1. Lumière et rayonnement
Qu'est-ce que la lumière ?
... et qu'est-ce que le rayonnement ? On pourrait croire que c'est une bête question. Mais la réponse n'est pas si simple ! Les physiciens ont cherché pendant des siècles pour comprendre la nature de la lumière. Certains scientifiques pensaient qu'il s'agissait d'ondes, d'autres pensaient que la lumière était composé de particules. Aujourd'hui les scientifiques sont d'accord pour considérer que le rayonnement n'est ni ondulatoire ni corpusculaire. Le rayonnement a une double nature. Selon les dispositifs expérimentaux et les conditions de mesures, la lumière réagit parfois comme une onde, parfois comme un flux de particules. C'est pourquoi on dit que la lumière a un double comportement (ce qu'on appelle la dualité onde-particule).
Commençons par le plus fondamental. On considère que la lumière est surtout une onde. Les ondes sont des phénomènes, souvent harmoniques (ce qui signifie qu'ils ont des propriétés périodiques) se produisant dans l'espace et le temps. Pour mieux comprendre des propriétés des ondes, jetons d'abord un coup d'oeil au mouvement d'une balle sur une surface d'eau parcourue par une onde.
- Le comportement temporel d'une onde est évident si l'on regarde le mouvement de la balle sur la ligne verticale; la balle oscille de façon sinusoïdale et cette oscillation sinusoïdale prouve que l'onde qui voyage de gauche à droite a un mouvement rythmé dans le temps.
- Le comportement spatial d'une onde peut être démontré par un arrêt sur image: on y voit une courbe sinusoïdale le long de l'axe horizontal, qui reflète la forme de l'onde à cet instant précis.
La périodicité dans le temps et la périodicité dans l'espace sont des caractéristiques des ondes !
La périodicité dans l'espace est décrite par la longueur d'onde λ, une longueur dont les unités sont les mètres, les micromètres, les kilomètres... Elle peut être mesurée comme la distance entre deux maximums adjacents (ou entre deux pics successifs) ou entre n'importe quels autres deux points adjacents ayant le même déplacement et la même pente.
La périodicité temporelle est décrite par la période T, un intervalle de temps dont les unités sont les secondes, les heures, les années... La période peut également être mesurée par la différence de temps (le délai) entre deux maximums adjacents.
La fréquence f d'une onde est une autre quantité liée au comportement temporel d'une onde. Elle peut être calculée à partir de la période T avec f=1/T. La fréquence est un inverse de temps (1/temps), si le temps est donné en secondes (s), la fréquence s'exprime en 1/s, une unité appellée le Hertz (Hz).
La vitesse c de propagation d'une onde peut être calculée à partir de la fréquence et de la longueur d'onde:
Cette équation sera dérivée et expliquée en plus amples détails dans la section sur les ondes électromagnétiques.
