La lumière

Cette section explique comment naissent physiquement les rayons lumineux, comment il est possible de créer une source de lumière artificielle, et comment nos yeux sont capables de les voir. J'ai cherché en écrivant cette page à donner des explications simples et vulgarisées des phénomènes physiques, en excluant au maximum les calculs et les formules mathématiques.

En première partie, j'aborde les phénomènes électromagnétiques principaux qui se produisent au niveau de l'atome.

En deuxième partie, j'explique le principe de l'incandescence, produisant la « lumière chaude ».

En troisième partie, je présente les différentes formes de luminescence, produisant la « lumière froide ».

En quatrième partie, je décris des effets d'optiques provoqués par les différents milieux, gazeux, liquides et solides.

En cinquième partie, je parle du fonctionnement de l'œil humain.

Sommaire

1 - Nature du rayonnement électromagnétique
   1.1 - Les atomes
   1.2 - La dualité onde-particule de la lumière
2 - Production de lumière par incandescence
   2.1 - L'énergie thermique
   2.2 - Le rayonnement thermique
   2.3 - L'incandescence au quotidien
3 - Production de lumière par luminescence
   3.1 - Les sources luminescentes
   3.2 - La décharge
   3.3 - L’électroluminescence
   3.4 - La photoluminescence
4 - La diffusion des rayons lumineux et l'aspect de la matière
   4.1 - Un peu de vocabulaire
   4.2 - Les chocs élastiques et la réflexion
   4.3 - Les chocs élastiques et la réfraction
   4.4 - Les chocs inélastiques
   4.5 - Association lumière et matière
5 - L’œil humain
   5.1 - Constitution de l'œil humain
   5.2 - Le spectre visible
   5.3 - Les cellules photosensibles de l'œil
   5.4 - Les ondes non-visibles
   5.5 - Et le cerveau dans tout cela ?
Conclusion

Introduction

Le premier contact avec les sensations du monde extérieur se fait par l’intermédiaire de nos sens. Ici, l'un de nos cinq sens nous intéresse particulièrement : la vue. Une « source lumineuse » émet des « rayons lumineux », qui rencontrent des objets qui les « réfléchissent ». Certains d’entre eux entrent en contact avec nos yeux. Pour voir, nous devons disposer, au minimum, des trois éléments suivants :

Une source lumineuse : Celle-ci peut être le soleil, le feu, un éclair, une lampe, un écran, ou encore un ver luisant…

Un espace de propagation : L'environnement doit permettre la propagation du rayon lumineux. L'air ambiant, l’eau pure, le verre, permettent cette propagation. Le brouillard, un liquide opaque, un mur, s'ils sont situés entre la source et nous-mêmes, l'empêchent, partiellement ou complètement.

Un récepteur : Ceux-ci sont en général nos propres yeux. Une caméra vidéo ou bien un appareil photo capte également la lumière pour enregistrer des images.

Lumière émise et réfléchie

La lumière, émise par le soleil, est réfléchie en partie par le bois, les feuilles et les plantes. Celle-ci est captée par nos yeux.

La vue est la conséquence d’une rencontre entre nos yeux et des rayons lumineux. Mais lorsque l’on parle de « rayons lumineux », de quoi parle-t-on exactement ? Comme son nom l’indique, un rayon lumineux fait partie d’un « rayonnement ». Un rayonnement est un échange d'énergie dans l’espace. Ici, un type de rayonnement nous intéresse particulièrement : le « rayonnement électromagnétique ». C’est à cette famille de rayonnements qu’appartient la lumière. Les rayons électromagnétiques englobent :

Les rayons X et rayons Gamma.

Les rayons ultraviolets.

Les rayons lumineux.

Les rayons infrarouges.

Les rayons utilisés par les outils de télécommunication : la télévision, la radio, la téléphonie, les radars…

On appelle lumière un « rayonnement électromagnétique visible par l’œil humain ».

Nature du rayonnement électromagnétique

Nous allons voir au sein de ce chapitre comment un rayonnement électromagnétique nait et se diffuse dans l'espace. Le rayonnement trouve sa source au niveau des atomes.

Les atomes

Nous vivons dans un milieu où toute chose matérielle est constituée de particules infiniment petites. On appelle ces particules des atomes. Une présentation détaillée des atomes est dressée dans la section qui leur est dédiée sur ce site. Je vous recommande vivement de la lire. Voici toutefois un résumé pour ceux qui souhaitent se limiter à l'essentiel.

Le système planétaire atomique

Un atome est constitué d’un noyau chargé positivement, autour duquel gravitent des électrons, de charge négative. Le noyau est constitué des particules suivantes, immobiles :

Les protons. Ce sont des particules chargées positivement. Le nombre de protons au sein du noyau varie en fonction de la matière. C’est justement le nombre de protons au sein du noyau qui définit la nature de l’atome.

Les neutrons. Ce sont des particules électriquement neutres, d’où leur nom. Ils assurent la cohésion du noyau.

Autour du noyau, gravitent les électrons, chargés négativement. Dans un atome, il y a autant de protons que d'électrons. Les électrons compensent la charge positive des protons du noyau. Un atome est ainsi une particule dite électriquement neutre.

Le modèle atomique de Bohr représente un atome comme une sorte d’étoile miniature (le noyau) entouré de mini planètes (les électrons). Les électrons gravitent autour du noyau en orbites circulaires.

Nota : Le modèle atomique de Bohr est une représentation simplifiée de ce qui se passe en réalité au sein d'un atome (de la même façon que le corps humain est présentée de façon simplifiée dans « Il était une fois la vie »). Il reste toutefois le plus efficace pour expliquer de façon simple les phénomènes qui se produisent au sein d'un atome.

Positionnement des électrons et quantité d’énergie

Selon le modèle atomique de Bohr, les électrons gravitent autour du noyau en orbites. La distance des orbites est plus ou moins proche du noyau, et dépend de la quantité d'énergie transportée par l'électron. Ceux qui contiennent peu d’énergie gravitent en orbites proches du noyau. Ceux qui en contiennent plus gravitent en orbites plus éloignées. Retenons ceci : plus un électron contient d’énergie, plus son orbite est éloignée du noyau.

Lorsqu’un électron capte de l’énergie venant de l'extérieur, celui-ci s'éloigne du noyau. Que se passe-t-il alors lorsqu’un électron qui gravite déjà dans une orbite lointaine du noyau acquiert de l’énergie ? Dans ce cas de figure, l’électron s'éloigne de la structure de l’atome dans laquelle il se trouvait, pour devenir « électron libre ». Il peut rejoindre une nouvelle structure (un nouvel atome). Au sein d’un fil conducteur (fil électrique), le déplacement d’électron d’un atome à un autre à grande échelle est un phénomène bien connu que l’on appelle couramment un « courant électrique ».

Les couches d’un atome

Nous avons vu précédemment que lorsqu’un électron captait de l’énergie, il s’éloignait du noyau. Bohr énonça une contrainte : les électrons ne peuvent occuper que certaines orbites définies au sein d’un atome. Autrement dit, les électrons peuvent se trouver à certaines distances du noyau, mais pas n’importe lesquelles. Entre deux orbites, il existe ainsi toute une zone au sein de laquelle un électron ne peut se trouver. Aucune orbite intermédiaire n’est possible !!! Un électron ne peut graviter qu’à un nombre fini d’orbites autour du noyau. Au vu du lien qui existe entre l’orbite empruntée l’énergie transportée par un électron, les différentes orbites possibles autour d’un noyau sont appelés les « niveaux d’énergie » d’un atome. Les niveaux d’énergie les plus bas (les plus proches du noyau) sont appelées les « couches » d’un atome.

A l’état fondamental, les électrons sont répartis sur un nombre de couches pouvant aller de 1 à 7. Plus il y a d’électrons dans un atome, plus il y a de couches. L’atome d’hydrogène (1 proton, 1 électron) comprend une couche. L’atome d’uranium (92 protons, 92 électrons) en comprend sept. Les couches d’un atome sont respectivement nommées : « K », « L », « M », « N », « O », « P » et « Q », en partant de la plus proche du noyau.

Des places limitées

Une nouvelle contrainte vient s'ajouter à la précédente. Une couche ne peut abriter qu’un nombre maximal d’électrons. Si on considère que « K » est la couche numéro 1, « L » est la couche numéro 2 et ainsi de suite, le nombre maximum d’électrons admis sur une couche n au sein d’un atome est égal à 2 × n², soit :

Au sein d’un atome, les électrons remplissent les couches les plus basses en priorité (les électrons sont attirés par les protons du noyau). C’est toutefois plus une tendance générale plus qu’une règle absolue, notamment au niveau des couches « N » et supérieures.

Le photon

Les électrons remplissent en priorité les couches basses. En conséquence, lorsqu’un électron se trouve sur une couche, si une place se libère sur une couche inférieure, il la prend. Puisque cette couche est associée à un niveau d’énergie moins élevé, l’électron libère une quantité d’énergie lorsqu’il passe sur une couche inférieure (le changement de couche d'un électron est appelé « saut quantique »). Cette quantité d’énergie libérée, qui se trouve obligatoirement quelque part (en physique, rien ne « disparaît »), prend la forme d’un « paquet d'énergie », appelé « photon ». N’importe quel micromètre cube de l’espace comprend des milliards de milliards de photons.

Les électrons effectuent également des sauts quantiques vers les couches supérieures. Quand l’électron d’un atome et un des photons de l’espace entrent en contact, l’électron peut capter cette quantité d'énergie venue de l'extérieur. Par conséquent :

Si un électron effectue un saut quantique vers une couche inférieure, il émet un photon.

Si un électron effectue un saut quantique vers une couche supérieure, il capte un photon. On parle « d’électron excité », au sein d'un « atome excité ».

Le photon est généralement associé à la lumière. Celui-ci est toutefois impliqué dans tous les échanges d’énergie qui régissent les rayonnements électromagnétiques, qu’ils soient visibles ou non visibles.

Les sources d’émission électromagnétique

Nous avons vu lors du chapitre précédent que lorsqu’un électron gagnait suffisamment d’énergie, il devenait électron libre et intégrait à terme un autre atome. Une « source d’émission électromagnétique » a pour effet d’engendrer ce phénomène, à grande échelle. Pour cela, une source d’énergie telle qu’une lampe ou une antenne fournit à son environnement une grande quantité de photons. À partir de la source d’énergie, de nombreux photons excitent les électrons qui se trouvent dans les atomes à proximité. Les électrons ne restent toutefois pas excités bien longtemps. Ceux-ci, toujours attirés par les noyaux des atomes (donc les niveaux d’énergie les plus bas), et libèrent de nouveau un photon lorsqu’ils se rapprochent de nouveau du noyau.

Aussi, une source d’émission engendre une circulation de photons dans l’espace, qui s’étend de manière sphérique (cette circulation peut être confinée, à l’intérieur d’un guide cylindrique par exemple). Avec une source d’émission, nous générons un rayonnement électromagnétique.

En résumé

Nous avons donc vu :

Qu'un atome était constitué de protons et de neutrons, autour duquel gravitent des électrons.

Que plus un électron transportait de l'énergie, plus l'orbite sur laquelle il gravite est éloignée du noyau.

Qu'un électron ne pouvait emprunter qu'un nombre fini et limité d'orbites, appelées des couches.

Qu'à chaque couche est associé un niveau d'énergie multiple d'un quantum, quantité d'énergie minimale et indivisible.

Que les électrons remplissaient en priorité les couches les plus proches du noyau.

Que chaque couche, « K », « L », « M », « N », « O », « P » et « Q », ne pouvait accueillir qu'un nombre limité d'électrons.

Que lorsqu’un électron perd de l’énergie, il émet un photon.

Que lorsqu’un électron capte un photon, il gagne de l’énergie.

Qu’un rayonnement électromagnétique est une circulation de photons dans l’espace.

Rappel : Toutes les informations sur les atomes abordées dans ce chapitre sont données plus en détail la section dédiée aux atomes sur ce site.

La dualité onde-particule de la lumière

Aujourd'hui, la modélisation qui consiste à représenter des « mini planètes » (les électrons) qui tournent autour d’un « mini soleil » (le noyau) est obsolète. Celle-ci a été imaginée par Niels Bohr en 1913. Elle présentait l’avantage de pouvoir illustrer un atome de façon simple. Raison pour laquelle je j’ai moi-même utilisée dans le chapitre précédent. Raison pour laquelle elle est toujours utilisée pour enseigner la physique à l’école. Je continuerais de l’utiliser dans les paragraphes qui suivent. Cependant, ce modèle s’est très vite avéré limité pour expliquer de nombreuses découvertes faites au cours du 20ème siècle.

L’expérience de Thomas Young

En 1801, Thomas Young réalise l’expérience suivante : Il projette de la lumière (donc un rayonnement électromagnétique) sur un mur devant lequel il place un masque creusé de deux fentes.

