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HISTOIRE DE LA DECOUVERTE DE
L'INDICE DE REFRACTION
par JJ Chevallier - 01-2024
AVERTISSEMENT
Ce qui suit est un bref résumé des différentes découvertes ayant abouti à la définition et l'utilisation de l'IR. J’invite celles et ceux qui souhaitent approfondir cet historique à lire les nombreux articles publiés sur le sujet. En faisant une recherche minutieuse sur Internet, vous pourrez en trouver des dizaines, particulièrement sur les sites où sont reproduites les publications des différents acteurs de cette longue aventure.
Au IIe siècle, le célèbre astronome grec, Claude Ptolémée, a tenté de mettre en évidence une relation entre l’angle d’incidence et l’angle de réfraction de la lumière lorsqu’elle traverse différentes surfaces, telles que l’air, l’eau et le verre. Pour ce faire, il a établi des tableaux comparant ces deux angles. Bien qu’il ait constaté une certaine régularité dans ses résultats, il n’a pas réussi à exprimer cette tendance sous forme d’une équation mathématique précise. De plus, l’exactitude de sa méthode est sujette à caution, car elle repose sur des mesures approximatives.
Claude Ptolémée
Mathématicien, astronome, philosophe,
Grec.
100 - 160
Abū Saʿd al‐ʿAlāʾ ibn Sahl, un savant du Xe siècle, s’est aussi intéressé au lien entre l’angle de réfraction et l’angle d’incidence, contribuant ainsi à l’élaboration de la loi de réfraction. Bien qu’il n’ait peut-être pas pleinement réalisé l’importance de sa découverte, il a utilisé comme caractéristique de l’opacité du milieu un rapport correspondant au rapport des sinus des angles des rayons lumineux, c’est-à-dire à l’indice de réfraction.
Abu Ali al-Hasan ibn al-Hasan ibn al-Haytham, son contemporain, établit un lien entre la vitesse de la lumière et la concentration de la matière, sans toutefois proposer une équation ou une analyse détaillée de la réfraction
Abū Saʿd al‐ʿAlāʾ ibn Sahl
Mathématicien,
Perse.
940 - 1000
Abu Ali al-Hasan ibn al-Hasan ibn al-Haytham.
Mathématicien, philosophe,
Egyptien.
965- 1040
En vérité, lorsque Erazmus Ciolek Witelo a transcrit et examiné les écrits d’Ibn Al-Haytham, il y a intégré un résumé des principes de l’angle de réfraction, de l’angle d’incidence et de l’angle de déviation, tant pour les surfaces verre-eau que pour celles du verre-air. Selon lui, ces données :
suggèrent une croissance, avec « i » représentant l’angle d’incidence et « r », celui de réfraction.
Bien qu’il y ait eu certaines conclusions, on a découvert que la représentation des tables de réfraction présentait une distorsion, qui contredisait davantage l’expérience que ne le faisaient les anciennes tables de Ptolémée.
La première preuve écrite que le mathématicien et physicien polonais Witelo, connu pour son ouvrage « Perspectiva », se trouvait à Viterbe, où résidait temporairement la Cour papale, a été mise au jour. Cette découverte nous offre l’occasion de revoir toutes les interactions de Witelo avec la Curie romaine et d’en établir une chronologie révisée. L’étude prosopographique porte sur tous les érudits ayant étudié l’optique et résidant à la curie papale en 1277. Cette hypothèse récente, suggérant que Viterbe était au cœur de la diffusion des trois principales synthèses scientifiques optiques du 13e siècle, est ainsi corroborée.
Erazmus Ciolek Witelo
Moine, physicien, philosophe, Polonais.
1230 - 1275
En 1604, Kepler, s’inspirant des travaux d'Erazmus Ciolek Witelo dans son traité intitulé « Des choses oubliées dans Witelo », découvre une loi de réfraction qui, bien qu’elle émane de raisonnements plutôt obscur :
s’avère être remarquablement précise. Cette constante, notée « k », dépend uniquement du milieu considéré, ce qui la rend, pour Kepler, une caractéristique intrinsèque des matériaux.
Plus tard, on verra que cette constante correspond à l’indice de réfraction, un concept clé en optique.
Kepler
Astronome, mathématicien, philosophe,
Polonais.
1571 - 1650
À propos de Thomas Harriot
Avez-vous déjà cartographié des taches solaires ?
Traduis une langue jusqu'alors inconnue ?
Avez-vous inventé la notation mathématique utilisée par toutes les générations après vous ?
Avez-vous anticipé la découverte des orbites elliptiques ?
Si c'était le cas, le publieriez-vous ?
Thomas Harriot a fait toutes ces choses, mais, curieusement, il les a gardées pour lui.
Son entourage lui reprochait sa négligence à publier et l'encourageait à continuer : « une trop grande réserve vous a privé de ces gloires. » Mais eux-mêmes se demandaient quels secrets encore plus puissants pouvaient résider dans son « entrepôt » de connaissances.
C’est grâce à l’élaboration et à la diffusion de la loi de la réfraction, une équation complexe, que l’indice de réfraction a finalement émergé comme concept clé dans l’étude de l’optique. Bien que la formule en sinus de la réfraction eût été découverte précocement, vers 1600, par Thomas Harriot, elle resta inconnue du public jusqu’à sa divulgation par Willebrord Snell van Royen, un mathématicien néerlandais, environ deux décennies plus tard.
