ARE DEMARCHE Une histoire de la lumière

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La lumière va-t-elle de l œil à l objet ou de l objet à l œil? Dès l antiquité, la lumière est assimilée à un mouvement de projectiles (philosophie atomiste), émis par les corps lumineux pour Démocrite (-460, -370), ou par l'œil pour Euclide (-325, -265). Chez Platon (-428, -348), on trouve même une curieuse situation intermédiaire, rencontre entre deux particules, l'une émise par l'œil, l'autre par l'objet observé. A l antiquité, le principe anthropique (lumière créée par l homme) est majoritairement accepté. Le milieu dans lequel se propage la lumière occupe plus particulièrement les esprits, au point que la propagation elle-même passe parfois au second plan. Pour Aristote (-384, - 322) comme pour beaucoup d'autres érudits de son époque, l'impossibilité du vide signifie que la lumière doit se propager dans un milieu encore inconnu. Plus tard, Lucrèce (-98, - 55) proposera que la lumière est constituée d'éléments qui s'entrechoquent ou se poussent les uns les autres. Les progrès techniques précèderont donc la connaissance scientifique. Ces avancés viendront essentiellement d'egypte où le savant arabe Ibn Al-Haytham dit Alhazen (965, 1039) étudie beaucoup l'œil et le phénomène de réfraction, ce qui lui permet d établir une véritable théorie corpusculaire de la lumière. Pour lui, la lumière est bien émise par le corps lumineux, indépendamment de l'observateur. L'optique instrumentale fait aussi de gros progrès en Egypte puisqu'on fabrique dès le 9 ème siècle les premiers lorgnons pour presbytes. ARE DEMARCHE - Decremps F. 2

Des mesures de Ptolémée à l analyse de Snell Réflexion, réfraction Quelle est la relation d'un angle à l'autre? Ceci a intrigué les Anciens pendant très longtemps, et ils n'ont jamais trouvé la réponse! C'est cependant un des rares endroits dans toute la physique des Grecs où on peut trouver certains résultats expérimentaux consignés. En 140, Claudius Ptolemée dressa une liste des angles dans l'eau pour un grand nombre d'angles différents dans l'air. Le tableau 1 montre les angles dans l'air, en degrés, et les angles correspondants mesurés dans l'eau. On dit habituellement que les scientifiques grecs n'ont jamais fait d'expériences Mais il aurait été impossible d'obtenir ces tableaux de valeurs sans connaître la vraie loi, sinon par l'expérience. Le tableau 2 montre les angles dans l'air et dans l'eau, d'après la loi de Snell. On observe un remarquable accord avec la liste de Ptolémée. Il faudra attendre 1621 pour que quelqu'un trouve enfin la loi reliant les deux angles! Découverte par Willebrord Snell, un mathématicien néerlandais, cette loi donne : sin(i 1 )=cst*sin(i 2 ) Tableau 1 (Ptolémée) Tableau 2 (Snell) i 1 (air) i 2 (eau) i 1 (air) i 2 (eau) 10 8 10 7 20 15 20 15 30 22 30 22 40 28 40 29 50 35 50 35 60 40 60 40 70 45 70 48 80 50 80 49 ARE DEMARCHE - Decremps F. 3

Kepler énonce les bases d une étude de la lumière Bien que Ptolémée (90-170) soit allé très loin dans l'étude de la réfraction, c est Johannes Kepler (1571-1630) qui sera reconnu pour les lois qu'il établit sur la réfraction optique (causée, dans le cas de son étude sur les mouvements des astres, par l atmosphère). Il a lu dès 1603 les ouvrages des égyptiens, dont ceux d Alhazen, ce qui lui permet le «grand saut» épistémologique en assimilant l œil à un dispositif optique classique conduisant à la formation d une image sur la rétine. Il énonce clairement le principe de la propagation (qu'il suppose avec une vitesse infinie) de la lumière de la source vers l'objet et accorde une grande importance au rayon lumineux si bien qu'on peut le supposer plutôt convaincu de la nature corpusculaire de la lumière. ARE DEMARCHE - Decremps F. 4

