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Théorie des ondes de Huygens Light
Lethéorie des ondes de la lumière Huygens définit la lumière comme une onde, semblable aux ondes sonores ou mécaniques présentes dans l’eau. En revanche, Newton affirmait que la lumière était formée de particules matérielles appelées corpuscules.
La lumière a toujours suscité l'intérêt et la curiosité de l'être humain. Ainsi, depuis sa création, l’un des problèmes fondamentaux de la physique a été de dévoiler les mystères de la lumière.
Pour toutes ces raisons, à travers l'histoire de la science, différentes théories prétendent expliquer leur véritable nature.
Cependant, ce n'est qu'à la fin du XVIIe siècle et au début du XVIIIe siècle, avec les théories d'Isaac Newton et de Christiaan Huygens, que les bases d'une connaissance plus approfondie de la lumière ont commencé à être posées.
Principes de la théorie des ondes de Huygens
En 1678, Christiaan Huygens formule sa théorie ondulatoire de la lumière, qu’il publie plus tard en 1690 dans son ouvrage. Traité sur la lumière
Le physicien hollandais a proposé que la lumière soit émise dans toutes les directions sous la forme d'un ensemble d'ondes qui se déplaçaient dans un milieu appelé éther. Comme les ondes ne sont pas affectées par la gravité, la vitesse des vagues a été réduite lorsqu'elles sont entrées dans un milieu plus dense.
Son modèle s'est avéré particulièrement utile pour expliquer la loi de réflexion et de réfraction de Snell-Descartes. Il a également expliqué de manière satisfaisante le phénomène de diffraction.
Sa théorie reposait fondamentalement sur deux concepts:
a) Les sources lumineuses émettent des ondes sphériques, semblables aux ondes qui se produisent à la surface de l’eau. De cette manière, les rayons de lumière sont définis par des lignes dont la direction est perpendiculaire à la surface de l’onde.
b) Chaque point d’une onde est à son tour un nouveau centre émetteur d’ondes secondaires émises avec la même fréquence et la même vitesse que celles qui ont caractérisé les ondes primaires. L'infinité des ondes secondaires n'est pas perçue, de sorte que l'onde résultant de ces ondes secondaires est leur enveloppe.
Cependant, la théorie des vagues de Huygens n’a pas été acceptée par les scientifiques de son époque, à quelques exceptions près, comme celle de Robert Hooke.
L'énorme prestige de Newton et le grand succès atteint par sa mécanique ainsi que les problèmes de compréhension du concept de l'éther ont fait que la plupart des scientifiques contemporains ont tous deux opté pour la théorie corpusculaire du physicien anglais.
Réflexion
La réflexion est un phénomène optique qui se produit lorsqu'une onde frappe obliquement sur une surface de séparation entre deux milieux et subit un changement de direction, étant renvoyée au premier milieu avec une partie de l'énergie du mouvement.
Les lois de la réflexion sont les suivantes:
Première loi
Le rayon réfléchi, l'incident et la normale (ou perpendiculaire) sont situés dans le même plan.
Deuxième loi
La valeur de l'angle d'incidence est exactement la même que celle de l'angle de réflexion.
Le principe de Huygens permet de démontrer les lois de la réflexion. Il est vérifié que lorsqu'une onde atteint la séparation des médias, chaque point devient une nouvelle source émettrice émettant des ondes secondaires. Le front d'onde réfléchi est l'enveloppe des ondes secondaires. L'angle de ce front d'onde secondaire réfléchi est exactement le même que l'angle d'incidence.
Réfraction
Cependant, la réfraction est le phénomène qui se produit lorsqu'une onde frappe obliquement sur un espace entre deux milieux ayant un indice de réfraction différent.
Lorsque cela se produit, l'onde pénètre et est transmise par la seconde du milieu avec une partie de l'énergie du mouvement. La réfraction se produit en raison de la vitesse différente de propagation des ondes dans les différents milieux.
Un exemple typique de phénomène de réfraction peut être observé lorsqu'un objet est partiellement inséré (par exemple, un stylo ou un stylo) dans un verre d'eau.
Le principe de Huygens fournit une explication convaincante de la réfraction. Les points sur le front d’onde situés à la limite entre les deux médias agissent comme de nouvelles sources de propagation de la lumière et donc sur la direction des changements de propagation.
La diffraction
La diffraction est un phénomène physique caractéristique des ondes (il se produit dans tous les types d'ondes) qui consiste en la déviation des ondes lorsqu'elles trouvent un obstacle sur leur trajectoire ou qu'elles traversent une fente.
Il faut garder à l'esprit que la diffraction ne se produit que lorsque l'onde est déformée par un obstacle dont les dimensions sont comparables à sa longueur d'onde.
La théorie de Huygens explique que lorsque la lumière tombe sur une fente, tous les points de son plan deviennent des sources d'ondes secondaires émettant, comme expliqué précédemment, de nouvelles ondes qui reçoivent dans ce cas le nom d'ondes diffractées.
Les questions sans réponse de la théorie de Huygens
Le principe de Huygens laissait une série de questions sans réponse.Son affirmation selon laquelle chaque point d’un front d’onde est à son tour source de nouvelle vague n’explique pas pourquoi la lumière se propage à la fois vers l’arrière et vers l’avant.
De même, l'explication du concept d'éther n'était pas entièrement satisfaisante et était l'une des raisons pour lesquelles sa théorie n'a pas été acceptée initialement.
Récupération du modèle d'onde
Ce n'est qu'au 19ème siècle que le modèle de vague a été récupéré. C'est principalement grâce aux contributions de Thomas Young qui ont réussi à expliquer tous les phénomènes de la lumière sur la base que la lumière est une onde longitudinale.
En 1801, en particulier, il réalisa sa fameuse expérience à double fente. Avec cette expérience, Young a testé un modèle d'interférence de la lumière provenant d'une source lumineuse distante lorsqu'il s'est diffracté après avoir traversé deux fentes.
De même, Young a expliqué à travers le modèle d'onde la diffusion de la lumière blanche dans les différentes couleurs de l'arc-en-ciel. Il a montré que dans chaque milieu, chacune des couleurs qui composent la lumière a une fréquence et une longueur d'onde caractéristiques.
De cette manière, grâce à cette expérience, il a démontré la nature d'onde de la lumière.
Fait intéressant, au fil du temps, cette expérience s’est révélée essentielle pour démontrer l’onde de corpuscule de la dualité de la lumière, une caractéristique fondamentale de la mécanique quantique.
Références
- Burke, John Robert (1999).Physique: la nature des choses. Mexico: rédacteurs internationaux de Thomson.
- "Christiaan Huygens."Encyclopédie de Biographie Mondiale. 2004. Encyclopedia.com. (14 décembre 2012).
- Tipler, Paul Allen (1994).Physique 3ème édition. Barcelone: Reverté.
- David A. B. MillerLe principe de propagation des ondes de Huygens a été corrigé, Optics Letters 16, pp. 1370-2 (1991)
- Principe de Huygens-Fresnel (n.d.). Dans Wikipedia. Récupéré le 1 avril 2018 de en.wikipedia.org.
- Lumière (n.d.). Dans Wikipedia. Récupéré le 1 avril 2018 de en.wikipedia.org.
Expérience de Young (n.d.). Dans Wikipedia. Récupéré le 1er avril 2018 sur es.wikipedia.org.