La lumière (physique): qu'est-ce que c'est et comment ça marche ?

Comprendre la dualité particule-onde du rayonnement électromagnétique (lumière) est fondamental pour comprendre la théorie quantique et d'autres phénomènes ainsi que la nature de la lumière. L'un des plus grands développements scientifiques du siècle précédent a été la découverte que les très petits objets n'obéissaient pas aux mêmes règles que les objets de tous les jours.

En termes simples, les ondes électromagnétiques sont simplement appelées lumière, bien que le terme lumière soit parfois utilisé pour spécifier la lumière visible. (ce qui peut être détecté par l'œil), et d'autres fois est utilisé plus généralement pour désigner toutes les formes d'électromagnétisme radiation.

Pour bien comprendre les ondes électromagnétiques, il est important de comprendre la notion de champ et la relation entre l'électricité et le magnétisme. Cela sera expliqué plus en détail dans la section suivante, mais en substance, les ondes électromagnétiques (ondes lumineuses) consiste en une onde de champ électrique oscillant dans un plan perpendiculaire (à angle droit) à un champ magnétique vague.

Si le rayonnement électromagnétique agit comme une onde, alors toute onde électromagnétique particulière aura une fréquence et une longueur d'onde qui lui sont associées. La fréquence est le nombre d'oscillations par seconde, mesurée en hertz (Hz) où 1 Hz = 1/s. La longueur d'onde est la distance entre les crêtes des vagues. Le produit de la fréquence et de la longueur d'onde donne la vitesse d'onde, qui pour la lumière dans le vide est d'environ 3×10⁸ Mme.

Contrairement à la plupart des ondes (telles que les ondes sonores, par exemple), les ondes électromagnétiques ne nécessitent pas de support à travers lequel se propagent et peuvent donc traverser le vide de l'espace vide, ce qu'ils font à la vitesse de la lumière - la vitesse la plus rapide dans le univers!

Un champ peut être considéré comme un réseau invisible de vecteurs, un à chaque point de l'espace indiquant la magnitude et la direction relatives d'une force qu'un objet ressentirait s'il était placé à ce point. Par exemple, un champ gravitationnel près de la surface de la terre consisterait en un vecteur en chaque point de l'espace pointant directement vers le centre de la terre. A la même altitude, tous ces vecteurs auraient la même amplitude.

Si une masse devait être placée en un point donné, alors la force gravitationnelle qu'elle ressent dépendrait de sa masse et de la valeur du champ à cet endroit. Les champs électriques et les champs magnétiques fonctionnent de la même manière, sauf qu'ils appliquent des forces dépendant respectivement de la charge et du moment magnétique d'un objet au lieu de sa masse.

Le champ électrique résulte directement de l'existence de charges, tout comme le champ gravitationnel résulte directement de la masse. La source du magnétisme, cependant, provient de la charge en mouvement (ou, de manière équivalente, des champs électriques changeants).

Dans les années 1860, le physicien James Clerk Maxwell a développé un ensemble de quatre équations qui décrivent complètement la relation entre l'électricité et le magnétisme. Ces équations montraient essentiellement comment les champs électriques sont générés par les charges, comment il n'existe pas de monopôles magnétiques fondamentaux, comment les champs magnétiques changeants peuvent générer un champ électrique, et comment le courant ou les champs électriques changeants peuvent générer des champs magnétiques des champs.

Peu de temps après la dérivation de ces équations, une solution a été trouvée décrivant une onde électromagnétique auto-propageante. Cette vague devait se déplacer à la vitesse de la lumière et s'est en fait avérée être de la lumière !

Les ondes électromagnétiques peuvent avoir de nombreuses longueurs d'onde et fréquences différentes, tant que le produit de la longueur d'onde et de la fréquence d'une onde donnée est égal àc, la vitesse de la lumière. Les formes de rayonnement électromagnétique comprennent (des longueurs d'onde plus longues/faible énergie aux longueurs d'onde plus courtes/haute énergie) :

• Ondes radio (0,187 m - 600 m)
• Micro-ondes (1 mm - 187 mm)
• Ondes infrarouges (750 nm - 1 mm)
• Lumière visible (400 nm - 750 nm; ces longueurs d'onde sont détectables par l'œil humain et souvent subdivisées en un spectre visible)
• Lumière ultraviolette (10 nm - 400 nm)
• Rayons X (10^-12 m - 10 nm)
• Rayons gamma (<10^-12 m)

Les photons sont le nom des particules lumineuses quantifiées ou du rayonnement électromagnétique. Albert Einstein a introduit la notion de quanta de lumière (photons) dans un article du début du 20e siècle.