Descartes structure et pose les bonnes questions A la suite de Kepler et en même temps que Snell, René Descartes (1596-1650) propose dans un premier temps de circonscrire la recherche sur la lumière à trois domaines bien distincts : - la nature physique de la lumière; - la transmission de l image rétinienne au cerveau; - la représentation mentale. Il structure les champs du savoir ce qui lui permet de focaliser son étude sur le premier point en posant à nouveau plusieurs questions directrices : - comment expliquer la propagation rectiligne de la lumière (1)? - comment expliquer les propriétés de réfraction (2), réflexion (3) de la lumière? - qu est ce que la couleur (4)? Pour résoudre ces problèmes, Descartes doit utiliser sa créativité (intuition, subjectivité, ) car il n a en sa possession que peu de résultats expérimentaux autres que l expérience commune. (1) (2) (3) (4) ARE DEMARCHE - Decremps F. 5

1637 : La balle sans masse de Descartes Descartes, en bon héritier du point de vue atomiste, propose en 1637 dans la dioptrique que la lumière puisse être assimilées à une balle (un corpuscule, donc), mais dont la propagation s effectue sans transport de matière (comme une onde, donc). Il lui est alors facile d expliquer les phénomènes de trajectoire rectiligne, réflexion, et même réfraction dont il énonce la loi qui porte son nom (découverte en même temps que Willebrord Snell, mais aussi bien après sa réelle découverte par Al-Haytam ) Schéma d' Al-Haytham (965-1040), «la lumière est matérielle et se meut dans un temps», extrait du Livre de l'optique, 9 ème siècle. ARE DEMARCHE - Decremps F. 6

Application à la réfraction de la lumière Définition : Changement de direction que subit la lumière en traversant la surface de séparation entre deux milieux. Loi de la réfraction par Descartes : sin(θ 1 )/sin(θ 2 )=constante Normale Rayon incident i Milieu1 Milieu 2 r Rayon réfracté ARE DEMARCHE - Decremps F. 7

Application à la réflexion de la lumière Réflexion de Descartes (spéculaire) : s effectue dans une seule direction (visible dans une seule direction). Loi de réflexion : l angle d indicence = angle de réflexion. Rayon incident Normale Rayon réfléchi i r i r ARE DEMARCHE - Decremps F. 8

Faiblesses du concept de balle sans masse Pour Descartes, des frottements entre tourbillons sont à l origine de la lumière qui se propage avec une vitesse infinie. La réflexion est envisagée comme le rebond d'un projectile et la réfraction comme la traversée par ces projectiles d'une toile tendue qui les accélère si le deuxième milieu est plus réfringent. Il explique ainsi la couleur (expérience du prisme) comme une différence de vitesse de rotation de la balle suivant que le milieu est dur (minéral) ou mou (air). Descartes est donc aristotélicien lorsqu il s agit d expliquer la couleur (associée à une notion de force : rouge plus fort que le bleu). Pierre de Fermat est le premier à réfuter la théorie de la lumière de Descartes qu il trouve confuse et pleine de contradictions. Il semble en fait que la notoriété de l'écrivain philosophe leur ait offert une importance excessive. Fermat propose que la lumière ne se déplace pas instantanément mais que son déplacement minimise le temps de parcours en fonction de vitesses de propagation différentes. ARE DEMARCHE - Decremps F. 9

1645 : l expérience de Grimaldi (1618-1653) En 1645, le père Francesco Maria Grimaldi, un Jésuite italien, réalise une expérience toute simple qui consiste à faire entrer dans une chambre noire de la lumière par une fente et de projeter le rayon lumineux qui en émerge sur un écran blanc. L'objectif de Grimaldi était de vérifier si la largeur du faisceau projeté correspond à celle prédite par le tracé géométrique du rayon lumineux. À sa grande surprise, Grimaldi constate que le rayon lumineux qui s'étale sur l'écran est plus large que prévu. De plus, et c'est ce qu'il trouve le plus bizarre, la lumière blanche apparaît non pas blanche, mais colorée de deux ou trois raies de couleurs différentes. Francesco Maria Grimaldi Figures de diffraction par : un trou circulaire, carré et plus complexe ARE DEMARCHE LXC10 - Decremps - Decremps F. F. 10

