Discuter:Lumière/AncienneVersion

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==La lumière== On désigne à l'origine '''lumière''' ce que perçoivent les yeux, ainsi qu'un trou permmant le passage de la vision.

En physique, le terme de "lumière" désigne donc les ondes électromagnétiques du domaine du visible ou proche du visible ([[ultraviolet]], [[infrarouge]]). Par exention, on appelle également "lumière" le déplacement d'un phénomène électromagnétique avec déplacement d'énergie.

La '''lumière''', comme tout phénomène de déplacement, peut se concevoir comme une [[rayonnement électromagnétique|onde]] ou comme un flux de particules (appelées en l'occurrence [[photon]]s).

Chacun de ces photons peut lui-même être considéré comme une [[onde]] (ce qu'on appelle la [[dualité onde-particule]] ou onde-corpuscule en [[mécanique quantique]]).

Les [[lois de Maxwell]], ou à une échelle plus humaine les lois de l'[[optique]] décrivent le comportement de ces ondes, et cette description classique est tout à fait valide - simplement, elle n'explique pas la quantification de l'énergie transportée par le rayonnement.

== Types de lumières ==

Il existe de nombreuses sources de lumière, qu'on peut classer de multiple façons. Par exemple :

=== Lumières naturelles et artificielles === * le [[Soleil]] et plus généralement les [[étoile]]s, qui produisent plus d'énergie qu'ils n'en reçoivent * la [[Lune]] et plus généralement les [[planète]]s, qui produisent moins d'energie qu'ils n'en reçoivent, et sont lumineux par reflexion de la lumière du Soleil. * certains microbes et animaux notamment aquatiques ([[poisson]]s, mollusques, crevettes, etc., [[luciole]]s et [[ver luisant|vers luisants]],) * le [[feu]], dont les [[feux-follet]]s, [[bougie]]s (voir chandelle, [[chandelier]]), [[lampe à huile]] ou [[lampe à pétrole]]... * [[ampoule]]s (voir lampadaire, lampe, lampe-torche...)

=== Lumières monochromatiques et lumière polychromatiques ===

==Optique Physique==

===La vitesse de la lumière=== Les généralités qui suivent évitent d'avoir une conception trop simpliste de la lumière.

Expérimentalement il est possible de déterminer les propriétés de la lumière. On schématise ces propriétés en disant que la lumière est faite de photons sans masse ni charge se propageant dans le vide à la vitesse c de 300 000 000 mètres par seconde quel que soit le référentiel. Cette dernière propriété a priori absurde a été induite par l'expérience d’interférométrie optique de [[Michelson et Morley]] en 1905 et a été clairement énoncée par [[Albert Einstein]].

La loi d'addition des vitesses v’=V+v n'est vraie qu'approximativement pour des vitesses faibles par rapport à la vitesse de la lumière.

Classiquement, un voyageur marchant dans un train va, par rapport au sol, à la vitesse du train plus (vectoriellement) sa propre vitesse de marche dans le train. Et l’on écrit d =(V+v) t = Vt +vt =la distance parcourue par le train + la distance parcourue dans le train = la distance parcourue par le voyageur par rapport au sol dans le temps t qui est classiquement le même dans le train et au sol ce qui implique la loi classique d’addition des vitesses

Ceci n'est qu'une approximation, toujours fausse pour la lumière.

Un photon va à la même vitesse que ce soit par rapport au sol ou par rapport au train ! V+c =c’!!!est donc fausse si c=c’ et V différent de zéro; La loi d’addition des vitesses n’est qu’une approximation de la loi dite de transformation sur les vitesses de Lorentz (bêtement appelée parfois d’addition des vitesses : il faudrait l’appeler de composition des vitesses)

Ce résultat est à la base de la relativité restreinte : les transformations mathématiques dites de Lorentz qui ont cette propriété et ces transformations donnent les mêmes résultats que les transformations de Galilée, dès que les vitesses sont faibles par rapport à la vitesse c de la lumière.

