[demande de vulgarisation] Diffraction et lumière

[invite4750be18]

Bonsoir à tous !
Bien, je suis en terminale S, fruit pour moi de nombreuses jouissances (j'en profite parce qu'il parrait qu'à bac+3 dans les domaines scientifiques ça devient beaucoup moins bandant, il parrait)

Alors j'ai un problème. Une radiation lumineuse de longueur d'onde lambda va être diffracté par une fente ou un trou ou un obstacle (un fil, une chaise louis 15) dont le diamètre sera inférieur à la longueur d'onde lambda cité. On obtient des figures de diffractions absolument palpitantes, des ronds, des taches, des croix, des chats (petite blaguounette sur les lessives avec les tâches, je précise, au cas). C'est bien, mais le programme de terminale S ne me satisfait pas.

Pourquoi une onde est-elle diffracté ? Je veux dire qui serait capable de m'expliquer ce qui pousse une onde lambda à se diffracter sous pretexte que ce qu'elle rencontre (du vide ou du plein) soit plus petit que sa longueur d'onde ?

En faisant des recherches sur internet, j'ai lu des choses assez exotiques. Des surfaces d'onde qui deviendraient à leur tour plus ou moins émétrices de lumière un eu n'importe où. Il y aurait dans d'autres génèses de la diffraction des histoires d'interférences facheuses qui expliqueraient les taches.

Malgrè tous mes éfforts, ça reste reste pour moi opaque. Si quelqu'un se sent capable d'expliquer ce phénomène qui doit pas être bien compliqué avec des notions du niveau bac, je lui serai reconnaissant. Si quelqu'un à une adresse d'un savant fou quelconque qui l'a déjà fait, je prends également. Je veux juste comprendre :'( ! merci !!
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[deep_turtle]

Pourquoi une onde est-elle diffracté ? Je veux dire qui serait capable de m'expliquer ce qui pousse une onde lambda à se diffracter sous pretexte que ce qu'elle rencontre (du vide ou du plein) soit plus petit que sa longueur d'onde ?

Dans un certain sens, une onde est toujours diffractée. Comme à la surface de l'eau, si tu jettes un caillou tu vois des ondes circulaires se former et s'éloigner du point d'impact. Chaque partie de l'onde se comporte elle-même comme un petit caillou et met en mouvement la surface dans son voisinage, qui elle-même met en mouvement la surface dans son voisinage, etc... Une onde c'est ça, un truc qui met en mouvement ses voisins, et ça continue de proche en proche.

Il se trouve que c'est très similaire pour la lumière (qui est une onde d'un type particulier, une onde électromagnétique), et on peut considérer qu'en se propageant, chaque point atteint par la lumière se comporte lui-même comme une source lumineuse qui émet dans toutes les directions (on l'appelle source secondaire, et cette propriété est appelée principe de Huygens). Ce n'est pas du tout exotique, ça date du 17ème siècle ! Du coup, en général, une onde a tendance à se propager dans toutes les directions, c'est le phénomène de diffraction, qui a lieu quelle que soit la longueur d'onde et la taille des obstacles.

La question difficile, en fait, c'est plutôt « pourquoi la lumière se propage-t-elle en ligne droite ? » !

Dans beaucoup de situations, les ondes émises dans toutes les directions par les sources secondaires se compensent dans la plupart des directions, si bien qu'on a l'impression que l'onde n'est émise que vers l'avant : on dit que l'onde se propage en ligne droite. Ce n'est possible que s'il y a beaucoup de sources secondaires, et donc ça ne marche pas quand on met des obstacles trop petits, on voit alors la phénomène de diffraction.

Bon, c'est du condensé, n'hésite pas à poser des questions !

