Lumière : théorie

La lumière est une notion complexe qui peut être appréhendée suivant différents points de vue :
- physiologique : la lumière comme source de vie, avec des notions comme le rythme circadien ou le confort visuel,
- psychologique : influence de la lumière sur notre humeur, avec notamment l'appréhension de l'énergie et du sentiment de sécurité,
- sensible : la lumière considérée comme une matière à sculpter, comme en architecture par exemple, voir la page dédiée à l’éclairage vertical,
- physique : l'approche scientifique de la lumière comme onde électromagnétique avec des notions de photons et d'ondes électromagnétiques.

C'est de cette dernière théorie qu'il est traité ici.

Introduction

Les théories sur la lumière ont été nombreuses au cours de ces derniers siècles pour se focaliser d'une part sur une approche onde/corpuscule (ce qui peut expliquer la plupart de phénomènes) et d'autre part sur une approche quantique.

La lumière

Les ondes électromagnétiques et les photons

La lumière est d'un point de vue physique ce qui est perçu par l’œil humain, c'est-à-dire des ondes électromagnétiques comprises entre 380 et 780 nm.

Les ondes électromagnétiques composent une grande famille, qui contient également les rayons X, les ultraviolets, les infrarouges, les micro-ondes, les ondes radio (FM, AM...), etc. Ces sous-familles d'ondes n'ont pas les mêmes caractéristiques et se distinguent notamment par leur longueur d'onde (donc également leur énergie), voir schéma ci-dessous :

lumiere-ondes

Comme exprimé sur le schéma ci-dessus, une longueur d'onde est liée à une couleur : par exemple, une onde électromagnétique à 400 nm sera bleue, une à 500 nm sera verte et une à 700 nm sera rouge. Les ondes sont rarement produites sur une seule longueur d'onde (il s'agit dans ce cas d'une onde monochromatique) mais sur une ou des plage(s), voir les spectres électromagnétiques des différentes sources.

La combinaison de ces plages forment donc le spectre d'une lumière et peut être vu comme l'identité de la lumière. Les spectres sont très variables suivant les sources et il en existe une infinité. La lumière blanche peut être produite d'innombrables façons : il suffit pour cela de couvrir suffisamment le spectre entre 380 et 780 nm, sachant que des plages de longueurs d'ondes peuvent être (quasiment) non représentées dans un spectre qui produira quand même une lumière blanche, voir les spectres des différentes sources.

ImportantPlus le spectre électromagnétique d'une source est complet et homogène, plus la lumière sera qualitative et meilleur sera son rendu des couleurs.
Schéma d'une onde électromagnétique

Une onde électromagnétique, comme son nom l'indique, est composée d'un champ électrique et d'un champ magnétique. Ces champs sont reliés par les équations de Maxwell, voir ci-dessous.

lumiere-onde_electromagnetique

Equations Maxwell

Le photon est la particule élémentaire associée à l'onde électromagnétique lumineuse (voir la théorie quantique et la dualité onde corpuscule de Louis de Broglie)

Le comportement

La lumière qui arrive sur une surface peut être réfléchie, absorbée, réfractée et transmise, voir le chapitre d'optique théorique et le schéma ci-dessous.

lumiere-rayons

L'approche ondulatoire de la lumière permet quant à elle d'expliquer des phénomènes comme l'irisation apparente d'une tache d'huile ou de la diffraction en mettant en évidence la notion d'interférence.

A noter

La lumière blanche est composée de différentes couleursLa lumière blanche est un mélange de plusieurs longueurs d'onde visibles (donc de plusieurs couleurs). Réciproquement, il suffit de produire suffisamment de différentes longueurs d'ondes (donc différents couleurs) pour produire de la lumière blanche. Ce phénomène est très bien décrit dans la décomposition de la lumière à travers un prisme ou par exemple dans l'apparition d'un arc-en-ciel (la lumière du soleil est décomposée à travers les gouttes d'eau), voir schéma ci-dessous :

lumiere-goutte_eau

La lumière et la matièreSuivant le type d'état de surface et de matériaux choisis - clair, opale, opaque, transparent, spéculaire, diffus, satiné, mat... - l’interaction entre la lumière et la matière sera différente, voir la page sur la théorie de l'optique.

VitesseLa lumière se déplace à la vitesse d'environ 300 000 km/s dans le vide.

Théorie quantiqueL'apport de la théorie quantique a été indispensable pour expliquer des phénomènes tels que l'effet photoélectrique.

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mise à jour : 20 juin 2016