En considérant les électrons et les photons comme des corpuscules, on s’attend à retrouver sur le mur deux raies reproduisant les fentes du masque. Or, les résultats que Young obtient sont très étonnants. Plutôt que deux raies bien distinctes, Young obtient une figure de diffraction, comme ceci :

On observe ainsi une absence de lumière (raies obscures) sur certaines zones où on s’attendait à en voir, et une raie intense au centre là où on s’attendait à ne rien voir…

La lumière vue comme une onde

Un tel résultat ne s'explique pas si on considère les photons comme des particules de nature uniquement corpusculaire. Il peut en revanche s'expliquer si les photons, responsables du rayonnement électromagnétique, sont considérés, non plus comme des corpuscules matériels, mais comme des ondes immatérielles. Une onde est la propagation dans l'espace d'une perturbation immatérielle, porteuse d’énergie, qui se répète un certain nombre de fois par secondes (à une certaine fréquence).

Les résultats de l'expérience de Young peuvent nous amener à considérer les photons comme des ondes « sinusoïdales », c'est à dire dont les perturbations se propagent dans l'espace comme se propagent des vagues régulières. Dans l’analogie imagée suivante :

Si deux ruisseaux formant des vagues parfaites et identiques fusionnent, ceux-ci peuvent se cumuler à certains endroits. Si les vagues sont « en phase », c'est-à-dire si les « bosses » de la première série fusionnent avec celles de la seconde série, de même que pour les « creux », on aboutit à un mélange constitué de « bosses » et de « creux » dont les amplitudes sont deux fois plus importantes que celles des ruisseaux séparées.

Si deux ruisseaux formant des vagues parfaites et identiques fusionnent, ceux-ci peuvent se compenser voire s'annuler à d'autres endroits. Si les vagues sont « en opposition de phase », c'est-à-dire si les « bosses » de la première série fusionnent avec les « creux » de la seconde série (et vice-versa), on aboutit à une disparition des vagues et à un mélange à la surface plate.

Le même phénomène peut se produire avec la lumière. Celle-ci est constituée de photons qui prennent la forme de petites ondes. A certain endroits, si ces petites ondes sont en phase, leurs effets se cumulent. Si elles sont en opposition de phase, leurs effets se compensent voire s’annulent. Aussi, à partir des faisceaux qui sortent de chacune des deux fentes, on peut obtenir à certains endroits du mur une raie très intense ou les deux faisceaux se cumulent, et à d’autres endroits une raie sombre où les deux faisceaux se compensent voire s’annulent. Le dernier phénomène ne pourrait se produire si les photons étaient des corpuscules matériels, ceux-ci s’additionneraient dans tous les cas.

Sinusoïdes et interférences

La lumière présente des caractéristiques ondulatoires. Ainsi :

Deux ondes de même amplitude et fréquence, en opposition de phase (à gauche), créent, lorsqu'elles s'additionnent (se mélangent), une absence d'onde. Ainsi, deux composantes lumineuses de même intensité et de même couleur créent, lorsqu'elles sont en opposition de phase, une absence de lumière (du noir).

Deux ondes de même amplitude et fréquence, en phase (à droite), créent, lorsqu'elles s'additionnent (se mélangent), une onde d'une amplitude double. Ainsi, deux composantes lumineuses de même intensité et de même couleur créent, lorsqu'elles sont en phase, une lumière de même couleur deux fois plus intense.

Néanmoins, si on se limite à la représentation de la lumière (des électrons, des photons...) comme une onde immatérielle, on se heurte à un nouveau problème. Les propriétés ondulatoires de la lumière ne permettent pas d'expliquer pourquoi, quand elle est projetée sur un miroir, celle-ci est réfléchie (en direction de nos yeux). Elles n'expliquent pas qu’il nous soit possible de voir la lumière projetée sur le mur. Une partie du rayonnement a bel et bien été reflétée sur le mur pour atteindre nos yeux. Si la lumière avait seulement des propriétés ondulatoires et immatérielles, celle-ci traverserait le miroir ou le mur. Ces phénomènes ne s'expliquent pas si on considère les électrons et les photons comme des particules de nature purement ondulatoire et immatérielle.

Réflexion de la lumière

La lumière de la bougie (et ce qu'elle éclaire) est totalement réfléchie par le miroir, ce qui permet ainsi de voir deux flammes. Si la lumières n'avait pas de propriété corpusculaire, le rayonnement aurait traversé le miroir.

La lumière vue comme une onde aux propriétés corpusculaires

Récapitulons :

La lumière peut être réfléchie par une paroi. Elle révèle des propriétés communes avec celles des corpuscules matériels.

La lumière peut être soumise à des interférences. Elle révèle des propriétés communes avec celles des ondes immatérielles.

Alors, la lumière ? Onde immatérielle ou particule matérielle. Et bien, ni l’un ni l’autre. Ou bien, les deux à la fois… On parle de « dualité onde-corpuscule ». Elle concerne la lumière au même titre que l’ensemble des rayons électromagnétiques. Les photons ont une propriété inédite, à la fois ondulatoire et corpusculaire, qu’il est très difficile d’imager. Cette propriété n’existe pas à notre échelle macroscopique. En fait, un photon :

Part de quelque part en un point (comme un corpuscule).

Voyage comme une onde sphérique et immatérielle qui s’étend dans l’espace (et peut interférer avec un autre photon qui voyage lui aussi comme une onde immatérielle).

Atterrit quelque part en un point (comme un corpuscule).

On peut être surpris à l’idée que le photon, qui voyage comme une onde qui s’étend sur une zone sphérique, puisse atterrir en un point. C’est pourtant bel et bien ce qui se produit. Le photon atterrit en un point situé « quelque part », « au hasard », dans la zone dans laquelle il s'est étendu. Comme si la nature « jouait aux dés ». Ce phénomène a dérouté de nombreux physiciens au début du 20ème siècle, dont Albert Einstein, tant un tel phénomène n’est pas imaginable notre échelle. Le monde microscopique obéit à des lois qui sont bien différentes des lois macroscopiques que nous observons. Ces observations ont contribué à la création d’une nouvelle branche de la physique, appelée « physique quantique ». La dualité onde-corpuscule est expliquée plus en détails dans la section « Atome » du site. Les explications données dans les paragraphes de cette section sont toutefois suffisants pour comprendre les chapitres suivants. Le plus important est de retenir que le photon est doté de qualités à la fois ondulatoires et corpusculaires.

Nota : Les mêmes résultats ont été obtenus en projetant des électrons avec un canon à électrons. Comme les photons, les électrons sont des particules aux propriétés à la fois ondulatoires et corpusculaires.

La fréquence et la longueur d’onde

Quand les photons vont d’un point A à un point B, ils se déplacent comme une onde. Qui dit onde dit fréquence. On peut se les représenter comme des vaguelettes miniatures qui oscillent un certain nombre de fois par seconde, à une certaine « fréquence ». Ils parcourent également une certaine distance, une certaine « longueur d’onde », à chaque oscillation.

La fréquence (notée « f ») est le nombre d’oscillations par seconde (de l’électron, du photon…).

La longueur d’onde (notée « λ ») est la distance parcourue à chaque oscillation (de l’électron, du photon…).

La vitesse d’un photon (notée « c ») est égale à 300 000 kilomètres à la seconde (la fameuse « vitesse de la lumière »). Ainsi, la vitesse étant toujours la même et constante, les fréquences et longueur d’onde sont liées et inversement proportionnelles : λ = c / f.

Dans les chapitres et paragraphes qui suivent, je parlerais alternativement de longueur d’onde et de fréquence. En fonction des cas, il est plus simple d’utiliser l’une ou l’autre pour expliquer les phénomènes. Dans tous les cas, parler de longueur d’onde et de fréquence revient au même, quelle que soit l’onde dont on parle.

Corrélation entre énergie et fréquence

Le physicien Max Planck a établi que l’énergie et la fréquence sont proportionnelles (selon la formule : E = h × f, où h est une valeur constante). En d’autres termes, la fréquence d’un photon dépend de la quantité d’énergie qu’il transporte, et inversement. Nous avons vu lors du chapitre précédent qu’un photon ne pouvait pas transporter n’importe quelle quantité d’énergie.

Reprenons : quand un électron se déplace vers une orbite inférieure, il libère de l’énergie, sous forme d’un photon (de la même façon qu’un électron qui capte un photon gagne de l’énergie, et se déplace vers une orbite supérieure). Vu que les niveaux d’énergie au sein d’un atome sont figés au niveau de chaque orbite (couche), qui n’existent qu’en nombre limité, la quantité d’énergie qu’un électron peut libérer (ou absorber) lorsqu’il change de couche ne peut pas être n’importe laquelle. Elle correspond toujours à la différence entre le niveau d’énergie associé à la couche de départ et le niveau d’énergie associé à la couche de destination. Puisque la fréquence et la quantité d’énergie sont liées, cela signifie que la fréquence d’oscillation d’un photon émis par l’électron d’un atome ne peut être n’importe laquelle non plus.

Cela signifie donc que pour un atome donné, seuls des photons de certaines fréquences (ou de certaines longueur d’onde) peuvent être libérés ou captés. Nous verrons au cours des chapitres suivants qu’en ce qui concerne les ondes électromagnétiques visibles (la lumière donc), la « couleur » perçue par l’œil humain dépend de leur fréquence (ou de leur longueur d’onde). Aussi, pour un atome donné, en présence de lumière, seules certaines « couleurs » ne peuvent être captées ou libérées par celui-ci.

Spectre lumineux des atomes

En physique, « un spectre électromagnétique » indique les composantes électromagnétiques qui sont présentes au sein d'un rayonnement donné, classées par fréquence (ou longueur d'onde), idéalement en indiquant avec quelle amplitude. Un « spectre lumineux » fait « le tri », au niveau des longueurs d’ondes visibles, entre celles qui sont présentes et celles qui sont absentes. Puisque la couleur d’un rayon et la longueur d’onde sont liées, le « spectre lumineux » indique quelles sont les couleurs qui peuvent être émises (et absorbées) dans un environnement donné.

Aussi, à chaque atome peut être associé un spectre lumineux. Les longueurs d’ondes visibles par l’œil humain sont comprises entre 700 et 400 nanomètres environ. Par exemple :

Dans cette Annexe ci-jointe, je montre comment, à partir des niveaux d’énergie d’un atome d’hydrogène (orbites que peuvent emprunter les électrons), on peut aboutir au spectre lumineux de celui-ci. Il n’est pas indispensable de la lire pour comprendre les chapitres qui suivent, mais sa lecture reste recommandée. L’essentiel est de retenir ceci :

À chaque atome est associé un spectre électromagnétique (ou spectre lumineux si on se limite aux longueurs d'onde visibles). Celui-ci indique les longueurs d'ondes qui peuvent être rayonnées ou captées par l'atome (ou les couleurs concernant le domaine visible).

Les longueurs d’ondes qui peuvent être rayonnées ou absorbées par un atome sont les mêmes.

En résumé

Nous avons donc vu :

Que les photons, qui constituent la lumière, avaient des qualités à la fois corpusculaires (matérielles) et ondulatoires (immatérielles).

Que les qualités corpusculaires des photons permettent à la lumière d’être réfléchie.

Que les qualités ondulatoires des photons impliquent que la lumière soit associée à une fréquence ou une longueur d'onde.

Que la fréquence (ou longueur d’onde) d’une onde et l’énergie qu’elle transporte sont liées.

Un atome peut absorber ou émettre des photons, mais seulement de certaines longueurs d'ondes. Les longueurs d'ondes d'émission et d'absorption sont les mêmes.

Production de lumière par incandescence

L’incandescence est un phénomène physique qui donne lieu à une production de lumière par échauffement. Il est possible de rendre certains matériaux lumineux en élevant la température de ceux-ci. C’est le principe du fer forgé. A l’état inerte, le fer n’émet pas de lumière. Toutefois, en le chauffant à très haute température, celui-ci devient rouge, puis jaune, puis blanc, puis blanc-bleuté. Les lampes à incandescence, ou lampes à filament, fonctionnent selon ce principe. Lorsqu’elles sont alimentées, un courant électrique échauffe un filament qui, porté à très haute température, produit de la lumière. Ce chapitre présente les principes physiques qui expliquent pourquoi un matériau porté à très haute température crée de la lumière.

L'énergie thermique

Définition de la température

Les particules qui nous entourent (molécules ou atomes) sont en perpétuel mouvement. Plus la température du système est élevée, plus les particules sont mobiles. On parle aussi « d’agitation thermique ». On appelle le « zéro absolu » l’état d’inertie totale des particules. Il s’agit de la température la plus froide qui soit physiquement possible, soit une température de 0°K (c'est à dire de -273,15°C environ). Dans un tel milieu, il n’y aurait pas de son, pas de lumière, pas le moindre mouvement. Un tel état n’existe pas dans le monde réel, y compris dans les endroits les plus isolés de l’Univers. Il y a toujours quelque chose qui nous éclaire, que l’on entend, qui nous réchauffe, quelque chose qui bouge quelque part. La température est une mesure indirecte de l’agitation microscopique des particules au sein d’un système. La sensation de chaleur est provoquée par les « vibrations » des atomes. On parle « d'énergie vibrationnelle ». Plus « il fait chaud », plus les atomes bougent.

