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Lumière sur la lumière
Last updated on Thursday, December 5, 2013
  • 1 semaine
  • Moyen

Les couleurs

Maintenant que l'on sait que la lumière est une onde électromagnétique, nous allons pouvoir comprendre les couleurs.

Mais l'étude des couleurs a commencé bien avant le XIXème siècle...

A - Dispersion de la lumière par un prisme

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Les prismes sont des objets transparents de forme triangulaire, comme sur la photo ci-dessus. Quand une lumière blanche les traverse, il se produit quelque chose d'étonnant.

Ce chapitre commence comme le précédent : dans une pièce sombre, avec une fente dans les rideaux (ou les volets). Le mince rai de lumière ainsi obtenu est dirigé, cette fois-ci, vers un prisme, au centre de la pièce. Et derrière le prisme, il y a de nouveau un écran blanc.

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On observe alors sur l'écran la figure ci-contre (à droite).

Cette image ne se forme pas en face de la fente. Mais ça, c'est normal : la lumière a été réfractée deux fois par le prisme : une fois en entrant et une autre en sortant.

Plus surprenant : il y a toutes sortes de couleurs dans cette image, alors qu'on n'a utilisé que la blanche lumière du Soleil. Comment est-ce possible ?

Avant Newton, on pensait que la lumière était fatiguée, affaiblie par la traversée du prisme. On pensait que le blanc correspondait à une lumière en pleine forme, le rouge à une lumière légèrement fatiguée et le violet à une lumière vraiment à bout de souffle. Comme l'épaisseur de prisme traversée n'est pas la même pour tout les rayons, on expliquait ainsi pourquoi certains devenaient rouges et d'autres violets.

Isaac Newton rejette cette hypothèse. Pour lui, c'est autre chose qui se passe : toutes ces lumières colorées étaient déjà présentes dans la lumière blanche, et le prisme n'a fait que les disperser. Et pour vérifier s'il a raison, il a l'idée de placer un second prisme derrière le premier, dans l'autre sens.

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Et là, waouuu... :waw: On retrouvait de la lumière blanche à la sortie du second prisme.

Le premier prisme avait donc "décomposé" (on dit dispersé) la lumière blanche et un autre prisme pouvait la recomposer.

Cela signifie que la lumière blanche polychromatique du Soleil est en réalité le résultat de la superposition de très nombreuses lumières monochromatiques. Autrement dit, dans un faisceau de lumière blanche, il y a des rayons rouges, verts, bleus, etc. Et ces rayons monochromatiques sont si intimement mêlés qu'on ne peut pas les distinguer. Quand le prisme disperse la lumière blanche, il écarte tous ces rayons colorés les uns des autres.

Mais comment fait le prisme pour écarter les différents rayons ?

Vous vous souvenez que l'indice de réfraction d'un milieu représente la difficulté qu'éprouve la lumière à le traverser, n'est-ce pas ? Eh bien, sachez que cette difficulté dépend de la couleur de la lumière.

Ainsi, un rayon de lumière rouge arrive plus facilement à se faufiler à travers l'eau ou le verre qu'un rayon de lumière bleue. Pour Newton, cette différence vient du fait que les corpuscules de lumière bleue sont plus gros ou moins agiles que ceux de la lumière rouge. Pour la théorie ondulatoire, par contre, les diverses lumières colorées se distinguent les unes des autres par leur longueur d'onde. Chaque valeur de $$\lambda$$ correspond à une couleur bien précise.

L’œil humain n'est capable de percevoir que les radiations lumineuses dont la longueur d'onde est comprise entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge).

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Une longueur d'onde de 500 nm, par exemple, correspond à un bleu vert, tandis qu'à 600 nm, on est dans un jaune orangé. Les autres types d'ondes électromagnétiques ont une longeur d'onde inférieure à 400 nm ou supérieure à 800 nm :

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L'indice de réfraction du verre pour une lumière rouge de $$\lambda$$ = 656 nm vaut $$n_{656} = 1,514$$ mais celui du même verre pour une lumière bleue de $$\lambda$$ = 486 nm vaut $$n_{486} = 1,522$$.

Par conséquent, quand le faisceau de lumière blanche arrive sur un prisme, tous les rayons ont le même angle d'incidence. Mais comme chacun a ensuite son propre indice de réfraction, chaque longueur d'onde va avoir un angle de réfraction différent. Chaque lumière monochromatique part donc dans une direction différente et atteint l'écran en un lieu différent. Voilà pourquoi, sur l'écran, on voit toutes ces couleurs les unes à côté des autres.