[Jeanpaul]

On peut effectivement se demander comment un trou fait pour changer la direction d'un rayon lumineux. En fait, ce n'est pas le trou qui diffracte la lumière, mais la matière qui est autour ! Cette matière contient des électrons qui sont mis en mouvement (je devrais dire "excitation") par le champ électrique de l'onde incidente. Si on bouche le trou, rien ne sort, évidemment, mais c'est parce que les électrons de la matière du trou annulent exactement cette onde diffractée, parce qu'ils émettent une onde en opposition de phase avec celle des copains autour du trou.
Donc, comme on ne détecte pas la phase, on dit que c'est le trou qui émet et on calcule ainsi l'onde diffractée, par les moyens que tu connais (transformée de Fourier et tout et tout..)

[deep_turtle]

Donc, comme on ne détecte pas la phase, on dit que c'est le trou qui émet et on calcule ainsi l'onde diffractée, par les moyens que tu connais (transformée de Fourier et tout et tout..)

Heu... à 17 ans, je doute que ce soit des notions classiques pour Pascail !

[A voir en vidéo sur Futura]

[Jeanpaul]

Faut préparer l'avenir !...

[Karibou Blanc]

Salut,

Une bonne réf vaut bien mieux qu'un long discours !
A lire absolument au sujet de la lumière :

Richard Feynman : Lumière et matière !

S'il y a un livre que tout scientifique doit lire c'est à mon avis celui-ci. Je me rappelle quand j'étais tout jeune et que je souhaitais courtiser la physique, ce livre m'en a définitivement fait tomber amoureux... ah lala nostalgie nostalgie

KB

[Coincoin]

Salut,
Effectivement, je suis d'accord avec Karibou Blanc. "Lumière et matière" te donnera tout le sens physique là-dessus. Il est vraiment accessible et fait partie des bouquins de vulgarisation qui ne t'obligent pas à "désapprendre" mais qui au contraire te permettent de mieux comprendre quand tu feras tout ça formellement.

[invitea3fc981a]

Bien, je suis en terminale S, fruit pour moi de nombreuses jouissances (j'en profite parce qu'il parrait qu'à bac+3 dans les domaines scientifiques ça devient beaucoup moins bandant)

Juste pour te contredire sur ce point : au contraire, après bac+3 ça devient de plus en plus intéressant !!

Surtout si en term tu as déjà la curiosité de te poser ce genre de question, c'est déjà une énorme qualité pour embrasser une carrière scientifique.

[invite4750be18]

Merci de vos réponses et d'essayer de ne pas trop me faire de mal en me parlant de Fourrier ou des autres de la bande.

C'est interessant cette histoire que la propagation d'une onde c'est du proche en proche. Pour la lumière ça me fait penser à l'ether de Huygens dans lequel se propage la lumière (à ce que j'ai compris, on a décidé d'inventer quelque chose pour pouvoir expliquer quelque chose d'autre. Avec l'ether on est pas loin des dragons qui tirent les planêtes, mais ça reste plus poétique)

Petite recherche sur l'ether me fait tomber dans le trou de la relativité restreinte. Je commence à avoir peur. J'abandonné alors l'idée de comprendre la relativité restreinte en autodidacte entre midi et deux.

Si j'ai compris ce que vous me dites : La lumière est partout même quand on ne la voit pas : c'est parcequ'il y a derrière tout ça une histoire d'opposition de phases qui l'absorbe (désolé du vocabulaire, mais le monde des bisounours restera à jamais le meilleur modèle de physique). Aussi s'il y a diffraction c'est parce que la fente, le trou ou quoi que ce soit a empéché des méchants éméteurs d'onde en oposition de phase, ce qui explique que la lumière ne se fait pas absorber par ceux-ci et continue sa vie de lumière.

Si j'extrapole avec une certaine logique ce que j'ai compris, on devrait voir de la diffraction après n'importe quel contour d'obstacle. Mais je n'ai jamais vu de figure de diffraction à la limite lumière/ombre d'un arbre par exemple. Pourtant doit bien y avoir des méchantes particules qui émétent une onde en opposition de phase sur son écorce. Plus j'essaye de comprendre, plus j'ai l'impression d'être à coté de la plaque.