A l'état fondamental (au zéro absolu), les molécules s’attirent et se lient entre elles. Quand la température est peu élevée, les molécules forment un solide. Quand la température augmente, les molécules vibrent, et se déplacent les unes par rapport aux autres, tout en restant liées entre elles. Les molécules forment progressivement un fluide. Quand la température continue d’augmenter, le mouvement des molécules devient tel qu’il prend le pas sur l'interaction qui lie les molécules entre elles. Les molécules se dispersent et forment un gaz. Si la température continue d’augmenter, un « craquage » dissocie les atomes de la molécule (un craquage de l’eau - H₂O - se produit à +900°C environ et forme deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène).

Les transferts thermiques

Lorsque deux corps à température différente se trouvent au sein d’un système (par exemple une pizza chaude à l’intérieur d’une salle à manger), un transfert d’énergie se produit du corps le plus chaud vers le corps le plus froid, jusqu’à ce que les deux corps atteignent la même température. Un bain chaud (à +40°C) se refroidit dans une pièce à température ambiante (+20°C). Il existe trois modes de transferts thermiques :

Par conduction.

Par convection.

Par rayonnement.

Le transfert par conduction se réalise par contact direct. L’énergie se propage au sein d'un même corps ou passe d'un corps à un autre. C’est par exemple ce qui se produit quand on pose un plat qui sort du four sur une table (en utilisant si possible un dessous de plat). Par analogie, on peut imaginer une piscine à boules (celles que l’on trouve dans les aires de jeux pour enfants), où chaque boule représente un atome. Quand aucune boule ne bouge, la piscine représente un système à une température de 0°K (zéro absolu). Si on fait vibrer localement quelques boules (avec un système à moteur par exemple), la vibration se transmet de proche en proche et à terme, l’ensemble des boules de la piscine finit par être en mouvement. C’est exactement ce qui se passe au niveau des atomes quand on pose un objet chaud sur un support froid. La température de l'objet (ou agitation thermique) se transmet aux atomes du support par conduction.

Le transfert par convection se réalise par mélange. C’est ce qui se produit quand on mélange un liquide chaud et un liquide froid. Les différences de températures au sein d'un fluide engendrent des différences de masse volumique. Les particules les plus chaudes (les plus légères) remontent et se répandent vers la surface tandis que les plus froides (les plus lourdes) se répandent vers le fond. Le reste du transfert thermique se réalise par conduction, qui est très rapide puisqu’il se fait entre « couches de fluide horizontales ». Aussi, un mélange entre de l’eau chaude et de l’eau froide donne rapidement lieu à une eau tiède et de température uniforme.

Le transfert par rayonnement se réalise par diffusion. L’énergie thermique est convertie en énergie électromagnétique. Celle-ci se traduit par l’excitation de nombreux électrons, qui émettent une grande quantité de photons, lequels peuvent être absorbés par les atomes pour être convertis en chaleur. On parle aussi de « rayonnement thermique ».

Le rayonnement thermique

Origines du rayonnement thermique

Le rayonnement thermique résulte d’une conversion d’énergie thermique en énergie électromagnétique. Dans le premier chapitre, nous avons abordé les cas de figure où les échanges d’énergie sont purement électromagnétiques, sous forme de photons. Au sein d’un atome :

L’énergie électromagnétique est transportée par les électrons. La quantité d'énergie dépend de l’orbite qu’ils empruntent. Elle se diffuse par échange de photons.

L’énergie thermique est une forme d’énergie cinétique. Elle est associée à une quantité de mouvement. Plus l’atome vibre, plus il transporte d’énergie. Elle peut se transmettre de proche en proche par « collisions » successives entre les atomes.

Transmission d'énergie électromagnétique

Transmission d'énergie thermique

 

Au sein d’un atome, il est possible que de l’énergie électromagnétique soit convertie en énergie thermique. Quand un électron capte un photon, il gagne de l’énergie et se retrouve dans un état « excité ». Celui-ci peut repasser dans un état « désexcité » de deux façons possibles :

Par « désexcitation radiative » : l’électron réémet un photon. C’est le cas de figure présenté dans le premier chapitre.

Par « désexcitation thermique » : l’électron transmet son énergie non pas sous forme de photon, mais sous forme d’énergie thermique (ou énergie cinétique, c'est-à-dire sous forme de quantité de mouvement). Le mouvement de l’atome s’amplifie. Le terme « phonon » est parfois utilisé pour décrire les échanges d’énergie thermiques dans les atomes. Ils sont les équivalents des « photons » qui décrivent les échanges d’énergie électromagnétiques. A noter que tout comme les niveaux d’énergie des photons, ceux des phonons sont quantifiés (ne peuvent prendre qu’un certain nombre de valeurs).

Au sein d’un atome, il est également possible que de l’énergie thermique soit convertie en énergie électromagnétique. Quand un atome entre en « collision » avec un autre, un échange d’énergie se produit :

Par « conduction » : un échange d’énergie thermique (ou cinétique) se produit entre les deux atomes. L’atome qui transporte le plus d’énergie en cède à celui qui en transporte le moins (les échanges thermiques se produisent toujours du chaud vers le froid), afin de tendre vers un équilibre énergétique entre les deux.

Par « rayonnement » : un atome cède de l’énergie thermique (ou cinétique) à un autre atome, qui la convertit en énergie électromagnétique. Elle aboutit à l’excitation d’électrons, qui repasse à l’état désexcité par l’émission d’un photon.

La conversion d’énergie thermique en énergie électromagnétique est à l’origine de l’incandescence. Plus la température est élevée, plus les atomes sont en mouvement. Plus les atomes sont en mouvement, plus ils transportent d’énergie thermique (cinétique). Une partie de celle-ci est convertie en énergie électromagnétique, et aboutit à l’émission de photons. Aussi, plus la température d’un corps est élevée, plus il rayonne une quantité importante d’énergie électromagnétique.

Le rayonnement thermique visible

Nous avons vu dans le chapitre précédent qu’il existait un lien entre énergie et fréquence. Nous avons notamment vu que plus les quantités d’énergie rayonnées étaient élevées, plus ce rayonnement (ayant des qualités ondulatoires) intégrait de hautes fréquences (E = h × f). Ceci équivaut aussi à dire qu’il intègre de courtes longueurs d’ondes (E = h × c / λ). Tellement courtes que l'on peut commencer à voir des rayons visible à partir d'une certaine température...

Les longueurs d’ondes visibles par l’œil humain sont comprises entre 700 et 400 nanomètres environ. La couleur perçue par l’œil humain dépend de la longueur d’onde si celle-ci est située entre ces deux valeurs, comme l’illustre l’image ci-dessous :

À température ambiante, le corps humain (à 37°C) émet un rayonnement. Celui-ci est toutefois constitué d’ondes dont les plus énergétiques ont une longueur d’onde de 10 micromètres environ. Il s’agit de longueurs d’ondes trop longues pour qu’elles soient visibles par l’œil humain (elles sont dans le domaine de « l’infrarouge moyen »). En revanche, pour des objets à températures beaucoup plus élevées, le rayonnement est constitué d’ondes beaucoup plus énergétiques (dont la longueur d’onde est donc plus courte). À partir d’une certaine température, ce rayonnement finit par être constitué d’ondes suffisamment énergétiques (de longueur d’onde suffisamment courtes, inférieures à 700 nanomètres) pour qu’on puisse les voir. Ainsi, le feu, le filament d’une lampe à incandescence allumée, sont à une température suffisamment élevée pour émettre un rayonnement électromagnétique dont une partie est visible par l’œil humain.

Le modèle du corps noir

Pour établir une corrélation entre la température et les longueurs d’ondes auxquels les corps rayonnent (ou les couleurs perçues par l’œil humain), les physiciens utilisent le « modèle du corps noir ». Un corps noir est un corps fictif dont la luminosité ne dépendrait seulement de sa température interne (un tel corps n’existe pas dans la vraie vie, n’importe quel objet comporte quelques pigments, réfléchit partiellement la lumière et les autres rayons électromagnétiques). On parle de corps noir parce qu’à température ambiante, un tel corps serait noir (aucun objet inerte ne rayonne de lumière visible à cette température, la couleur d'un objet n’étant dans ce cas due qu’à son coloris). Un objet en fer, de couleur foncée, pourrait se rapprocher d’un corps noir. Pour effectuer cette expérience, on chauffe un objet métallique dans l’obscurité et on observe ce qu’il se passe.

Bien qu’un « corps noir » soit noir à température ambiante, il adopterait un comportement similaire à celui d’un fer forgé si on le chauffe. Plus sa température augmenterait, plus il émettrait des rayons à hauts niveaux d’énergie (à hautes fréquences ou courtes longueurs d’onde) jusqu’à émettre des rayons visibles. À partir d’environ +500°K (une température en Kelvin est égale à une température en Celsius + 273°C environ, donc +500°K = +227°C environ), il émettrait une faible lueur rouge. A environ +2000°K, il émettrait une lueur jaune-orangée. A environ +3000°K, il émettrait une lueur blanc-chaud.

Ci-dessous un schéma illustrant les différents cas de figure. Les différentes courbes indiquent la composition du rayonnement d’un corps noir pour chaque température donnée. Celui-ci est maximal à une certaine longueur d’onde, et comprend également des rayons de longueur d’onde plus ou moins proches. Ainsi, à 5000°K, le rayonnement est constitué de nombreux rayons de longueur d’onde de 700 nm (couleur rouge), il comprend de nombreux rayons de longueur d’onde supérieure (infrarouge) et quelques rayons de longueur d’onde inférieure (autres couleurs visibles, et quelques ultraviolets). L’ensemble donne un mélange perçu comme de couleur « blanche » par l’œil humain.

Lumière émise par un corps noir en fonction de la température

Nota : Ces différentes courbes ont été obtenues dès la fin du 19ème siècle de manière expérimentale. Ces expériences ont provoqué un grand chamboulement dans l’esprit des physiciens de l’époque. Ceux-ci partaient du principe, expliqué précédemment, que plus on augmente la température, plus un corps rayonne d’énergie. Or, plus un corps rayonne d’énergie, plus la fréquence du rayonnement est élevée (ou plus longueur d’onde est courte). Aussi, en se basant sur ce principe, un corps porté à une température devrait rayonner à une fréquence maximale qui augmente proportionnellement avec la température. Selon la théorie de la physique dite « classique », les courbes ci-dessus ne devraient pas présenter de « pics ». A 3000°K, l’intensité devrait être maximale pour une longueur d’onde d’environ 550 nm (bleu turquoise), à 4000°K et plus, les corps devraient majoritairement rayonner dans l’ultraviolet. Or, les expériences montraient que pic il y a. C’est à la suite de ces expériences que Max Planck a émis l’idée que le rayonnement n’était pas continu mais était réalisé par des « quanta », sortes de paquets d’énergie discontinus. C’est le début de l’ère de la « Physique Quantique ». Albert Einstein a par la suite démontré que les échanges d’énergie étaient réalisés par des quanta d’énergie discontinus qui ont été appelés « photons ». Les pics observés sur ces courbes sont dus au fait que les atomes ne permettent pas les échanges à n’importe quels niveaux d’énergie et limitent les échangent à haute fréquence (faible longueur d’onde).

Nota : Il est important de ne pas confondre la couleur d’une lumière émise par un matériau incandescent et la couleur de la matière. L’incandescence est liée à une énergie thermique partiellement convertie en énergie électromagnétique. Un matériau incandescent produit de la lumière sans lui-même être éclairé. La couleur de la matière est liée à une énergie électromagnétique partiellement convertie en énergie thermique. Une carrosserie verte, lorsqu’elle est éclairée au soleil, absorbe une majorité des composantes bleues et rouges (pour les convertir en chaleur, raison pour laquelle elle chauffe lorsqu’elle est éclairée) et réfléchit les composantes vertes. Un matériau coloré a besoin d’être éclairé par une source lumineuse externe pour être perçu d’une certaine couleur. La couleur de la matière est abordée plus en détail dans le chapitre « La diffusion des rayons lumineux et l'aspect de la matière » de cette section.

L'incandescence au quotidien

Les sources de lumière incandescente

L'incandescence fait partie de notre quotidien. Nous observons les phénomènes suivants en permanence, ils font suite à un matériau qui s'illumine après avoir été porté à incandescence :

La lampe à filament (ou lampe à incandescence) éclaire lorsqu'elle est alimentée. Le courant électrique chauffe le filament de tungstène qui est alors porté à incandescence (à une température d'environ +2500°C en général). Le vide est créé autour du filament et entouré d'une enveloppe en verre (ampoule), supprimant ainsi le comburant (le dioxygène), ce qui permet au filament de ne pas prendre feu.