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C'est le phénomène de dispersion d'une lumière polychromatique. Sachez d'ailleurs que le prisme n'est pas le seul dispositif permettant de la réaliser. On peut aussi se servir d'un réseau de diffraction, c'est-à-dire d'une série de fentes très fines et très rapprochées percées dans une feuille de papier. La diffraction, qui dépend justement de $$\lambda$$, aboutit dans ce cas à la dispersion de la lumière et à l'apparition de deux spectres. Cette fois, c'est la lumière rouge qui est plus déviée que la lumière violette.

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B - Les spectres

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Le spectre d'une lumière, c'est l'image qu'on obtient sur un écran après l'avoir dispersée avec un prisme ou un réseau. Nous venons de voir celui de la lumière du Soleil. Il existe toutes sortes de lumières et toutes n'ont pas un spectre "continu avec des raies noires". Voyons un peu les différents types de spectres, et donc les différents types de lumières que l'on peut rencontrer.

L'image ci-contre montre une lampe à vapeur de sodium. Elle contient du sodium (Na) à l'état gazeux. Quand ce gaz est excité par une tension électrique, il émet de la lumière, que l'on peut disperser avec un prisme afin d'observer son spectre sur un écran. Ce spectre, appelé spectre d'émission du sodium, est très différent de celui de la lumière du Soleil :

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Il n'y a que deux raies lumineuses jaunes dans le spectre. Cette lumière est donc polychromatique, mais de justesse (2 nuances de jaune).

On peut obtenir des spectres d'émission en excitant toutes sortes de gaz. Voici, par exemple, les spectres d'émission de l'hydrogène (H), de l'hélium (He), du mercure (Hg) et de l'uranium (U) :

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Le nombre et la position des raies lumineuses dépend de la nature du gaz excité mais tous ces spectres ont en commun d'être discontinus.

Un gaz donné aura toujours le même spectre. Par contre, deux gaz différents auront des spectres différents. Le spectre d'émission permet donc d'identifier un gaz. Un peu comme une empreinte digitale permet d'identifier un individu.

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Prenons maintenant une ampoule à incandescence tout ce qu'il y a de plus classique. Le passage du courant électrique à travers un filament en tungstène fait chauffer ce dernier. À partir d'une certaine température, le filament commence à émettre une faible lumière rouge. Si on augmente légèrement la tension, et donc la température du filament, cette lumière devient orange puis jaune. Par ailleurs, elle commence à briller de plus en plus. Et si on chauffe beaucoup, la lumière atteint finalement un blanc éclatant.

Ce phénomène ne se limite pas aux filaments des ampoules. N'importe quel objet, du fait de sa température, émet des ondes électromagnétiques. Plus sa température est élevée, plus l'objet peut émettre des radiations ayant de petites longueurs d'onde. Un corps humain, par exemple, est relativement froid. Il n'émet donc que des radiations ayant de grandes longueurs d'ondes : des infrarouges, invisibles mais détectables par des capteurs spéciaux comme ceux des caméras thermiques :

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Si on observe le spectre de la lumière de l'ampoule, on constate que ce spectre est continu. À "basse" température, il ne comporte que des radiations rouges. Plus on augmente la tension électrique, et donc la température du filament, plus il s'enrichit en radiations orange, puis jaunes, puis vertes, puis bleues, puis indigo, puis violettes.

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Remarquez que ces spectres ne dépendent pas de la nature de l'objet qui chauffe, contrairement aux spectres d'émission, mais plutôt de sa température. Ce sont des spectres d'origine thermique. Quand cet objet est très chaud, son spectre est complet : il comprend toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. La lumière émise est alors blanche. On dit que l'objet est "chauffé à blanc".

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Il est parfois possible de chauffer encore plus, lorsque cela ne détruit pas l'objet considéré. La lumière émise peut alors devenir bleue. Les radiations rouges n'ont pas disparu du spectre mais, comme les radiations bleues deviennent beaucoup plus intenses, l'ensemble apparaît globalement bleu.

Culturellement, nous avons l'habitude d'associer le rouge au chaud et le bleu au froid. Pourtant, une flamme ou une étoile produisant une lumière bleue est plus chaude qu'une flamme ou une étoile produisant une lumière rouge. Par exemple, la flamme de ce petit bec Bunsen est plus chaude en bas qu'en haut.

La troisième catégorie est celle des spectres d'absorption. Pour en observer un, il faut prendre une lumière blanche d'origine thermique, avec un spectre continu bien complet, et lui faire traverser une cuve contenant un gaz non excité. Ce gaz va alors absorber certaines des radiations de la lumière. Du coup, quand on analyse le spectre de la lumière qui sort de la cuve, on s'aperçoit qu'il n'est plus tout à fait complet : il manque des raies.

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Les raies manquantes dépendent bien entendu du gaz traversé. D'ailleurs, si on compare le spectre d'absorption et le spectre d'émission d'un même gaz (ci-dessous, le mercure), on remarque...

