La lumière

La théorie de la lumière est une théorie particulièrement obscure. Nous allons passer beaucoup de temps à utiliser de faux modèles pour expliquer des phénomènes « vrais », dans la mesure où l'on peut les vérifier par la pratique.

Pour expliquer certaines observations, il faut que la lumière soit une onde. Pour en expliquer d'autres, il faut qu'elle soit un flux de particules. Qu'à cela ne tienne, nous nous en sortirons quand même, la mauvaise foi n'ayant jamais étouffé un scientifique. Louis de Broglie (Fr., 1892-1987) a avancé en 1924 que les corpuscules de matière étaient accompagnés d'une onde, ce qui, en quelque sorte, résout le problème de façon assez élégante.

Nous allons utiliser un modèle d'atome (faux), celui de Bohr. En fait, il n'est pas tout à fait faux, mais il n'est pas juste non plus; ça ne fait rien, il permet d'expliquer l'émission de la lumière d'une manière tout à fait acceptable.

1. Bohr explique que, dans un atome, les électrons tournent autour du noyau selon des orbites bien définies. Ce n'est pas tout à fait juste, mais presque. C'est en tout cas suffisant comme précision pour notre propos.
2. Lorsque l'on excite les électrons, par exemple en les chauffant, ces électrons récupèrent de l'énergie. Ce surcroit d'énergie les fait passer sur une orbite supérieure.
3. Comme la situation est instable, ils finissent par revenir sur leur orbite « normale » en restituant l'énergie qu'ils avaient empruntée. Cette restitution d'énergie se fait sous forme d'émission de lumière.

On dit que l'électron franchit des niveaux d'énergie. C'est grâce à cette particularité de la physique atomique que Thomas Edison est devenu célèbre. Dans une ampoule électrique, les atomes du filament, chauffés par effet Joule au passage du courant électrique, montent des niveaux d'énergie supérieurs et émettent de la lumière chaque fois qu'ils redescendent sur un niveau inférieur.

Le problème, en ces temps d'écologie, d'énergie non nucléaire mais renouvelable, de réchauffement atmosphérique, c'est que la quantité d'énergie fournie pour chauffer le filament est énormément plus importante que l'énergie lumineuse récupérée. Le rendement est de l'ordre de 2% en moyenne pour une ampoule incandescente à filament de tungstène. D'où l'idée « lumineuse » d'en interdire la vente à partir de 2010. La bougie alors ? 0,04% de rendement… Le tube fluorescent ? Autour de 15% de rendement. C'est nettement mieux, mais c'est aussi nettement plus polluant chimiquement et électromagnétiquement parlant. Le meilleur rendement est actuellement obtenu avec de la vapeur de sodium en basse pression : 27%. Certes, c'est un peu orangé comme lumière. Le mieux serait de se passer de lumière ; ça se faisait très bien à l'époque des cavernes. Mais ne sortons pas du sujet…

Lorsqu'un électron redescend sur une couche inférieure, il émet une lumière monochromatique. La couleur dépend du niveau d'énergie descendu. La lumière apparaît blanche parce qu'il y a beaucoup de niveaux d'énergie différents mis en œuvre et qu'il y a donc beaucoup de radiations de couleurs différentes qui sont émises. Leur somme donne une lumière blanche. Nous sommes ici en synthèse additive et la somme de toutes les couleurs donne du blanc.

Dans le cas de corps simples comme le néon, il n'y a que deux niveaux d'énergie et donc une seule couleur, dans l'orange.

Avec l'argon aussi, il n'y a que deux niveaux. Manque de chance, ici, la lumière n'est pas visible, elle est située dans l'ultra violet. C'est pour cette raison que dans les tubes fluorescents, il y a de la poussière (très polluante) déposée sur la face interne du tube. Vous ne comprenez pas ? C'est pas grave, nous ne sommes pas ici pour expliquer le fonctionnement du tube fluo. (Allez, je vais vous le dire quand même ; l'énergie lumineuse non visible émise par l'argon excite à son tour les atomes de cette poussière qui, eux, vont émettre de la lumière visible. Suivant la nature de cette poussière, la lumière sera plutôt « froide », tirant sur le bleu; ou « chaude » tirant sur le jaune-rouge. La « température » d'une lumière se mesure en Kelvins, par analogie au rayonnement lumineux d'un corps noir chauffé à une certaine température).

La lumière visible s'étend de l'infrarouge à l'ultraviolet, bornes non comprises. Bien entendu, ici, nous considérons que la lumière est une onde.