1664 : les expériences de Boyle et Hooke En 1664, Robert Boyle publie ses Experiments and Considerations Touching Colours, livre dans lequel il décrit les résultats qu il a obtenu lors de ses différentes expériences sur la nature de la lumière. Il montre en particulier que lorsqu on fabrique une lame mince à surfaces parallèles dans un matériaux transparent, on observe des franges d interférences (appelées autrement à l époque ). Ce travail sera prolongé par Robert Hooke qui, par exemple, crée un rayon diffracté et le combine au rayon incident. Il observe alors, sans savoir l expliquer, ce qui sera par la suite appelé les anneaux de Newton. C est lui, par contre, qui aura en 1665 le premier l intuition de la nature ondulatoire de la lumière, idée reprise et développée en 1690 par Christian Huygens. Images d interférences dans une lame mince Robert Hooke (1635-1703) ARE DEMARCHE - Decremps F. 11

1669 : l expérience de Barthollin (1625-1698) En 1669, le danois Erasme Bartholin est le premier à observer le phénomène de biréfringence (sur un cristal de calcite). Pour expliquer ce dédoublement d images, il utilise pour la première fois des termes modernes comme la réfraction ordinaire et extraordinaire. Lorsqu'on place un cristal de calcite sur un texte [2(a)], on voit que l'image se dédouble. Si on fait tourner le cristal de [2(b)] à [2(c)], on constate que l'image qui se superpose à la ligne tracée sur la feuille reste immobile, c'est l'image ordinaire, tandis que l'autre, appelée l'image extraordinaire, tourne et disparaît. ARE DEMARCHE - Decremps F. 12

1676 : la mesure de Olaf Römer En 1676, l astronome Olaf Römer, danois travaillant à l époque à l observatoire de Paris, déduit des irrégularités des anneaux de saturnes une estimation de la célérité de la lumière. ARE DEMARCHE - Decremps F. 13

Etude du système Io, Jupiter, Terre, Soleil. Io est un des satellites de Jupiter, il met 42 h pour faire un tour de Jupiter Jupiter tourne autour du Soleil en 12 ans environ d 1 Terre Soleil La Terre tourne autour du Soleil en 1 an A chaque révolution, Io passe dans le cône d ombre créé par Jupiter et devient ainsi invisible de la Terre Puis Io réapparait, pendant ce temps la Terre s est déplacée sur son orbite, augmentant alors la distance qui la sépare de Io d 2 ARE DEMARCHE - Decremps F. 14

1645-1676 : l âge d or (expérimental) En l espace de 30 ans, de nouvelles expériences viennent de démontrer qu une nouvelle théorie de la lumière est nécessaire, les propositions de Descartes ne sont plus satisfaisantes. Cependant, expliquer toutes ces découvertes expérimentales avec une seule théorie cohérente est très complexe : cela occupera les plus grands physiciens pendant plus de deux siècles (jusqu à la théorie électro-magnétique en 1850, puis quantique en 1910)! [...] une période où l'intelligence des physiciens fut mise à rude épreuve : la lumière, disait-on, doit être considérée soit comme une onde, soit comme un ensemble de particules... selon les situations expérimentales. C'est ce qu'on a appelé la "dualité onde-corpuscule. [...] à cette époque la lumière était une onde les lundis, mercredis et vendredis, et un ensemble de particules les mardis, jeudis et samedis. Restait le dimanche pour réfléchir à la question. Richard FEYNMAN ARE DEMARCHE - Decremps F. 15

