La lumière est quelque chose qu’il est difficile de définir. Au cours de l’histoire, les scientifiques se sont attachés à découvrir la nature de la lumière. Deux idées ont longtemps été opposées :

• Nature ondulatoire : cette première idée définit la lumière comme une onde électromagnétique. Parmi les scientifiques défendant cette théorie, on retrouve notamment Huygens, Young et Maxwell.
  
• Nature corpusculaire : cette seconde idée définit la lumière comme un ensemble de corpuscules appelés photons. Newton est l’un des défenseurs de cette seconde théorie.
  
Actuellement, les scientifiques s’accordent à dire que la lumière possède une double nature : ondulatoire et corpusculaire.

Nature ondulatoire

La lumière peut être considérée comme une onde électromagnétique. Cette onde est alors représentée comme un champ électrique et un champ magnétique oscillants dans des plans perpendiculaires (onde décrite par les lois de Maxwell). Elle se propage selon une direction de propagation et, contrairement aux ondes sonores, n’a pas besoin de support matériel pour se transmettre : autrement dit, elle peut se propager dans le vide.



L’onde électromagnétique est caractérisée par certains paramètres :

• L’amplitude : l’amplitude d’une onde est la longueur du vecteur champ électrique au maximum de l’onde. Elle donne une mesure de la force du champ électrique ou magnétique à un maximum de l’onde.
• La période p : la période de l’onde électromagnétique est le temps entre deux passages de maxima ou de minima successifs en un point de l’espace.
• La fréquence ν : la fréquence d’une onde électromagnétique est le nombre d’oscillations qui se produisent en une seconde. Elle vaut 1/p. Elle se mesure en Hertz (1 Hz = 1 s-1).
• La longueur d’onde λ : la longueur d’onde de l’onde électromagnétique correspond à la distance entre deux maxima ou minima successifs.
• La vitesse de propagation c : la vitesse de propagation de l’onde est liée à sa longueur d’onde et sa fréquence par la relation : λ = c/ν. La vitesse du rayonnement dépend de la composition du milieu traversé. En effet, dans tout milieu matériel, la propagation du rayonnement est ralentie par les interactions entre le champ électromagnétique de ce rayonnement et les électrons liés aux atomes ou aux molécules. Dans le vide, c = 2,99792 x 10-8 et la vitesse dans l’air diffère très peu de cette valeur (environ 0,03% en moins).

Nature corpusculaire

Le modèle ondulatoire ne peut rendre compte de tous les phénomènes observés, notamment ceux associés à l’absorption et à l’émission d’énergie rayonnante. Pour comprendre une grande partie de ces interactions lumière-matière, il faut admettre que la lumière a une nature corpusculaire. Elle est alors considérée comme un ensemble de particules sans masse appelées photons. L’énergie d’un photon peut être exprimée en fonction de la fréquence ν ou de la longueur d’onde λ du rayonnement : E = hν et E = hc/λ avec h = constante de Planck (6,626 x 10-34 Js). La nature corpusculaire de la lumière a été mise en évidence par plusieurs phénomènes : le rayonnement du corps noir (étudié par Planck et idée d’énergie quantifiée), l’effet photoélectrique (étudié par Einstein et introduction de la notion de photon), les spectres de raies des atomes,…

Spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique correspond à l’ensemble des longueurs d’onde que peut prendre un rayonnement. Il couvre un très large domaine allant de très petites longueurs d’onde de l’ordre de 10-12 m jusqu’à des longueurs d’ondes de l’ordre du km. Il est divisé en différents domaines :

• Les rayons gamma : les rayonnements gamma ont des longueurs d’onde de l’ordre de 10-11m (0,1 Å). Ils sont très énergétiques (et dangereux !) et interviennent dans les transitions de niveaux d’énergie nucléaires. Une des sources de ce type de rayonnement sont les éléments radioactifs.
• Les rayons X : les rayons X ont des longueurs d’onde de l’ordre de 10-9 m (1 nm). Ils sont également très énergétiques et interviennent dans les transitions de niveaux d’énergie des électrons internes. Ce type de rayonnement est utilisé notamment en imagerie médicale (radiographie).
• L’ultraviolet : le rayonnement ultraviolet a une longueur d’onde de l’ordre de 10-7 m (100 nm). On distingue l’UV proche, dont les longueurs d’onde sont proches de celles du visible, et l’UV lointain, comportant les rayonnements de plus petites longueurs d’onde. Les UV interviennent dans les transitions électroniques des électrons liants.
• Le visible : le domaine du visible s’étend d’environ 400 nm (bleu) à 700 nm (rouge). Il couvre une infime partie du spectre électromagnétique. Il correspond également au domaine de rayonnements pouvant être vus par l’œil humain. La lumière visible intervient dans les transitions électroniques des électrons liants.
• L’infrarouge : le domaine infrarouge s’étend d’environ 1 μm à 1 mm. On distingue le proche IR, dont les longueurs d’onde sont proches de celles de la fin du domaine visible (0,8 μm à 1,4 μm) et l’IR lointain (environ 1 mm), dont les longueurs d’onde sont proches de celles des micro-ondes. Le rayonnement infrarouge intervient dans les transitions vibrationnelles et rotationnelles des molécules. Une source de rayonnement IR est notamment le corps humain.
• Les micro-ondes : les micro-ondes ont des longueurs d’onde de l’ordre du cm. Elles interviennent dans les transitions rotationnelles des molécules. On retrouve ce type de rayonnement dans les radars, les micro-ondes
• Les ondes radio : les ondes radio ont des longueurs d’onde de l’ordre du m, mais qui peuvent atteindre le km (ondes AM). Comme leur nom l’indique, elles sont utilisées dans la transmission radio.

Par la relation liant la longueur d’onde, la fréquence et l’énergie de l’onde, on peut établir la remarque suivante : plus la longueur d’onde du rayonnement est petite, plus sa fréquence est élevée et plus le rayonnement est énergétique (et inversement).