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Nature ondulatoire de la lumière

Plusieurs expériences montrent que la lumière peut se comporter comme une onde. Notamment, au programme de terminale : les expériences d’interférences.

Lorsque deux ondes interagissent (exemple d’interaction d’ondes : à la surface de l’eau, la rencontre des vagues venant de deux directions différentes), on dit qu’elles interfèrent.

Dans l’exemple des vagues : à la surface d’un bassin, on agite deux petits objets on observer des vagues circulaires, concentriques, qui apparaissent autour de chacun d’eux. A leur point de rencontre, elles forment des " figures d’interférences " : lorsqu’un creux de vague rencontre un creux de vague venant de l’autre direction, il se forme un creux deux fois plus profond ; lorsque ce sont deux crêtes de vagues, qui se rencontrent, elles forment une crête deux fois plus haute ; lorsqu’une crête rencontre un creux, ils s’annulent.

Un phénomène analogue se produit lorsqu’on fait interagir deux faisceaux lumineux ; il faut que ces deux faisceaux soient monochromatiques (la lumière des faisceaux a une longueur d’onde bien déterminée ; ce n’est pas par exemple, de la lumière blanche, qui est une superposition de faisceaux à toutes les longueurs d’onde). On peut donc utiliser deux faisceaux laser (voir paragraphe " le laser "). Si on place un écran perpendiculaire aux faisceaux, on y voit effectivement des zones d’ombre (" interférences destructrices " : ce sont des zones où les deux ondes s’annulent, comme les creux des vagues annulaient les crêtes des vagues), et des zones très brillantes (" interférences constructives "  : ce sont des zones où les deux ondes s’ajoutent, comme les creux ou les crêtes des vagues s’ajoutaient).

Spectres  Lorsqu’un électron d’un atome gagne de l’énergie, il peut changer de couche électronique, et occuper une couche plus énergétique que la couche qu’il occupait ; il peut ensuite regagner la couche peu énergétique, et de ce fait, émettre de l’énergie. Ces échanges d’énergie avec l’extérieur se font par l’intermédiaire de la lumière : c’est quand l’atome absorbe, ou émet, une certaine quantité d’énergie lumineuse (cette petite quantité d’énergie lumineuse est appelée " photon " ), que ses électrons peuvent changer de niveau d’énergie.

Remarque  : ici, tout se passe comme si la lumière était constituée de corpuscules, chacun portant une petite quantité d’énergie ; un photon d’une certaine longueur d’onde (et donc : d’une certaine fréquence) porte une énergie proportionnelle à sa fréquence. On le voit, cette description corpusculaire de la lumière semble en désaccord avec la description ondulatoire, que nous avons évoquée dans le paragraphe des interférences. La lumière a donc une double nature, ondulatoire et corpusculaire ; selon le type d’expérience, c’est l’un ou l’autre de ces aspects de la nature de la lumière, qui est mis en évidence.

Ainsi, quand on éclaire un échantillon avec de la lumière blanche (où sont représentés des photons de toutes les fréquences, donc de toutes les énergies) : les atomes de l’échantillon absorberont spécifiquement les photons des énergies qui permettent des changements de niveaux énergétiques de leurs électrons. Si on décompose la lumière (avec un prisme, qui sépare la lumière selon sa longueur d’onde, en un " spectre " arc-en-ciel) à la sortie de l’échantillon : on remarque que, par rapport à la lumière incidente sur l’échantillon, il manque spécifiquement certaines longueurs d’onde (des raies noires apparaissent dans le spectre) : ce sont les longueurs d’onde des photons absorbés par les atomes.

Un tel spectre est appelé " spectre d’absorption "  : c’est le spectre de la lumière blanche après sa traversée d’un échantillon matériel, qui a absorbé certaines longueurs d’onde.

Remarque : une fois qu’un atome a absorbé un photon, il est dans un état " excité " : un de ses électrons se trouve dans un état d’énergie élevée, alors qu’il a laissé vacant un état d’énergie plus basse. Cet atome va se désexciter : l’électron regagne la couche énergétique inférieure, en réémettant un photon. A priori, ce photon émis a la même longueur d’onde que le photon absorbé précédemment : comment se fait-il, donc, qu’on observe des raies d’absorption, sachant que les photons qui ont été absorbés, sont aussi réémis ?

1. D’une part, l’atome peut se désexciter en plusieurs fois : il peut commencer par se désexciter partiellement, en émettant un photon de fréquence inférieure à celle du photon qu’il avait absorbé, puis il finit de se désexciter, en émettant un nouveau photon, de fréquence encore différente : il ne réémet donc pas forcément un unique photon, de fréquence égale à celle du photon absorbé.

2. D’autre part, les photons réémis sont émis dans toutes les directions de l’espace, alors que le prisme est situé à un endroit précis (dans l’alignement de la source de lumière, et de l’échantillon) : seule une faible partie des photons réémis sont collectés par le prisme.  

Valeurs des fréquences absorbées

Les photons absorbés sont uniquement ceux dont l’énergie est égale à la différence entre un niveau d’énergie occupé par un électron, et un niveau d’énergie vacant.

Spectre d’émission 

C’est le spectre de la lumière émise par un échantillon qu’on a excité : on analyse ici la lumière réémise par les atomes. Les photons émis sont ceux dont l’énergie est égale à la différence entre l’énergie du niveau excité, et un autre niveau énergétique de l’atome. Ce sont donc les mêmes que les énergies du spectre d’absorption.

Ainsi, les spectres d’absorption et d’émission ont les mêmes raies ; dans un spectre d’absorption, ce sont des raies noires sur un fond lumineux, alors que dans un spectre d’émission, ce sont des raies lumineuses sur un fond noir.

Le laser 

C’est une source lumineuse : 1. monochromatique : seule une longueur d’onde est représentée dans le rayon (tous les photons ont donc la même énergie) 2. puissante : le laser peut émettre une forte intensité lumineuse (c’est à dire, pour une longueur d’onde donnée : une grande quantité de photons) 3. directive : le laser n’émet pas un faisceau, mais un rayon, rectiligne ; quand on a besoin d’un faisceau monochromatique (par exemple, pour le faire interférer avec un autre faisceau : cf paragraphe " interférences "), on peut utiliser un laser, à condition de diffracter son rayon, c’est à dire, de l’envoyer sur une fente ou un trou de petite dimension ; dans ce cas, la lumière à la sortie de la fente ou du trou n’est pas directionnelle : c’est un faisceau cônique.