*<u>C’est ainsi que progressent les lois de la physique elles sont vraies dans les conditions où elles ont été établies et deviennent qu’une approximation d’une loi plus générale lorsque le domaine de son observation s’étend.</u>

Dans un repère la distance parcourue par la lumière est d= c t; dans un autre repère elle sera d'= c t', Ceci implique que le temps n’est plus le même : Le temps n'est pas un invariant, ce qui choque le sens commun.

On a du mal à s'imaginer qu'en conséquence les temps et les longueurs ne sont pas invariantes et dépendent de l'observateur. Le mètre étalon, le kilogramme étalon, la seconde, l'ampère dépendent du système de référence! . .. Heureusement les effets ne sont pas spectaculaires et complètement négligeables dans la vie de tous les jours.

Sont invariants: la vitesse de la lumière, la charge de l'électron, la constante de Planck, etc. Et sont non invariants: le temps, les longueurs, la "masse" inertielle. etc.

Il est facile de comprendre que lorsque l'on observe le ciel, ce n'est pas "l'espace" que l'on observe, mais une tranche de l'[[espace-temps]] : l'ensemble des "événements" qui ont émis les photons qui arrivent à l'endroit et au moment de l'observation. L'information ne se transmet pas instantanément : ces photons mettent du temps pour arriver, plus ils viennent de loin et plus ils sont "vieux" : autrement dit, plus on observe loin, plus on observe le passé de l'univers. L'unité astronomique qu'est l'année lumière (distance parcourue par la lumière en un an) exprime à la fois la distance et le recul dans le temps où l'on observe une étoile ou une galaxie. Le soleil est à 8 minutes et la plus proche galaxie est à des millions d'années ; lorsque l'on observe l'explosion d'une étoile (Super nova), c'est qu'elle a eu lieu dans un lointain passé et que l'information nous parvient en "retard", après un long trajet dans l’espace. L’explosion a eut lieu et on a aucune information sur ce qu’il y a à la place.

A ce stade, la relativité n'intervient que par la vitesse des photons. Cela est somme toute classiquement banal. Mais si en plus ce qui est observé se déplace par rapport à l’observateur à grande vitesse alors il y a des effets qui ne sont explicables qu'en utilisant la théorie relativiste. Or, l’univers est animé de mouvements tels que les galaxies s’éloignent les unes des autres à des vitesses non négligeables par rapport à c ; et donc l’emploi de la relativité restreinte s’impose aussi en astronomie.

Il n'existe pas de temps universel, de longueur universelle. Il est pratique d'introduire les notions de temps propre, de masse propre, de longueur propre comme étant mesuré dans le référentiel lié au corps considéré.

===La quantification de la lumière===

Un certain nombre d'expériences tel que l'effet photoélectrique s’expliquent en supposant que la lumière est faite de "projectiles" appelés photons alors que d'autres expériences ne peuvent s'expliquer que si la lumière est faite d'ondes,... pouvant se propager dans le vide : C'est ce qu'on appelle la dualité ondes corpuscules.

A noter que Descartes ne raisonnait pas avec des ondes, mais avec des "projectiles" quand il a établi ses lois de l'optique.

Ces photons qui constituent la lumière ont une énergie, une quantité de mouvement et un moment cinétique ou "spin" (de l'anglais tourner). Tous les photons ont le même spin égal à un h/2π = l , 054 10 ^-34 J. s et leur énergie en dépend par

<center><math>E= h \nu = (h/2\pi) \omega </math></center>

où ω est la pulsation de l'onde qu'il faut associer à un photon pour expliquer son comportement dans les phénomènes d'interférence et donne la couleur du photon.

Il est bleu si ω est égal à 7 10¹⁴ s^-1 et rouge si ω est égal à 4 10¹⁴ s^-1 avec toutes les couleurs de l'arc en ciel entre ces deux valeurs. Il a une couleur qui dépend de la pulsation de l'onde et peut être d'une "couleur" que notre ceil ne peut pas percevoir dans l'infra rouge ( 4 10¹⁴ s^-1 ) ou l'ultraviolet (> 710¹⁴ s^-1 ); en deça de l'infrarouge il y a les ondes des fours à micro-ondes ou centimétriques et les ondes radio et au delà des ondes ultraviolettes ; il y a aussi les rayons X et γ ( > 10¹⁷ s^-1 . ) h a les dimensions d'une action, c'est à dire [ énergie] x [temps] [quantité de mouvement] x [longueur] ou encore [moment angulaire] x angle . Ces photons n'interagissent qu'avec les charges qui ont toutes la même valeur e = 1,610 ^-19 Coulomb