Le feu éclaire lorsqu'un combustible est chauffé et porté à incandescence. Le charbon produit des braises. Des particules incandescentes (poussières, molécules de gaz...) s'élèvent dans le ciel, donnant l'allure d'une flamme. Ces particules refroidissent (et s'éteignent) une fois qu'elles s'éloignent du lieu de combustion, raison pour laquelle la flamme est toujours limitée en largeur et en hauteur.

Le soleil émet de la lumière. Celle-ci est due aux très fortes températures qui règnent à sa surface.

Le métal forgé éclaire lorsqu'il est chauffé et porté à incandescence. Selon sa température de fusion, il peut conserver son aspect solide ou passer à l'état liquide. L'acier en fusion émet de la lumière.

La lave en fusion éclaire. Il s'agit de roches ayant atteint leur température de fusion et portées à incandescence.

Certains systèmes de chauffage électrique, régulièrement utilisées dans les salles de bains ou encore pour chauffer les terrasses de brasseries dans les grandes villes, émettent de la lumière due aux très hautes températures auxquels les matériaux sont portés. C'est exactement ce qui se produit pour un grille-pain.

Lampe à incandescence

Le feu

Le soleil

Le filament émet de la lumière.

Le combustible émet de la lumière.

Le soleil émet de la lumière.

Acier en fusion

Un volcan

Un chauffage électrique

L'acier liquide émet de la lumière.

La lave émet de la lumière.

Le chauffage émet de la lumière.

Mesure du rayonnement thermique

Comme expliqué dans les paragraphes précédents, tous les corps rayonnent. Seuls ceux qui atteignent une certaine température peuvent émettre des rayons visibles par l'œil humain. Les corps à température ambiante émettent généralement des rayons dans le domaine de l'infrarouge. Aussi, les caméras infrarouges (ou caméras thermiques) permettent de filmer des environnements plongés dans l'obscurité. Elles sont également utilisées dans le domaine militaire pour repérer des éléments camouflés (un lion caché dans la savane ou bien une installation militaire seront immédiatement repérées par une caméra thermique de par l’énergie thermique qu’ils rayonnent).

C'est grâce à nos connaissances sur la relation qui existe entre la température et la nature de la lumière émise que nous pouvons déterminer la température à la surface des étoiles sans même les avoir approchées. En observant la lumière émise par le soleil, nous sommes capable d'en déduire que la température qui règne à sa surface est d'environ +5000°C (elle est bien supérieure en profondeur). Nous pouvons de la même manière en déduire la température qui règne à la surface de chacune des étoiles que nous voyons (plus celles-ci ont une teinte qui tire vers le bleu, plus celles-ci ont une température élevée).

Production de lumière par luminescence

La luminescence désigne l'ensemble des phénomènes physiques n'étant pas d'origine thermique qui aboutissent à la production de lumière. Elle est parfois appelée « lumière froide », par opposition avec l’incandescence qui est une « lumière chaude ». Toute lumière qui n’est pas incandescente est luminescente. Il existe de nombreux types de luminescence, parmi lesquels la décharge (principe de l’éclair), l’électroluminescence, la photoluminescence, la chimiluminescence… Les lampes à décharges, les tubes luminescents, les LED, mais aussi les écrans cathodiques, sont des sources luminescentes. A l’origine, une source d'énergie autre que la chaleur provoque une excitation d’électrons, qui donne lieu à l’émission d’un rayonnement électromagnétique visible.

Les sources luminescentes

L’incandescence passe par une élévation de l’énergie thermique pour produire de la lumière. La luminescence regroupe tous les cas de figure où la production de lumière passe par un autre procédé. Parmi les principaux types de luminescences, on peut citer :

La décharge : elle résulte d’une excitation des électrons provoquée par un fort champ électrique (ou forte différence de potentiel électrique). C’est le principe d’un éclair ou d’un arc électrique. Les lampes à décharge fonctionnent selon ce principe.

L’électroluminescence : elle résulte d’une excitation des électrons provoquée par le passage d’un courant électrique. Les LED fonctionnent selon ce principe.

La photoluminescence : elle résulte d’une excitation des électrons provoquée par un rayonnement électromagnétique. La fluorescence et la phosphorescence sont deux phénomènes photoluminescents.

La chimiluminescence : elle résulte d’une excitation des électrons provoquée par une réaction chimique.

La décharge

Origine de la décharge

On appelle « décharge électrique » l'ensemble des phénomènes qui résultent du passage d'un courant électrique d'un conducteur solide à un milieu gazeux. L’éclair produit par la foudre, un arc électrique qui se produit entre deux matériaux métalliques, sont des courant électriques visibles dans l’air. Dans l'air ambiant, ceux-ci se produisent en présence d’une différence de potentiel très élevée entre deux points (par exemple un nuage et la terre), qui prend le pas sur les qualités isolantes du milieu qu’elles traversent. Les notions de « différence de potentiel électrique » et de « résistance électrique » sont expliquées en détail dans la section « Électricité » du site. Deux facteurs principaux contribuent à la formation d’un arc électrique dans un milieu initialement isolant :

La présence d’une différence de potentiel électrique (ou tension électrique) très élevée. Une différence de potentiel électrique très élevée entre deux points A et B séparés par un isolant (entre deux électrodes, ou bien entre la surface de la terre et un nuage fortement chargé en eau), donne lieu à une ionisation des atomes de l’isolant.

La diminution de la résistance du milieu isolant. Certains facteurs peuvent y contribuer. Par exemple, la résistance de l’air est de 3600 kilovolts par mètre par temps sec, elle tombe à moins de 1000 kilovolts par mètre par temps humide. La présence d’un gaz avec de bonnes propriétés conductrices, comme c’est le cas dans un tube à décharge contenant de la vapeur de mercure ou de sodium, diminue également la résistance de l’air ambiant.

Formation d'un éclair

La différence de potentiel est très élevée entre les cumulus et la surface de la Terre, de l'ordre de 100 millions de volts. En présence d'humidité qui réduit la résistance de l'air, la tension électrique prend le pas sur les qualités résistives de l'air. Un arc électrique se forme.

Formation d'un arc électrique

En présence d’une forte différence de potentiel, les deux points A et B agissent comme la borne « Plus » et la borne « Moins » d’une batterie. Si le point A représente la « borne Plus » et point B la « borne Moins », se produisent successivement les phénomènes suivants :

Les électrons des atomes de l’isolant situés autour du point B sont fortement attirés en direction du point A. Certains d’entre eux quittent leur atome pour se diriger vers le point A. Ce phénomène se produit d’autant plus facilement que la tension entre les deux points est élevée, et que la résistance du milieu isolant est faible.

De nombreux atomes se retrouvent en « pénurie » d’électrons. Ceux-ci ont moins d’électrons que de protons, et deviennent globalement chargés positivement. Ces atomes sont devenus des cations.

Des électrons s’accumulent progressivement autour du point A.

De nombreux atomes se retrouvent en « excès » d’électrons. Ceux-ci ont plus d’électrons que de protons, et deviennent globalement chargés négativement. Ces atomes sont devenus des anions.

Les cations et les anions s'attirent. Les cations et les anions se déplacent.

Les ions finissent par créer un « canal ionisé » au sein de l’isolant. Ce canal est conducteur. Au sein de ce canal, les électrons sont entraînés vers le point A tandis que les cations sont entraînés vers le point B. C’est à ce moment que l’arc électrique se forme. Celui-ci disparaît lorsque les potentiels des point A (vers lequel se sont dirigés de nombreux électrons) et B (vers lequel se sont dirigés de nombreux cations) se retrouvent au même niveau. C’est ce qui se produit dans le cas d’un éclair entre un nuage et la surface de la terre. Si la différence de potentiel est maintenue par un moyen artificiel (comme c’est le cas dans les lampes à décharge), alors l’arc se maintient.

Formation d'un arc électrique

Une différence de potentiel entre les deux électrodes crée une ionisation de l'air au niveau de celles-ci. Cette ionisation donne lieu à la formation d'un « canal ionisé » conducteur d'électricité au sein de l'air, emprunté par un courant électrique qui forme un arc électrique.

La circulation des électrons au sein d’un « canal ionisé » implique le déplacement de ceux-ci d’atomes en atomes (ou d’ions en ions). Nous avons vu dans le premier chapitre que le déplacement d’un électron implique des changements d’orbites, lesquels impliquent des échanges d’énergie sous forme de photons. Le courant électrique donne ainsi lieu à une circulation massive de photons au niveau de l’arc. Une partie de ces photons est diffusée hors de l’arc électrique. Certains d’entre eux atteignent les yeux des personnes situées aux alentours.

L’arc résulte d’une tension électrique très élevée et d’un déplacement massif d’électrons. Les échanges de photons qui sont effectués incluent des niveaux d’énergie très élevés. Le rayonnement émis par un arc électrique inclut en conséquence de nombreux rayons visibles, dont le mélange forme une couleur perçue comme « blanche » par l’œil humain (la couleur de l’arc dans l’air, qui présente souvent des reflets bleutés, est due à l’influence des atomes d’oxygène et d’azote de l’air).

La décharge au quotidien

Nous observons régulièrement les phénomènes suivants. L'arc qui se produit est dû à une très forte différence de potentiel entre deux points :

La lampe à décharge éclaire lorsqu'elle est alimentée. La tension électrique entre les deux électrodes du tube à décharge engendre un arc électrique au sein de celui-ci.

Une étincelle se produit lorsque deux solides dont la différence de potentiel est importante (plusieurs kilovolts) sont mis en contact. Celle-ci est brève, l'équilibre électrique entre les deux corps étant vite atteint.

Un éclair se produit à la suite d'une différence de potentiel d'environ 100 mégavolts entre un cumulus et la surface de la Terre, combiné à une baisse de la résistance de l'air provoquée par l'humidité.

Lampe à décharge

L'étincelle

L'éclair

Une décharge entre deux électrodes.

Une décharge entre deux surfaces.

Une décharge entre le ciel et la surface.

L’électroluminescence

L’électroluminescence consiste à produire de la lumière à partir d’un courant électrique. Le principe est similaire à celui de la décharge mais il implique des courants électriques d’intensités beaucoup plus faibles. Dans le cas de la décharge, la lumière visible est produite au sein d’un arc où les échanges d’énergie sont si élevés qu’ils incluent des rayonnements visibles. Dans le cas de l’électroluminescence, la lumière visible est produite en une zone beaucoup plus localisée où les échanges d’énergie se font dans une longueur d’onde (ou un regroupement de longueur d’ondes) spécifique. Bien souvent, il s’agit d’une longueur d'onde qui correspond à une lumière d’une couleur spécifique (rouge, verte, bleue, etc…), créée artificiellement. L’électroluminescence se produit après le passage d’un courant électrique au sein d’un matériau « semi-conducteur ».

Les semi-conducteurs

Nous avons vu au premier chapitre que les électrons, au sein des atomes, ne pouvaient transporter que certaines quantités d’énergie. Parmi ces niveaux, deux nous intéressent particulièrement :

Le niveau d’énergie associé à la plus haute couche de l’atome. Cette couche est appelée « couche de valence », les électrons qui l’empruntent sont appelés « électrons de valence ».

Le niveau d’énergie de l’orbite située juste au-dessus de la couche de valence. Lorsque les électrons sont sur cette orbite (ou une orbite plus haute), ils sont électrons libres et participent à la circulation du courant électrique.

Lorsqu’un électron passe de la couche de valence à la couche située directement au-dessus, il absorbe une quantité d’énergie. De la même manière, lorsqu’il redescend de cette couche à la couche directement inférieure, il émet une quantité d’énergie (un photon), d’une longueur d’onde spécifique. Le principe de l’électroluminescence est de produire ce phénomène avec une longueur d’onde visible correspondant à une couleur souhaitée.

Ces deux niveaux d’énergie, initialement associés à un atome isolé, sont démultipliés lorsque des milliards d’atomes forment un solide. Deux atomes d’un même solide ne peuvent pas avoir exactement les mêmes niveaux d’énergie, même lorsqu’ils sont de même matériau à la base (ce phénomène est appelé le « Principe d’exclusion de Pauli »). Leurs niveaux respectifs sont en conséquence légèrement décalés.

Ainsi, les milliards d’atomes qui constituent un solide forment des « bandes d’énergie ». Les bandes d’énergies sont en réalités chacune découpées en milliards de niveaux d’énergie. Ces niveaux sont toutefois tellement proches qu’on peut les considérer comme un continuum, entre une valeur minimale et une valeur maximale, formant une bande. Une présentation détaillée de la théorie des bandes est dressée dans la section « Atome »sur ce site. Parmi ces bandes, deux nous intéressent particulièrement, dans la même logique que pour l’atome isolé :

La « bande de valence ». Elle englobe les quantités d’énergie que peuvent prendre l’ensemble des électrons de valence au sein du solide.

La « bande de conduction ». Elle englobe les quantités d’énergie que peuvent prendre les électrons libres au sein du solide.