Les photons sont sans masse et n'obéissent pas aux lois de conservation des nombres (ce qui signifie qu'ils peuvent être créés et détruits). Ils obéissent cependant à la conservation de l'énergie.

En fait, les photons sont considérés comme faisant partie d'une classe de particules qui sont des porteurs de force. Le photon est le médiateur de la force électromagnétique et agit comme un paquet d'énergie qui peut être transféré d'un endroit à un autre.

Vous pensez probablement qu'il est plutôt étrange de parler soudainement d'ondes électromagnétiques en tant que particules, car les ondes et les particules semblent être deux constructions fondamentalement différentes. En effet, c'est justement ce genre de chose qui rend la physique du très petit si étrange. Dans les prochaines sections, les notions de quantification et de dualité particule-onde sont discutées plus en détail.

Les ondes électromagnétiques résultent des oscillations des champs électriques et magnétiques. Si une charge se déplace d'avant en arrière le long d'un fil, elle crée un champ électrique changeant, qui à son tour crée un champ magnétique changeant, qui se propage ensuite.

Les atomes et les molécules, qui contiennent des charges mobiles sous forme de nuages ​​d'électrons, sont capables d'interagir avec le rayonnement électromagnétique de manière intéressante. Dans un atome, les électrons ne sont autorisés à exister que dans des états d'énergie quantifiés très spécifiques.

Si un électron veut être dans un état d'énergie inférieur, il peut le faire en émettant un paquet discret de rayonnement électromagnétique pour emporter l'énergie. Inversement, pour sauter dans un autre état énergétique, ce même électron doit également absorber un paquet discret d'énergie très spécifique.

L'énergie associée à une onde électromagnétique dépend de la fréquence de l'onde. En tant que tels, les atomes ne peuvent absorber et émettre que des fréquences très spécifiques de rayonnement électromagnétique compatibles avec leurs niveaux d'énergie quantifiés associés. Ces paquets d'énergie sont appelésphotons​.

​Quantificationfait référence à quelque chose qui est limité à des valeurs discrètes par rapport à un spectre continu. Lorsque les atomes absorbent ou émettent un seul photon, ils ne le font qu'à des valeurs d'énergie quantifiées très spécifiques décrites par la mécanique quantique. Ce « photon unique » peut vraiment être considéré comme un « paquet » d'ondes discrètes.

Une quantité d'énergie ne peut être émise qu'en multiples d'une unité élémentaire (constante de Planckh). L'équation qui relie l'énergieEd'un photon à sa fréquence est :

Oùν(la lettre grecque nu) est la fréquence du photon et la constante de Planckh​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Vous entendrez les gens utiliser les motsphotonetun rayonnement électromagnétiqueinterchangeable, même s'il semble que ce sont des choses différentes. Lorsqu'on parle de photons, les gens parlent généralement des propriétés des particules de ce phénomène, alors que lorsqu'ils parlent d'ondes ou de rayonnements électromagnétiques, ils parlent aux ondes Propriétés.

Les photons ou les rayonnements électromagnétiques présentent ce qu'on appelle la dualité particule-onde. Dans certaines situations et dans certaines expériences, les photons présentent un comportement semblable à celui des particules. Un exemple en est l'effet photoélectrique, où un faisceau lumineux frappant une surface provoque la libération d'électrons. Les spécificités de cet effet ne peuvent être comprises que si la lumière est traitée comme des paquets discrets que les électrons doivent absorber pour être émis.

Dans d'autres situations et expériences, ils agissent plutôt comme des vagues. Un excellent exemple de ceci est les modèles d'interférence observés dans des expériences à fente unique ou multiple. Dans ces expériences, la lumière se déplace à travers des fentes étroites et rapprochées, qui agissent comme de multiples fentes en phase sources lumineuses, et par conséquent, il produit un motif d'interférence cohérent avec ce que vous verriez dans un vague.

Plus étrange encore, les photons ne sont pas les seuls à présenter cette dualité. En effet, toutes les particules fondamentales, même les électrons et les protons, semblent se comporter de cette façon. Plus la particule est grosse, plus sa longueur d'onde est courte, et moins cette dualité apparaîtra. C'est pourquoi vous ne remarquez rien de tel dans la vie de tous les jours.