Thomas Harriot
Astronome, mathématicien,
Anglais.
1560 - 16521
1621, le mathématicien hollandais Willebrord Snell Van Royen redécouvrit la théorie d’Ibn Sahl, oubliée pendant des siècles. .
Les controverses à propos de la loi de Snell
Il n’est pas certain que Snell ait été le premier à énoncer la loi de la réfraction, car il ne l’a pas explicitement publiée sous ce nom (maintenant connue sous le nom de loi de Snell).
Cette attribution s’explique en partie par l’influence de deux compatriotes, Vossius et Huygens qui souhaitaient contester la thèse française selon laquelle Descartes serait l’unique inventeur de cette théorie. On trouve effectivement les traces de l’intérêt de Snell pour l’optique à travers ses nombreuses annotations sur le traité d’optique d’un condisciple, comme lui, élève de Pierre de la Ramée, Friedrich Risner. Ainsi que par les expériences qu’il a mené en 1621, sur les miroirs convexes et cocaves.
Un manuscrit la bibliothèque d’Amsterdam, que C. Deward lui attribu, que Snell voulait plublier juste avant sa mort, énonce cette loi sans la démontrer. Vossius et Golius en aillant connaissance c’est ce dernier qui l’a fait connaître à Huyghens.
Plus tard, Huygens a mentionné les travaux de Snell ; dans ses propres travaux.
De l’autre côté de la Manche on attribut cette loi au mathématicien Thomas Harriot en 1602.
Willebrord Snell Van Royen
Mathématicien, physicien
Néerlandais.
1580 - 1626
En 1637, René Descartes a énoncé sa célèbre loi de la réfraction dans son ouvrage « La Dioptrique ». Descartes avait établi un lien en partant de présuppositions erronées sur la vitesse de la lumière.
René Descartes
Mathématicien, philosophe,
Français.
1596 - 1650
En 1669 Rasmus Bartholin découvre la biréfringence du spath d'Islande en 16691. Ce minéral possède une biréfringence très forte qui permet des observations à l’œil nu, observations qu’il décrit dans son ouvrage Experimenta crystalli Islandici en 1670.
Rasmus Bartholin
Médecin, physicien, opticien,
Danois.
1625 - 1698
En 1672, Isaac Newton émit l’hypothèse révolutionnaire que l’indice de réfraction est propre à chaque longueur d’onde, ce qui entraîne la dispersion des couleurs d’un faisceau de lumière blanche traversant un prisme.
Isaac Newton
Mathématicien, physicien, philosophe, astronome,
Anglais.
1642 - 1727
Schéma de son expérience sur décomposition de la lumière par Isaac Newton.
1666
En 1678, Christiaan Huygens, fut le premier à démontrer la relation sur une base théorique solide ;
Grâce aux recherches de Huygens, nous comprenons maintenant comment la calcite présente un phénomène de double réfraction, révélant ainsi sa biréfringence. Démontrant que, lorsqu’un rayon lumineux traverse ce cristal, il est réfracté de manière différente en fonction de sa polarisation. Contrairement aux travaux de Newton, axés principalement sur l’hypothèse corpusculaire (la théorie des particules) de la lumière, qui ne parvenaient pas à expliquer adéquatement pourquoi la vitesse de propagation variait d’une matière à l’autre.
Christiaan Huygens
Mathématicien, physicien, astronome,
Néerlandais.
1629 - 1695
Pour conclure, c’est grâce aux recherches dans le domaine de l'optique médicale et de la lumière ondulatoire de Thomas Young, et dans le domaine de l'astronomie pour Joseph von Fraunhofer que l’on a pu clarifier la notion d’indice de réfraction.
Thomas Young,
Médecin, physicien, égyptologue,
Anglais.
1773 - 1829
Joseph von Fraunhofer,
Physicien, opticien,
Bavarois.
1787 - 1826
N'oublions pas ceux qui ont démontré que la lumière est une onde électromagnétique...
Augustin Fresnel a développé un modèle ondulatoire pour la lumière et James Clerk Maxwell et Hermann von Helmholtz démontrèrent le fait que la lumière est une onde électromagnétique, permettant ainsi de décrire les milieux et relier l'indice de réfraction aux propriétés de ces milieux, notamment grâce à la permittivité diélectrique.
La permittivité diélectrique est une propriété physique qui mesure la réaction d’un matériau donné à un champ électrique appliqué. Cette propriété macroscopique joue un rôle crucial en électrostatique et en électrodynamique des milieux continus. Elle est impliquée dans divers domaines, y compris l’étude de la propagation des ondes électromagnétiques, notamment la lumière visible. On la trouve également en optique grâce à l’indice de réfraction. Les lois qui régissent la déviation et la réflexion de la lumière y sont appliquées.
Augustin Fresnal,
Physicien,
Français.
1787 - 1827
James Clerk Maxwell,
Physicien, mathématicien,
Ecossais.
1831 - 1874
Hermann von Helmholtz,
Physicien,
Prussien.
1821 - 1894