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Propagation et décomposition de la lumière

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Introduction :

La lumière est un élément essentiel de notre quotidien. En journée, la lumière naturelle nous éclaire et le soir, quand le soleil se couche, les lumières artificielles reprennent le relais. Cependant, la lumière est un phénomène physique précis qui explique en partie l’existence et la survie de l’espèce humaine sur Terre.

Dans une première partie, nous traiterons de la propagation de la lumière dans un milieu transparent et de sa vitesse de propagation, tout en parlant de la grandeur physique qui caractérise un rayonnement : la longueur d’onde. Puis nous introduirons de spectre d’émission et les spécificités qui le définissent.

Propagation et vitesse de la lumière

Qu’est-ce que la lumière ?

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À retenir

La lumière correspond à un déplacement d’énergie sans transport de matière, elle est décrite comme une onde électromagnétique périodique et fait partie du spectre électromagnétique.

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Rappel

Souvenez-vous une onde électromagnétique est un déplacement d’énergie, dont la particularité est de se déplacer dans le vide.

Le spectre électromagnétique décrit l’ensemble des rayonnements électromagnétiques classés selon leur fréquence, leur longueur d’onde ou leur énergie.

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Rappel

Nous pouvons classer les ondes électromagnétiques dans 7 grandes catégories, que nous présentons ci-dessous par leur longueur d’onde croissante.

spectre électromagnétique montrant les grandes catégories des ondes électromagnétique

  • La lumière peut donc se décomposer en différentes couleurs.
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À retenir

La grandeur physique qui caractérise la couleur de la lumière, dans le vide ou dans l’air, est la longueur d’onde, notée λ\lambda, et généralement exprimée en nanomètre (nm)(\text{nm}).

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Exemple

Quand la longueur d’onde est comprise entre 350350 et 400400 nanomètres (nm)(\text{nm}), la lumière est de couleur violette.
Quand la longueur d’onde est proche de 700nm700\,\text{nm}, la lumière est de couleur rouge.

Comment se propage la lumière ? Et à quelle vitesse ?

La propagation d’une onde électromagnétique résulte du mouvement de champs magnétiques et électriques normaux entre eux et d’énergie, à partir d’une source lumineuse jusqu’au récepteur.

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Rappel

Il existe deux types de source de lumière.

  • Une source lumineuse primaire produit et émet la lumière (Soleil, lampe).
  • Une source lumineuse secondaire renvoi une partie de la lumière qu’elle reçoit (Lune, fleur).

D’une part, contrairement au son, la lumière ne nécessite pas un milieu matériel pour se propager. Elle peut alors se propager dans le vide mais uniquement dans des milieux transparents.

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À retenir

Dans le vide et dans tout milieu homogène et transparent, la lumière se propage de façon rectiligne, c’est-à-dire en ligne droite de la source au récepteur.

Propagation rectiligne de la lumière

D’autre part, comme le son, la vitesse de propagation de la lumière dépend du milieu de propagation.
Voici quelques valeurs que peut prendre la vitesse de propagation de la lumière dans différents milieux (valeurs approchées et arrondies) :

Milieu de propagation Vitesse de propagation de la lumière cc (ms1\text{m}\cdot\text{s}^{-1})
Dans le vide 3,00×1083,00 \times 10^8
Dans l’air 3,00×1083,00 \times 10^8
Dans l’eau 2,25×1082,25 \times 10^8
Dans le verre 2,00×1082,00 \times 10^8

La vitesse de la lumière a la même valeur dans le vide et dans l’air, mais diminue considérablement dans l’eau et dans le verre.

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Exemple

Voici un tableau comparant la vitesse de la lumière cc avec d’autres vitesses vv que nous pouvons rencontrer :

// Vitesse orbitale de la Terre Vitesse du son dans l’air Vitesse du concorde
Valeur de la vitesse vv 2,99×104ms12,99\times10^4\, \text{m}\cdot\text{s}^{-1} 340ms1340\, \text{m}\cdot\text{s}^{-1} 595,83ms1595,83\, \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
Rapport cv\frac c v 10,00×103ms110,00\times10^3\, \text{m}\cdot\text{s}^{-1} 8,90×105ms18,90\times10^5\, \text{m}\cdot\text{s}^{-1} 5,03×105ms15,03\times10^5\, \text{m}\cdot\text{s}^{-1}

Nous remarquons que la vitesse de propagation de la lumière ne peut être dépassée. Par exemple, la vitesse de la lumière est 10,00×10310,00\times10^3 fois plus élevée que la vitesse orbitale de la Terre.

  • Aucun système ou signal ne peut aller plus vite que la lumière. Fascinant, vous ne trouvez pas ?

Lumière blanche et lumière colorée

La lumière du Soleil est une lumière blanche.

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Définition

Lumière blanche :

La lumière blanche regroupe l’ensemble des rayonnements du spectre visible.

Une lumière blanche est polychromatique c’est-à-dire qu’elle est composée d’un grand nombre de lumières colorées.

