Expérience des doubles fentes de Thomas Young

Expérience des doubles fentes de Thomas Young – Tutoriel Java

En 1801, un physicien anglais nommé Thomas Young a réalisé une expérience qui a fortement déduit la nature ondulatoire de la lumière. Parce qu’il croyait que la lumière était composée d’ondes, Young pensait qu’un certain type d’interaction devait se produire lorsque deux ondes lumineuses se rencontraient. Ce tutoriel interactif explore comment les ondes lumineuses cohérentes interagissent lorsqu’elles passent par deux fentes rapprochées.

Le tutoriel s’initialise avec des rayons provenant du soleil qui passent par une seule fente dans un écran pour produire une lumière cohérente. Cette lumière est ensuite projetée sur un autre écran comportant des fentes jumelles (ou doubles), qui diffracte à nouveau l’éclairage incident lors de son passage. Les résultats de l’interférence entre les faisceaux lumineux diffractés peuvent être visualisés sous la forme de distributions d’intensité lumineuse sur le film sombre. Le curseur intitulé Distance entre les fentes peut être utilisé pour faire varier la distance entre les fentes et produire des variations correspondantes dans les modèles de distribution d’intensité d’interférence.

L’expérience de Young était basée sur l’hypothèse que si la lumière était de nature ondulatoire, alors elle devrait se comporter d’une manière similaire aux ondulations ou aux vagues sur un étang d’eau. Lorsque deux vagues d’eau opposées se rencontrent, elles devraient réagir d’une manière spécifique pour se renforcer ou se détruire mutuellement. Si les deux vagues sont en phase (les crêtes se rejoignent), elles devraient se combiner pour former une vague plus grande. À l’inverse, lorsque deux vagues se rencontrent et sont décalées (la crête de l’une rencontre le creux de l’autre), les vagues devraient s’annuler et produire une surface plane dans cette zone.

Pour vérifier son hypothèse, Young a conçu une expérience ingénieuse. En utilisant la lumière du soleil diffractée à travers une petite fente comme source d’illumination cohérente, il a projeté les rayons lumineux émanant de la fente sur un autre écran contenant deux fentes placées côte à côte. La lumière passant par les fentes a ensuite pu tomber sur un écran. Young a observé que lorsque les fentes étaient larges, très espacées et proches de l’écran, deux taches de lumière se chevauchant se formaient sur l’écran. Cependant, lorsqu’il a réduit la taille des fentes et les a rapprochées, la lumière passant à travers les fentes et sur l’écran a produit des bandes de couleur distinctes séparées par des régions sombres dans un ordre sériel. Young inventa le terme de franges d’interférence pour décrire ces bandes et réalisa que ces bandes colorées ne pouvaient être produites que si la lumière se comportait comme une onde.

La configuration de base de l’expérience à double fente est illustrée à la figure 1. Une lumière filtrée rouge dérivée de la lumière du soleil est d’abord passée à travers une fente pour atteindre un état cohérent. Les ondes lumineuses sortant de la première fente sont ensuite rendues incidentes sur une paire de fentes positionnées à proximité l’une de l’autre sur une seconde barrière. Un écran est placé dans la région située derrière les fentes pour capturer les rayons lumineux superposés qui ont traversé les fentes jumelles, et un motif de bandes d’interférence rouge vif et sombre devient visible sur l’écran. La clé de ce type d’expérience est la cohérence mutuelle entre les ondes lumineuses diffractées par les deux fentes au niveau de la barrière. Bien que Young ait obtenu cette cohérence par la diffraction de la lumière solaire à partir de la première fente, toute source de lumière cohérente (comme un laser) peut être substituée à la lumière passant par la fente unique.

Le front d’onde cohérent de la lumière impactant les fentes jumelles est divisé en deux nouveaux fronts d’onde qui sont parfaitement en phase l’un avec l’autre. Les ondes lumineuses provenant de chacune des fentes doivent parcourir une distance égale pour atteindre le point A sur l’écran illustré à la figure 1, et doivent atteindre ce point toujours en phase ou avec le même déphasage. Comme les deux ondes atteignant le point A possèdent les conditions nécessaires à l’interférence constructive, elles devraient s’additionner pour produire une frange d’interférence rouge vif sur l’écran.

En revanche, aucun des points B de l’écran n’est positionné à équidistance des deux fentes, et la lumière doit donc parcourir une plus grande distance depuis une fente pour atteindre le point B que depuis l’autre. L’onde émanant de la fente la plus proche du point B (prenez par exemple la fente et le point B sur le côté gauche de la figure 1) n’a pas une aussi grande distance à parcourir pour atteindre sa destination que l’onde provenant de l’autre fente. Par conséquent, l’onde provenant de la fente la plus proche devrait arriver au point B légèrement avant l’onde provenant de la fente la plus éloignée. Comme ces ondes n’arrivent pas au point B en phase (ou en phase l’une avec l’autre), elles subissent une interférence destructive qui produit une région sombre (frange d’interférence) sur l’écran. Les franges d’interférence ne sont pas limitées aux expériences présentant la configuration à double fente, mais peuvent être produites par tout événement qui entraîne la division de la lumière en ondes qui peuvent être annulées ou additionnées.

Le succès de l’expérience de Young a été un témoignage fort en faveur de la théorie ondulatoire, mais n’a pas été immédiatement accepté par ses pairs. Les événements en place derrière des phénomènes tels que l’arc-en-ciel de couleurs observé dans les bulles de savon et les anneaux de Newton (dont il sera question plus loin), bien qu’expliqués par ces travaux, n’étaient pas immédiatement évidents pour les scientifiques qui croyaient fermement que la lumière se propageait comme un flux de particules. D’autres types d’expériences ont été conçus et réalisés par la suite pour démontrer la nature ondulatoire de la lumière et les effets d’interférence. Les plus remarquables sont l’expérience du miroir unique de Humphrey Lloyd et les expériences du double miroir et du bi-prisme conçues par Augustin Fresnel pour la lumière polarisée dans des cristaux uniaxiaux et biréfringents. Fresnel a conclu que l’interférence entre des faisceaux de lumière polarisée ne peut être obtenue qu’avec des faisceaux ayant la même direction de polarisation. En effet, les ondes lumineuses polarisées ayant leurs directions de vibration orientées parallèlement les unes aux autres peuvent se combiner pour produire des interférences, alors que celles qui sont perpendiculaires n’interfèrent pas.

.