Phénomène de dispersion de la lumière blanche dans un prisme et dans la vie courante

Dirigeons un faisceau de lumière blanche sur la face d'un prisme en verre.
Après la traversée du prisme, le faisceau émergent est étalé et présente les différentes couleurs de l'arc-en-ciel.
Le prisme de verre décompose la lumière blanche. On sait que n_prisme est supérieur à n_air.

Considérons un rayon de lumière monochromatique arrivant sur le prisme (figure ci-dessous).

Il subit une première réfraction sur la face d'entrée du prisme lors du passage de l'air (n₁) dans le verre (n₂). Il se rapproche alors de la normale à cette face (n₂ > n₁ donc i₁ > i₂).

Le rayon subit alors une deuxième réfraction sur la face de sortie du prisme lors du passage du verre (n'₁) dans l'air (n'₂). Cette fois-ci, n'₁ > n'₂ donc i'₂ > i'₁ : le rayon diffracté s'éloigne de la normale à cette face.

Le faisceau ressort du prisme dévié d'un angle D par rapport à la direction du rayon incident.

Figure ci-dessus : le faisceau incident pénètre dans le verre : n₁ < n₂ donc i₂ < i₁ ; le faisceau ressort du verre : n'₁ > n'₂ donc i'₂ > i'₁. Le verre du prisme est un milieu dispersif. En effet, l'indice du verre dépend de la longueur d'onde de la radiation incidente qui le traverse : la valeur de l'indice n du milieu dispersif croît avec la fréquence de la lumière.

Remarque : l'expérience montre que l'air et l'eau sont des milieux peu dispersifs. Pour ces deux milieux, la dispersion sera donc négligée sauf dans les cas très particuliers comme la formation d'un arc-en-ciel.

Or, d'après la deuxième loi de Descartes, pour un même angle d'incidence, la déviation du rayon réfracté dépend de l'indice des milieux.

Ainsi, d'un prisme en verre traversé par des radiations de longueurs d'onde différentes, émergeront des faisceaux avec des déviations différentes : un rayon sera d'autant plus dévié que sa fréquence sera importante.

Rappelons qu'à chaque faisceau de fréquence différente correspond une couleur particulière.

Considérons maintenant un faisceau de lumière blanche (donc polychromatique) arrivant sur le prisme. Chaque radiation de longueurs d'onde différentes qui constituent la lumière blanche, se comporte comme une radiation monochromatique. Elles subissent donc toutes des déviations différentes (figure ci-dessous) puisqu'elles possèdent des fréquences différentes.

La lumière blanche est ainsi décomposée en fonction des différentes longueurs d'onde des radiations qui la constituent. A chaque longueur d'onde correspond une couleur différente. On obtient ainsi un spectre continu constitué de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

Figure ci-dessus : Dispersion d'une lumière blanche par un prisme : une radiation bleue est davantage déviée qu'une radiation rouge.

Illustration animée : Le prisme.
En cliquant sur l'ampoule, on fait apparaître le spectre de la lumière blanche. Ce phénomène est observable après que la lumière blanche ait traversé le prisme.
En cliquant sur le triangle jaune, on fait apparaître un rayon laser. Ce dernier émet une lumière monochromatique.
On peut faire varier la couleur du rayon laser en déplaçant le curseur le long du spectre de la lumière blanche.