La lumière

1. La lumière est une onde
2. La lumière est une onde périodique
3. La lumière est un phénomène électromagnétique
4. Fréquences de la lumière visible
5. Périodes de la lumière visible
6. Longueur d’onde de la lumière visible
7. Correspondance entre fréquence, période et longueur d’onde
8. Lumière monochromatique
9. Lumière polychromatique
10. Pourquoi la lumière visible l’est -t-elle ? (visible)

La lumière est une onde

Tout comme le son et les vagues à la surface de la mer, la lumière est une onde, qui se propage, elle ne correspond donc pas à « flux » de matière mais à la transmission progressive d’une « perturbation » qui affecte temporairement un point de l’espace avant que ce point ne transmette alors lui-même cette « perturbation » à des points proches et ne retrouve son état d’équilibre (à moins d’être affecté par une nouvelle onde), puis chaque nouveau point atteint par l’onde agit de même et permet à l’onde de progresser…

Remarques

• En réalité la mécanique quantique (hors programme de seconde) nous enseigne que lumière, comme toute onde et comme toute matière, peut être décrite d’un point de vue ondulatoire mais aussi corpusculaire. En d’autres termes elle peut être considérée soit comme une onde, soit comme un flux de particules (dans ce cas les photons) qui possèdent une énergie définie (quantifiée).
• Le terme de « perturbation » désigne la variation d’un paramètre physique.

La lumière est une onde périodique

La lumière fait partie des ondes « périodiques » ce qui signifie que les « perturbations » qui se propagent se répètent de manière régulière et identique. Par conséquent, la lumière est comme n’importe quel phénomène périodique caractérisée par une période (T) et une fréquence (ν)

Par ailleurs, comme toute onde périodique, la lumière est caractérisée aussi par sa longueur d’onde λ.

Remarque

La fréquence d’un phénomène périodique est en général noté « f » mais dans le cas particulier de la lumière et des ondes électromagnétiques en général il a été décidé d’adopter une notation particulière: la lettre grecque nu (ν).

La lumière est un phénomène électromagnétique

Les « perturbations » transmises lorsque la lumière se propage sont de nature magnétique et électrique (pour être plus précis il s’agit de « champ » électrique et de « champ » magnétique mais ces grandeurs ne seront étudiées qu’en première S). Par conséquent on qualifie la lumière d’onde électromagnétique.

Fréquences de la lumière visible

La fréquence d’une lumière visible est compris dans un intervalle allant de 385 THz (TeraHertz) à 789 THz soit de 0,385 PHz (PétaHertz) à 0,789 PHz ou de 3,85.10¹⁴ Hz à 7,89.10¹⁴ Hz

Remarque: Les bornes de ces intervalles peuvent varier de quelques dizaines de Thz suivant les sources, le spectre de la lumière étant continu il n’existe pas de frontière tranchée entre les domaine visibles et invisibles tout comme il n’existe pas non plus de limite nette entre les différentes couleurs qui composent le spectre visible.

La fréquence d’une lumière correspond à l’inverse de sa période, il est donc possible de déduire sa valeur grâce à la relation suivant:
f = 1/T
où la fréquence f est en Hertz et la période en seconde.

La fréquence d’une onde électromagnétique peut aussi être exprimée comme le rapport de la célérité « c » de cette onde par sa longueur d’onde, on peut donc la calculer grâce à la formule suivante:
f = c / λ
où la fréquence est en Hertz, la célérité en mètre par seconde et la longueur d’onde en mètre.

Périodes de la lumière visible

Une lumière visible est caractérisée par une période comprise entre 1,27.10^-15 s et 2,60.10^-15 s soit de 1,27 à 2,60 femtosecondes (fs)

Même remarque que pour l’intervalle de fréquence (et celui de longueur d’onde): les bornes de cet intervalle diffèrent légèrement suivant les sources d’information.

La période d’une lumière visible correspond à l’inverse de la période et peut donc être calculée à partir de la relation:
T = 1/f
où la période est en seconde, la fréquence en Hertz

La période correspond aussi au rapport de la longueur d’onde par la célérité de l’onde soit la relation:
T = λ /c
où la période est en seconde, la longueur d’onde en mètre et la célérité en mètre par seconde.

