Interférences lumineuses : l'expérience d'Young
Comment Young a prouvé en 1801 que la lumière est une onde
§1.Une expérience qui a bouleversé la physique
Au XVIIIe siècle, Newton soutenait que la lumière était composée de petites particules (les « corpuscules »). En 1801, Thomas Young réalise une expérience simple mais déroutante : il fait passer un faisceau de lumière à travers deux fentes parallèles très proches et observe le résultat sur un écran.
Contre toute attente, l'écran ne montre PAS deux taches brillantes (comme on s'y attendrait si la lumière était corpusculaire), mais une SÉRIE de franges claires et sombres alternées. Ce phénomène, appelé « interférences », n'est explicable que si la lumière est une onde. C'est une preuve expérimentale décisive qui a marqué le triomphe de la théorie ondulatoire (avant que la mécanique quantique vienne réconcilier les deux visions un siècle plus tard).
§2.Pourquoi y a-t-il des franges ?
- Onde lumineuse
- La lumière est une vibration du champ électromagnétique qui se propage. Elle a une longueur d'onde λ, une fréquence ν, et oscille entre maximum et minimum comme une vague.
- Exemple. λ rouge ≈ 700 nm, λ vert ≈ 530 nm, λ bleu ≈ 470 nm, λ violet ≈ 400 nm.
- Superposition des ondes
- Quand deux ondes se rencontrent en un point, leurs amplitudes s'ajoutent (algébriquement, avec leur signe). C'est le principe de superposition.
- Exemple. Deux vagues en phase (qui montent ensemble) → grosse vague. Deux vagues en opposition → annulation totale.
- Frange brillante (interférence constructive)
- Endroit où les ondes des 2 fentes arrivent EN PHASE (différence de marche multiple entier de λ). Elles s'additionnent → intensité maximale.
- Exemple. Au centre de l'écran, les chemins depuis S₁ et S₂ sont identiques → différence nulle → frange brillante (n=0).
- Frange sombre (interférence destructive)
- Endroit où les ondes arrivent EN OPPOSITION DE PHASE (différence de marche = (n + ½)λ). Elles s'annulent → intensité nulle.
- Exemple. Première frange sombre à y = i/2 (mi-chemin entre 2 maxima).
§3.Différence de marche
La différence de marche entre les chemins S₁M et S₂M est proportionnelle à la distance entre les fentes et à la position y sur l'écran.
Variables
- Différence de marche (path difference)— m
- Distance entre les 2 fentes— m0.1 à 2 mm
- Position verticale sur l'écran (0 au centre)— m
- Distance fentes ↔ écran— m10 cm à 2 m
- —δ = k·λ → frange brillante (k entier relatif, k=0 est la frange centrale).
- —δ = (k+½)·λ → frange sombre.
§4.Interfrange (LA formule à connaître)
L'interfrange — distance entre 2 franges brillantes consécutives — est proportionnel à la longueur d'onde et à la distance écran, inversement proportionnel à l'écartement des fentes.
Variables
- Interfrange (distance entre 2 maxima)— m0.1 à 10 mm
- Longueur d'onde de la lumière— m400 à 700 nm visible
- Distance fentes-écran— m
- Distance entre les 2 fentes— m
- —i augmente avec λ → les franges rouges sont plus écartées que les bleues.
- —i augmente avec D → reculer l'écran agrandit l'espacement (rend les franges plus visibles).
- —i diminue avec d → rapprocher les fentes écarte les franges (mais affaiblit l'intensité globale).
§5.Diffraction : la lumière qui contourne les obstacles
- Diffraction
- Quand une onde traverse une ouverture étroite (de l'ordre de sa longueur d'onde), elle se PROPAGE dans toutes les directions au lieu de continuer droit. C'est ce qui permet aux ondes des 2 fentes de se rencontrer ailleurs qu'au centre.
- Exemple. Sans diffraction, on aurait 2 lignes droites brillantes sur l'écran. La diffraction étale chaque faisceau → il rencontre l'autre → interférences possibles.
- Enveloppe de diffraction
- L'intensité globale des franges décroît à mesure qu'on s'éloigne du centre. C'est la modulation par sinc²(πay/λD) où a est la largeur d'une fente.
- Exemple. Si tu agrandis la largeur des fentes (a augmente), l'enveloppe se rétrécit → les franges périphériques disparaissent plus vite.
§7.Comment Young l'a fait en 1801
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1. Préparer une source ponctuelle
Young utilisait la lumière du soleil filtrée à travers un trou d'épingle. Aujourd'hui on utilise un laser — beaucoup plus pratique car déjà cohérent et monochromatique.
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2. Percer 2 fentes parallèles très proches
Sur un écran opaque, deux fentes verticales séparées de ~0.5 mm. La cohérence spatiale est cruciale : les 2 fentes doivent être éclairées par la MÊME source pour que les ondes soient en phase à leur sortie.
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3. Observer le motif sur un écran à 1m
Sur un écran blanc à environ 1 m, on voit alors les franges alternées. Avec λ=550nm, d=0.5mm, D=100cm : i ≈ 1.1 mm — visible à l'œil nu mais fin.
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4. Mesurer plusieurs interfranges pour la précision
On compte 10 interfranges et on divise par 10 — bien plus précis que mesurer un seul i.
À retenir
- La lumière est une onde : c'est l'expérience d'Young qui le prouve.
- Les interférences naissent de la superposition des ondes des 2 fentes — constructive (frange brillante) ou destructive (frange sombre).
- Formule à retenir : i = λD/d (interfrange).
- Diffraction et interférences sont 2 phénomènes distincts : diffraction = étalement, interférences = superposition.
- λ rouge > λ bleu → franges rouges plus écartées que les bleues.
- Reculer l'écran (D ↑) ou rapprocher les fentes (d ↓) → franges plus visibles.