Moi qui m'attendait à un modèle tout simple, je commence à perdre ce rêve. Je vais commander Lumière et matière sans tarder !

[Coincoin]

Mais je n'ai jamais vu de figure de diffraction à la limite lumière/ombre d'un arbre par exemple.

C'est juste que la lumière a une longueur d'onde trop courte pour qu'on voit ça. Mais si tu regardais de très près l'ombre (sur quelques microns), tu verrais des bandes (j'ai déjà vu une image de ça, mais je n'arrive pas à remettre la main dessus).

Tu peux aussi voir ça en prenant un téléphone portable et en te prenant en montagne : tu captes des signaux venant d'antenne que tu ne vois pas. Elles sont cachées derrière un obstacle, mais les ondes radio sont fortement diffractées étant donné leur grande longueur d'onde. (En ville, ça marche aussi, mais il faut prendre en compte toutes les réflexions).

Moi qui m'attendait à un modèle tout simple

C'est tout simple ! Le principe d'Huygens explique toute la diffraction !

[deep_turtle]

Mais je n'ai jamais vu de figure de diffraction à la limite lumière/ombre d'un arbre par exemple.
C'est juste que la lumière a une longueur d'onde trop courte pour qu'on voit ça.

Il y a aussi un autre problème plus grave dans ce cas-là (techniquement ça s'appelle la cohérence spatiale, mais peu importe) : le lumière venue du soleil ne vient pas d'une seule direction, car le Soleil a une taille assez importante dans le ciel. Du coup, la lumière venant de chaque direction donne sa propre figure d'intérférences et tout ça se superpose pour donner une bouillie homogène, les franges de diffraction brillantes correspondant à une direction venant combler les franges de diffraction sombres venant d'une autre...

Pour bien voir la diffraction, il faut que la lumière ne vienne pas de trop de directions différentes ! C'est pour ça qu'en effet, on la voit rarement dans la vie de tous les jours (enfin, ça arrive quand même !).

[invite4750be18]

J'ai commandé sur amazon le bouquin que vous m'avez conseillé ! je vous remercie pour ces aides. C'est impressionnant tout ce qui se passe et qu'on ne voit même pas ! (je pense entre autre à la radioactivité, c'est la suite du programme de physique ...). A très bientôt pour d'autres questions !

[Pio2001]

Je ne suis pas d'accord avec deux commentaires de Jean-Paul.

En fait, ce n'est pas le trou qui diffracte la lumière, mais la matière qui est autour ! Cette matière contient des électrons qui sont mis en mouvement (je devrais dire "excitation") par le champ électrique de l'onde incidente.

Si le trou est entouré de matière noire, il y aura tout de même diffraction, donc la diffraction ne dépend pas des électrons de la matière autour du trou.

Si on bouche le trou, rien ne sort, évidemment, mais c'est parce que les électrons de la matière du trou annulent exactement cette onde diffractée, parce qu'ils émettent une onde en opposition de phase avec celle des copains autour du trou.

Si le trou est percé dans un miroir et qu'on bouche le trou, toute la lumière est réfléchie. Là non, plus, il n'y a pas annulation entre divers rayons lumineux qui seraitent transmis "à travers le miroir".

La diffraction vient du fait que la lumière se propage dans toutes les directions.

L'absence de diffraction dans le cas de trous plus grands que la longueur d'onde vient du fait que le champ éléctromagnétique au niveau du trou "pulse" en même temps sur toute la surface.
Or comme la lumière se propage à une certaine vitesse, par définition, quand le trou est plus large que la longueur d'onde, cela signifie que la lumière qui part depuis une extrémité du trou n'a pas le temps d'atteindre l'autre bord du trou avant que l'ensemble du trou n'ait effectué une pulsation.

Du coup, vu de côté, on voit des pulsations complètement désordonnées. Celles qui sont parties du côté du bord qui est près de nous arrivent avant, en même temps que celles qui étaient parties du bord éloigné à un moment où le trou en était à une autre phase de sa pulsation. Donc le total s'annule.