Longueurs d’onde de la lumière visible

La longueur d’onde d’une lumière visible est compris dans l’intervalle allant de 380 nm à 780 nm soit 0,380 μm à 0,780 μm ou encore de 3,80.10^-7 m à 7,80.10^-7 m

Suivant les sources, cet intervalle peut différer de quelques dizaines de nanomètres pour la borne inférieure ainsi que pour la borne supérieure et dans une volonté de simplification il est parfois retenu un intervalle de allant de 400 nm à 800 nm

Les plus faibles longueurs d’onde de cet intervalle correspondent aux couleurs bleu – violet tandis que les plus grandes coïncident avec la couleur rouge.

Il est possible de déterminer la longueur d’onde d’une lumière à partir de sa période grâce à la relation:
λ = c. T

où la longueur d’onde λ est en mètre, la célérité de la lumière est en mètre par seconde et la période en seconde

La longueur d’onde peut aussi être calculée à partir de sa fréquence à l’aide de la formule:
λ = c/ ν
où la longueur d’onde est en mètre, la célérité en mètre par seconde et la fréquence (ν) en hertz.

Correspondance entre fréquence, période et longueur d’onde pour les lumières visibles

Comme cela a déjà été précisé les variations de couleurs au sein du spectre visible se font de manière continue par conséquent il n’existe pas de frontière nette entre les différente couleur et intervalles fournis ici peuvent légèrement différer suivant d’autre sources.

Couleur	Période (fs – .10-15s)	Fréquence (Thz – .1012Hz)	Longueur d’onde (nm – .10-9m)
Violet	1,27 – 1,50	668 – 789	380 – 450
Bleu	1,50 – 1,65	606 – 668	450 – 495
Vert	1,65 – 1,90	526 – 606	495 – 570
Jaune	1,90 – 1,97	508 – 526	570 – 590
Orange	1,97 – 2,07	484 – 508	590 – 620
Rouge	2,07 – 2,60	385 – 484	620 – 780

Lumière monochromatique

Une lumière est dite monochromatique si elle est une lumière colorée pure caractérisée par une seule et unique longueur d’onde.

Les sources de lumières monochromatique sont rares, le meilleur exemple est le laser

Lumière polychromatique

Elles  sont constituées d’un mélange d’ondes électromagnétiques ayant diverses (au moins deux) longueurs d’onde.

Une lumière blanche est nécessairement polychromatique, tout comme celles issues de sources chaudes (flamme, matière incandescente).

Pourquoi la lumière visible l’est -t-elle ? (visible)

La lumière que nous qualifions de visible ne correspond qu’à un intervalle réduit de fréquences, en dehors duquel existent d’autres ondes non perceptibles par le detecteur optique que constitue l’oeil humain. Celui-ci exploite des cellules photo-sensibles tapissant sa rétine qui sont capables de réagir au rayonnement dit visibles mais pas aux autres. L’évolution biologique a favorisé la perception des lumières dont les longueurs d’onde vont d’environ 380 nm à 780 nm tout simplement car notre étoile (le Soleil) émet un rayonnement dont le maximum d’intensité lumineuse correspond à une longueur d’onde de 500 nm soit approximativement au centre de l’intervalle de la lumière visible. Il est probable que si notre étoile avait été plus chaude et avait eu un maximum d’intensité à une plus faible longueur d’onde le spectre visible aurait été décalé vers des longueur d’onde plus faible (vers les ultraviolets).

Au delà de l’intervalle de longueur d’ondes auquel correspond la lumière visible il existe des ondes électromagnétiques non perceptibles, parmi les domaines proche on peut citer:

• Les infrarouges qui ont des fréquences inférieures à celles du domaine visible et en particulier à celles de la couleur rouge (d’où son nom)
• Les ultraviolets qui ont des fréquences supérieures à celles du domaine visible et en particulier à celle du violet (d’ou son nom)