Dispersion de la lumière

Définition de la dispersion de la lumière

Tout d'abord, définissons ce qu'est exactement ladispersion .

Il existetrois types de dispersion : dispersionmodale , dispersionchromatique et dispersionmatérielle . Avant d' expliquer chacun de ces types, nous devons nous familiariser avec lesfibres optiques .

Lesrayons lumineux peuvent voyager dans une fibre optique de deux façons différentes : dans la même direction avec les mêmes longueurs de trajet, ou dans des directions différentes avec des longueurs de trajet variables. En gardant cela à l'esprit, nous pouvons expliquer plus en détail les trois types de dispersion mentionnés précédemment :

1. Dispersion modale se produit lorsque les rayons lumineux dans une fibre optique voyagent dans des directions différentes, avec des longueurs de chemin supplémentaires. Par conséquent, les rayons lumineux atteignent l'autre extrémité de la fibre à des moments différents.

2. La dispersion chromatique se produit lorsqu'il y a un changement dans la vitesse de propagation des rayons en fonction de la longueur d'onde dans la fibre optique.

3. Dispersion matérielle fait que la lumière blanche se divise en différentes couleurs, en fonction de l'indice de réfraction du matériau.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur la dispersion matérielle, l'un des principaux exemples étant la division de la lumière à l'aide d'un prisme. La première personne à avoir reconnu cette propriété de la lumière est Isaac Newton.

Expérience sur la dispersion de la lumière

Ladispersion de la lumière a été découverte pour la première fois au^17e siècle lorsque Isaac Newton a fait passer un faisceau de lumière à travers une minuscule fente .

Fig. 2 - Isaac Newton réalise sa célèbre expérience sur la lumière, en séparant la lumière blanche en ses composants.

En dirigeant la lumière vers le prisme, il s'attendait à ce qu'un faisceau identique de lumière blanche sorte de l'autre côté. Cependant, une fois que la lumière a quitté le prisme, elle a formé une large bande colorée sur l'écran, disposée comme un arc-en-ciel, formé par la lumière du soleil ou la lumière blanche. Les sept couleurs primaires de l'arc-en-ciel qu'il a observées étaient le rouge, l'orange, le jaune, le vert, l'indigo, le bleu et le violet.

La couleur observée dépendait de la largeur de la fente. Ainsi, par essais et erreurs, il est devenu clair que les rayons de lumière violette se courbent le plus et ont donc la longueur d'onde la plus courte de toutes les couleurs, tandis que le rouge se courbe le moins, ce qui correspond à la longueur d'onde la plus longue.

Causes de la dispersion de la lumière

Alors, quelles sont les causes exactes de la dispersion de la lumière ? Comme nous l'avons déjà établi, la lumière se compose de plusieurs couleurs, qui se déplacent à des vitesses différentes dans des milieux différents. L'indice de réfraction d'un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et la vitesse de la lumière dans n'importe quel milieu.

\[n=\frac{c}{v},\]

où \(n\) est l'indice de réfraction , \(c\) est la vitesse de la lumière, et \(v\) est la vitesse dans une substance .

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante fondamentale de la nature égale à \(299,792,458,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}). Elle est plus lente que dans d'autres milieux transparents, comme l'eau, le verre, etc. Par conséquent, en raison des changements de vitesse d'onde de la lumière dans un milieu, une déviation ou une courbure de la lumière se produit en raison des différents indices de réfraction.

Comme les différentes couleurs ou longueurs d'onde de la lumière voyagent à des vitesses différentes dans un milieu donné, certaines couleurs se courbent davantage. Comme l'a observé Newton, la lumière rouge subit le moins de déviation et la violette le plus. La dispersion nous permet donc de voir les couleurs individuellement. La méthode la plus courante pour observer la dispersion consiste à faire passer un faisceau de lumière à travers un prisme.

Dispersion de la lumière à travers un prisme

Un prisme est un outil qui divise la lumière blanche en un spectre.

L'angle selon lequel les surfaces triangulaires sont inclinées s'appelle l'angle du prisme.