Le point de vue corpusculaire d Isaac Newton En 1666, l université de Londres ferme suite à un incendie et des épidémies de peste. Newton part dans le Lincolnshire, à Woolsthorpe Manor, où il décide de mener des expériences dans sa maison natale sur le problème de la couleur. A cette époque, la thèse aristotélicienne est la plus admise (la couleur est due à une atténuation de la force de la lumière ; le rouge est plus éclatant que le bleu car il est moins assombrit). Newton décide que cette question ne doit plus être traitée en fonction de la manière dont la lumière agit sur nous, mais plutôt sur la base de résultats expérimentaux. Il reprend la fameuse expérience du prisme, mais en utilisant un protocole expérimental rigoureux. Il est le premier par exemple à avoir l idée d observer la lumière dans l obscurité Pour interpréter ces premiers résultats, il part d une hypothèse non traditionnelle : il se peut que la lumière blanche ne soit pas homogène mais composée de corpuscules de masses et vitesses différentes. ARE DEMARCHE - Decremps F. 16

Isaac Newton expérimentateur : un regard neuf sur la lumière ARE DEMARCHE - Decremps F. 17

Reprise de l expérience du prisme Il réalise cette vieille expérience avec une philosophie nouvelle : ne pas observer et analyser, mais monter un protocole expérimental en vue de valider (ou pas) une hypothèse. Il démontre ainsi (expériences avec ou plusieurs prismes : double diffraction impossible, reconstitution de la lumière blanche, ) que la diffraction par un prisme ne peut s expliquer que dans le cadre d une lumière hétérogène, c est-à-dire que dans l hypothèse d une lumière polychromatique (la blanche) se décomposant en lumières monochromatiques (les couleurs). ARE DEMARCHE - Decremps F. 18

Reprise de l expérience de la feuille d or Là encore, Newton reprend une ancienne expérience proposée par Boyle et Hooke pour la réinterpréter, l expérience de la feuille d or. Lumière transmise bleue Lumière incidente blanche Lumière réfléchie jaune Contrairement à Boyle qui pensait que ce phénomène provenait de l affaiblissement de la lumière, Newton propose que la lumière blanche initiale contient toute les couleurs mais seule la jaune est réfléchie et seule la bleue est transmise à travers la feuille. ARE DEMARCHE - Decremps F. 19

La faiblesse du travail de Newton Les travaux et publications de Newton ne sont cependant pas crucial. D abord parce qu une expérience ou interprétation cruciale n existe pas en physique, mais surtout, comme l a montré Georges Buis en 1886, parce que la totalité des résultats obtenus par Newton peut aussi s interpréter avec une théorie ondulatoire de la lumière. D autre part : comment interpréter les aspects périodiques de la lumière (interférence, diffraction, ) avec la théorie corpusculaire? En 1690, Huygens renouvellera le concept de rayon lumineux en l associant à une onde par comparaison avec le son. Fresnel, sur cette base, expliquera les phénomènes de diffraction et interférence. La dualité onde-corpuscule apparaît nettement. ARE DEMARCHE - Decremps F. 20

Et ensuite? Un résumé Au 19 ème siècle, la théorie ondulatoire prend le dessus, principalement grâce à Fourier qui en propose une représentation mathématique puissante. La théorie de l émission de Newton est complètement rejetée suite aux travaux de Etienne Louis Malus (1775-1812) qui démontre en 1809 que la lumière se comporte comme une onde polarisée transversalement. Maxwell (1831-1879) publie en 1864 A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, livre dans lequel il décrit les équations associées à la propagation d une onde électromagnétique. Il prévoit l'existence d'une onde associée aux oscillations des champs électrique et magnétique qui se déplace dans le vide à une célérité de 310 740 000 m/s. Il écrit : L'accord des résultats semble montrer que la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature et que la lumière est une perturbation électromagnétique se propageant dans l'espace suivant les lois de l'électromagnétisme. ARE DEMARCHE - Decremps F. 21

