Pour nous, la lumière est d’abord ce phénomène extraordinaire qui éclaire le monde et le rend visible. Que ferions-nous sans elle ? Depuis qu’il a ouvert les yeux sur le monde, l’être humain vénère le Soleil, dieu de la lumière, source de vie et de sécurité. Depuis l’émergence du questionnement rationnel, nous questionnons maintenant la nature physique de ce phénomène. Mais qu’est-ce donc que la lumière ?

La lumière est une forme d’énergie produite par la matière. Pour comprendre comment elle est générée, il faut examiner les constituants même de la matière, c’est-à-dire les atomes.

Un atome ressemble un peu à une ruche autour de laquelle tourne de gros essaims d’abeilles : la ruche correspond au noyau de l’atome tandis que les essaims d’abeilles représentent les nuages d’électrons que l’on retrouve autour du noyau.

Le noyau et les électrons ont cependant une propriété particulière : celle d’être électriquement chargés. Qui plus est, les charges électriques qu’ils portent sont opposées. Ainsi, le noyau atomique possède une charge que l’on dit « positive Pour en lire plus
Pour nous, la lumière est d’abord ce phénomène extraordinaire qui éclaire le monde et le rend visible. Que ferions-nous sans elle ? Depuis qu’il a ouvert les yeux sur le monde, l’être humain vénère le Soleil, dieu de la lumière, source de vie et de sécurité. Depuis l’émergence du questionnement rationnel, nous questionnons maintenant la nature physique de ce phénomène. Mais qu’est-ce donc que la lumière ?

La lumière est une forme d’énergie produite par la matière. Pour comprendre comment elle est générée, il faut examiner les constituants même de la matière, c’est-à-dire les atomes.

Un atome ressemble un peu à une ruche autour de laquelle tourne de gros essaims d’abeilles : la ruche correspond au noyau de l’atome tandis que les essaims d’abeilles représentent les nuages d’électrons que l’on retrouve autour du noyau.

Le noyau et les électrons ont cependant une propriété particulière : celle d’être électriquement chargés. Qui plus est, les charges électriques qu’ils portent sont opposées. Ainsi, le noyau atomique possède une charge que l’on dit « positive » et les électrons une charge opposée dite « négative ». Or, dans le monde des particules atomiques, les contraires s’attirent ; conséquemment noyau et électrons sont mutuellement liés au sein de l’atome.

Il existe aussi une différence importante entre les abeilles et les électrons : les abeilles peuvent voler n’importe où autour de la ruche tandis que les électrons, eux, ne peuvent en aucun cas se retrouver n’importe où autour du noyau et ce, malgré la force d’attraction qu’ils subissent de sa part ; seules certaines « orbites » spécifiques (les scientifiques disent « orbitales ») situées à des distances précises leur sont permises.

Si un électron ne peut occuper n’importe quelle position autour du noyau, il peut cependant modifier la distance qui l’en sépare en changeant d’orbitale. Pour ce faire, son contenu en énergie doit être altéré de façon à le faire correspondre exactement à celui de l’orbitale qu’il va occuper.

Pour passer d’une orbitale éloignée à une orbitale plus rapprochée, par exemple, l’électron doit se défaire d’une partie de son énergie. L’énergie libérée aura une composante électrique, mais aussi, comme tout corps chargé négativement, une composante magnétique. C’est sous la forme de petits « paquets d’énergie », appelés photons, que l’électron se débarrasse de son surplus d’énergie.

Photon et onde électromagnétique sont donc en quelque sorte synonymes. En langage courant, ils portent le même nom : celui de lumière. En effet, un photon n’est rien de moins qu’une « particule de lumière » et une onde électromagnétique, une « onde lumineuse ».

© 2006 Une idée originale et une réalisation de L'ASTROLab du Parc national du Mont-Mégantic

Schéma couleur qui démontre les parties d'un atome, le noyau, les électrons et les orbites des électrons.

Un atome.

ASTROLab du Parc national du Mont-Mégantic

© 2006 Une idée originale et une réalisation de L'ASTROLab du Parc national du Mont-Mégantic


un photon

Un photon est une particule d'énergie qui n'a pas de masse et qui se déplace très rapidement. Fait étrange d'ailleurs, un photon en mouvement a la particularité d'interagir avec la matière comme le fait une onde, c'est-à-dire comme une vague à la surface de l'eau. Puisque l'onde a à la fois une composante électrique et une composante magnétique, on parle « d'onde électromagnétique ».

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Vidéo couleur du Hubert Reeves en face des images de l’espace

Hubert Reeves parle de ce qu’est la lumière.

C’est d’abord ce que je vois. Quand je vous vois, c’est parce qu’il y a de la lumière. Je ne vois pas la lumière, mais c’est grâce à la lumière que vous émettez que je vous vois. Alors, si on répond en termes de physique, on sait depuis Maxwell que c’est une onde, une onde électromagnétique, c’est-à-dire les variations d’un champ magnétique. À cela, la physique quantique a ajouté la notion de photon : la lumière, c’est aussi des grains, des petits grains qui partent de la source et qui viennent vers vous. Alors, la question de savoir comment ça peut être à la fois une onde et des grains, eh bien c’est une question à laquelle la physique quantique répond et je ne vais pas vous donner la réponse parce qu’on en aurait pour un bout de temps. Mais ce que l’on dit généralement (et j’aime bien cette phrase) : « La lumière se comporte comme une onde quand vous ne la regardez pas et elle se comporte comme des grains quand vous la regardez.»

