Imaginer la lumière en tant que rayon permet de décrire facilement, avec une grande précision, trois phénomènes bien connus: la réflexion, la réfraction et la diffusion. Prenons une seconde pour discuter de chacun.
En réflexion, un rayon lumineux frappe une surface lisse, comme un miroir, et rebondit. Un rayon réfléchi se détache toujours de la surface d’un matériau sous un angle égal à l’angle auquel le rayon entrant frappe la surface. En physique, vous entendrez cela s’appeler la loi de la réflexion. Vous avez probablement entendu cette loi dire que « l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion. »
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Bien sûr, nous vivons dans un monde imparfait et toutes les surfaces ne sont pas lisses. Lorsque la lumière frappe une surface rugueuse, les rayons lumineux entrants se réfléchissent sous toutes sortes d’angles car la surface est inégale. Cette dispersion se produit dans de nombreux objets que nous rencontrons tous les jours. La surface du papier en est un bon exemple. Vous pouvez voir à quel point c’est rugueux si vous le regardez au microscope. Lorsque la lumière frappe le papier, les ondes sont réfléchies dans toutes les directions. C’est ce qui rend le papier si incroyablement utile you vous pouvez lire les mots sur une page imprimée quel que soit l’angle sous lequel vos yeux voient la surface.
« La réfraction se produit lorsqu’un rayon de lumière passe d’un milieu transparent (air, disons) à un deuxième milieu transparent (eau). Lorsque cela se produit, la lumière change de vitesse et le rayon lumineux se plie, soit vers, soit à l’écart de ce que nous appelons la ligne normale, une ligne droite imaginaire perpendiculaire à la surface de l’objet. La quantité de flexion, ou angle de réfraction, de l’onde lumineuse dépend de la façon dont le matériau ralentit la lumière. Les diamants ne seraient pas si brillants s’ils ne ralentissaient pas la lumière entrante beaucoup plus que, disons, l’eau. Les diamants ont un indice de réfraction plus élevé que l’eau, ce qui signifie que ces pièges lumineux brillants et coûteux ralentissent davantage la lumière.
Les lentilles, comme celles d’un télescope ou d’une paire de lunettes, profitent de la réfraction. Une lentille est un morceau de verre ou une autre substance transparente avec des côtés incurvés pour concentrer ou disperser les rayons lumineux. Les lentilles servent à réfracter la lumière à chaque limite. Lorsqu’un rayon de lumière pénètre dans le matériau transparent, il est réfracté. Lorsque le même rayon sort, il est à nouveau réfracté. L’effet net de la réfraction à ces deux limites est que le rayon lumineux a changé de direction. Nous profitons de cet effet pour corriger la vision d’une personne ou l’améliorer en faisant apparaître des objets éloignés plus proches ou de petits objets plus gros.
Malheureusement, une théorie des rayons ne peut pas expliquer tous les comportements exposés par la lumière. Nous aurons besoin de quelques autres explications, comme celle que nous aborderons ensuite.