DIFFRACTion des ondes

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1 DIFFRACTion des ondes I DIFFRACTION DES ONDES PAR LA CUVE À ONDES Lorsqu'une onde plane traverse un trou, elle se transforme en onde circulaire. On dit que l'onde plane est diffractée par le trou. Ce phénomène est le phénomène de diffraction. A la sortie, les rayons diffractés vont dans toutes les directions. Pour que la déviation des rayons par le trou soit grande, donc que le phénomène de diffraction soit bien visible, il faut que la dimension du trou soit du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de l'onde. II DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE PAR UNE FENTE OU UN CHEVEU 2.1. EXPÉRIENCE 1/6

2 Lorsqu'un rayon laser passe au travers d'une fente, il est diffracté par la fente. Si on place un écran derrière la fente, on peut observer la figure de diffraction de la fente. On observe une tâche centrale brillante, entourée de tâches satellites deux fois moins larges et moins lumineuses que la tâche centrale. Entre deux tâches, on observe des zones d'obscurité. Le phénomène est identique à ce qu'on observe lorsque le laser éclaire un cheveu. On obtient la figure de diffraction du cheveu, identique à la figure de diffraction de la fente de même diamètre. Plus le cheveu ou la fente sont petits (plus l'objet diffractant est petit), plus la tâche centrale de la figure de diffraction est large et plus les tâches satellites sont larges et écartées les unes des autres. 2.2) LA LUMIÈRE EST UNE ONDE On explique ce phénomène en disant que comme les vagues sur l'eau, la lumière est une onde. Contrairement aux vagues sur l'eau ou au son dans l'air, la lumière n'a pas besoin de milieu de propagation puisqu'elle est capable de se déplacer dans le vide. C'est une onde électromagnétique, comme les ondes radio, les rayons X ou les rayons gamma, sauf que la lumière visible a une longueur d'onde dans le vide comprise entre 400 nm pour le violet et 800 nm pour le rouge. 2.3) PARADOXE POUR LES PHYSICIENS : LUMIÈRE + LUMIÈRE = OBSCURITÉ Ce qui a beaucoup étonné et questionné les physiciens qui avaient depuis longtemps observé le phénomène de diffraction sans pouvoir l'expliquer, ce sont davantage les zones d'obscurité que les zones de lumière. En effet, on comprend bien que de la lumière peut donner de la lumière, par contre, comment la lumière peut-elle donner naissance à de l'obscurité? Là encore, seul le concept d'onde peut lever ce paradoxe : Ondes en phase : lumière + lumière = lumière Ondes en opposition de phase : lumière + lumière = obscurité + + = 2/6

3 2. DUALITÉ ONDE CORPUSCULE Isaac Newton ( ) décrivit la lumière comme une émission de particules, tandis que, d'après Christiaan Huygens ( ), la lumière est un ensemble d'ondes. En 1905, Albert Einstein ( ), avança l hypothèse que la lumière peut être considérée comme un flux de particules élémentaires appelées quanta ou photons, évoluant à la vitesse c = km.s -1. Cette théorie d une lumière corpusculaire lui permit de proposer une explication à l effet photoélectrique. Finalement, la lumière est-elle constituée de particules ou d'onde? Est-elle une particule ou une onde, est-elle à la fois onde et particule? Réponse : La lumière n'est ni une onde ni une particule, mais autre chose de plus complexe, appelé «quantum» par les physiciens. Dans certaines expériences (diffraction ou ondes radio), c'est l'aspect ondulatoire qui prédomine. Dans d'autres expériences comme l'effet photoélectrique ou de la lumière ultraviolette peut arracher des électrons à un métal ou lorsqu'un rayon gamma pénètre profondément dans le corps, voir le traverse à la façon d'une balle de fusil microscopique en créant des micro dégats dans les noyaux de nos cellules pouvant donner le cancer (radioactivité), c'est l'aspect ondulatoire qui prédomine. Un dessin permettra de mieux comprendre : Quantum Onde particule La lumière ou quantum, ici représenté par un cylindre, n'est ni une onde, représentée par un rectangle, ni une particule, représentée par un cylindre. Par contre, vu dans une une direction perpendiculaire à l'axe du cylindre, un cylindre nous apparaît comme un rectangle (en projection longitudinale), alors qu'il peut aussi nous apparaître comme un cercle en projection transversale (vu dans une direction perpendiculaire à l'axe du cylindre). De la même façon la lumière qui est ni une onde ni une particule peut nous apparaître tantôt comme une onde, tantôt comme une particule. III DIFFRACTION DE LA LUMIÈRE PAR UN RÉSEAU 3.1) QU'EST-CE QU'UN RÉSEAU? Un réseau est constitué d'une plaque de verre gravée de traits parallèles très fins et très rapprochés les uns des autres. Au lycée Livet, on a trois sortes de réseaux : des réseaux comportant 140, 540 et 1000 traits par millimètre. 3/6