ASTROLab du Parc national du Mont-Mégantic

© ASTROLab du Parc national du Mont-Mégantic


En 1665, le père Francesco Maria Grimaldi, un Jésuite italien, réalise une expérience toute simple dont le résultat va occuper pendant plusieurs générations des physiciens comme Newton et Einstein.

L’expérience consiste à faire entrer dans une chambre noire de la lumière par une fente et de projeter le rayon lumineux qui en émerge sur un écran blanc ; l’objectif de Grimaldi étant de vérifier si la largeur du faisceau projeté correspond à celle prédite par le tracé géométrique du rayon lumineux.

À sa grande surprise, Grimaldi constate que le rayon lumineux qui s’étale sur l’écran est plus large que prévu. De plus, et c’est ce qu’il trouve le plus bizarre, la lumière blanche apparaît non pas blanche, mais colorée de deux ou trois raies de couleurs différentes.

Sans le savoir, Grimaldi vient de réaliser la première expérience de décomposition de la lumière. Il donne d’ailleurs au phénomène le nom de diffraction, un terme qu’on utilise encore aujourd’hui.

Plus tard, il se rend compte que la diffraction est un phénomène qui ne se produit pas seulement avec une fente, mais chaque fois que d Pour en lire plus
En 1665, le père Francesco Maria Grimaldi, un Jésuite italien, réalise une expérience toute simple dont le résultat va occuper pendant plusieurs générations des physiciens comme Newton et Einstein.

L’expérience consiste à faire entrer dans une chambre noire de la lumière par une fente et de projeter le rayon lumineux qui en émerge sur un écran blanc ; l’objectif de Grimaldi étant de vérifier si la largeur du faisceau projeté correspond à celle prédite par le tracé géométrique du rayon lumineux.

À sa grande surprise, Grimaldi constate que le rayon lumineux qui s’étale sur l’écran est plus large que prévu. De plus, et c’est ce qu’il trouve le plus bizarre, la lumière blanche apparaît non pas blanche, mais colorée de deux ou trois raies de couleurs différentes.

Sans le savoir, Grimaldi vient de réaliser la première expérience de décomposition de la lumière. Il donne d’ailleurs au phénomène le nom de diffraction, un terme qu’on utilise encore aujourd’hui.

Plus tard, il se rend compte que la diffraction est un phénomène qui ne se produit pas seulement avec une fente, mais chaque fois que de la lumière touche au rebord d’un objet. Plusieurs scientifiques s’intéressent alors au phénomène mais aucun ne parvient à l’expliquer. Pourtant, la réponse ne tardera pas : elle viendra d’Isaac Newton lui-même.

En 1662, Newton commence à réaliser des expériences d’optique. Un de ses premiers projets est de construire une lunette astronomique. Il polit alors des lentilles et tente d’améliorer l’instrument en se débarrassant des couleurs qui apparaissent sur le bord des images (il n’y parviendra d’ailleurs pas et décidera de se passer de lentilles ; c’est pour cette raison qu’il mettra au point un télescope à miroir).

En 1666, lors de ses expériences d’optique, Newton fait passer de la lumière solaire blanche à travers un prisme de façon à la décomposer en rayons lumineux de différentes couleurs, comme le fait le rebord d’une lentille. D’autres avant lui avaient réalisé le même genre d’expérience, mais Newton est le premier à comprendre que la lumière blanche est faite d’un mélange de rayons de lumière de couleurs différentes.

Il comprend aussi que la lumière blanche se sépare en ses composantes parce que chaque rayon de couleur est dévié de façon différente par le verre du prisme. Ainsi, il constate, par exemple, que la lumière rouge est toujours moins déviée que la lumière violette.

Newton comprend par conséquent que lorsque de la lumière blanche passe d’un milieu transparent (comme de l’air) à un autre (comme du verre), ses composantes sont déviées une première fois selon leur couleur, et lorsque celles-ci émergent dans l’air, elles sont de nouveau déviées, donnant ainsi naissance à un étalement de rayons lumineux allant du rouge au violet, comme les couleurs de l’arc-en-ciel.

On donne à cet étalement ordonné de rayons colorés le nom de « spectre ». Le spectre de la lumière solaire blanche est composé, grosso modo, de six couleurs qui sont, dans l’ordre, le rouge, l’orange, le jaune, le vert, le bleu et le violet.

Si Newton comprend qu’un faisceau de lumière de couleur particulière est toujours dévié de la même façon, il ignore cependant pourquoi il en est ainsi. C’est un autre Britannique, du nom de Thomas Young, qui apportera plus d’un siècle plus tard une partie de la réponse.

© 2006 Une idée originale et une réalisation de L'ASTROLab du Parc national du Mont-Mégantic

Peinture du Francesco Maria Grimaldi

Francesco Maria Grimaldi.

Scienzagiovane - Site Internet pour la communication de la science de l'Université de Bologne

© Scienzagiovane - Site Internet pour la communication de la science de l'Université de Bologne


Peinture couleur du Isaac Newton

Isaac Newton.

Gallerie Internet d'Art/http://www.wga.hu/

© Gallerie Internet d'Art/http://www.wga.hu/


Image couleur de la lumière blanche entrant dans un prisme et décomposent en les couleurs du Spectrum.

Décomposition de la lumière blanche par un prisme.

Steve Smith/www.vislab.usyd.edu.au/

© Steve Smith/www.vislab.usyd.edu.au/


Objectifs d'apprentissage

L’apprenant va :
  • nommer des contributions récentes, y compris celles du Canada, au développement des technologies pour l’exploration spatiale;
  • décrire en détail le rôle que jouent des technologies canadiennes dans l’exploration de l’espace;
  • dessiner un système solaire avec toutes ses composantes;
  • établir le lien entre les atomes et la lumière à l’aide de différents instruments.

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