Jusqu'au début du 20eme siècle, tout allait bien dans le meilleur des mondes: le modèle ondulatoire de la lumière permettait de décrire tous les comportements connus de la lumière. Mais l'arrivée d'Albert Einstein dans le monde de la physique allait tout changer ! En effet, en 1905, en découvrant l'existance de l'effet photoelectrique, Einstein allait trouver un comportement de la lumière que le modèle ondulatoire ne suffisait pas à expliquer.
Rapidement, Albert postule que la lumière est composée de corpuscules. Le modèle corpusculaire venait de naitre ( ou plutôt de renaitre, car ce modèle avait déjà été proposé au préalable par Newton...mais délaissé au profit du modèle ondulatoire).
Dans ce modèle, la lumière est composée de photons, véritables "grains de lumière". Les photons sont porteurs d'une énergie dépendant de la longueur d'onde de la lumière. La relation entre l'énergie et la fréquence ( liée à la longueur d'onde par la relation vue précedement) est décrite par la célèbre formule de Planck:
- E, énergie en joules [J]
- h = 6.626068 x 10 puissance (-34) J/s ( constante de Planck )
- f, fréquence de la lumière en herzs [Hz] (= cycles /s)
-Quelques applications utiles découlant directement de ces connaissances fondamentales:
Les panneaux solaires mettent à profit l'effet photoelectrique de la manière suivante:
FIG 4:
Les photons viennent frapper la surface metallique et arrachent des électrons, rendant le métal chargé électriquement, d'où la création d'une différence de potentiel et donc d'un courrant électrique.
Le soleil est une source quasi illimitée de photons et donc d'énergie. L'énergie lumineuse transportée par les photons arrache des électrons de la surface des panneaux solaires, ce qui permet de la convertir en énergie électrique. Ce système mis à profit afin d'alimenter satellites et stations spatiales en énergie électrique permet de rendre ces derniers autonomes énergétiquement.
Nous venons de voir, peu importe le modèle employé,que la lumière possède toujours une fréquence ( donc une longueur d'onde) et est plus ou moins énergétique suivant la fréquence:
- Une onde électromagnétique de grande longueur d'onde aura une petite fréquence et sera donc peu énergétique.
- Au contraire, une onde électromagnétique de petite longueur d'onde aura une grande fréquence et sera donc énergétique.
Il est naturellement sous-entendu dans ces affirmations que la longueur d'onde de la lumière est variable ( nous verrons plus tard ce qui détermine la fréquence de l'onde ). Une expérience simple afin de prouver l'existance de différentes longueurs d'ondes est de faire passer un faisceau de lumière blanche de source solaire à travers un prisme. Le résultat est le suivant (FIG 5):
On constate que la lumière blanche refractée par le prisme est décomposée en un éventail de lumières prennant toutes les couleurs de l'arc en ciel: c'est un spectre de décomposition de la lumière blanche. Un prisme en verre a la caractéristique de dévier la lumière en fonction de sa longueur d'onde. La lumière blanche ne correspond donc pas à une longueur d'onde précise, mais à tout une gamme de longueurs d'ondes, chaque longueur d'onde étant représentée par une couleur.
Par exemple, le rouge a une longueur d'onde de 700 nm et le violet de 400 nm. On peut donc en déduire que le rouge qui a une plus grande longueur d'onde et donc une plus petite fréquence que le violet est moins énergétique.
Si vous regardez le spectre donné par le prisme, vous verrez que le rouge et le violet sont les couleurs extrèmes de part et d'autre du spectre. Celà signifie il que le Soleil ne nous envoie que des longueurs d'ondes comprises entre 400 et 700 nm ?
Nous n'avons que le droit de conclure que notre oeil ne détecte rien au delà ! Mais nous ne pouvons pas conclure qu'il n'y a pas d'autres longueurs d'ondes de part et d'autre du spectre.
Quant à la réponse exacte à cette question, vous la connaissez sans doute !
Il suffit de regarder la météo des plages pour le savoir: Les célèbres ultra-violet en provenance du Soleil qui nous font bronzer, mais également attraper des coups de Soleil sont une des longueurs d'onde émises par notre étoile. Nous ne pouvons nier leur existance, et pourtant, ils sont invisibles à nos yeux. Pour information, leur longueur d'onde est d'environ 350 nm: ils sont en dehors de la zone dite de la lumière visible qui s'étend sur une plage de longeurs d'ondes allant de 400 à 700 nm.
De part et d'autre de la lumière visible se trouvent donc des ondes électromagnétiques invisibles à l'oeil mais qui représente la majorité de ce que l'on apelle le spectre électromagnétique. Le spectre électromagnétique est composé de l'ensemble des ondes électromagnétiques de toutes les longueurs d'ondes, comme l'illustre ce document (FIG 6):
A la vue de ce document, il devient évident que la lumière visible ne représente qu'une mince bande du spectre électromagnétique. Nous sommes aveugle dans 99.9% des longueurs d'ondes existantes dans l'univers: Les rayons gamma, les rayons x, les ultra-violets, les infrarouges et les ondes radio sont inaccessibles au capteurs que sont nos yeux, et autant d'informations "perdues". Cependant, la lumière qui nous provient sur Terre est essentiellement celle du Soleil, or celui emet principalement dans les longeurs d'onde visibles, notre oeil est donc un instrument parfaitement adapté à la vie sur Terre.
