtenue après décomposition d'une lumière.
Le spectre de la lumière émise par le Soleil contient toutes les ondes lumineuses visibles que celui-ci émet. Le spectre du Soleil est visible lors d'un arc-en-ciel (les gouttes d'eau en suspension ayant décomposé la lumière solaire).
La longueur d'onde
Chaque onde lumineuse possède une longueur d'onde qui lui est propre. La longueur d'onde représente la période spatiale d'une onde lumineuse. C'est la distance parcourue par l'onde durant une période temporelle.
Longueur d'onde
La longueur d'onde, notée \lambda et exprimée en mètres (m), est une des grandeurs qui permettent de caractériser une onde lumineuse.
Les ondes lumineuses visibles ont une longueur d'onde comprise entre 400 nm (pour le violet) et 800 nm (pour le rouge) environ.
Longueur d'onde
La longueur d'onde représente la période spatiale d'une onde lumineuse, c'est-à-dire la distance parcourue par l'onde pendant une période temporelle T :
\bf \lambda=c\times T
L'onde lumineuse de couleur jaune a pour période temporelle dans le vide :
T_{\text{jaune}}=2{,}00.10^{-15} \text{ s}
Ainsi, la longueur d'onde de l'onde lumineuse jaune est :
\lambda_{\text{jaune}}=c\times T_{\text{jaune}}
\lambda_{\text{jaune}}=3{,}00.10^8\times 2{,}00.10^{-15}
\lambda_{\text{jaune}}=6{,}00.10^{-7}
\lambda_{\text{jaune}}=600 \text{ nm}
La longueur d'onde d'une onde lumineuse dépend du milieu. Lorsque rien n'est précisé, il s'agit des longueurs d'onde dans le vide ou dans l'air, qui sont quasiment égales.
Les différents types de lumière
Il existe différents types de lumière. Selon les ondes lumineuses visibles qui la composent, la lumière peut être colorée ou blanche. Selon le nombre d'ondes lumineuses qui la composent, la lumière peut être monochromatique ou polychromatique.
On distingue plusieurs types de lumière selon le nombre d'ondes lumineuses qui les composent.
On distingue plusieurs types de lumière selon la couleur de la lumière, qui résulte de l'addition des radiations colorées qui la composent (synthèse additive) :
Les spectres d'émissions
L'ensemble des ondes lumineuses émis par une source forment un spectre d'émission. Les spectres d'émissions sont généralement continus lorsqu'ils sont d'origine thermique. Avec un gaz chaud à basse pression, on obtient des spectres composés de raies d'émission.
Définition d'un spectre d'émission
Le spectre d'émission d'une source est une figure qui contient l'ensemble des ondes lumineuses émises par cette source.
Spectre d'émission
Le spectre d'émission d'une source est la figure qui contient l'ensemble des ondes lumineuses que cette source émet. On l'obtient en décomposant la lumière émise par une source à l'aide d'un système dispersif (prisme ou réseau).
Les spectres continus d'origine thermique
Un spectre lumineux est généralement continu lorsqu'il est d'origine thermique. La couleur de la lumière émise par un corps chaud (solide, liquide ou gaz sous haute pression) ne dépend pas de sa composition mais de sa température de surface.
Un corps chaud (solide, liquide ou gaz sous haute pression) émet une lumière dont le spectre est continu.
Un morceau de charbon, des braises, un filament d'une lampe à incandescence, la lave en fusion, une barre de fer sont des corps qui, une fois chauds, émettent une lumière dont le spectre est continu.
La couleur de la lumière émise par un corps chaud ne dépend pas de sa composition mais de sa température de surface : lorsqu'elle s'élève, le spectre continu d'émission devient de plus en plus lumineux et s'enrichit vers le violet.
Lorsque l'on augmente sa température, la lumière émise par le filament d'une lampe à incandescence passe par les couleurs suivantes :
- Filament rouge : le spectre de la lumière émise ne contient pas de radiations de longueurs d'onde inférieures à 600 nm.
- Filament jaune : jaune et vert apparaissent dans le spectre.
- Filament blanc : le spectre de la lumière visible contient toutes les radiations de longueurs d'onde comprises entre 400 et 800 nm.
Les spectres de raies d'émission
On obtient un spectre de raies d'émission quand un gaz chaud à basse pression émet de la lumière. À chaque raie correspond une onde monochromatique.
Un gaz chaud à basse pression émet de la lumière dont le spectre n'est pas continu : on obtient un spectre de raies d'émission. À chaque raie correspond une radiation monochromatique de longueur d'onde bien déterminée.
La détermination des longueurs d'onde des raies d'émission permet d'identifier une entité chimique (atome ou ion) : c'est la signature de cette entité chimique.
Ici, les spectres d'émission révèlent des raies d'émission isolées qui nous permettent d'identifier les gaz qui les ont émis. Il s'agit du mercure et du cadmium.