Bonjour,
Au fur et à mesure de mes études j'ai appris tout un tas de trucs à propos de la lumière, et finalement tout ça forme une sorte de bouillie informe de connaissances, que j'aimerais mettre au clair. Je me pose une question toute simple : que fais la lumière exactement dans la vie de tous les jours, plus particulièrement, lorsqu'elle frappe une surface ?
1 - Diffusion. Au collège j'ai appris que la lumière était diffusée dans toutes les directions lorqu'elle frappait une surface, par exemple une pochette bleue en carton.
2 - Absorption. La couleur de la pochette est due à ses propriétés d'absorption : la pochette "avale" certaines longueurs d'ondes, et nos yeux ne voient que les couleurs diffusées restantes. En fait la pochette n'est bleue que parce qu'elle est éclairée par une lumière blanche, qui comporte toutes les longueurs d'onde. Si on l'éclaire par une lumière rouge, elle l'absorbe et on la voit noire.
3 - Réflexion et transmission. Ces phénomènes sont évidents pour les matériaux qui absorbent peu, comme les vitres et les miroirs. Il semblerait que la partie non absorbée et non diffusée de la lumière soit pour une partie réfléchie, et pour l'autre partie transmise. Par exemple un miroir réfléchit beaucoup, et une vitre transmet beaucoup.
Déjà une question se pose : pourquoi certains objets diffusent et absorbent comme les pochettes en carton, d'autres réfléchissent comme les miroirs, et d'autres transmettent comme les vitres ? Pourquoi est-ce que tous ces phénomènes dépendent de la longueur d'onde ?
4 - Diffraction. Au lycée, j'ai appris qu'en réalité la lumière n'est pas transmise, mais diffractée. La différence est que lorsque le rayon n'est pas perpendiculaire à la surface, lorsqu'il frappe la matière il est dévié. Pourtant on voit parfaitement "droit" à travers une vitre. C'est parce que le rayon est dévié une première fois à l'interface air-verre, et une deuxième fois à l'interface verre-air, ce qui remet le rayon dans la bonne direction, pour autant que les deux côtés de la vitre soient parallèles. Mais les lentilles par exemple, aux surfaces courbes, exploitent le phénomène de diffraction.
Et là j'apprends le principe de moindre temps, qui énonce que la lumière se déplace toujours par le trajet le plus court. D'où l'angle par rapport au rayon incident que font les rayons qui se réfléchissent et qui se diffractent. Mais dans ce cas, le phénomène de diffusion ne devrait pas exister ! Il contredit le principe de moindre temps !
5 - Absorption, émission stimulée, émission spontanée. Ces trois phénomènes sont censés expliquer tous les autres. Ils ont été introduits par Einstein en 1916, et ils sont à la base de toute interaction lumière-matière. Les photons possèdent différentes énergies selon leur longueur d'onde. De plus la matière, composée de molécules ou d'atomes, possède différents niveaux d'énergie en fonction de la répartition des électrons, protons et neutrons entre eux. Mais ces niveaux d'énergie ne peuvent pas prendre n'importe quelle valeur, car la matière ne peut pas se mettre dans n'importe quelle configuration imaginable. Imaginons qu'un bout de matière puisse passer d'une configuration A à une configuration B, correspondant à une énergie A et une énergie B supérieure à A.
a. aborption. Si elle reçoit un photon dont l'énergie est égale à la différence d'énergie entre A et B, alors la matière possède une certaine probabilité (qui correspond au coefficient d'Einstein) d'absorber le photon, ce qui la fait passer immédiatement de la configuration A à la configuration B. Cela permet pour moi d'expliquer totalement le phénomène d'absorption (2). Et ça explique en plus pourquoi la matière se comporte différemment selon la longueur d'onde (donc l'énergie du photon), c'est parce qu'elle ne possède qu'un nombre limité de niveaux d'énergie.
b. émission spontanée. La matière qui est dans une configuration B peut se placer dans la configuration A (ou une autre configuration A') en émettant un photon dont l'énergie sera égale à la différence entre les énergies A et B (ou entre les énergies A' et B). En général, la matière est composée de molécules complexes et peut donc se placer dans un grand nombre d'états différents et donc émettre des photons d'un grand nombre de longueur d'onde différente. De même elle peut absorber des photons d'un grand nombre de longueur d'onde différente.
c. émission stimulée. Je suppose qu'elle peut être négligée dans la vie de tous les jours. Elle est importante dans certains cas, comme les lasers.
Les phénomènes de phosphorescence et de fluorescence sont provoqués par un cycle absorption-émission spontanée. La différence entre les deux réside dans la façon dont la matière change de configuration énergétique au cours du temps.
Alors le phénomène de diffusion (1) devient incompréhensible pour moi. Il est clairement différent du phénomène de fluorescence dans lequel des photons différents de ceux incidents sont émis. Là ce sont les photons incidents qui rebondissent dans une direction aléatoire. On peut penser qu'il le font parce qu'ils sont déviés par le champ électromagnétique de la matière. Mais ça serait en désaccord avec le principe de moindre temps. Ce principe n'autorise que la réflexion et la réfraction.
Voici donc ma conclusion. Dites-moi si vous êtes d'accord.
L'absorption (2) s'explique parfaitement par le modèle d'Einstein. Cela explique pourquoi la matière chauffe au contact de la lumière : elle se met dans des configurations plus énergétiques, dans lesquelles elle est plus agitée. Or l'agitation des molécules, c'est la même chose que la température.
La réflexion (3) et la réfraction (4) sont des phénomènes de déviation de la lumière à cause du champ électromagnétique de la matière. Cela n'a donc rien à voir avec l'absorption et l'émission spontanée d'Einstein. La réflexion et la réfraction obéissent au principe de moindre temps et il n'y a que ça et seulement ça comme trajets possibles pour la lumière.
Ça veut dire que la diffusion (1) n'existe pas, ce que j'ai appris au collège est faux ! À mon avis, l'explication de pourquoi on ne se voit pas dans une feuille blanche comme dans un miroir, c'est parce que la feuille blanche absorbe beaucoup plus qu'un miroir, et que la quantité de lumière réfléchie est trop faible pour se voir dedans. De plus, si on l'observe de très près, la surface n'est probablement pas plane du tout, contrairement à un miroir.
Pour résumer : la diffusion n'existe pas, la réflexion et la réfraction sont provoquées par l’interaction entre le champ électromagnétique du photon et celui de la matière, et obéissent au principe de moindre de temps, l'absorption, la fluorescence et la phosphorescence s'expliquent par la théorie d'Einstein d'absorption et d'émission spontanée. Et c'est tout. Tout ce que notre œil voit du monde qui l'entoure s'explique par ces phénomènes.
Qu'en pensez-vous ?
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Envoyé par Teslaaa 