Du rayon lumineux à l'électrodynamique quantique

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Sommaire

1 Modèle géométrique (première année)
2 Modèle ondulatoire (deuxième année)
3 Modèle corpusculaire
4 Electrodynamique quantique
5 Domaine de validité de l'optique géométrique

Modèle géométrique (première année)

La notion de rayon lumineux date de l'antiquité (Euclide, 4e-3e avant J.-C.).

Il faudra attendre plus d'un millénaire pour qu'un physicien arabe, Alhazen (10e-11e), attribue à la lumière une origine extérieure à l'oeil.

A partir du 16e, le travail scientifique s'intensifie :

Galilée (16e-17e) fabrique les premières lunettes.

Descartes (17e) propose une modélisation corpusculaire de la lumière mais qui malheureusement impose une vitesse de la lumière plus grande dans les milieux matériels que dans l'air ce qui est en contradiction avec l'expérience.

Fermat (17e) développe le principe de moindre temps.

Newton (16e-17e), a aussi produit des travaux considérables sur l'optique.

Modèle ondulatoire (deuxième année)

Au 17e Huygens propose une théorie ondulatoire permettant de retrouver les résultats de l'optique géométrique et compatible avec une vitesse de la lumière plus faible dans les milieux matériels que dans l'air.

Young et Fresnel (18e-19e) étudient les phénomènes de diffraction et d'interférences qui imposent la théorie ondulatoire.

Maxwell (19e) découvre que la lumière peut-être représentée par une onde électromagnétique

se propageant à une vitesse

$\boxed{c=3.10^8\,m.s^{-1}}$ dans le vide

$\boxed{v=\dfrac{c}{n}}$ dans un milieu matériel où $n$ est l'indice du milieu

de longueur d'onde $\boxed{\lambda=cT=\dfrac{c}{\nu}}$ où $T$ est la période en seconde ( $s$ ) et $\nu$ la fréquence en hertz ( $Hz$ )

la lumière visible correspondant aux longueurs d'onde $\boxed{400\,nm\textrm{(violet)}<\lambda<800\,nm\textrm{(rouge)}}$

Modèle corpusculaire

Les découvertes de l'effet photoélectrique et du rayonnement du corps noir conduisent Planck et Einstein (20e) à revenir à un modèle corpusculaire en introduisant les photons, particules sans masse

d'énergie $\boxed{\epsilon=h\nu}$ où $h=6,63.10^{-34}\,J.s$ est la constante de Planck

se déplaçant à la vitesse $c$

On parle alors de dualité onde corpuscule.

Electrodynamique quantique

Cette théorie développée entre autres par Feynman dans les années 50 lève les dernières contradictions entre les aspects ondulatoire et corpusculaire.

Domaine de validité de l'optique géométrique

Se pose alors la question de savoir quand on peut se contenter de l'optique géométrique.

Il faut que les dimensions des obstacles rencontrés par la lumière ne soient pas comparables ou inférieures à la longueur d'onde et que l'énergie émise par la source soit grande devant $hc/\lambda$ (énergie d'un photon).