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Définition

Lumière polychromatique :

Une lumière polychromatique est constituée d’un rayonnement de différentes longueurs d’onde.

La lumière du Soleil est donc constituée d’un ensemble de rayonnements monochromatiques.

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Définition

Lumière monochromatique :

Une lumière monochromatique est constituée d’un seul rayonnement avec une longueur d’onde unique.

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Exemple

Les lasers sont des sources lumineuses primaires monochromatiques.

Le spectre du Soleil s’étend donc du violet au rouge : c’est l’ensemble du spectre visible que nous avons vu plus haut. Mais en réalité, il s’étend aussi vers les ondes ultra-violettes.
Mais alors, à quoi ressemble le spectre d’émission d’une lumière blanche ?

Qu’est-ce qu’un spectre d’émission ?

La lumière blanche peut être décomposée par un prisme. Ainsi, nous obtenons son spectre d’émission.

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Définition

Spectre d’émission :

Un spectre d’émission décompose la lumière en fonction de la longueur d’onde.

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À retenir

Nous distinguons deux types de spectre d’émission :

  • spectre continu, constitué de l’ensemble des rayonnements du spectre visible ;
  • spectre de raies, constitué de plusieurs raies discontinues, seuls certains rayonnements sont émis.

Spectre continu émis par un corps chaud

Reprenons notre lumière blanche, celle du Soleil, et faisons la traverser un prisme afin d’observer son spectre d’émission :

Spectre continu, la lumière du Soleil traverse un prisme Spectre continu

  • Le spectre d’émission du Soleil est donc un spectre continu.

Quand un corps est chauffé, son spectre d’émission s’enrichit dans une zone spectrale à grande énergie donc à courte longueur d’onde. Ainsi, quand un corps est chauffé, son spectre d’émission s’élargit du rouge vers le violet qui progressivement correspondra au spectre visible, jusqu’à émettre une lumière blanche.

Spectre d’émission d’un corps chaud en fonction de la température Spectre d’émission d’un corps chaud en fonction de la température

  • Autrement dit, lorsque la température augmente, le spectre du corps lumineux s’élargit progressivement vers le violet.
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À retenir

Tout corps ayant une haute température émettra de la lumière, et nous observerons un spectre continu proche de celui de la lumière blanche.

  • La lumière émise par un corps chaud donne donc une information sur sa température.
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À retenir

Le spectre d’émission d’un corps lumineux dépend de la température. De façon générale, le spectre d’émission d’un corps chaud est un spectre continu d’origine thermique.

Ce phénomène est un principe physique fondamental que nous aborderons, en classe de première, dans le cours « Les photons et l’interaction matière-lumière ».

Spectre de raies

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À retenir

Un gaz à basse pression, que nous excitons à l’aide de décharge électrique, émet une lumière composée d’un ou plusieurs rayonnements de longueurs d’onde différentes. Le spectre obtenu est discontinu, c’est un spectre de raies.

Par exemple, si nous faisons passer la lumière d’une lampe à hélium, dont le fonctionnement se base sur l’excitation et la désexcitation d’atomes d’hélium qui émettent une lumière jaune-orange, à travers un prisme, nous observons le spectre suivant :

Spectre de raies de l’hélium

Le spectre d’émission de la lampe à hélium est un spectre de raies comportant une raie bleue, une raie verte, deux raies jaunes, une orange et une rouge.
Ce spectre de raie est la signature de l’hélium (He)(\text{He}), en effet chaque élément chimique a un spectre d’émission qui lui est propre. Le spectre de raies est donc discontinu, cela signifie que seuls certains rayonnements colorés sont émis.

  • Les spectres d’émissions permettent de reconnaître un gaz et donc d’apporter des informations sur sa composition.
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Exemple

Le spectre d’émission d’un laser émettant une lumière bleue est le suivant :

Spectre d’émission d’un laser, lumière monochromatique

Ainsi le rayonnement émis par ce laser a une longueur d’onde de 480nm480\,\text{nm}.

Conclusion :

La lumière est un phénomène physique essentielle à notre survie qui se propage dans le vide et dans tous matériels transparents. Cependant, elle est sujette à plusieurs spécificités.

  • Selon le milieu de propagation, la vitesse de la lumière est plus ou moins proche de sa plus grande vitesse de propagation possible : dans le vide.
  • Selon la nature de la source lumineuse, le spectre d’émission de la lumière peut être continu ou constitué de raies. En effet, quand une espèce chimique est excitée, elle émet un spectre d’émission qui lui est propre.
  • Selon la température, un corps n’émet pas toujours le même spectre d’émission d’origine thermique. En effet, quand un corps est chauffé, son spectre d’émission s’élargit et devient continu sur toute la plage spectrale de la lumière visible (de 350350 à 750nm750\,\text{nm}).
  • Lorsqu’une espèce chimique émet une lumière composée d’un seul rayonnement coloré, correspondant à une longueur d’onde unique, son spectre d’émission aura la spécificité d’être monochromatique.