Tout le monde a lu les aventures de Lucky Luke, l'homme qui tire plus vite que son ombre. Ceci n'est pas un exploit; tout le monde tire plus vite que son ombre, c'est l'inverse qui serait étonnant; l'ombre est "en retard" de 3/ 3 10⁸= 10⁸s à 3 m. De plus l'ombre tire sur elle même.

E=h ν est une relation d'équivalence c'est à dire une formule reliant deux concepts apparemment différents.

et la constante d'interaction est <math>\frac{e^2}{\epsilon h c} =\frac{1}{137} </math>

C'est un processus individuel: un photon interagit avec un électron dans un atome ou un cristal; il n'interagit pas avec les autres photons. La lumière est émise ou absorbée par les charges, On trouve dans le livre "Quantique -Rudiments" de Jean Marc Lévy -Leblond les 2 exemples suivant: :l'action d'un circuit oscillant LC : avec L = 10-^-4H et C = 10 ^-10F au cours d'une période A = L^3/2C^1/2 I² = 10¹⁷h/2&pi ; pour I = 10 ^-3A, Cela signifie que si il oscille sous l'action d'un flux de photons, :::le circuit LC a du recevoir 10¹⁷ photons. :l'action lors de l'ionisation d'un atome d'hydrogène A = E/&omega ; = h/2&pi ; :::L'atome a reçu un seul photon.

Ces exemples indiquent les limites de la physique dite classique qui n'est applicable que si v«c et l'action » h. Les propriétés de la lumière sont incompatibles avec la physique classique et nécessitent l'emploi de la relativité, de la mécanique quantique, des équations de Maxwell, de l'électrodynamique quantique et de leurs invariants c, h, e, pour être comprises.

===La lumière décrite par une onde=== La lumière peut être schématisée par une onde si le nombre de photons qui la constitue est très grand, On dit alors que l'on a une onde électromagnétique. En d'autres termes, l'effet macroscopique d'un très grand nombre de photons est une onde électromagnétique régie par les [[équations de Maxwell]]. On parle de lumière polarisée si de plus la direction des spins des photons de l'onde est la même pour tous les photons et d'onde monochromatique si les photons de l'onde ont tous la même énergie.

===vitesse v de la lumière dans le matériau=== Il est souvent dit que n = c/ v ; ceci n'est qu'approximativement vrai car il n'y a pas une vitesse de la lumière dans le matériau. L'indice dépend de la fréquence et du matériau ; il est même inférieur à 1 pour les rayons X. Si dans le vide tous les photons vont à la même vitesse c, dans la matière la situation devient très complexe. On dit que la lumière est dispersée ou que la matière a un pouvoir dispersif

===L'émission spontanée et l'émission induite=== Les photons émis par les différents atomes le sont soit de façon spontanée, soit de façon stimulée, Un atome excité (dans un état d'énergie supérieur à son énergie fondamentale) va se désexciter en émettant un photon ou grain d'énergie. L'instant de cette émission n'est pas déterminé et est, comme en radioactivité, fondamentalement aléatoire; on ne peut que définir une probabilité d'émission par unité de temps. On constate que cette probabilité est constante, c'est à dire que pour N atomes excités, la variation dN relative de N par unité de temps est une constante.

