Lumière et Spectroscopie
De la nature ondulatoire de la lumière à la lecture chimique de l'univers, voyage dans le spectre électromagnétique
1600-1900 - Révolution optiqueLa lumière est à la fois onde et particule, messager cosmique et outil d'investigation. La spectroscopie, née de la décomposition de la lumière blanche par Newton, permet aujourd'hui d'analyser la composition chimique des étoiles à des milliards d'années-lumière et de comprendre l'évolution de l'univers.
Le Spectre Électromagnétique Visible
La lumière visible ne représente qu'une infime portion du spectre électromagnétique, entre 380 et 750 nanomètres. Chaque couleur correspond à une longueur d'onde spécifique.
Violet 450nm
Bleu 520nm
Vert 580nm
Jaune 650nm
Rouge 750nm
IR
L'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde
Nature de la Lumière
Onde électromagnétique et corpuscules
Une onde électromagnétique
La lumière est une oscillation couplée d'un champ électrique et d'un champ magnétique qui se propage dans le vide à 299 792 km/s. Elle ne nécessite aucun support matériel pour voyager, contrairement au son.
Propriétés fondamentales
- Vitesse constante dans le vide : c = 299 792 458 m/s
- Peut être réfléchie, réfractée, diffractée
- Transporte de l'énergie et de l'information
- Dualité onde-corpuscule (photons)
Équations de Maxwell
La lumière est une solution des équations de Maxwell dans le vide, décrivant la propagation couplée des champs électrique et magnétique.
Spectre électromagnétique complet
- Ondes radio : λ > 1 mm (radiodiffusion, WiFi)
- Micro-ondes : 1 mm - 1 m (radar, four)
- Infrarouge : 750 nm - 1 mm (chaleur, vision nocturne)
- Visible : 380-750 nm (lumière perceptible)
- Ultraviolet : 10-380 nm (bronzage, stérilisation)
- Rayons X : 0.01-10 nm (imagerie médicale)
- Rayons gamma : λ < 0.01 nm (radioactivité, astrophysique)
Réfraction et Dispersion
Pourquoi les prismes créent des arcs-en-ciel
Loi de Snell-Descartes : relation entre angles d'incidence et de réfraction
Réfraction
Lorsque la lumière passe d'un milieu à un autre (air → verre, par exemple), elle change de direction. Ce phénomène s'appelle la réfraction et est dû au changement de vitesse de la lumière dans différents matériaux.
Dispersion
La dispersion est le fait que différentes couleurs (longueurs d'onde) sont déviées différemment. Le bleu est plus dévié que le rouge, ce qui explique la décomposition de la lumière blanche par un prisme en arc-en-ciel.
Application : L'arc-en-ciel
Un arc-en-ciel se forme lorsque la lumière du soleil entre dans des gouttes d'eau, se réfracte, se réfléchit à l'intérieur, puis ressort en se dispersant. Chaque goutte ne renvoie qu'une seule couleur vers votre œil, mais des millions de gouttes créent le spectre complet.
Indice de réfraction
Dispersion chromatique
L'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde. Cette dépendance peut être approximée par la formule de Cauchy :
Interférences et Diffraction
La preuve de la nature ondulatoire
Interférences
Lorsque deux ondes lumineuses se rencontrent, elles peuvent s'additionner (interférence constructive → lumière plus intense) ou s'annuler (interférence destructive → obscurité). C'est la preuve que la lumière est une onde.
Diffraction
La diffraction est la capacité de la lumière à contourner les obstacles. Lorsqu'une onde passe par une ouverture étroite, elle s'étale en forme de demi-cercles. Ce phénomène limite la résolution des télescopes et microscopes.
Expérience des fentes de Young (1801)
Critère de Rayleigh (résolution)
Applications
- Holographie : Enregistrement d'interférences 3D
- Interférométrie : Détection d'ondes gravitationnelles (LIGO)
- Réseaux de diffraction : Spectroscopie haute résolution
Spectroscopie Astronomique
Lire la composition chimique de l'univers
Raies spectrales
Chaque élément chimique absorbe et émet de la lumière à des longueurs d'onde très précises, comme une empreinte digitale. En analysant la lumière d'une étoile, on peut déterminer sa composition chimique, sa température, sa vitesse et même son champ magnétique.
Types de spectres
- Spectre continu : Corps chaud émettant toutes les longueurs d'onde
- Spectre d'émission : Raies brillantes (gaz chaud)
- Spectre d'absorption : Raies sombres (gaz froid devant source chaude)
Effet Doppler spectroscopique
Si une étoile s'éloigne, ses raies spectrales sont décalées vers le rouge (redshift). Si elle se rapproche, vers le bleu (blueshift). C'est ainsi qu'on a découvert l'expansion de l'univers et qu'on détecte les exoplanètes.
Modèle de Bohr (niveaux d'énergie)
Effet Doppler-Fizeau
Applications en astrophysique
- Composition chimique : Identification des éléments dans les étoiles
- Température : Loi de Wien, largeur des raies
- Vitesse radiale : Effet Doppler, détection d'exoplanètes
- Densité : Élargissement collisionnel des raies
- Champ magnétique : Effet Zeeman (dédoublement des raies)
La Spectroscopie en Astronomie
La spectroscopie est l'outil le plus puissant de l'astrophysique moderne. Voici ce qu'elle permet de découvrir :
Composition des étoiles
Chaque raie spectrale révèle la présence d'un élément chimique. On sait ainsi que le Soleil est composé à 73% d'hydrogène et 25% d'hélium.
Température stellaire
La couleur dominante et l'intensité relative des raies permettent de déterminer la température de surface d'une étoile avec une précision de quelques degrés.
Vitesse et distance
L'effet Doppler mesure la vitesse radiale. Combiné à la loi de Hubble, il permet d'estimer la distance des galaxies les plus lointaines.
Détection d'exoplanètes
Les oscillations périodiques des raies spectrales d'une étoile révèlent la présence d'une planète en orbite par effet Doppler (méthode des vitesses radiales).
Applications Modernes
La lumière et la spectroscopie sont au cœur de nombreuses technologies contemporaines.
Fibres optiques
Les télécommunications modernes reposent sur la propagation de la lumière dans des fibres de verre, permettant des débits de plusieurs térabits par seconde.
Spectroscopie médicale
L'analyse spectrale permet d'identifier des molécules dans le sang, détecter des cancers par fluorescence, et réaliser des chirurgies au laser.
Télédétection satellite
Les satellites analysent le spectre de la lumière réfléchie par la Terre pour surveiller les cultures, détecter la pollution et cartographier les ressources.
Écrans et affichage
Les écrans LED, OLED et LCD exploitent les propriétés de la lumière pour créer des millions de couleurs à partir de trois sources primaires.
Holographie
L'enregistrement des interférences lumineuses permet de créer des images tridimensionnelles et de sécuriser les documents officiels.
Spectroscopie Raman
Technique d'analyse moléculaire utilisée en chimie, biologie et archéologie pour identifier des substances sans les détruire.