Ces deux bandes sont séparées par un « gap », qui correspond à la différence entre le plus bas niveau d’énergie de la bande de conduction et le plus haut niveau de la bande de valence. La largeur de ce gap influe sur la conductivité du matériau. Parfois, les deux bandes se chevauchent, auquel cas le gap est nul. Ce gap est parfois appelé « bande interdite ». Plus le gap est étroit, plus les électrons peuvent facilement devenir électrons libres, et plus la conductivité du matériau est bonne :

Lorsque le gap est nul, le matériau est considéré comme un « conducteur ». C’est le cas du cuivre, de l’or et de l’argent.

Lorsque le gap est supérieur à 6 électronvolts, le matériau est considéré comme un « isolant ». C’est le cas d’une molécule de l’air.

Les semi-conducteurs sont entre les deux. Le gap est généralement compris entre 1,5 et 4 électronvolts. C’est le cas du silicium. Les semi-conducteurs se comportent comme des isolants à température ambiante. Il est toutefois possible de provoquer le passage d’un courant dans un semi-conducteur en introduisant des impuretés au sein du matériau. On parle de « dopage », laquelle aboutit à une « jonction PN ». Celle-ci est constituée de deux zones formant une « Cathode » (chargée positivement) et une « Anode » (chargée négativement). Le principe est expliqué dans cette Annexe.

Largeur de gap et lumière visible

La largeur du gap est déterminante. C’est elle qui détermine si la jonction PN émet de la lumière, et la couleur de celle-ci. Nous avons vu, au premier chapitre, les notions suivantes :

Un courant électrique correspond à une circulation d’électrons libres dans un matériau.

Quand un électron passe d’un niveau d’énergie à un niveau supérieur, il capte un photon. Quand un électron passe d’un niveau d’énergie à un niveau inférieur, il émet un photon.

Quand un photon est émis par un électron qui passe d’une orbite haute à une orbite plus basse, le photon transporte une quantité d’énergie qui correspond à la différence entre le niveau d’énergie de l’orbite d’origine et le niveau d’énergie de l’orbite de destination.

La longueur d’onde associée à un photon dépend de la quantité d’énergie qu’il transporte.

Un courant électrique implique une circulation d’électrons libres dans un matériau. De nombreux électrons, sous l’effet d’une tension électrique, transitent entre les couches de valence des atomes et les niveaux d’énergie plus élevés (qui correspondent à ceux que prennent les électrons libres). Ceci donne lieu à des échanges de photons à grande échelle dans le matériau.

Puisque le gap est la différence d’énergie minimum qui sépare les électrons libres des électrons de valence dans le solide, de nombreux photons qui sont échangés transportent une quantité d’énergie proche de la largeur du gap.

Si la longueur d’onde qui est associée à cette énergie est située entre 400 et 700 nanomètres, alors les photons créent des rayons visibles.

Pour un niveau d’énergie donnée (en électronvolt), la longueur d’onde (en nanomètres) associée au photon est environ égale à λ = 1240 / E. (Résultat des formules E = h × f et λ = c / f, le lien entre la longueur d’onde et l’énergie étant détaillé de manière plus approfondie dans cette Annexe). Aussi, en faisant le calcul :

Pour une longueur d’onde de 700 nanomètres, l’énergie transportée est de 1,77 électronvolt environ.

Pour une longueur d’onde de 400 nanomètres, l’énergie transportée est de 3,1 électronvolts environ.

Aussi, lorsque le gap du matériau est compris entre 1,70 et 3,10 électronvolts environ, il est possible de produire de la lumière en faisant passer un courant électrique dans ce matériau. Comme indiqué dans le paragraphe précédent, les matériaux dont les gaps sont compris entre 1,5 et 4 électronvolt environ sont des matériaux semi-conducteurs. Ceux-ci sont également utilisés pour la fabrication des transistors et surtout des diodes. Aussi, une « DEL » (Diode Électro Luminescente) ou une « LED » (Light Emitting Diode) est une diode dont la spécificité est d’émettre de la lumière.

Couleur de la lumière émise

La nature du matériau, la composition des alliages et le dopage déterminent la valeur du gap, et donc la couleur de la lumière émise. Les semi-conducteurs utilisés pour la fabrication des LED sont généralement des matériaux spécifiquement choisis dans le but d'obtenir une lumière d'une couleur voulue.

L’électroluminescence au quotidien

Les sources électroluminescentes sont de plus en plus utilisées de nos jours. Elles sont peu consommatrices d’énergie, et peu encombrantes. Elles permettent la conception d’appareils dotés de nombreux points lumineux sur une petite surface:

Les LEDs d'aujourd'hui sont utilisées en électronique pour l'affichage d'informations. Elles sont également utilisées depuis environ 2005 en tant que sources d'éclairage. La lumière de ces sources est produite par une combinaison de semi-conducteurs et de dépots permettant de produire une lumière blanche et intense.

Les écrans plats sont constitués de sources électroluminescentes de très petites dimensions (cristaux liquides) pour former une image perçue comme « continue » par l'œil humain. Les variantes de couleurs sont obtenues par combinaisons de sources rouges, vertes et bleues (système dit « RVB »).

Eclairage à LEDs

Mur électro luminescent

Ecrans Smartphone LCD

Eclairage à LEDs.

Tubes électro luminescents.

Affichage à cristaux liquides.

La photoluminescence

La fluorescence et la phosphorescence sont associées à une propriété physique de certains matériaux. Ces matériaux sont capables, lorsqu'ils absorbent de l'énergie par rayonnement non visible, de restituer cette énergie sous forme de rayonnement visible. Dans le cas de la fluorescence, le phénomène se produit de manière instantanée : l'énergie d'excitation (par exemple une autre source de lumière) est immédiatement réémise sous forme de lumière d'émission (ou plutôt de réémission). Dans le cas de la phosphorescence, le même phénomène se produit, mais de manière plus lente, ce qui lui permet, même lorsque l'énergie d'excitation disparaît, de continuer à réémettre de la lumière de façon progressive dans le temps. Ce chapitre présente les principes physiques liés aux matériaux fluorescents et phosphorescents.

La couleur de la matière

L’origine de la couleur de la matière que nous percevons est décrite plus en détail dans le chapitre suivant. Nous pouvons toutefois résumer les choses comme suit : lorsque la matière est éclairée par une lumière polychromatique (avec plusieurs composantes), certaines composantes sont absorbées, d’autres sont réfléchies. Nous percevons les composantes qui sont réfléchies. Ainsi, la chlorophylle absorbe majoritairement le rouge et le bleu. C’est la principale raison pour laquelle la lumière réfléchie par une plante est majoritairement composée de ce qu’il reste, c'est-à-dire du vert.

Propriété des matériaux fluorescents

Les matériaux fluorescents ont toutefois une propriété supplémentaire par rapport aux matériaux classiques. Ils ont la possibilité, lorsqu’ils absorbent de l’énergie, de convertir une partie de cette énergie en chaleur et de réémettre une partie de celle-ci sous forme de lumière (moins énergétique). Ainsi, dans un matériau fluorescent, lorsqu’un atome capte un photon :

Le photon est capté par l’électron et ce dernier est excité.

La désexcitation est partiellement thermique. L’électron transmet son énergie sous forme d’énergie cinétique, c'est-à-dire sous forme de chaleur.

Le reste de la désexcitation est électromagnétique. L’électron émet un photon qui correspond à l’énergie restante à libérer pour se retrouver à un état désexcité.

Aussi, un matériau fluorescent a la possibilité, lorsqu’il capte des composantes d’une fréquence (et longueur d’onde) donnée, d’absorber une partie de celles-ci et de réémettre des composantes moins énergétiques, c'est-à-dire d’une fréquence moins élevée (ou d’une longueur d’onde plus longue). Dans le cadre des matériaux fluorescents, on parle de « déplacement de Stokes ». Celui-ci illustre la différence du pic de longueur d’onde entre le rayonnement absorbé et celui qui est réémis.

Aussi, un matériau fluorescent a la possibilité, lorsqu’il capte une « couleur » hautement énergétique (bleu ou vert), de réémettre une « couleur » moins énergétique (jaune ou rouge). C’est le cas du rubis qui capte majoritairement les composantes vertes d’un rayonnement mais qui, par fluorescence, réémet des composantes rouges.

Ce qui explique principalement la brillance de ces matériaux est leur capacité à capter des rayons ultraviolets (non visibles mais plus énergétiques que les rayons visibles), convertir une partie de ceux-ci en chaleur et réémettre de la lumière visible. On parle ainsi de « photoluminescence » car de la lumière visible est généré après avoir éclairé un matériau avec un rayonnement (visible ou ultraviolet).

Propriété des matériaux phosphorescents

L’origine de la phosphorescence est la même que celle de la fluorescence. Des composantes hautement énergétiques sont partiellement converties en chaleurs et le reste est réémis dans une composante moins énergétique (longueur d’onde plus longue). La différence entre la fluorescence et la phosphorescence est la suivante :

Dans le cas de la fluorescence, la réémission est immédiate. Les électrons excités se désexcitent immédiatement par conversion d’une partie de l’énergie captée en chaleur et par réémission de l’énergie restante en un rayon de « couleur » moins énergétique que le rayon incident.

Dans le cas de la phosphorescence, la réémission est progressive. La désexcitation passe par une série de niveaux d’énergies successifs, de plus en plus bas, entre lesquels se produisent en série des désexcitations thermique (chaleur) et radiative (lumière).

Pour une molécule, le « Diagramme de Jablonski » fait figurer les différents niveaux d’énergies par lesquels passe la désexcitation des atomes (électrons) de celle-ci. Il indique également quelle est la nature de la désexcitation (thermique ou radiative) entre ceux-ci.

Le plus important est de retenir que les matériaux phosphorescents, quand ils absorbent de la lumière ou un rayon non visible mais hautement énergétique (ultraviolet), réémettent celle-ci progressivement, d’une durée pouvant aller de quelques secondes à plusieurs minutes. Cette réémission progressive explique aussi pourquoi la lumière produite par un matériau phosphorescent n’est jamais très intense à un instant t.

La photoluminescence au quotidien

La photoluminescence est très utilisée depuis la fin de la seconde guerre mondiale. Les matériaux fluorescents sont principalement utilisés pour accroitre la luminosité des sources lumineuses, ou bien pour accroitre la visibilité de certaines surfaces dans des environnements peu éclairés, comme les panneaux de signalisation. Ils sont également utilisés dans un cadre décoratif.

Les lampes fluorescentes sont constituées d'une enveloppe sur laquelle est déposée une poudre fluorescente. Les ballons fluorescents, très utilisés dans l'éclairage public durant les années 1960, et les tubes fluorescents, très utilisés dans les hôpitaux et open-spaces, sont les deux grandes catégories de ce type de lampes.

La lumière noire est produite par des lampes qui émettent des rayons ultraviolets. Elle est très utilisée dans les boites de nuits, c'est elle qui rend très visibles les chaussures de sport, les chemises blanches et aussi, malheureusement, les pellicules qui se sont déposées sur une chemise noire. Elle est également utilisée pour le contrôle des billets de banques, sur lesquels (pour les vrais billets) sont incrustés des paillettes fluorescentes.

Les panneaux de signalisation sont recouverts de panneaux fluorescents, qui accroissent leur visibilité quand ils sont éclairés.

Les vêtements de sécurité, notamment utilisés par le personnel de la voirie, sont recouverts de matériaux fluorescents.

Ballon fluorescent

Lumière noire

Gilet fluorescent

 

Les matériaux phosphorescents sont également utilisés, principalement à usage ludique et décoratif :

Les lucioles qui sont vendues aux enfants et qui brillent temporairement dans le noir sont constituées de matériaux phosphorescents.

Les bracelets phosphorescents qui sont distribués dans les lieux festifs sont constitués de matériaux phosphorescents.

Les aiguilles de certaines montres comportent quelques dépôts phosphorescents. Celles-ci sont ainsi temporairement visibles dans le noir.

Certaines roches phosphorescentes permettent d'éclairer certains passages de nuit.

Luciole phosphorescente

Bracelets phosphorescents

Matières phosphorescentes

 

La diffusion des rayons lumineux et l'aspect de la matière

Un peu de vocabulaire

Tout rayon lumineux est issu d’une « source lumineuse ». Celle-ci peut être une lumière naturelle ou artificielle. Un rayon lumineux rencontre différents milieux, solides, liquides et gazeux. Les effets optiques qui se produisent quand la lumière entre en contact avec un milieu sont nombreux et variés.

Lorsque l’on étudie les transformations produites par milieu sur un rayonnement d’origine, on appelle ce dernier « rayonnement incident », voire « onde incidente ». Quand un rayonnement incident entre en contact avec un milieu :

Il y a « réflexion » d’une première partie de celui-ci. Quand nous regardons un objet éclairé par le soleil, ce sont en fait les rayons qui sont réfléchis par l'objet qui entrent en contact avec nos yeux.

Il y a « absorption » d’une deuxième partie de celui-ci. Quand nous regardons un objet éclairé par le soleil, celui-ci peut apparaitre jaune, rouge, bleu, vert… Il apparait d’une certaine couleur car certains rayons incidents ont été réfléchis tandis que d’autres ont été absorbés.