Soit <math>\frac{dN}{\frac{N}{dt}}= -k </math> Les photons émis peuvent être réabsorbés par d'autres atomes et, en "passant" à proximité d'un autre atome excité, ils peuvent provoquer la désexcitation de cet atome. C'est ce qu'on appelle l'émission induite ou stimulée; la particularité de cette émission est que le photon émis est en phase avec le photon qui a provoqué son émission; la notion de phase est une notion fondamentale en physique, particulièrement difficile à saisir, C'est cette notion qui permet d'étudier les phénomènes d'interférences. Si l'on fait interférer (en le visualisant sur un écran) deux sources lumineuses en phase, on constate que les zones les plus éclairées (franges brillantes) le sont plus intensément que la simple addition des intensités des deux sources et qu'il y a des zones qui ne sont plus éclairées du tout ( franges sombres)Les amplitudes des ondes lumineuses s'ajoutent comme deux nombres complexes : Résultat l'intensité qui est proportionnelle au carré de l'amplitude ne s'ajoutent pas au sens courant; la phase jouant un rôle essentiel, :::de la 'lumière plus de la lumière peut donner pas de lumière du tout.

Il faut pour pouvoir l'observer de façon stationnaire avoir deux sources en phase on dit qu'elles sont cohérentes; l’interférence existe toujours entre deux sources, mais elle n'est pas observable car les franges changent à tout instant. Le plus étonnant est que si l'intensité est suffisamment faible pour que les photons arrivent individuellement sur l'écran, mais que la source reste cohérente suffisamment longtemps pour qu'un grand nombre de photons ait atteint l'écran, on observe par accumulation sur un écran à mémoire (plaque photographique) une figure d'interférence,

C'est le cas d'une source ponctuelle avec elle-même et c'est le cas lors de l'émission induite; bien sûr deux photons en phase, à leur tour, si les conditions sont favorables pour qu'ils "rencontrent" d'autres atomes susceptibles d'émettre des photons de même énergie, peuvent stimuler l'émission d'autres photons en phase avec le groupe de photons cohérents, C'est le principe du LASER. ( Light Amplification stimulated Emission Radiation ou Amplificatior1 de radiation lumineuse par émission stimulée) L'émission stimulée se produit en "avalanche" : La probabilité pour qu'un atome émette un photon dans un état final particulier est augmentée par le facteur (n + 1) lorsqu'il y a déjà n photons dans cet état. C'est ce qui a fait dire que les photons se comportent comme des moutons de Panurge ou plus scientifiquement, que les photons sont des bosons (du nom du savant Bose) et suivent une statistique de Bose -Einstein, contrairement aux électrons qui sont des Fermions et suivent une statistique de Fermi -Dirac. Toutes les particules élémentaires de la nature sont classées soit en bosons soit en fermions.

L'électron est un fermion. Les fermions ont la particularité d'obéir au principe d'exclusion de Pauli qui dit que dans une population de fermions, deux fermions ont une probabilité nulle d'être dans le même état; cette"propriété est liée au fait que les fermions sont des particules à spin demi-entier alors que les bosons sont des particules à spin entier.

===La « température » de la lumière:=== Chaque atome dans l'état fondamental peut absorber un photon et passer dans l'état excité et chaque atome dans l'état excité peut émettre un photon et passer dans l'état fondamental; or la répartition des atomes dans les différents états d'énergie est fonction de la température et est donnée statistiquement par:

::: <math>N(\nu,T)= N_f e^(\frac{-h\nu}{kT}) </math> et à l'équilibre les taux d'absorption et d'émission de photons sont égaux :::soit <math>N(\nu,T) (n(\nu,T)+1) a^2 = Nf n(\nu,T) a^2</math> On en deduit que : :::<math>\frac{n(\nu,T)}{n(\nu,T)+1} = (\frac{-h\nu}{kT})</math>

:::<math>n(\nu,T) =\frac{1}{( \frac{-h\nu}{kT})-1}</math>

Formule donnant la répartition des photons ou spectre du rayonnement dans une cavité en équilibre thermique ou corps noir. kT est une énergie. k est la constante de Boltzmann qui intervient pour exprimer l'équivalence de la température à une énergie

Courbe du nombre moyen de photon n (ν,T)en fonction de la fréquence ν

C'est ainsi qu’historiquement la quantification a été introduite pour expliquer le spectre du rayonnement du corps noir ( corps qui absorbe tout ce qu'il émet) par les courbes ci dessus. C'est ainsi aussi que l'on peut mesurer à distance la température d'un corps par l'étude du spectre du rayonnement qu'il émet et qu’en astronomie a été étayée la théorie du Big Bang et de l'expansion de l'univers en observant le rayonnement "fossile" de cette explosion; le rayonnement s'est "refroidi " à cause de l'expansion de l'univers et se situe aujourd'hui à 3°K dans le domaine des ondes radio où il fut observé par hasard et d'abord considéré comme un bruit parasite en détection et réception radar.

