En général, un objet ne peut être perçu par l’œil que s’il est lumineux. En effet, par exemple, dans le noir, les hommes ne voient rien. Mais qu’est-ce exactement que la lumière, élément essentiel dans de nombreuses perceptions du monde extérieur ?

La lumière est un rayonnement électromagnétique visible. Le rayonnement est un mode de propagation de l’énergie sous forme d’ondes ou de particules. On peut donc dire aussi que la lumière est une onde électromagnétique.

Elle est constituée d’un champ électrique et d’un champ magnétique qui vibrent ou oscillent en formant un angle droit. La distance entre le sommet de deux ondes successives est  la longueur d’onde. Le nombre d’oscillation de l’onde par seconde est  la fréquence. Une onde est donc caractérisée par sa fréquence et par sa longueur d’onde.
Plus la longueur d’onde d’un rayonnement est élevée, plus sa fréquence est basse et inversement.



La lumière visible ne représente qu’une étroite bande du spectre électromagnétique qui comprend de nombreux types d’ondes. Le spectre électromagnétique décrit la répartition des ondes électromagnétiques en fonction de leur fréquence. Dans l’ordre décroissant des fréquences de ce spectre, on trouve les rayons gamma, les rayons X, l’ultraviolet, la lumière visible, l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio.



Dans le spectre visible, les différences de longueur d’onde se traduisent par des différences de couleurs. La lumière visible est donc constituée de différentes couleurs qui correspondent chacune à une fréquence particulière du spectre. Le spectre de la lumière est défini de 4.1014 oscillations par seconde pour la lumière rouge à environ 7,5.1014 oscillations par seconde pour la lumière violette. Mais plus généralement on dira qu’il est défini par le domaine de longueur d’onde suivant : de la plus petite longueur d’onde visible pour le violet soit environ 400nm, à la plus grande qui est de 750nm pour le rouge.

La lumière blanche est un mélange de longueurs d’onde visibles, elle se décompose en 7 couleurs : le violet, puis l’indigo, le bleu, le vert, le jaune, l’orange et enfin le rouge.
La lumière blanche est dite polychromatique, c’est-à-dire qui est composée de plusieurs couleurs.



La décomposition de cette lumière peut se faire, par exemple, par un prisme triangulaire en verre.



La lumière se propage en suivant une trajectoire rectiligne, que ce soit dans les milieux homogènes et transparents ou dans le vide. En effet, la propagation dans le vide est une caractéristique des rayonnements électromagnétiques.

Lorsque la lumière rencontre un corps, elle est absorbée, réfléchie ou transmise (l’un des cas n’excluant pas les autres). Pour chaque longueur d’onde, les coefficients de réflexion, de transmission et d’absorption sont différents. Par exemple un objet rouge réfléchit beaucoup le rouge tandis que les autres couleurs sont transmises ou absorbées. La transmission d’une lumière, c’est lorsque la lumière traverse l’objet sans être modifiée. On dit que l’objet est transparent (par exemple l’eau, l’air…). La lumière réfléchie par une surface irrégulière est renvoyée dans toutes les directions. Certaines fréquences sont réfléchies plus fortement que d’autres. Par exemple, les surfaces blanches réfléchissent la lumière de façon égale pour toutes les longueurs d’onde alors que les surfaces noires absorbent pratiquement toute la lumière. Une réflexion totale n’est assurée que par des surfaces très polies comme un miroir par exemple. La couleur d’un objet est donc due à la combinaison des différents coefficients de réflexion, transmission et absorption.

La lumière possède également une vitesse. Celle-ci fut mesurée pour la première fois par le physicien français Hippolyte Fizeau en 1849, elle est utilisée aujourd’hui comme référence dans le Système international d’unités et vaut : 299 792 458 m/s soit environ 3,0.108m/s. Il faut préciser qu’il s’agit de sa vitesse dans le vide.

Définir la nature de la lumière a toujours été un problème pour les physiciens. Le mathématicien et physicien britannique Isaac Newton décrivit la lumière comme une émission de particules, tandis que, d’après l’astronome, mathématicien et physicien hollandais Christian Huygens, la lumière est un ensemble d’ondes. En fait les deux théories sont complémentaires : la théorie quantique a montré, grâce à son principe fondamental de la dualité onde-particule élaboré par Louis de Broglie en 1924, que toute particule se comporte comme une onde et réciproquement. Ainsi la lumière agit comme un ensemble de particules et comme une onde.
Le concept de particules de lumière est utilisé pour expliquer les interactions entre la lumière et la matière lorsqu’elles conduisent à un changement de nature de l’énergie (comme par exemple la luminescence : émission de lumière par un corps non chauffé et soumis à une excitation), et le concept d’onde est généralement utilisé pour expliquer la propagation de la lumière et certains des phénomènes liés à la formation des images.
Cependant parfois la lumière se comporte davantage comme une particule que comme une onde notamment lorsqu’elle interagit avec des atomes. En effet, les électrons d’un atome n’absorbent la lumière qu’à des valeurs faibles de l’énergie, ce qui signifie que la lumière se comporte comme un ensemble de particules, que l’on appelle les photons. L’atome excité, c'est-à-dire qui est passé à un niveau supérieur de l’énergie, peut libérer l’énergie acquise en émettant un autre photon. L’énergie se transforme en général en chaleur qui se dissipe alors dans le matériau et dans le milieu extérieur.
En mesurant la fréquence des photons, les physiciens peuvent déterminer leurs origines qu’ils proviennent de la Terre, du soleil ou de galaxies lointaines.

Les sources de lumière sont classées en deux catégories suivant la nature du phénomène qu’elles mettent en jeu. On distingue donc deux phénomènes : l’émission de lumière et la diffusion de la lumière. Une bougie, une lampe, ou le Soleil, par exemple, émettent de la lumière par eux-mêmes. Cette émission est le résultat d’un phénomène physique ou chimique. Pour la bougie, la lumière est émise par une combustion. Pour une lampe, c’est par l’incandescence du filament porté à haute température et pour le Soleil, il s’agit de phénomènes complexes dont il est le siège que l’on appelle réactions thermonucléaires. Les corps qui émettent eux-mêmes de la lumière sont ce que l’on appelle des sources primaires. L’émission de lumière due à une de ces sources se fait dans toutes les directions.
Une feuille de papier, par exemple, n’émet pas de lumière par elle-même. Elle ne devient visible qu’en renvoyant la lumière qu’elle a reçue d’une source primaire. Ce type de source est appelé source secondaire. Elle diffuse la lumière qu’elle reçoit. Cette diffusion se fait également dans toutes les directions.
De toute façon, qu’elle soit primaire ou secondaire, une source de lumière n’est vue que si des rayons lumineux qu’elle émet ou diffuse atteignent l’œil, et elle est plus ou moins lumineuse selon le nombre de photons traversant l’œil.