4 Exercice : Quelle distance sépare les traits de chacun des réseaux? 1. Réseau 1 : 1 mm /140 = 10-3 /140 = 7, m = 7,14 μm 2. Réseau 2 : 1 mm /540 = 10-3 /540 = 1, m = 1,85 μm 3. Réseau 3 : 1 mm /1000 = 10-3 /1000 = 10-6 m = 1 μm 3.2) QUE SE PASSE-T'IL LORSQU'UNE LUMIÈRE MONOCHROMATIQUE (LASER) TRAVERSE UN RÉSEAU? Réseau 540 traits/mm Ecran Faisceau laser incident Faisceau laser diffracté Figure de diffraction obtenue sur l'écran La figure de diffraction obtenue est constituée de très nombreux points, tous équidistants et de même amplitude, séparés par le larges zones d'obscurité. Autour de la tâche centrale, on a de part et d'autres des tâches satellites équidistantes et toutes de même intensité. Réseau 140 traits/mm Figure de diffraction obtenue sur l'écran Réseau 1000 traits/mm Figure de diffraction obtenue sur l'écran Plus le réseau est serré, plus les tâches sont distantes les unes des autres. 4/6

5 3.3) QUE SE PASSE-T'IL LORSQU'UNE LUMIÈRE POLYCHROM. (BLANCHE) TRAVERSE UN RÉSEAU? blanche Réseau 540 traits / mm Spectre d'ordre 0 Lorsque la lumière blanche traverse le réseau, elle est décomposée par le réseau car toutes les couleurs ne sont pas diffractées de la même manière. Le rouge, qui a une longueur d'onde plus grande est davantage diffracté donc dévié que le vert et que le bleu qui ont une longueur d'onde plus petite. On obtient plusieurs spectres : Le spectre d'ordre zéro qui n'est pas dévié et pas décomposé, qui forme donc une bande blanche au centre de l'écran Deux spectres d'ordre un formant deux spectres symétriques par rapport au spectre d'ordre zéro et où le bleu est le plus près de l'axe et le rouge est le plus loin Deux spectres d'ordre deux formant deux spectres symétriques par rapport au spectre d'ordre zéro, plus éloignés de l'axe que le spectre d'ordre 1, plus étalé et moins brillant, où encore une fois, le bleu est le moins dévié de l'axe et le rouge est le plus dévié de l'axe. 3.4) LES DIFFÉRENTES MÉTHODES PERMETTANT D'OBTENIR LE SPECTRE DE LA LUMIÈRE Prisme Spectre d'ordre 0 Réseau REFRACTION + DISPERSION DIFFRACTION LE BLEU EST PLUS DEVIE QUE LE ROUGE CAR LE BLEU EST PLUS RALENTI QUE LE ROUGE PAR LE VERRE 5/6 LE ROUGE EST PLUS DEVIE QUE LE BLEU CAR LE ROUGE A UNE LONGUEUR D'ONDE PLUS GRANDE QUE LE BLEU

6 IV DIVERS TYPES DE SPECTRES OBTENUS AVEC UN SPERTROSCOPE PORTATIF À RÉSEAU 4.1. SPERCTRE CONTINU Observez à l'aide de votre spectroscope portatif à réseau le spectre de la lumière extérieure (lumière du soleil) ainsi que la lumière d'une lampe à incandescence (lampe à filament de tungstène chauffé par du courant électrique et élevé à haute température. Observez et décrivez le type de spectre obtenu. Le spectre obtenu contient toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, sans aucune interruption, allant du rouge au violet, en passant par le orange, le jaune, le vert et le bleu. La lumière ainsi constituée contient toutes les radiations monochromatiques de toutes les longueur d'onde possibles, comprises entre 400 nm et 800 nm. Ce type de spectre est caractéristique des corps chauds. Le soleil est un corps chaud, puisque sa surface, qui envoie de la lumière (photosphère a une température de l'ordre de 5000 C. Il en est de même pour le filament de tungstène de la lampe à incandescence, portée à plus de 1000 C SPECTRE DE RAIES Observez à l'aide de votre spectroscope à réseau le spectre de la lumière émise par des lampes spectrales à décharge électrique dans un gaz contenant de l'hydrogène (H), ou du sodium (Na) ou du cadmium (Cd) ou du mercure (Hg). Décrivez le spectre obtenu. Nous obtenons des raies colorées sur fond noir donnant des spectres de raies. Le nombre, les positions et les couleurs des raies colorées sont différentes pour chaque atome. Elles sont à l'atome émetteur de lumière ce que les empreintes digitales sont à l'homme. Ce sont les atomes excités par la décharge électrique qui émettent de la lumière. L'étude du spectre permet de les reconnaître. 6/6