La courbure des rayons lumineux dans le prisme est déterminée par la loi de la réfraction, également connue sous le nom de loi de Snell. Mathématiquement, elle peut être exprimée comme suit

\N[ n_1 \sin \Ntheta_1 = n_2 \sin \Ntheta_2,\N]

où \(n\) est l'indice de réfraction et \(\theta\) est l'angle d'incidence ou de réfraction.

Fig. 3 - Dispersion de la lumière par un prisme en verre, ce qui donne une bande de différentes couleurs.

Dans le cas du prisme en verre, le rapport des sinus des angles d'incidence et de réfraction est égal au rapport descoefficients de réfraction dans le verre (\(1,52\)) et dans l'air \((1,0003\)).

Par conséquent, l'explication du fait que les rayons lumineux correspondant à différentes couleurs se courbent à des angles différents dans le prisme résulte du fait que le coefficient de réfraction de la lumière \(n\) dépend de la fréquence ou de la longueur d'onde de la lumière.

Dans le spectre de la lumière visible, la lumière rouge présente l'angle d'inclinaison le plus petit dans le prisme, et la violette l'angle le plus grand. Une plus grande courbure d'un rayon lumineux dans un milieu signifie un indice de réfraction plus important. Ainsi, dans un prisme de verre, le coefficient de réfraction augmente lorsque la fréquence augmente (ou lorsque la longueur d'onde diminue). C'est également le cas pour d'autres substances, à condition qu'elles soient transparentes à la lumière.

Exemples de dispersion de la lumière

Voyons quelques exemples concrets de dispersion !

Arc-en-ciel

Un arc-en-ciel se forme lorsque les rayons de la lumière blanche du soleil se réfractent dans les gouttelettes d'eau de l'atmosphère après une pluie. Le rayon lumineux incident se réfracte dans la gouttelette, se réfléchit sur la face opposée de la gouttelette et se réfracte à nouveau en la quittant dans l'air. Pour observer un arc-en-ciel, le soleil doit briller derrière l'observateur après la pluie. La lumière solaire réfléchie pénètre dans les yeux par toutes ces gouttes de pluie qui reflètent la lumière à un angle de \(42^\circ\). Si les gouttes d'eau sont plus hautes ou plus basses, l'observateur ne voit pas du tout les rayons réfléchis.

En raison de la dispersion de la lumière, la bande extérieure de l'arc-en-ciel est rouge, et la bande intérieure est violette. L'indice de réfraction de la lumière dans l'eau pour la lumière rouge est d'environ 1,33, et pour le violet, il est légèrement plus élevé, égal à 1,34. Par conséquent, l'angle de réflexion de la lumière rouge est légèrement supérieur à l'angle d'incidence de \(42^\circ \, 22'\), et pour le violet, il est plus petit, seulement \ (40^\circ \, 36'\).

Les nuances de lumière visibles dans l'arc-en-ciel sont également déterminées par la taille des gouttes de pluie. Si elles ont un diamètre de \(1 \Nmathrm{mm}\N) à \N(2 \Nmathrm{mm}\N), on observe généralement un cercle violet, vert et rouge lumineux. À mesure que le diamètre des gouttelettes diminue, la couleur rouge s'estompe progressivement. Lorsque les gouttelettes n'ont qu'un dixième de millimètre de diamètre, on ne voit qu'une couleur violette floue dans l'arc-en-ciel. Si les gouttes sont encore plus petites, l'arc-en-ciel est alors à peine visible.

Spectrographes

La dispersion de la lumière est utilisée dans les instruments optiques pour diviser la lumière incidente en un spectre de bandes ou de lignes colorées. Selon la position des bandes ou des lignes sur l'échelle de l'instrument, il est possible de déterminer la fréquence ou la longueur d'onde de l'onde lumineuse incidente. De tels appareils sont appelés spectrographes. Les principaux composants de ces spectrographes sont une fente, une lentille auto-élévatrice et un prisme. La tâche du prisme est de séparer les rayons des différentes lumières ; par conséquent, ils sont faits de matériaux qui ont la plus grande dispersion possible dans la gamme de longueurs d'onde requise. Lesspectrographes peuvent êtreutilisés pour reconnaître très précisément la composition chimique de n'importe quel matériau, y compris de nombreux objets célestes .