De l éther au quanta Reste à trouver le milieu dans lequel se propage la lumière, milieu qui doit supporter l onde mais qui aurait des propriétés similaires au vide En 1887, l expérience de Michelson (1852-1931) démontre que le mouvement relatif de l éther par rapport à celui de la Terre est incongrue L invariance de la vitesse de la lumière est expliquée en 1905 par Einstein qui propose la théorie de la relativité restreinte. La lumière se propage dans le vide à la vitesse limite c qui possède la même valeur dans tous les référentiels inertiels, c devient une constante universelle. La dualité onde-corpuscule disparait avec la théorie des quanta (De Broglie, 1924) : la lumière est constituée d objet quantique, les photons, qui possèdent à la fois les propriétés des ondes et des corpuscules. Il sera montré plus tard que la nature quantique n est pas une particularité de la lumière, elle s applique aux électrons, à la matière (condensat de Bose-Einstein), ARE DEMARCHE - Decremps F. 22

Physique de tous les jours : comment fabrique -t-on de la lumière? ARE DEMARCHE - Decremps F. 23

Spectre de la lumière et applications ARE DEMARCHE - Decremps F. 24

Les ampoules à incandescence Lorsqu ils vibrent, les atomes du filament émettent de la lumière dont la longueur d onde dépend de sa température. Le tungstène est un matériau souvent utilisé car sa température de fusion est haute (3422 C). Chauffé à 2500 C par effet Joule, il émet de la lumière blanche. Un gaz inerte dans l ampoule augmentera sa durée de vie en limitant la sublimation du filament par collisions atomiques. Le rendement d une ampoule à incandescence est très faible (5%) apparition de l halogène en 1959 ARE DEMARCHE - Decremps F. 25

L ampoule à incandescence halogène Edward G. Zuber, employé de la General Electric, proposa en 1959 une solution au problème de la durée de vie en utilisant un gaz halogène (iode, brome, ) dans l enveloppe de l ampoule. On peut alors porté le filament à la température de 3000 C, la température de la paroi est très grande (730 C à comparée aux 300 C de l ampoule classique) : on utilise du quartz avec un revêtement anti-ultraviolet comme enveloppe. Chauffé à plus haute température, la production de lumière est plus grande, et l on peut utiliser des ampoules plus petites avec des gaz de recombinaison plus onéreux mais aussi plus efficaces (xénon, krypton) ARE DEMARCHE - Decremps F. 26

Les ampoules à décharge Principe physique Dans les ampoules à décharge, un courant électrique intense excite un gaz. Les atomes excités émettent de la lumière (des photons) lorsque les électrons se réorganisent sur les niveaux d énergie les plus bas : ces photons appartiennent en partie au domaine visible, utile pour s éclairer ou pour déterminer facilement la nature des éléments qui constituent les astres. ARE DEMARCHE - Decremps F. 27

Les ampoules à décharge Utilisation Parmi les différents type d ampoule à décharge, la lampe à vapeur de sodium (éclairage public) possède un très bon rendement et une grande durée de vie. Un autre avantage de cette famille d ampoules est la possibilité d obtenir des couleurs différentes suivant le type de gaz que l on utilise pour la remplir (les néons des enseignes lumineuses). ARE DEMARCHE - Decremps F. 28

Les tubes fluorescents (à décharge du mercure) Une ampoule à décharge qui fonctionne avec du mercure produit de la lumière ultraviolette (intéressant pour détecter des faux-billets, mais c est tout). Cependant ces photons sont très énergétiques (plus que ceux du visible), l idée des tubes fluo est donc de créer de la lumière UV avec du mercure excité par un courant électrique puis d éclairer une poudre fluorescente avec ce rayonnement : le phénomène de fluorescence permettra de transformer les UV en lumière de couleur. Si on utilise différentes substances fluorescentes différentes, on obtiendra différentes couleurs qui, associées, produiront de la lumière blanche. À recycler!!! ARE DEMARCHE - Decremps F. 29