Il y a « transmission » d’une troisième partie de celui-ci. Quand nous regardons un arbre à travers une vitre, les rayons réfléchis par l’arbre ont été transmis par la vitre (et l’air ambiant).

Aussi, tout milieu, qui soit solide, liquide ou gazeux, répartit un rayonnement incident en trois rayonnements, dans des proportions différentes selon le cas qui se présente. La réflexion, l’absorption et la transmission totales n’existent pas en pratique.

Lorsqu’un rayon incident est réfléchi, on parle de « réflexion spéculaire » et de « réflexion diffuse » :

La réflexion est spéculaire quand les composantes du rayonnement incident sont majoritairement réfléchies dans la même direction. C’est ce qui se passe à la surface d’un miroir, d’un étang par temps calme et de toute surface qui reflète les formes en générale.

La réflexion est diffuse quand les composantes du rayonnement incident ne sont pas majoritairement réfléchies dans la même direction. C’est ce qui se passe par exemple à la surface d’un mur que nous voyons blanc. Un mur nous apparait blanc parce une majeure partie du rayonnement incident est réfléchi, mais nous ne voyons pas notre reflet dedans car le rayonnement est réfléchi dans tous les sens.

Réflexion spéculaire

Réflexion diffuse

 

La lumière possède à la fois des qualités ondulatoires et corpusculaires. Celles-ci sont décrites en détail dans le premier chapitre. À ce titre, elle peut à la fois traverser des matériaux et à la fois entrer en collision avec les atomes de ceux-ci. Lorsqu’un rayon incident entre en contact avec un milieu, deux catégories d’interactions se produisent.

Les « chocs élastiques ». Ils entraînent des changements de direction, sans échange d’énergie. Lorsqu’un photon incident traverse un atome, en fonction de la quantité d’énergie qu’il transporte (donc de sa longueur d’onde), il peut être capté par un électron. On parle de choc élastique lorsque cette énergie est réémise sous forme d’un nouveau photon, avec la même quantité d’énergie. Les chocs élastiques sont à l’origine :

De la réflexion diffuse.

De la réflexion spéculaire.

De la réfraction.

De la diffraction.

De l’opacité des matériaux.

Les « chocs inélastiques ». Ils provoquent des changements de composition, avec échanges d’énergie. Lorsqu’un photon incident est capté par un électron, l’énergie qu’il transporte peut être transformée, partiellement ou complètement, en chaleur. On parle de choc inélastique lorsque l’énergie réémise est différente de (et généralement inférieure à) celle qui a été absorbée. Les chocs inélastiques sont à l’origine :

De l’absorption.

De la fluorescence.

De la phosphorescence.

De la couleur des matériaux.

De la couleur d'une lumière issue d'un milieu gazeux.

Les chocs élastiques et la réflexion

La première loi de Snell-Descartes

La lumière, lorsqu’elle traverse un milieu, ou bien lorsqu’elle passe d’un milieu à un autre, obéit à deux lois de la physique, énoncées par Willebrord Snell et René Descartes, appelées « lois de Snell-Descartes ».

La première loi de « Snell-Descartes » énonce qu’en cas de réflexion, les angles des rayons incidents et réfléchis sont égaux en valeurs absolues. Par exemple, si un rayon incident frappe une surface avec un angle de 70°, le rayon réfléchi repart avec un angle de 70°.

Première loi de Snell-Descartes pour la réflexion

Ce que stipule exactement la 1ère loi de Snell-Descartes:

Le point de rencontre entre le rayon incident et la surface réfléchissante est appelé le point d'incidence.

La droite perpendiculaire à la surface réfléchissante au point d'incidence est appelée la normale à la surface réfléchissante.

Le plan contenant le rayon incident et la normale à la surface réfléchissante au point d'incidence est dit plan d'incidence. C'est le plan en 2D que l'on voit sur le Schéma ci-contre.

L'angle orienté θ1 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon incident est dit angle d'incidence.

L'angle orienté θ2 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon réfléchi est dit angle de réflexion.

La loi de la réflexion s'énonce ainsi :

Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence.

Les angles incident θ1 et réfléchi θ2 vérifient : θ2 = -θ1. C'est à dire même angle sur le même plan mais dans les deux sens opposés.

Cette loi s’explique par les réflexions spontanées successives qui se produisent au niveau de la surface frappée par le rayon incident. Elle est expliquée dans le tableau ci-dessous.

Illustration de la loi de Snell-Descartes pour la réflexion

Un rayon incident possède des qualités ondulatoires, et est constitué de composantes qui sont elles aussi des qualités ondulatoires. On appelle « front d’onde » le plan coupant chaque composante au même point de phase.


Le rayon incident est constitué de photons qui voyagent comme une onde. Ceux-ci sont successivement absorbés par les atomes du plan. Les atomes réémettent respectivement des photons qui voyagent comme une onde. Les phases de chaque photon s’additionnent avec celles de leur photon voisin en un point. L’ensemble des points forme un front d’onde orthogonal au front d’onde incident.

Une onde incidente, constituée de quatre composantes, est schématisée sur croquis n°1. Les 4 droites forment les axes le long desquels chaque composante est en phase avec sa composante voisine (elle correspond aux points où les intensités de chaque composante s’ajoutent, comme cela se produit en certains points observés lors de l’expérience de Thomas Young). Chaque axe est parallèle, et forme un front d’onde qui peut correspondre à la « tête » du rayon incident. Dans cet exemple, le front d’onde frappe la surface avec un angle de 45°.

Chaque composante voyage à la vitesse d’une diagonale de carreau par image. Le front d’onde voyage donc lui aussi à la vitesse d’une diagonale de carreau par image.

Sur le croquis n°2, la première composante frappe le plan. Elle est absorbée (photon) et spontanément réémise (photon) comme une onde qui se propage de manière sphérique sur le croquis n°3. Les trois autres composantes entrent en contact avec le plan (croquis n°3, n°4 et n°5), et sont réémis comme une onde qui se propage de manière sphérique (croquis n°4, n°5 et n°6).

Les axes le long desquels chaque composante est en phase avec sa composante voisine sont, pour le rayon réfléchi, parallèles. Ils forment un front d’onde dont l’angle avec la surface est également de 45°, dans l’autre sens.

Les réflexions spéculaire et diffuse

Lorsqu’un rayon lumineux est réfléchi sur une surface, l’ensemble de ses composantes (photons, qui ont des propriétés ondulatoires) obéit à la première loi de Snell-Descartes. Si un rayon regroupe des composantes vont toutes dans la même direction, elles seront d’autant plus facilement réfléchies dans la même direction que la surface est plane et lisse.

Schéma d'une réflexion spéculaire

Schéma d'une réflexion diffuse

Sur la photo de gauche, la surface est parfaitement lisse. Les rayons incidents sont tous réfléchis dans la même direction.

Sur la photo de droite, la surface n'est pas parfaitement lisse. Les rayons incidents sont réfléchis dans plusieurs directions.

En fonction de la surface rencontrée, si celle-ci est réfléchissante, la lumière du soleil (ou de tout autre source lumineuse) subit une réflexion spéculaire ou diffuse, voire un mélange entre les deux :

Quand la surface est inégale, comme c’est le cas pour de nombreux solides ou liquides opaques, les angles auxquels heurtent chaque composante de du rayon incident sont différents, et la réflexion est diffuse.

Quand la surface est globalement lisse (à l’échelle macroscopique) mais inégale au niveau du grain (à l’échelle microscopique), comme c’est le cas des surfaces « satinées », la réflexion est globalement spéculaire mais diffuse au niveau des détails.

Quand la surface est globalement inégale (à l’échelle macroscopique) mais lisse au niveau du grain (à l’échelle microscopique), comme c’est le cas des cours d’eau, la réflexion est globalement spéculaire mais avec quelques déformations.

Quand la surface est polie, comme c’est le cas de nombreux miroirs, la réflexion est parfaitement spéculaire.

A noter qu’une surface peut être peu réfléchissante tout en gardant une réflexion spéculaire. Il est possible de voir son reflet (ne serait-ce que légèrement) dans une vitre translucide ou teintée. Les flaques d'eau donnent lieu à une réflexion spéculaire. Les couches de vernis créent une seconde surface lisse et translucide au-dessus d’une première surface. Ils donnent ainsi lieu à un mélange de réflexion spéculaire venant directement du vernis et de réflexion diffuse venant de la surface qu’ils recouvrent.

Les chocs élastiques et la réfraction

La seconde loi de Snell-Descartes

Dans le vide, la vitesse de la lumière est de c = 3 × 10⁸ mètres par secondes (ou de « 300 000 kilomètres par seconde si vous préférez… »). Dans un milieu non vide, un solide, un liquide, un gaz… elle est freinée. A chaque milieu est associé un indice de réfraction « n », avec n = c / v, où v est la vitesse de la lumière dans ce matériau.

La seconde loi de « Snell-Descartes » énonce que lorsque la lumière passe d’un « milieu n°1 » à un « milieu n°2 », en cas de transmission, la réfraction dépend des indices de réfraction n₁ et n₂ respectifs des deux milieux. Si θ₁ et θ₂ sont les angles d’incidence et de réfraction, la formule énonce ceci : n₁ sin(θ₁) = n₂ sin(θ₂).

Seconde loi de Snell-Descartes pour la réfraction

Ce que stipule exactement la 2nde loi de Snell-Descartes:

On appelle le dioptre la surface séparant les deux milieux.

Le point de rencontre entre le rayon incident et le dioptre est appelé le point d'incidence.

La droite perpendiculaire à la surface réfléchissante au point d'incidence est appelée la normale au le dioptre.

Le plan contenant le rayon incident et la normale au le dioptre au point d'incidence est dit plan d'incidence. C'est le plan en 2D que l'on voit sur le Schéma ci-contre.

L'angle orienté θ1 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon incident est dit angle d'incidence. L'angle orienté θ2 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon réfracté est dit angle de réfraction.

Chaque milieu transparent est caractérisé par son indice de réfraction noté n. L'indice n1 est l'indice de réfraction du milieu de l'onde incidente et l'indice n2 est l'indice de réfraction du milieu de l'onde réfléchie.

La loi de la réfraction s'énonce ainsi :

Le rayon réfracté est dans le plan d'incidence.

L'angle de réfraction θ2 vérifie : n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2).

Lorsqu’un rayon lumineux est transmis par un milieu, l’ensemble de ses composantes (photons, qui ont des propriétés ondulatoires) obéit à la seconde loi de Snell-Descartes. Elle stipule ainsi que l’onde incidente est déviée en fonction des indices de réfractions des milieux incidents et pénétrés. Voici un ordre de grandeur des indices de réfraction pour quelques matières courantes :

L'indice de réfraction n de l'air est égal à 1.

L'indice de réfraction n de l'eau est d'environ 1,33.

L'indice de réfraction n d'un alcool est d'environ 1,36.

L'indice de réfraction n du verre est entre 1,55.

L'indice de réfraction n d'un cristal est entre 1,6 et 2.

L'indice de réfraction n d'un diamant est d'environ 2,42.

En réalité, l'indice de réfraction n n’est pas complètement constant. Il dépend de la température d'une part, de la longueur d’onde de l’onde incidente d'autre part (avec n = a + b/λ², où a et b sont constants). Ci-dessous un exemple pour l'eau :

Le lien qui existe entre l’angle de déviation et la longueur d’onde est à l’origine de la réfraction. Bien que la variation de n (donc de l’angle de transmission θ₂) en fonction de la longueur d’onde soit faible, elle est suffisante pour que la réfraction puisse parfois être visible. Un rayonnement lumineux que nous voyons « blanc », qui est un mélange d’une multitude de rayonnements de diverses couleurs (de longueurs d’ondes comprises entre 400 et 700 nanomètres), est décomposé en une multitude de rayonnements que nous voyons « colorés » lorsqu’il est soumis à la réfraction.

Remarque : Lorsque l'indice de réfraction n₂ est plus petit que n₁, ce qui est le cas lorsque l'on passe du verre à l'air, on peut dépasser une incidence nommée angle critique au-delà de laquelle l'onde réfractée sort du milieu et retourne dans le milieu d'origine. Il y a alors réflexion totale.

Décomposition d'une lumière blanche avec un prisme

Le rayonnement incident, qui apparait blanc, est composé d'une multitude de rayons visibles. On parle de rayonnement polychromatique. Celui-ci est décomposé par le passage d'un milieu d'origine (air ambiant) à un second milieu (le prisme). Les longueurs d'onde longues (rouge) sont moins déviées que les longueurs d'onde longues (bleu).

Diffusion de Mie et diffusion de Rayleigh

Lorsqu’une onde polychromatique (incluant plusieurs composantes lumineuses) traverse un milieu translucide, qu’il s’agisse d’un gaz, d’un fluide ou d’un prisme, ses composantes subissent des déviations de trajectoires plus ou moins importantes.

