Cours : Diffraction des ondes et obtention de spectres avec un réseau

DIFFRACTion des ondes
I – DIFFRACTION
DES
ONDES
PAR LA CUVE À
ONDES
Lorsqu'une onde plane traverse un trou, elle se transforme en onde circulaire.
On dit que l'onde plane est diffractée par le trou. Ce phénomène est le
phénomène de diffraction. A la sortie, les rayons diffractés vont dans toutes les
directions. Pour que la déviation des rayons par le trou soit grande, donc que le
phénomène de diffraction soit bien visible, il faut que la dimension du trou soit
du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de l'onde.
II – DIFFRACTION
DE LA
LUMIÈRE
PAR UNE
FENTE
OU UN
CHEVEU
2.1. EXPÉRIENCE
Obscurité
Lumière
Obscurité
Lumière
Lumière
Obscurité
Lumière
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Obscurité
Lorsqu'un rayon laser passe au travers d'une fente, il est diffracté par la fente.
Si on place un écran derrière la fente, on peut observer la figure de diffraction
de la fente. On observe une tâche centrale brillante, entourée de tâches
satellites deux fois moins larges et moins lumineuses que la tâche centrale.
Entre deux tâches, on observe des zones d'obscurité.
Le phénomène est identique à ce qu'on observe lorsque le laser éclaire un
cheveu. On obtient la figure de diffraction du cheveu, identique à la figure de
diffraction de la fente de même diamètre.
Plus le cheveu ou la fente sont petits (plus l'objet diffractant est petit), plus la
tâche centrale de la figure de diffraction est large et plus les tâches satellites
sont larges et écartées les unes des autres.
2.2) LA LUMIÈRE EST UNE ONDE
On explique ce phénomène en disant que comme les vagues sur l'eau, la lumière
est une onde. Contrairement aux vagues sur l'eau ou au son dans l'air, la
lumière n'a pas besoin de milieu de propagation puisqu'elle est capable de se
déplacer dans le vide. C'est une onde électromagnétique, comme les ondes
radio, les rayons X ou les rayons gamma, sauf que la lumière visible a une
longueur d'onde dans le vide comprise entre 400 nm pour le violet et 800 nm
pour le rouge.
2.3) PARADOXE POUR LES PHYSICIENS : LUMIÈRE + LUMIÈRE = OBSCURITÉ
Ce qui a beaucoup étonné et questionné les physiciens qui avaient depuis
longtemps observé le phénomène de diffraction sans pouvoir l'expliquer, ce sont
davantage les zones d'obscurité que les zones de lumière. En effet, on comprend
bien que de la lumière peut donner de la lumière, par contre, comment la
lumière peut-elle donner naissance à de l'obscurité ? Là encore, seul le concept
d'onde peut lever ce paradoxe :
Ondes en phase :
lumière + lumière = lumière
Ondes en opposition de phase :
lumière + lumière = obscurité
+
+
=
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2. DUALITÉ ONDE CORPUSCULE
Isaac Newton (1642-1727) décrivit la lumière comme une émission de particules, tandis
que, d'après Christiaan Huygens (1629-1695), la lumière est un ensemble d'ondes.
En 1905, Albert Einstein (1879-1955), avança l’hypothèse que la lumière peut être
considérée comme un flux de particules élémentaires appelées quanta ou photons,
évoluant à la vitesse c = 300000 km.s-1. Cette théorie d’une lumière corpusculaire lui
permit de proposer une explication à l’effet photoélectrique.
Finalement, la lumière est-elle constituée de particules ou d'onde ? Est-elle une particule
ou une onde, est-elle à la fois onde et particule ?
Réponse :
La lumière n'est ni une onde ni une particule, mais autre chose de plus
complexe, appelé « quantum » par les physiciens.
Dans certaines expériences (diffraction ou ondes radio), c'est l'aspect
ondulatoire qui prédomine.
Dans d'autres expériences comme l'effet photoélectrique ou de la lumière
ultraviolette peut arracher des électrons à un métal ou lorsqu'un rayon gamma
pénètre profondément dans le corps, voir le traverse à la façon d'une balle de
fusil microscopique en créant des micro dégats dans les noyaux de nos cellules
pouvant donner le cancer (radioactivité), c'est l'aspect ondulatoire qui
prédomine.
Un dessin permettra de mieux comprendre :
Onde
particule
Quantum
La lumière ou quantum, ici représenté par un cylindre, n'est ni une onde,
représentée par un rectangle, ni une particule, représentée par un cylindre. Par
contre, vu dans une une direction perpendiculaire à l'axe du cylindre, un
cylindre nous apparaît comme un rectangle (en projection longitudinale), alors
qu'il peut aussi nous apparaître comme un cercle en projection transversale
(vu dans une direction perpendiculaire à l'axe du cylindre). De la même façon
la lumière qui est ni une onde ni une particule peut nous apparaître tantôt
comme une onde, tantôt comme une particule .
III – DIFFRACTION
DE
LA LUMIÈRE
PAR UN
RÉSEAU
3.1) QU'EST-CE QU'UN RÉSEAU ?
Un réseau est constitué d'une plaque de verre gravée de traits parallèles très
fins et très rapprochés les uns des autres. Au lycée Livet, on a trois sortes de
réseaux : des réseaux comportant 140, 540 et 1000 traits par millimètre.
