LES ONDES LUMINEUSES
L'astronomie connut une série de succès éclatant avec la mécanique céleste. Toutefois, son domaine était très limité.
Elle décrivait seulement la position et le mouvement des corps célestes. Elle ne pouvaient analyser leur nature.
Au XIXe siècle, une nouvelle méthode d'investigation apparut: l'analyse spectrale.
Cette méthode allait permettre l'étude de la nature physique des astres et donner naissance à l'astrophysique.
Les couleurs de l'arc-en-ciel
L'origine des différentes couleurs a toujours intéressé les physiciens.
Isaac Newton fut le premier à donner une interprétation correcte.
Il démontra que la lumière visible était en fait constituée d'une superposition de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.
L'on peut faire apparaître ces diverses couleur en faisant passer la lumière dans un prisme. Chaque couleur est déviée de façon différente et apparaît de façon distincte.
La lumière blanche peut donc être décomposée en ses diverses composantes et donner lieu à une succession de couleurs appelée spectre.
L'onde électromagnétique
La question la plus fondamentale de la nature de la Lumière réussit à trouver une réponse après de nombreuses recherches.
Dans la deuxième partie du XIXe siècle, James Clerck Maxwell, physicien écossais, édifia l'une des pièces maîtresses de la physique classique: la théorie unifiée des phénomènes
électriques et magnétiques.
L'un des résultats les plus importants de cette théorie était la mise en évidence du lien
intime entre champ électrique et magnétique.
Les physiciens savaient déjà qu'un champ magnétique variable pouvait engendrer un
champ électrique tel une dynamo de bicyclette par exemple.
Maxwell démontra qu'un champ électrique variable pouvait donner naissance à un champ magnétique.
Ce résultat avait une implication très importante. Si un champ électrique oscille en un
point, selon Maxwell, cette oscillation va donner lieu à un champ magnétique autour de
ce point.
Le champ magnétique ainsi créé est variable et va à son tour donner naissance à un champ électrique. Celui-ci va créer un nouveau champ magnétique et ainsi de suite.
Les deux champs peuvent ainsi s'entretenir mutuellement. L'oscillation initiale va se propager dans toutes les directions comme lorsqu'on lance un caillou dans l'eau. Et l'on
appelle ce phénomène une onde électromagnétique.
Dans les années 1860, Maxwell calcula qu'une onde électromagnétique devait se propager à une vitesse d'environ 300 000 kilomètres par seconde.
Hippolyte Fizeau et Jean Foucault avaient déjà mesuré la vitesse de la lumière et avait
obtenu une valeur assez proche de celle-ci.
Maxwell tira la conclusion qui s'imposait et avança que la lumière s'expliquait comme une onde électromagnétique, à savoir une oscillation simultanée des champs électrique
et magnétique qui se propageait à la vitesse fantastique de 299 792 km/seconde.
La longueur d'onde
Le paramètre le plus important pour décrire une onde est ce qu'on appelle la longueur
d'onde.
Dans le cas de vagues à la surface de l'eau, la longueur d'onde est la distance qui sépare deux vagues successives.
Pour les ondes lumineuses, la longueur d'onde est la distance séparant deux points où les champs atteignent une intensité maximale.
La longueur d'onde de la lumière visible est très petite. Elle s'exprime en micromètre,
c'est-à-dire en millionièmes de mètre, et varie de 0,38 à 0,75 micromètre.
La longueur d'onde de la lumière détermine la couleur que nous observons en regardant un objet.
Ainsi, un faisceau lumineux de longueur d'onde proche de 0,7 micromètre paraît rouge.
Si la longueur d'onde est proche de 0,5 micromètre, la couleur est jaune.
Elle est violette lorsqu'elle est proche de 0,4 micromètre.
Au-delà du domaine visible
Le spectre des ondes électromagnétiques ne se limite pas à la lumière visible à l'oeil.
Depuis le XIXe siècle, les physiciens ont découvert toute une gamme de rayonnements
invisibles à l'oeil.
Au début du siècle dernier, William Herschel étudiait le spectre de la lumière solaire à
l'aide d'un prisme et d'un thermomètre.
Ce dernier indiquait une hausse de température lorsqu'il se trouvait dans le spectre visible et également lorsque placé au-delà de la partie rouge du spectre visible.
Herschel venait de découvrir une forme de lumière invisible et pourtant réelle.
Ce rayonnement, bien connu de nos jours, est l'infrarouge.
Il est utilisé dans les télécommandes et les systèmes de détection de chaleur.
Il couvre un domaine de longueurs d'onde supérieures à celle de la lumière visible, entre 0,8 micromètres et 1 millimètre.
Pour les longueurs d'onde encore plus grande, on entre dans le domaine des ondes radio. Ces ondes furent découvertes par Heinrich Hertz en 1888.
Ces ondes sont très bien connues puisqu'elles permettent la diffusion des programmes de radio et de télévision, les communications avec les satellites et aussi les fours à
micro-ondes.
Il existe aussi des rayonnements dont les longueurs d'onde sont inférieures à celle de la
lumière visible.
Pour une longueur d'onde comprise entre 0,01 et 0,4 micromètre, c'est le rayonnement ultraviolet bien connu pour provoquer des cancers de la peau.
Au-delà, ce sont les rayons X, utilisés pour observer l'intérieur du corps humain.
Et plus encore, ce sont les rayons gamma qui sont très dangereux et produits par exemple lors des réactions nucléaires.