(1 nanomètre = 10^-9 mètre = 1/1 000 000 de millimètre)

Si vous vous sentez plus à l'aise avec les fréquences, la lumière visible s'étend de 4 x 10¹⁴ à 8 x 10¹⁴ Hz (400 000 GHz à 800 000 GHz).

On a coutume de dire 300 000 Km/s C'est bien entendu faux, ça dépend du milieu dans lequel la lumière se propage. Ceci dit, les variations de vitesse restent minimes; elles peuvent tout de même apporter certaines perturbations suivant les conditions d'utilisation. Ce détail a son importance dans le cas de la fibre optique.

On a aussi coutume de dire qu'elle se propage en ligne droite. Vous l'avez deviné, ceci est également faux la plupart du temps. Ce n'est vrai qu'à la condition que le milieu dans lequel elle se propage soit homogène et isotrope, ce qui est rarement le cas. La preuve que c'est faux: les mirages existent.

Maintenant que toutes ces fausses bases sont données, passons à l'étape suivante.

Que fait la lumière lorsqu'elle rencontre un obstacle ?

• Elle le traverse.
• Elle est réfléchie par cet obstacle.
• Elle est absorbée par cet obstacle.
• Elle subit une combinaison de ces trois possibilités. 

Imaginons que le bleu soit de l'air et le jaune du verre. Un rayon de lumière qui vient de l'air vers le verre selon un angle d'incidence donné va :

• Se réfléchir et retourner dans l'air, c'est le rayon réfléchi (sinon, les vitres de vos voisins ne vous éblouiraient jamais en réfléchissant le soleil) ;
• pénétrer dans le verre (sinon vous ne verriez rien à travers vos vitres, ni à travers celles de vos voisins) en subissant une déviation de trajectoire, (cette déviation ayant lieu deux fois, une vitre a généralement 2 faces, elle n'est pas remarquable dans la plupart des cas, mais si l'on plonge un bâton dans de l'eau, ne semble-t-il pas se plier brutalement au passage dans l'eau ?) ;
• perdre un peu d'énergie dans l'aventure (sinon, les vitres ne chaufferaient pas au soleil).

Le bilan énergétique doit être nul, à savoir que l'énergie réfléchie plus l'énergie réfractée (transmise) plus l'énergie absorbée égalent l'énergie incidente. (Loi de la conservation de l'énergie, sans laquelle le monde serait bien plus chaotique que ce qu'il n'est déjà).

Le rapport entre l'énergie réfléchie et l'énergie transmise varie en fonction de l'angle d'incidence. Il existe un angle critique… Alors, ça dépend de la façon dont on le mesure. S'il est mesuré comme indiqué sur le schéma, lorsque cet angle devient inférieur à l'angle critique, il n'y a plus de rayon réfracté et, aux pertes par absorption près, la totalité du rayon incident est réfléchie. Ceci va être très important pour la suite.

L'angle de déviation entre le rayon incident et le rayon réfracté dépend de plusieurs choses.

• De la nature du dioptre (séparation entre les milieux); autrement dit, dépend des deux milieux considérés.
• Le plus souvent, dépend également de la longueur d'onde de la lumière incidente. Sinon, les arcs-en-ciel n'existeraient pas. Si les milieux ne sont pas dispersifs, alors il n'y a pas d'arc-en-ciel. Mais la plupart des milieux le sont (ceci aussi va d'ailleurs nous poser des problèmes).

Le plus souvent, ça ne l'est pas. Mais qu'est-ce que ça veut dire ? La lumière « normale », celle que l'on utilise habituellement (avec nos ampoules à incandescence, bientôt interdites), n'est pas cohérente. Les petits trains d'ondes lumineuses émis par les électrons qui descendent les niveaux d'énergie, le sont n'importe quand, de façon aléatoire. Il n'y a aucune cohérence dans la forme des ondes lumineuses, constituées d'une somme de petits trains d'ondes de même fréquence, mais émis avec une phase aléatoire. On ne peut donc pas observer une belle sinusoïde, comme on sait les faire en électricité par exemple. Ici, la théorie du photon arrange bien, c'est plus facile de parler d'un flux de particules que d'une onde sinusoïdale constituée de petits morceaux qui ne sont pas en phase.

De ce côté là, le laser est bien intéressant parce qu'il fournit une lumière cohérente, ce qui lui donne des propriétés particulières que l'on ne va pas énumérer ici, mais dont on va relever quelques particularités:

• La lumière laser peut être considérée comme une onde à part entière, c'est une émission continue.
• La lumière laser peut être concentrée sur un faisceau très fin et se propager non pas selon un cône, mais selon un cylindre.
• La lumière laser est parfaitement monochromatique.
• La lumière laser peut transporter beaucoup d'énergie.

Ceci nous suffira largement pour la suite.