Le caractère ondulatoire de la lumière

La nature de la lumière a fait l’objet d’une enquête depuis l’antiquité. Au XVIIe siècle, Isaac Newton a réalisé des expériences avec des lentilles et des prismes, et il a pu démontrer que la lumière blanche se compose des couleurs individuelles de l’arc-en-ciel combinées ensemble. Newton a expliqué ses résultats optiques du point de vue " corpusculaire " de la lumière, dans lequel la lumière était composée de flux de particules extrêmement petites se déplaçant à des vitesses élevées selon les lois du mouvement de Newton.  

D’autres au XVIIe siècle, comme Christiaan Huygens, avaient montré que des phénomènes optiques, tels que la réflexion et la réfraction, pouvaient également être expliqués en termes de lumière telle des ondes se propageant à grande vitesse à travers un milieu appelé " éther luminifère " qui était censé imprégner tout l’espace. Au début du XIXe siècle, Thomas Young a démontré que la lumière passant par des fentes étroites et étroitement espacées produisait des modèles d’interférence qui ne pouvaient pas être expliqués en termes de particules newtoniennes, mais qui pouvaient être facilement expliqués en termes d’ondes. Plus tard au XIXe siècle, après que James Clerk Maxwell ait développé sa théorie du rayonnement électromagnétique et montré que la lumière était la partie visible d’un vaste spectre d’ondes électromagnétiques, la vision de particule de la lumière a été complètement discréditée.  

À la fin du XIXe siècle, les scientifiques considéraient l’univers physique comme comportant à peu près deux domaines distincts : la matière composée de particules se déplaçant selon les lois du mouvement de Newton et le rayonnement électromagnétique composé d’ondes régies par les équations de Maxwell. Aujourd’hui, ces domaines sont appelés mécanique classique et électrodynamique classique (ou électromagnétisme classique). Bien qu’il y avait quelques phénomènes physiques qui ne pouvaient être expliqués dans ce cadre, les scientifiques de l’époque étaient si confiants de la solidité globale de ce cadre qu’ils considéraient ces aberrations comme des paradoxes déroutants qui seraient finalement résolus, d’une manière ou d’une autre, dans ce cadre. Ces paradoxes ont conduit à un cadre contemporain qui relie intimement les particules et les ondes à un niveau fondamental appelé la dualité onde-particule, qui a remplacé la vision classique.

La lumière visible et les autres formes de rayonnement électromagnétique jouent un rôle important en chimie puisqu’elles peuvent être utilisées pour déduire les énergies des électrons à l’intérieur des atomes et des molécules. Une grande partie de la technologie moderne est basée sur le rayonnement électromagnétique. Par exemple, les ondes radio provenant d’un téléphone portable, les rayons X utilisés par les dentistes, l’énergie utilisée pour cuire des aliments dans votre four micro-ondes, la chaleur rayonnante provenant d’objets chauds rouges et la lumière de votre écran de télévision sont des formes de rayonnement électromagnétique qui présentent toutes un comportement ondulatoire.

Ondes

Une onde est une oscillation, ou un mouvement périodique, qui peut transporter de l’énergie d’un point de l’espace à un autre. Des exemples courants d’ondes se trouvent tout autour de nous. Secouer l’extrémité d’une corde transfère l’énergie de votre main à l’autre extrémité de la corde, faire tomber un galet dans un étang provoque des vagues se propageant vers l’extérieur le long de la surface de l’eau, et la dilatation de l’air qui accompagne un coup de foudre génère des ondes sonores (tonnerre) qui peuvent se déplacer vers l’extérieur sur plusieurs kilomètres. Dans chacun de ces cas, l’énergie cinétique est transférée par la matière (la corde, l’eau ou l’air) alors que la matière reste essentiellement en place.  

Les ondes ne doivent pas être restreintes pour se propager à travers la matière. Comme Maxwell l’a montré, les ondes électromagnétiques consistent en un champ électrique oscillant par pas avec un champ magnétique perpendiculaire, tous deux étant perpendiculaires à la direction de la propagation. Ces ondes peuvent se propager dans le vide à une vitesse constante de 2,998 &times 10⁸ m/s, la vitesse de la lumière (notée c).

Toutes les ondes, y compris les formes de rayonnement électromagnétique, sont caractérisées par une longueur d’onde (notée λ, la lettre grecque lambda en minuscule), par une fréquence (notée ν, la lettre grecque nu en minuscule) et par une amplitude.  

La longueur d’onde est la distance entre deux pics ou creux consécutifs dans une onde (mesurée en mètres dans le système SI). Les ondes électromagnétiques ont des longueurs d’onde qui se situent sur une plage énorme ; des longueurs d’onde allant des kilomètres (103 m) aux picomètres (10−12 m) ont été observées. La fréquence est le nombre de cycles d’une onde qui passent par un point précis dans l’espace pendant une durée de temps précise (dans le système si, ceci est mesuré en secondes). Un cycle correspond à une longueur d’onde complète. L’unité de la fréquence, exprimée en cycles par seconde [s⁻¹], est le hertz (Hz). Les multiples courants de cette unité sont le mégahertz (1 MHz = 1 × 10⁶ Hz) et le gigahertz (1 GHz = 1 × 10⁹ Hz).  

L’amplitude correspond à l’ampleur du déplacement de l’onde, ce qui correspond à la moitié de la hauteur entre les pics et les creux. L’amplitude est liée à l’intensité de l’onde, qui est l’intensité lumineuse pour la lumière, et l’intensité sonore pour le son. Le produit de la longueur d’onde d’une onde (λ) et de sa fréquence (ν), &lamda;ν, est la vitesse de l’onde. Ainsi, pour le rayonnement électromagnétique dans le vide, la vitesse est égale à la constante fondamentale, c :

La longueur d’onde et la fréquence sont inversement proportionnelles : à mesure que la longueur d’onde augmente, la fréquence diminue. Le spectre électromagnétique est la gamme de tous les types de rayonnement électromagnétique.  

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 6.1 : Énergie électromagnétique.