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On remarque que les radiations absorbées par un gaz sont très précisément celles qu'il est capable d'émettre. Il est donc possible, pour identifier un gaz ou un mélange de gaz, de laisser une lumière blanche le traverser. C'est souvent plus simple que de l'exciter.

C - Synthèse des couleurs

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Quand on superpose plusieurs lumières colorées, on peut former de nouvelles couleurs. La lumière du Soleil en est un très bon exemple. Mais on peut faire des mélanges plus simples.

Voici par exemple un projecteur de lumière bleue. On voit sa lumière car il y a de la poussière devant lui. Si on utilise également un projecteur rouge et un autre vert, et si on braque les trois faisceaux au même endroit, cela suffit à obtenir une lumière blanche.

Bleu, rouge et vert sont les trois couleurs primaires. En les associant, on peut former d'autres couleurs.

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Voici la synthèse additive des couleurs. On peut former cette image à l'aide des trois projecteurs ci-dessus. Là où deux halos colorés se croisent, les couleurs "s'additionnent".

  • Rouge + Bleu = Magenta (une nuance de rose)

  • Bleu + Vert = Cyan

  • Rouge + Vert = Jaune

Le centre de l'image est éclairé par les trois projecteurs et, comme je vous l'ai indiqué, on y obtient du blanc.

Non. Ce sont des faisceaux de lumière que l'on combine ici, pas des encres ou des peintures. On ajoute ici des lumières les unes aux autres donc on obtient des couleurs de plus en plus claires.

Le cas des encres correspond plutôt à une synthèse soustractive :

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Si les objets qui nous entourent nous apparaissent colorés, c'est donc parce qu'ils émettent des lumières qui sont, elles-mêmes, colorés. La plupart du temps, ils reçoivent la lumière blanche du Soleil, en absorbent une partie, et diffusent le reste. Un tomate, par exemple, est rouge parce qu'elle absorbe les lumières violette, bleue, verte et jaune. Si on l'éclaire en lumière blanche, elle rediffuse le orange et le rouge et cela détermine sa couleur.

Si on éclaire cette tomate avec une lumière monochromatique bleue, elle l'absorbe et ne diffuse rien. Elle semble noire.

Prenons maintenant un cas un peu plus complexe : une tâche de peinture jaune. Nous la voyons jaune car elle diffuse le rouge et le vert et car ces couleurs, en s'ajoutant, donnent du jaune. Eclairons-là maintenant avec une lumière cyan.

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La lumière cyan est un mélange de lumière bleue et de lumière verte. La lumière bleue sera absorbée par la tache de peinture. Par contre, la lumière verte fait partie de celle qui sont diffusées. Éclairée en lumière cyan, cette tâche de peinture jaune paraîtra verte.

Maintenant, on mélange une encre jaune avec une encre cyan, et on éclaire le tout avec de la lumière blanche. Que se passe-t-il ?

L'encre cyan absorbe tout sauf les lumières bleue et verte. La lumière bleue est absorbée par l'encre jaune et seule le vert est diffusé.

C'est ça, la synthèse soustractive des couleurs. Une synthèse soustractive du jaune et du cyan donne du vert.

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De même, une synthèse soustractive du jaune et du magenta donne du rouge, tandis qu'une synthèse soustractive du magenta et du cyan donne du bleu. C'est probablement ainsi que fonctionne votre imprimante, par exemple.

Cette fois, on retire des lumières, donc on obtient des couleurs de plus en plus sombres.

Exercice

Remplissez le tableau suivant en indiquant de quelle couleur on voit chaque objet.

Objet éclairé en lumière...

Blanche

Bleue

Rouge

Vert

Magenta

Cyan

Jaune

Noir

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Blanc

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Bleu

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Rouge

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Vert

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Magenta

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Cyan

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Jaune

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Objet éclairé en lumière...

Blanche

Bleue

Rouge

Vert

Magenta

Cyan

Jaune

Noir

Noir

Noir

Noir

Noir

Noir

Noir

Blanc

Bleu

Rouge

Vert

Magenta

Cyan

Jaune

Bleu

Bleu

Noir

Noir

Bleu

Bleu

Noir

Rouge

Noir

Rouge

Noir

Rouge

Noir

Rouge

Vert

Noir

Noir

Vert

Noir

Vert

Vert

Magenta

Bleu

Rouge

Noir

Magenta

Bleu

Rouge

Cyan

Bleu

Noir

Vert

Bleu

Cyan

Vert

Jaune

Noir

Rouge

Vert

Rouge

Vert

Jaune

Ce chapitre était plus reposant que le précédent, n'est-ce pas ? J'espère que vous en avez bien profité car nous allons maintenant faire une entrée fracassante dans le XXème siècle...

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