l'emploi du mot "fossile" est imagé car évidemment un rayonnement ne peut en aucun cas être fossilisé. Cette expression signifie que le rayonnement date de l'origine de l'univers et depuis se propage à travers l'univers. De même un four à micro-ondes ne laisse aucune onde dans les aliments. Il faut se méfier des expressions imagées car elles finissent par être interprétées au sens premier; exemple typique trouvé dans un livre de physique de terminale et au sujet de vibrations dans un exercice on parle de l'effet produit par la tôle ondulée qui recouvre les pistes du désert! "la tôle ondulée" signifie que par érosion le sol en terre de la piste n'est pas lisse mais ressemble à de la tôle ondulée. Ces généralités sur la lumière sont là pour montrer qu'un certain nombre de résultats fondamentaux ont été trouvés il y a presque un siècle. Si ces résultats sont peu enseignés, ce n'est pas parce qu'ils nécessitent parfois un outil mathématique performant, c'est qu’ils sont conceptuellement difficiles à comprendre et donc à expliquer.

C'est ces notions d'émission et d'absorption de photons, de quantification, de relativité restreinte, de cohérence, de polarisation, de phase qui constituent la physique de la lumière et la difficulté de la comprendre... ..

==Optique géométrique== Cette approche fondamentale est oubliée en optique géométrique car le but est d'utiliser la lumière, pas de la comprendre. L'interaction de la lumière avec la matière est réduite à un paramètre phénoménologique: l'indice. Ainsi il est possible d'utiliser et d'étudier l'optique sans rien connaître de la nature de la lumière et telle qu'elle s'est développée au début du 17eme siècle à partir de la constatation expérimentale des lois de Descartes et de Snell et de la propagation rectiligne dans des milieux homogènes. C'est alors une science de l’ingénieur qui a pour but de développer une instrumentation. Cette instrumentation peut être de mesures physiques, de correction de la vision ou de production 'd'images.

==L'imagerie ou art de faire des images ==

L'imagerie ou art de faire des images a récemment subit deux changements importants.

Son support a été longtemps sous forme analogique: des grains plus ou moins sombres sur un support papier ou plastique.

L'enregistrement magnétique a permis de stocker dans un premier temps les images sous forme codée analogique ( chaque grain est représenté par un signal magnétique proportionnel à son intensité et ceci pour les trois couleurs fondamentales) et dans un deuxième temps sous forme codée digitalisée ( les intensités sont enregistrées numériquement, c'est à dire que c'est la valeur de leur mesure qui est stockée). Ceci a été rendu possible par le développement de l'informatique et surtout de ses capacités mémoire. Le stockage d'une image est fait sous forme de matrice de valeurs numériques que l'on peut "traiter", c'est à dire modifier pour faire mieux ressortir les informations qu'elle contient. Il existe des appareils photo à focalisation automatique par analyse d'image; une image nette se différencie d'une image floue par des variations plus marquées d'intensité d'un pixel à l'autre.

Récemment le développement de détecteurs appelés CCD(Charge- Coupled -Devices) a permit de faire l'équivalent de plaques photos en disposant sur une plaquette de Silicium l'équivalent d'un million de détecteurs d'intensité microscopiques appelés "pixels". Chaque pixel mesure l'intensité et l'énergie moyenne ( la "couleur" dominante) du rayonnement qu'il reçoit. C'est l'équivalent d'une rétine.

L'étape suivante dans un futur plus ou moins proche sera d'avoir le spectre du rayonnement reçut en chaque point de l'image c'est à dire n(ω, x, y). Enfin il existe une optique dite " non imageante " dont la finalité est la concentration d’énergie et des optiques dites cohérentes dont l'holographie fait partie. On parle même dans ce cas d’imagerie sans optique. La photographie couleur fait appel à des notions d'interférences et a été de l'holographie avant l'heure.

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