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Fiche pédagogique n°22


Qu'est-ce que la lumière?

  1. La lumière (en général) est constituée d'ondes électromagnétiques (radiation).
  2. La radiation électromagnétique qu'on voit s'appelle lumière ''visible''.
  3. La lumière est un flux de photos -paquets oscillants d'énergie



La radiation électromagnétique se divise en régions spectrales qui vont des rayons gamma, rayons X, UV (ultraviolet), lumière visible, IR (infrarouge), ondes millimétriques jusqu'aux ondes radio.


Spectre de Fraunhofer pour la lumière solaire.
Les longueurs d'onde sont en angstroms (Å). La raie C correspond à la raie Ha de l'hydrogène.


Les longueurs d'onde de la lumière ''visible'' sont plus grandes que 0.38 micromètres (3800 Å, lumière bleue) et plus petites que 0.76 micromètres (7600 Å, lumière rouge). Pour un musicien, le rapport (1:2) de ces longueurs d'onde (ou fréquences) limites correspond à un octave. Nos yeux perçoivent alors un octave d'oscillations électromagnétiques. Le rayonnement avec une longueur d'onde de 0.5 micromètres a une couleur verte. Une suite de deux mille ondes de lumière verte a une longueur de un millimètre. Les ondes plus petites que 3800 Å et jusqu'au 900 A correspondent à la radiation UV (ultraviolette) et les ondes plus grandes que 7600 Å (et jusqu'au 0.1 mm) correspondent à la radiation IR (infrarouge)..


Les photons sont de petits paquets d'énergie qui oscillent avec une fréquence n. Leur vitesse dans le vide est c = 300 000 kilomètres par seconde. Dans un milieu transparent, cette vitesse diminue. L'énergie d'un photon est hn. h est la constante de Planck 6.6 x 10 -34 J s ( 6.6 x 10-34 J s. ).


Spectres stellaires:
La radiation d'une seule longueur d'onde s'appelle monochromatique. Par exemple, la raie Ha de l'hydrogène. La lumière blanche est composée d'une quantité énorme de radiations monochromatiques différentes. Les gouttelettes d'eau de la pluie dispersent la lumière du Soleil dans un arc en ciel -un spectre flou. Un prisme ou un réseau produisent un spectre détaillé. La couleur d'une étoile (dans les amas d'étoiles) indique seulement si elle est chaude (bleue) ou froide (rouge). Le spectre détaillé d'une étoile donne des informations sur sa température, mais aussi sur d'autres propriétés (comme la composition chimique).

 
 


Formation d'un arc en ciel.
Arc en ciel -dispersion de la lumière solaire par des gouttelettes d'eau de la pluie.


Jusqu'à la moitié du 20ème siècle, la lumière visible était la seule source d'information sur l'Univers dont on disposait. Actuellement, des télescopes avec des détecteurs ingénieux placés sur des satellites et des sondes spatiales montrent l'Univers dans toutes les régions spectrales dès rayons gamma jusqu'aux ondes radio. Les fenêtres sur l'Univers ont été ouvertes d'une octave à 92 octaves.


Tous les corps cosmiques émettent de la radiation -des photons. Les photons gamma viennent d'un Univers violent. Un Univers chaud est observé en rayons X. Le rayonnement infrarouge est émis par l'Univers tiède (par l'infrarouge proche) et par l'Univers froid par l'infrarouge lointain. Certains des photons qu'on voit sont plus jeunes qu'une millième de seconde (ceux associés à la foudre, aux météorites), d'autres sont âgés de millions d'années. Dans la région spectrale des micro-ondes les astronomes observent la lumière la plus âgée de l'Univers, lorsque celui-ce était âgé de 300 000 ans. A ce moment-là, l'Univers est devenu transparent. A partir de cet instant, l'Univers (et les longueurs d'onde du rayonnement) s'est agrandi 10 000 fois et pendant 13 milliards d'années la lumière est devenue du rayonnement en micro-ondes. Ce rayonnement s'appelle le rayonnement cosmique de fond. Dans l'Univers, il y a deux milliards de photons ''reliques'' pour chaque photon. Ce sont les photons les plus abondants dans l'Univers.


Etoile filante et Andromède
Les sources de lumière la plus distante et la plus proche visibles à l'oeil nu: une étoile filante et la galaxie d'Andromède (J. Kleperta, Ondrejov 1923). La lumière de l'étoile filante est âgée d'une milliseconde. Par contre, la lumière d'Andromède a quitté cette galaxie il y a deux millions et demi d'années.


Rayonnement cosmique de fond La lumière la plus âgée qu'on reçoit a été produite lorsque l'Univers était âgé de 300 000 ans. A présent, elle est âgée de 13 milliards d'années. Ses longueurs d'onde se sont élargies 10 000 fois. Les points brillants sont des embryons des galaxies.


On reçoit toute l'énergie dont on a besoin sous la forme de lumière visible de notre étoile -le Soleil. Cette lumière est essentielle pour toute la vie sur la Terre. L'énergie totale fournie à chaque seconde par le Soleil à la Terre est de 180 000 terawatts. Pour comparer: selon les statistiques des Nations Unies, l'humanité entière consomme 13 terawatts dans l'industrie, la maison, l'agriculture et le transport. On utilise des ressources salissantes (charbon, pétrole, gaz naturel) pour satisfaire nos besoins énergétiques. Ces ressources contiennent aussi de l'énergie solaire -l'énergie solaire accumulée par la photosynthèse il y a un million d'années. Ces ressources sont coûteuses et limitées, elles polluent notre planète et des gens avides font la guerre pour s'en fournir.



Le Soleil
Est-ce qu'on a oublié le réacteur thermonucléaire idéale et sans danger qui se trouve dans le ciel? On néglige le généreux cadeau solaire qui est de haute qualité (= transformable d'une manière efficace en n'importe quelle forme d'énergie utilisable -calorifique, électrique, chimique). Ce cadeau est absolument propre (aucun type de pollution), éternel (pour les 7 milliard d'années qui suivent), dépassant largement les nécessités énergétiques de l'humanité, et gratuit pour tout le monde.