Par contre, lorsque le trou est plus petit que la longueur d'onde, alors il pulse comme une seul homme, même vu de côté, car les rayons issus de toutes les extrémités du trou nous arrivent quasiment en même temps, tellement il y a peu de différence entre les différents lieus de départ.
On "ressent" donc bien une pulsation électromagnétique ordonnée issue du trou, c'est-à-dire un rayon lumineux.

[yahou]

Je ne suis pas d'accord avec deux commentaires de Jean-Paul.

En fait, ce n'est pas le trou qui diffracte la lumière, mais la matière qui est autour ! Cette matière contient des électrons qui sont mis en mouvement (je devrais dire "excitation") par le champ électrique de l'onde incidente.

Si le trou est entouré de matière noire, il y aura tout de même diffraction, donc la diffraction ne dépend pas des électrons de la matière autour du trou.

Si on bouche le trou, rien ne sort, évidemment, mais c'est parce que les électrons de la matière du trou annulent exactement cette onde diffractée, parce qu'ils émettent une onde en opposition de phase avec celle des copains autour du trou.

Si le trou est percé dans un miroir et qu'on bouche le trou, toute la lumière est réfléchie. Là non, plus, il n'y a pas annulation entre divers rayons lumineux qui seraitent transmis "à travers le miroir".

Ce sont deux manières équivalentes de voir le même problème.

On peut définir un miroir comme un objet à la surface duquel le champ est nul, et en déduire via les relations de continuité le champ réfléchi.

Mais on peut aussi voir que les équation de maxwell sont linéaires, et donc une solution du champ en présence du miroir (représenté par une distribution de charge de de courant) peut être vue comme la somme d'une solution avec l'onde incidente et pas de miroir et d'une solution avec le miroir qui rayonne. Dans ce point de vue le miroir se définit comme un objet qui génère une distribution de courant qui rayonne un champ opposé à l'onde incidente, de telle manière que le champ transmis soit nul. Si on calcule alors le champ réfléchi, on tombe (heureusement) sur la même chose que dans l'autre point de vue.

[invite4750be18]

Ouille, ça devient de la soupe au lait pour moi !

Bien alors j'ai commendé sur Amazon.fr le livre lumière et matière de feynman. Il y a cependant un phénoméne assez étrange qui s'est passé, je vais vous le raconter :

Mon but, c'est de comprendre la diffraction, c'est pour ça que j'ai acheté ce livre, on est d'accord. La théorie sur la physique quantique je ne me fait pas d'illusions, il me faudra sans doute plus qu'un livre pour la manier comme les additions.

Bien, je reçoit ce livre aujourd'hui-même. Je le survolle : des petits schémas, du texte, rien de bien problématique. Je cherche le lexique qui m'apprends que ça cause diffraction à la page 87. Je m'y rends.

Problème, il n'y a pas de page 87. Le bouquin saute de la page 46 à 119 puis de 166 à 95. Ensuite le livre se continu normalement. En d'autres termes, j'ai deux fois le cahier qui correspond à 119>166 mais il me manque le cahier 47>94 (j'avais éspéré qu'il avait été interverti avec l'autre) (mais non). Il me manque grossomodo la partie qui m'interesse, mais ça ne m'empéche pas de lire les premières pages et les suivantes.

Ces histoires de cahier me font rire. Je n'avais vu ces erreurs que sur de vieilles éditions de livres peu ouverts (des cahiers dans un desordres inprobable qu'il sagissait de remettre en ordre) ponctué de pages non découpées. Passionnant pour comprendre les étapes d'assemblage du livre, mais très handicapantes pour la compréhension globale.

[Après vérification, un cahier correspond bien à ce que j'appel un cahier pour les relieurs.]

Je doute que vous ayez des solutions équationnelles à mon problémes.

Il y a tellement de fautes que je n'ose même pas les corriger (honte)