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La nature de la lumière
L'énergie lumineuse a une double nature rayonnée : elle peut être considérée comme un flux de particules énergétiques, les photons, ou comme un ensemble de trains d'ondes transversales. Ainsi, en optique, deux théories complémentaires s'opposent : la théorie corpusculaire et la théorie ondulatoire de la lumière.
Le concept de photon est utilisé pour expliquer les interactions entre la lumière et la matière lorsqu'elles conduisent à un changement de nature de l'énergie, comme dans l'effet photoélectrique ou la luminescence.
Le concept d'onde est généralement utilisé pour expliquer la propagation de la lumière et certains des phénomènes liés à la formation des images. Les ondes lumineuses, comme les autres ondes électromagnétiques, créent en chaque point de l'espace des champs électriques et magnétiques oscillant rapidement. Puisque ces champs sont caractérisés par une direction et une grandeur, ils sont représentés par des vecteurs. Les champs électriques et magnétiques sont orthogonaux, perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde.
l'onde sinusoïdale : L'onde lumineuse la plus simple est l'onde sinusoïdale, appelée ainsi car la courbe de l'intensité des champs électrique et magnétique en fonction de la direction de propagation de cette onde est une sinusoïde. Le nombre d'oscillations par seconde en un point de l'onde lumineuse est appelé fréquence.
La longueur d'onde : (notée l) est la plus petite distance, mesurée suivant l'axe de propagation, entre deux points ayant la même phase, c'est-à-dire deux points de l'onde ayant les mêmes caractéristiques. La longueur d'onde est par exemple la distance entre deux maxima ou deux minima successifs sur la courbe indiquée précédemment. Dans le spectre visible, les différences de longueur d'ondes se traduisent par des différences de couleur. Le domaine visible s'étend de 350 nm (violet) à 750 nm (rouge), un nanomètre (nm) étant égal à 10-9 m. La lumière blanche est un mélange de longueurs d'ondes visibles. Bien qu'il n'y ait pas de limite précise entre les domaines des longueurs d'ondes, on peut considérer que la limite inférieure des longueurs d'ondes des radiations ultraviolettes est de 10 nm. Les radiations infrarouges, qui produisent un rayonnement thermique, ont des longueurs d'ondes comprises entre 700 nm et 1 mm.
La vitesse de propagation : La vitesse de propagation d'une onde électromagnétique est le produit de sa fréquence par sa longueur d'onde. Dans le vide, cette vitesse est la même pour toutes les ondes. La vitesse de la lumière dans un milieu est inférieure à sa vitesse de propagation dans le vide et dépend de la longueur d'onde. Ce phénomène est appelé dispersion.
L'indice de réfraction : L'indice de réfraction d'un milieu est le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide sur la vitesse d'une onde lumineuse dans le milieu. Pour toutes les longueurs d'ondes, l'indice de réfraction de l'air est de 1,00029, mais pour la plupart des applications, la valeur de 1 est suffisamment précise.
Les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière sont généralement issues de la théorie des ondes lumineuses introduite au XVIIe siècle par le scientifique hollandais Christiaan Huygens. Le principe de Huygens stipule que chaque point du front d'onde initial peut être considéré comme l'origine de petites ondes secondaires et sphériques qui se propagent dans toutes les directions à partir de leur centre avec la même vitesse, la même fréquence et la même longueur d'onde que l'onde initiale. Un nouveau front d'onde qui englobe les ondes secondaires peut alors être défini. Comme la lumière se propage perpendiculairement à ce front d'onde, ses changements de direction peuvent être expliqués par le principe de Huygens.
Lorsque des ondes secondaires se propageant dans un milieu rencontrent un obstacle ou passent dans un autre milieu, chaque point de la surface de séparation devient la source de deux nouveaux trains d'ondes. Celui qui est réfléchi reste dans le premier milieu et celui qui est réfracté pénètre dans le second milieu. Le comportement des rayons réfléchis et réfractés peut être interprété par le principe de Huygens. Il est plus simple et souvent suffisant de représenter la propagation de la lumière par des rayons plutôt que par des ondes. Le rayon représente la ligne de propagation ou la direction de l'énergie rayonnante. En optique géométrique, la théorie des ondes lumineuses n'est pas utilisée et on suppose que la lumière ne s'incurve pas. Les rayons et leur évolution sont représentés en utilisant les lois de la réflexion et de la réfraction.
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