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Exercice : Quelle distance sépare les traits de chacun des réseaux ?
1. Réseau 1 : 1 mm /140 = 10-3/140 = 7,14 10-6 m = 7,14 μm
2. Réseau 2 : 1 mm /540 = 10-3/540 = 1,85 10-6 m = 1,85 μm
3. Réseau 3 : 1 mm /1000 = 10-3/1000 = 10-6 m = 1 μm
3.2) QUE
SE PASSE-T'IL LORSQU'UNE
LUMIÈRE MONOCHROMATIQUE (LASER)
TRAVERSE UN
RÉSEAU ?
Ecran
Réseau 540 traits/mm
Faisceau laser incident
Figure de diffraction
obtenue sur l'écran
Faisceau laser diffracté
La figure de diffraction obtenue est constituée de très nombreux points, tous
équidistants et de même amplitude, séparés par le larges zones d'obscurité.
Autour de la tâche centrale, on a de part et d'autres des tâches satellites
équidistantes et toutes de même intensité.
Réseau 140 traits/mm
Figure de diffraction
obtenue sur l'écran
Réseau 1000 traits/mm
Figure de diffraction
obtenue sur l'écran
Plus le réseau est serré, plus les tâches sont distantes les unes des autres.
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3.3) QUE
SE PASSE-T'IL LORSQU'UNE
LUMIÈRE POLYCHROM. (BLANCHE)
TRAVERSE UN
RÉSEAU ?
Réseau 540 traits / mm
Lumière blanche
Spectre d'ordre 2
Spectre d'ordre 1
Spectre d'ordre 0
Spectre d'ordre 1
Spectre d'ordre 2
Spectre d'ordre 1
Spectre d'ordre 2
Spectre d'ordre 1
Spectre d'ordre 2
Spectre d'ordre 0
Lorsque la lumière blanche traverse le réseau, elle est décomposée par le
réseau car toutes les couleurs ne sont pas diffractées de la même manière.
Le rouge, qui a une longueur d'onde plus grande est davantage diffracté donc
dévié que le vert et que le bleu qui ont une longueur d'onde plus petite.
On obtient plusieurs spectres :
➔ Le spectre d'ordre zéro qui n'est pas dévié et pas décomposé, qui forme
donc une bande blanche au centre de l'écran
➔ Deux spectres d'ordre un formant deux spectres symétriques par rapport
au spectre d'ordre zéro et où le bleu est le plus près de l'axe et le rouge est
le plus loin
➔ Deux spectres d'ordre deux formant deux spectres symétriques par
rapport au spectre d'ordre zéro , plus éloignés de l'axe que le spectre
d'ordre 1, plus étalé et moins brillant, où encore une fois, le bleu est le
moins dévié de l'axe et le rouge est le plus dévié de l'axe.
3.4) LES
DIFFÉRENTES MÉTHODES PERMETTANT D'OBTENIR LE
SPECTRE
DE LA
LUMIÈRE
Prisme
Réseau
REFRACTION + DISPERSION
DIFFRACTION
LE BLEU EST PLUS DEVIE QUE LE ROUGE
CAR LE BLEU EST PLUS RALENTI QUE LE ROUGE
PAR LE VERRE
LE ROUGE EST PLUS DEVIE QUE LE BLEU
CAR LE ROUGE A UNE LONGUEUR D'ONDE PLUS
GRANDE QUE LE BLEU
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IV – DIVERS
TYPES DE SPECTRES OBTENUS AVEC UN SPERTROSCOPE PORTATIF À
RÉSEAU
4.1. SPERCTRE CONTINU
Observez à l'aide de votre spectroscope portatif à réseau le spectre de la lumière
extérieure (lumière du soleil) ainsi que la lumière d'une lampe à incandescence (lampe à
filament de tungstène chauffé par du courant électrique et élevé à haute température.
Observez et décrivez le type de spectre obtenu.
Le spectre obtenu contient toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, sans aucune
interruption, allant du rouge au violet, en passant par le orange, le jaune, le
vert et le bleu.
La lumière ainsi constituée contient toutes les radiations monochromatiques
de toutes les longueur d'onde possibles, comprises entre 400 nm et 800 nm.
Ce type de spectre est caractéristique des corps chauds. Le soleil est un corps
chaud, puisque sa surface, qui envoie de la lumière (photosphère a une
température de l'ordre de 5000°C. Il en est de même pour le filament de
tungstène de la lampe à incandescence, portée à plus de 1000°C.
4.2. SPECTRE DE RAIES
Observez à l'aide de votre spectroscope à réseau le spectre de la lumière émise par des
lampes spectrales à décharge électrique dans un gaz contenant de l'hydrogène (H), ou
du sodium (Na) ou du cadmium (Cd) ou du mercure (Hg). Décrivez le spectre obtenu.
Nous obtenons des raies colorées sur fond noir donnant des spectres de raies.
Le nombre, les positions et les couleurs des raies colorées sont différentes pour
chaque atome. Elles sont à l'atome émetteur de lumière ce que les empreintes
digitales sont à l'homme. Ce sont les atomes excités par la décharge électrique
qui émettent de la lumière. L'étude du spectre permet de les reconnaître.
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