Les rendements lumineux ARE DEMARCHE - Decremps F. 30

Comment voir sans lumière et sans sons? ARE DEMARCHE - Decremps F. 31

Au-delà de la microscopie optique : Les microscopie électronique et à sonde locale (pointe) Microscopie électronique en transmission (TEM ou MET) Microscopie électronique à balayage (MEB) Microscopie à effet tunnel Microscopie à force atomique ARE DEMARCHE - Decremps F. 32

La microscopie électronique en transmission Le principe du microscope électronique en transmission a été mis au point en 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska, ce dernier a d'ailleurs reçu le prix Nobel de physique en 1986 pour cette invention. La microscopie électronique en transmission (MET ou TEM en anglais pour Transmission Electron Microscopy) est une technique de microscopie où un faisceau d'électrons est «transmis» à travers un échantillon très mince. Elle consiste à placer un échantillon suffisamment mince sous un faisceau d'électrons, et d'utiliser un système de lentilles magnétiques pour projeter l'image de l'échantillon sur un écran fluorescent qui transforme l'image électronique en image optique. Les effets d'interaction entre les électrons et l'échantillon donnent naissance à une image, dont la résolution peut atteindre 0,8 Å. Contrairement aux microscopes optiques, la résolution n'est pas limitée par la longueur d'onde des électrons, mais par les aberrations dues au lentilles magnétiques. Les images obtenues ne sont généralement pas explicites, et doivent être interprétées à l'aide d'un support théorique. L'intérêt principal de ce microscope est de pouvoir combiner cette grande résolution avec les informations dues à la diffraction des électrons. ARE DEMARCHE - Decremps F. 33

La microscopie électronique à balayage Basé sur les travaux de Max Knoll et Manfred von Ardenne dans les années 30, le principe de la microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en anglais) est une technique de microscopie électronique basée sur le principe des interactions électrons-matière. La résolution se situe entre 0,4 nanomètre et 20 nanomètres. C est une technique qui consiste en un faisceau d électrons balayant la surface de l échantillon à analyser qui, en réponse, réémet certaines particules. Ces particules sont analysées par différents détecteurs qui permettent de reconstruire une image en trois dimensions de la surface. Un MEB est capable de produire des images en haute résolution de la surface d un échantillon. ARE DEMARCHE - Decremps F. 34

La microscopie à effet tunnel Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'ibm, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986. C'est un microscope en champ proche. Le microscope à effet tunnel utilise un phénomène quantique, l'effet tunnel, pour déterminer la morphologie et la densité d'états électroniques de surfaces conductrices ou semi-conductrices avec une résolution spatiale pouvant être égale ou inférieure à la taille des atomes. On place une pointe conductrice en face de la surface à étudier et l'on mesure le courant résultant du passage d'électrons entre la pointe et la surface par effet tunnel (les électrons libres du métal sortent un peu de la surface, si l'on se met très près, sans pour autant la toucher, on peut enregistrer un courant électrique). Physique classique Physique quantique ARE DEMARCHE - Decremps F. 35

La microscopie à force atomique Les atomes ont souvent tendance à s'attirer ; lorsque l'affinité des atomes est grande, ils se lient pour former une molécule ou un cristal, mais dans la plupart des cas, cette attraction est très faible et n'est perceptible qu'à très faible distance (il s'agit de forces de Van der Waals). À l'inverse, lorsqu'ils sont très proches, les atomes se repoussent du fait de la soumission des électrons du cortège électronique à la répulsion électrostatique. Il y aura donc une sorte de «distance d'équilibre» : si les atomes s'éloignent, une force les rappelle, et s'ils se rapprochent, une force les repousse. Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un microscope à sonde locale qui sert à visualiser la topographie de la surface d'un échantillon. Le principe se base sur les interactions entre l'échantillon et une pointe montée sur un microlevier (attraction/répulsion entre les atomes surfaciques et la pointe sondeuse). La pointe balaie la surface à représenter, et l'on agit sur sa hauteur selon un paramètre de rétroaction. Un ordinateur enregistre cette hauteur et peut ainsi reconstituer une image de la surface. ARE DEMARCHE - Decremps F. 36