On parle de « diffusion de Mie » quand cette diffusion ne rend pas cette séparation des composantes visible. Lorsqu’une lumière incidente subit une diffusion de Mie, la lumière résultante se présente sous forme de brouillard. C’est ce qui se produit quand la lumière du soleil passe à travers un nuage. Le soleil n’est plus visible à travers le nuage, mais la lumière reste blanche.

On parle de « diffusion de Rayleigh » quand cette diffusion rend cette séparation des composantes visible. Lorsqu’une lumière incidente subit une diffusion de Rayleigh, la lumière résultante se présente comme nettement décomposée. C’est ce qui se produit quand la lumière du soleil passe à travers des gouttelettes de pluie et forme un arc en ciel. C’est aussi une diffusion de Rayleigh qui est à l’origine de la couleur bleue du ciel.

Les diffusions de Mie et de Rayleigh sont provoquées par la polarisation de la lumière. La polarisation de la lumière fait suite aux qualités ondulatoires de celle-ci (présentée dans le premier chapitre). La lumière, comme n’importe quelle onde électromagnétique, est un « champ électrique » tournant. Elle se propage de manière sphérique, par une multitude de composantes ondulatoires qui se propagent, vu d’un axe, comme ceci :

Chaque sinusoïde sur la photo ci-dessus représente une polarisation de l’onde, sur le plan sur laquelle elle se situe. La polarisation varie de manière sinusoïdale (à un nombre de fois par seconde correspondant à sa fréquence, sachant qu’elle réalise un cycle à toutes les distances qui correspondent à sa longueur d’onde). Dire qu’une onde est polarisée signifie qu’elle crée une différence de potentiel électrique dans l’espace (la section dédiée à l’électricité en dit plus sur la différence de potentiel électrique). Celle-ci contribue à décaler le nuage des électrons au sein des atomes qu’elle traverse. Ce décalage est d’autant plus grand que la longueur d’onde est petite.

La diffusion de Rayleigh

Le schéma ci-dessus indique grossièement ce qui se produit au niveau d'un atome quand il est traversé par une onde électromagnétique. Dans le premier cas, l'atome (qui peut également être une molécule) est de taille bien plus petite que la longueur d'onde de la composante lumineuse rouge qui le traverse. Aussi, au moment où celle-ci passe à proximité de l'atome, elle est dans un état de polarisation qui varie peu durant son passage.
La polarisation crée une différence de potentiel au niveau de l'atome, les protons du noyau (charge positive) étant attirés par les potentiels décroissants et les électrons (charge négative) étant attirés par les potentiels croissants. Le noyau, qui représente plus de 99,9% de la masse de l'atome, est « trop lourd » pour rester en mouvement. Le nuage des électrons, en revanche, est quant à lui attiré en direction des potentiels croissants formés par l'onde. Puisque ce sont les électrons des atomes qui sont responsable de la propagation de l'onde - par échanges de photons - cette propagation est légèrement décalée du centre du noyau de l'atome traversé.
Par exemple, si à un instant t, une onde est polarisée avec les potentiels croissants en direction du nord, les électrons sont à ce moment même attirés en direction du nord. Aussi, au niveau d'un atome, l'interception puis la réémission du photon se fera le plus probablement au nord du noyau. Aussi, à la suite d'une série d'échange de photons en cascade, d'atomes en atomes, les composantes de l'onde se retrouvent de plus en plus décalées de son axe.
Le phénomène s'amplifie d'autant plus que la polarisation est forte (d'autant plus que la différence de potentiel est d'amplitude élevée). La polarisation est d'autant plus forte que l'onde transporte d'énergie. L'onde transporte d'autant plus d'énergie que sa fréquence est élevée (E = h × f) ou bien que sa longueur d'onde est courte. Ainsi, le phénomène de décalage ou déviation d’axe d’origine est d'autant plus accentué que la longueur d'onde est courte.

Aussi, quand une onde polychromatique (par exemple de la lumière blanche) traverse un nuage d'atomes, celle-ci est décomposée :

Plus la longueur d'onde est courte (plus l'énergie est élevée), plus le rayon est dévié.

Plus la taille de la molécule est petite (notamment par rapport à la longueur d'onde), plus le rayon est dévié.

En fait, c'est un même phénomène qui est à l'origine des diffusions de Mie et de Rayleigh. Si une onde traverse une particule (un atome ou une molécule), si la particule est beaucoup plus grande que la longueur d'onde, plusieurs périodes se succèdent lors du passage de l'onde. Le tout donnant une valeur moyenne globalement proche du milieu de l'ondulation (ou de zéro). La particule est peu polarisée, le nuage d'électrons reste globalement centré sur le noyau et l'onde est peu déviée en cas d'absorption et réémission. Elle est d'autant moins déviée que la longueur d'onde est grande. Lorsque ce phénomène se produit à grande échelle, on assiste à une diffusion de la lumière au sein de laquelle les composantes se mélangent entre elles. Le phénomène s'accentue d'autant plus que la concentration ou densité des molécules est élevée. On assiste alors à une diffusion de Mie.

Si une particule est de taille à peu près égale à la longueur d'onde ou plus petite, au moment où elle est traversée par l'onde, l'onde se trouve à un moment précis de son ondulation. La valeur peut s'approcher, par exemple, du niveau maximum haut de la sinusoïde. La particule est polarisée, le nuage d'électrons est globalement décalé, et l'onde est déviée en cas d'absorption et réémission. Le phénomène se produisant à grande échelle (plusieurs milliards de milliards d'interactions), le rayon peut subir une déviation importante sur une longue distance. Elle est d'autant plus importante que la longueur d'onde est courte. On assiste alors à une diffusion de Rayleigh.

Sur la photo ci-dessous, une diffusion de Mie se produit à l'horizon où le ciel est chargé. En revanche, le ciel dégagé qui se trouve derrière le point de prise de vue permet le passage des rayons du soleil sans diffusion. Les molécules d'eau frappés par les rayons incidents se comportent comme des prismes isolés, et provoquent une diffusion proche de celle de Rayleigh.

La couleur du ciel

Dans l'espace, de très faible concentration (environ 3 atomes par mètre cube), aucune particule ne participe à la diffusion (ou déviation) de la lumière du soleil. Ainsi, le soleil apparait clairement et l'univers qui l'entoure nous apparait noir (sans diffusion de lumière), au même titre que la nuit.

Les particules de l'atmosphère sont de très petite taille. Elles génèrent ainsi une diffusion de Rayleigh. A midi, en cas de beau temps, les composantes ultraviolettes du soleil sont déviées au-dessus du ciel. Notre atmosphère nous protège ainsi des composantes hautement énergétiques (longueur d'onde très courte). Les composantes bleues du soleil (minoritaires) sont déviées au niveau du ciel, tandis que les composantes jaunes et rouges atteignent la surface. Raison pour laquelle nous voyons le ciel de couleur bleue, et pour laquelle nous voyons le soleil de couleur blanc chaud.

Le soir, le positionnement du soleil par rapport à nous, formant un axe « horizontal » par rapport à la surface de la Terre (tandis qu'il forme un axe « vertical » à midi), a pour conséquence une déviation des composantes bleues soit en direction du sol, soit au-dessus du ciel. Les composantes jaunes et rouges, elles, « rasent » le ciel pour venir jusqu'à nous. Ainsi, nous voyons de moins en moins de bleu et de plus en plus de rouge dans le ciel au fur et à mesure que la nuit approche.

Par temps nuageux, les molécules d'eau des nuages sont de plus grande taille que celles de l'air. On assiste dans ce cas non plus à une diffusion de Rayleigh mais à une diffusion de Mie. L'ensemble des composantes visibles sont diffusées en direction du sol, raison pour laquelle le ciel devient blanc ou gris.

La température joue également son rôle. Comme indiqué dans le chapitre dédié à l'incandescence, plus il fait chaud, plus les particules (atomes et molécules) de l'air sont mobiles. Plus celles-ci sont mobiles, plus les phénomènes de diffusion sont importants. Raison pour laquelle le ciel apparaît plus pur et bleu en hiver qu'en été.

En altitude, l'air est plus rare. Les phénomènes de diffusion sont moins massifs. Le ciel apparait ainsi plus « pur » et le bleu du ciel plus foncé.

En cas de pollution de l'atmosphère, la concentration plus élevée de molécules, parfois combinée à la hausse de la température provoquée par celle-ci, rend le ciel plus « blanc » qu'en temps normal.

Diffusion de Rayleigh

Diffusion de Mie

Par beau temps en fin d'après-midi, les composantes bleues sont diffusées en direction du ciel, tandis que les composantes jaunes et rouges sont diffusées en direction du sol. Raison pour laquelle le ciel est bleu et pour laquelle la lumière du soleil éclaire la surface d'une couleur jaune-orangée.

Par temps nuageux, les composantes subissent une diffusion de Rayleigh au-dessus des nuages. Les composantes vertes, jaunes, oranges et rouges qui se dirigent vers le sol sont diffusées et mélangées lorsqu'elles traversent les nuages. L'ensemble donne une lumière blanche. Une concentration élevée d'eau (« nuages noirs ») retient une partie de la lumière et le ciel s'assombrit.

Les chocs inélastiques

Les chocs inélastiques sont presque toujours à l’origine des couleurs des matériaux, tout du moins, celles que nous percevons. Ils sont notamment à l’origine de l’absorption de certaines composantes visibles quand un solide ou un gaz est éclairé.

Le comportement des matériaux expliqué par la théorie des bandes

Nous avons vu lors du premier chapitre qu’un atome isolé était caractérisé par des niveaux d’énergie. Ceci a pour conséquence de pouvoir associer à chaque atome un spectre lumineux.

De telles caractéristiques peuvent être étendues à tout un solide. Dans ce cas, les niveaux d’énergie sont démultipliés. Le solide est ainsi caractérisé, non plus par des niveaux d’énergies, mais par des « bandes d’énergie ». Chaque bande est délimitée par un niveau d’énergie minimum et un niveau d’énergie maximum. Le solide peut absorber et émettre des photons transportant une quantité d’énergie qui figure au sein de ces bandes. Il ne peut interagir avec les photons transportant une quantité d’énergie ne figurant pas dans une de ces bandes. Le chapitre sur les « bandes d’énergie » de la section « Atome » du site explicite plus en détail le phénomène.

Parmi ces bandes, deux sont particulièrement importantes : la « bande de valence » et la « bande de conduction ». Ce sont en effet les électrons transportant une quantité d’énergie situés dans la bande de valence qui interagissent principalement avec les rayons lumineux incidents. Ceux-ci sont appelés « électrons de valence ». Ceux-ci peuvent capter les photons incidents et passer alors à un niveau d’énergie situé dans la bande de conduction pour devenir « électrons libres ».

Cas des matériaux transparents

Ils sont les plus simples à décrire. Lorsqu’un rayon incident entre en contact avec un solide transparent « parfait », aucune composante visible n’est ni réfléchie, ni absorbée. Toute la lumière visible est transmise. Il est ainsi possible de percevoir la lumière qui se trouve derrière un carreau de verre lisse, un couvercle en plastique translucide, ou encore un aquarium d’eau.

Dans ce cas des solides transparents, le « gap » qui sépare les bandes de valence et de conduction est très important. Les photons transportant une quantité d’énergie associée à une longueur d’onde visible ne transportent pas assez d’énergie pour permettre à un électron de valence d'effectuer un saut et devenir électron libre. Les électrons de valence des atomes et molécules de ce solide n’interagissent pas avec les photons de la lumière visible.

Pour le verre, les quantités d’énergie minimales qui permettent aux électrons de valence de devenir électrons libres correspondent à des longueurs d’ondes situées dans l’ultraviolet. En conséquence, les atomes et molécules qui constituent le verre interagissent avec les rayons ultraviolets (ceux-ci sont réfléchis ou absorbés). Aussi, le verre est « transparent » pour les rayons visibles, mais forme un mur opaque pour les rayons ultraviolets. Raison pour laquelle il n’est pas possible, comme le dit l'adage, de « bronzer derrière une vitre ».

Transmission à travers une vitre

La photo a été prise en intérieur derrière une vitre. Ici, l'intégralité de la lumière du ciel et celle réfléchie par les plantes est transmise par la vitre. En revanche, les rayons ultraviolets ne sont pas transmis à travers celle-ci.

Dans la réalité, aucun solide n’est parfaitement transparent. Il contient toujours quelques impuretés qui réfléchissent ou absorbent les rayons visibles. Ces impuretés peuvent être des défauts de cristallisation dans le solide. Il peut s'agir de petites particules dispersées dans un solide ou dans un liquide, des agrégats de molécules qui se forment sous l’effet de l’agitation thermique dans les gaz et les liquides. C’est la raison pour laquelle :

La surface de l’eau ou d’une vitre est réfléchissante. La réflexion est principalement due aux différentes particules dispersées dans l’eau, ou impuretés incrustées dans le verre.

