Opt2-4 Dispositif pour obtenir des anneaux de Newton
Fonction
Obtention d’interférences, localisées, en forme d’anneaux.
Description
La surface sphérique de grand rayon R, de l’ordre du mètre, d’une lentille plan convexe (grande distance focale) est mise au contact d’une surface plane appartenant (par exemple) à une lame de verre à faces parallèles. Entre ces deux surfaces on obtient une lame mince d’air dont l’épaisseur e se calcule simplement en fonction de la distance r au point de contact :
2 R e = r2.
En éclairant la lame avec une source lumineuse (qui peut être étendue), on observe des « franges d’interférences », colorées si la lumière est blanche, qui ont la forme d’anneaux centrés sur le point de contact. Si la source lumineuse est étendue, les franges sont localisées sur la lame ; on les observe soit en regardant la lame, soit en formant une image de cette lame sur un écran. Les anneaux sont à centre blanc par transmission, à centre noir par réflexion. Par réflexion les anneaux noirs, ont pour rayon rk où rk2 = k λ R avec k est entier positif ou nul. Cette expression s’obtient en écrivant que l’épaisseur e est un multiple entier de la demi-longueur d’onde. Cette dernière condition vaut pour n’importe quelle lame mince d’indice n, on écrit alors 2 n e = k λ.
Histoire
Les vives couleurs produites par des lames minces éclairées en lumière blanche sont facilement observables dans la nature : irisations observables sur une mince bulle de savon, sur la nacre, sur une mince feuille de mica, sur la surface d’une mare d’eau sur laquelle est tombée une goutte d’huile etc... C’est Isaac Newton qui, le premier, entreprit d’étudier le phénomène à l’aide d’un dispositif permettant le calcul facile de l’épaisseur de la lame. Il put trouver la proportionnalité des rayons à √ . Mais, il pensait que la lumière était faite de particules émises par les corps lumineux (théorie de l’émission). Il expliquait ainsi, correctement, les phénomènes de réflexion et de réfraction, mais il ne trouva pas, pour la diffraction (découverte par le père Grimaldi, de Bologne, en 1650), comme pour les anneaux qui portent son nom, d’interprétation satisfaisante (théorie des « accès »). C’est peut-être à cause de cet insuccès que son Traité d’optique ne parut qu’en 1704. Notons que la meilleure traduction française de ce traité fut donnée en 1787 par Marat (« l’ami du peuple »).
Certes, la théorie ondulatoire de la lumière de Christian Huygens (1629-1695) était plus apte à expliquer diffraction et interférences, mais elle fut étouffée par l’énorme autorité d'Isaac Newton et par l’erreur de Huygens de croire que la lumière était une onde longitudinale alors qu’elle se comporte comme étant transversale. Il faudra attendre Augustin Fresnel (1788-1827) pour avoir une théorie satisfaisante de la diffraction et des interférences. Rappelons toutefois (Eln6) que les effets photoélectriques et Compton ont amené Albert Einstein à une conception corpusculaire de la lumière et qu’il a fallu attendre la mécanique quantique pour faire la synthèse des théories corpusculaire et ondulatoire de la lumière.