L’eau et le verre n’assurent pas une transmission parfaite. C'est d'autant plus visible si l'eau est en mouvement, ou si le verre n'est pas poli. Les impuretés empêchent en partie la transmission de la lumière.

Des impuretés, qui peuvent être incrustées naturellement ou artificiellement, peuvent également être à l’origine de la coloration de certains matériaux translucides. Ainsi, quelques ions de chrome (Cr³⁺) qui figurent dans l’émeraude, absorbent les rayons situés dans le bleu et le rouge, et assurent ainsi (par soustraction du bleu et du rouge) une coloration verte à celle-ci.

Cas des matériaux métalliques

Les métaux métalliques ont un comportement opposé à ceux des solides transparents. Les bandes de valence et de conduction se chevauchent. Il n'existe pas de gap obligeant les photons à transporter certaines quantités d’énergie pour interagir avec les atomes et molécules du solide. Les atomes métalliques sont de plus soudés entre eux par un « nuage » d’électrons libres répartis sur toute la surface et profondeur du solide.

Lorsqu’un rayon visible entre en contact avec un métal, celui-ci interagit avec les atomes et électrons libres de celui-ci dès qu’il entre en contact avec la surface. La lumière ne pénètre pas dans les métaux, elle est immédiatement réfléchie ou absorbée à la surface. Raison pour laquelle les métaux ont une surface généralement brillante et sont opaques. Les photons incidents sont captés par les électrons des atomes à la surface. Les électrons se retrouvent dans un état excité. Ceux-ci peuvent se désexciter de deux manières :

En libérant l’énergie en excès par l’émission d’un photon (réfléchi). Ce photon peut ou bien être absorbé par un atome voisin dans le matériau, ou bien être émis hors du solide. Dans le premier cas, un courant électrique se forme, on parle « d’effet photo-électrique ». Dans le second cas, la lumière est réfléchie à la surface du solide, on parle « d’émission stimulée ».

En libérant l’énergie en excès par transmission d’énergie cinétique (mouvement) à l’atome. La lumière est alors absorbée, et le mouvement de l’atome s’amplifie, et contribue à une hausse de la température au sein du solide.

Dans le cas d’une émission stimulée, il s’agit d’un choc élastique qui obéit à la première loi de Snell-Descartes.

La plupart des métaux, comme l’argent ou l'aluminium, ont des niveaux d’énergie uniformément répartis dans tout le visible. Les composantes visibles interagissent toutes à proportions égales. Le métal apparaît ainsi sans couleur, neutre, « argenté ». D’autres métaux, comme le cuivre et l’or, ont une distribution des niveaux d’énergie irrégulièrement répartie. Les photons qui transportent une quantité d'énergie associée aux courtes longueurs d'onde visibles (bleues) ont moins d’interactions avec les électrons que les photons associée aux longues longueurs d'onde visibles (jaune et rouge notamment). Une partie des photons bleus pénètrent légèrement dans l’or et le cuivre, tandis que les photons jaune et rouge sont immédiatement absorbés et réémis par la surface. Ces métaux nous paraissent donc colorés, de couleur « dorée » pour l’or et de couleur « ocre » pour le cuivre. Du fait des faibles interactions entre la lumière bleue et l’or, une fine feuille d’or peut être traversée par la lumière bleue. Une feuille de papier aluminium, quant à elle, reste opaque dans tous les cas.

Réflexion de l'or et de l'argent

L'argent réfléchit l'ensemble des composantes dans les mêmes proportions. Il apparait de couleur neutre. L'or réfléchit plus facilement les composantes à bas niveaux d'énergie (rouges et jaunes) que celles à haut niveau (vert et bleu). Il apparait de couleur dorée.

Cas de la matière colorée

La plupart des matériaux ont un comportement intermédiaire entre celui des métaux, qui réfléchissent et absorbent (presque) toute la lumière depuis leur surface, et celui des solides transparents, qui transmettent (presque) toute la lumière sans la réfléchir ni l’absorber.

D’une manière générale, la constitution des solides que nous saisissons au quotidien est très diversifiée. Elle est faite de nombreuses associations d’atomes et de molécules, diverses et variées. De plus, le positionnement et l’orientation de ceux-ci forment un ensemble de réseaux cristallins répartis de manière aléatoire et désordonnée (les réseaux ne sont pas parallèles). Ainsi, l’intérieur de la section d’un tronc d’arbre ou d’une simple planche en bois s’apparente plus à un tas de débris miniaturisées qu’à une pile de jaquettes de DVD qui s’empilent parfaitement les unes sur les autres et les unes à côté des autres. La « zone de rencontre » entre deux différents réseaux cristallins est appelée un « joint de grain ».

Les « corps blancs »

Un « corps blanc » parfait capte l’intégralité des rayons visibles (photons associés à une longueur d’onde visible) qui le percutent et les réfléchit intégralement. Aucun rayon n’est transmis ni absorbé. Un tel corps n’existe pas dans la réalité. Toutefois, tous les objets et solides « blancs » que nous possédons et saisissons, d’une feuille de papier à une assiette de porcelaine, adoptent un comportement proche d’un « corps blanc ».

Dans le cas d’un tel matériau, une grande partie des « photons visibles » sont captés par les atomes (électrons) de celui-ci. Les électrons se désexcitent tous par l’émission d’un photon réfléchi. Aussi, les réflexions successives qui se produisent sont principalement de nature « élastique ». Localisés au niveau d’un réseau cristallin, ils obéissent à la loi de Snell-Descartes. Mais la structure désordonnée entre l’ensemble des réseaux moléculaires au sein du matériau aboutit à une diffusion des rayons réfléchis dans tous les sens à l’intérieur du solide. Une partie de ces rayons réfléchis repasse à travers la surface. Ceux-ci sont diffusés vers l’extérieur. On assiste alors à une diffusion désordonnée des rayons réfléchis dans tous les sens depuis la surface du matériau. On assiste alors à une « réflexion diffuse », comme illustrée sur le schéma ci-dessous :

La notion de « corps blanc » n’est pas employée par les physiciens (je l’ai utilisée dans un souci de clarification). Il est plus juste de parler de « corps neutre ». Un tel solide n’émet pas nécessaire du blanc. Il se contente plutôt de réémettre la lumière par laquelle il est éclairé. Aussi, une feuille de papier apparait blanche lorsqu’elle est éclairée par la lumière (blanche) du soleil, mais elle apparait jaune lorsqu’elle est éclairée par de la lumière jaune, elle apparait rouge lorsqu’elle est éclairée par de la lumière rouge, et ainsi de suite…

Les « corps noirs »

Un « corps noir » parfait capte l’intégralité des rayons visibles (photons associés à une longueur d’onde visible) qui le percutent et les absorbe intégralement. Aucun rayon n’est transmis ni réfléchi. Un tel corps n’existe pas dans la réalité. Toutefois, tous les objets et solides « noirs » que nous possédons et saisissons adoptent un comportement proche d’un « corps noir ».

Dans le cas d’un tel matériau, une grande partie des « photons visibles » sont captés par les atomes (électrons) de celui-ci. Mais cette fois, la lumière n’est pas réfléchie. Les électrons se désexcitent généralement en cédant leur énergie accumulée sous forme de quantité de mouvement (énergie cinétique) à l’atome. Ce phénomène, lorsqu’il se réalise à grande échelle, contribue à la mise en mouvement des particules au sein du solide et à une hausse de la température de celui-ci. Raison pour laquelle, dans notre quotidien, les matières noires chauffent plus que les matières blanches quand elles sont exposées au soleil.

Les « corps gris »

Un « corps gris » (parfait) se comporte comme un « corps blanc » (parfait) et un « corps noir » (parfait) selon la longueur d’onde du photon incident. Un matériau que nous voyons rouge lorsqu’il est éclairé par le soleil se comporte comme un « corps blanc » pour les composantes rouges de la lumière du soleil et comme un « corps noir » pour les autres composantes. Les objets ayant une couleur uniforme peuvent être considérés comme des « corps gris » :

La matière colorée

Dans la réalité, tout ce qui nous entoure est constitué d'associations de molécules qui forment un assemblage, un mélange, un alliage, dont les éléments se comportent comme des corps transparents, métalliques, des corps blancs, noirs ou gris. Ainsi, le tableau d'un peintre doit son aspect aux différents pigments que contiennent les différents coloris de peintures utilisés, mais aussi à la couleur et à la nature de la surface sur laquelle l'œuvre est peinte. Une fresque, peinte sur de la pierre, n'a pas le même aspect qu'un tableau peint sur une toile.

Dans le cas d’une plante verte, lorsqu’elle est éclairée au soleil, la chlorophylle absorbe l’énergie des composantes bleues et rouges dans le cadre de la photosynthèse. Cette dernière interagit beaucoup moins avec les composantes vertes (les composantes vertes sont aussi absorbées en grande partie par la chlorophylle, mais en moins grandes proportions que le rouge et le bleu). Les rayons qui ne sont pas absorbés par la chlorophylle forment un ensemble constitué d’une majorité de composantes vertes. Ceux-ci sont réfléchis par les autres molécules de la plante, qui se comporte comme un « corps blanc » avec cet ensemble. Ainsi, lorsqu'elles sont éclairées au soleil, les plantes génèrent une réflexion diffuse en majorité constituée de vert, raison pour laquelle celles-ci nous apparaissent vertes.

Cas de la matière fluorescente

Quand un matériau absorbe des photons d'une lumière incidente, les électrons responsables de l'absorption deviennent excités. La désexcitation des électrons est majoritairement spontanée. Cette désexcitation peut aussi se réaliser de manière progressive. Depuis son niveau d’énergie d’excitation, l’électron excité peut passer par une série de paliers de niveaux d’énergie autorisés avant de se retrouver à son niveau d’énergie initial (désexcité).

Une telle désexcitation par paliers se traduit par l’émission de plusieurs photons transportant chacun une quantité d’énergie inférieure à celle transportée par le photon incident (associée à une longueur d’onde plus grande). Par exemple, lorsqu’un électron capte un photon de longueur d’onde de 400 nanomètres (couleur bleue), il peut être désexcité en émettant deux photons de longueur d’onde de 800 nanomètres (infrarouge).

La désexcitation par paliers peut également combiner des désexcitations radiatives et thermiques. Dans ce cas, une partie de l’énergie cédée sous forme d’énergie cinétique et une autre réémise sous forme de photons transportant une quantité d’énergie inférieure à celle transportée par le photon incident.

La fluorescence et la phosphorescence se produisent lorsqu’un matériau absorbe des photons transportant une certaine quantité d’énergie et lorsque celui-ci réémet des photons transportant une quantité d’énergie inférieure.

Parfois, la fluorescence peut convertir des rayons non-visibles en rayons visibles. Le phénomène se produit lorsqu’un matériau fluorescent ou phosphorescent capte des rayons ultraviolets. Ces rayons non-visibles sont plus énergétiques que les rayons visibles. Ainsi, lorsqu’une molécule fluorescente capte un photon d’énergie associée à une longueur d’onde ultraviolette, une partie de l’énergie est cédée à la molécule sous forme de chaleur. L’énergie restante est réémise sous forme de photon d’énergie associée à une longueur d’onde visible.

Lumière noire et matières fluorescentes

Vous avez probablement déjà remarqué, lorsque vous êtes allés en boite de nuit ou dans un bowling, cet éclairage bizarre qui fait péter de lumière vos lacets blancs, votre chemise, les motifs de votre T-Shirt voire, plus embêtant, les pellicules qui se sont déposées à votre insu sur votre veste noire. Les techniciens parlent très souvent de « lumière noire ». La lumière noire n'est rien d'autre qu'une émission de rayons ultraviolets. Utilisée dans une salle, elle se réfléchit sur tous les objets qui contiennent matériaux fluorescents. Ces matériaux convertissent une partie de l'énergie reçue en chaleur et réémettent le reste sous forme de lumière visible. Elle est également utilisée pour contrôler la validité des billets de banque. Ces derniers contiennent des petites paillettes fluorescentes qui réfléchissent leur couleur propre à partir des rayons ultraviolets.

Le phénomène peut également aboutir à la l’absorption d’un rayon visible et la réémission d’un rayon visible moins énergétique. Par exemple, quelques ions de chrome (Cr³⁺) figurent dans le rubis, comme pour l’émeraude. Ceux-ci absorbent les rayons situés dans le bleu et le rouge, et devraient assurer aussi (par soustraction du bleu et du rouge) une coloration verte à celui-ci. Mais la réémission des composantes initialement vertes est précédée d’un phénomène de fluorescence, qui déplace celles-ci du vert vers le rouge (déplacement de Stokes, du vert vers une couleur moins énergétique, le rouge). Ces deux phénomènes combinés assurent une coloration rouge au rubis.

Cas des liquides

Dans un fluide, les molécules sont, comme dans un solide, liées entre elles. La liaison entre les molécules est cependant plus faible. Le comportement de la lumière dans un milieu liquide reste toutefois similaire à celui qui se produit dans un milieu solide. Dans le cas d’un métal, il peut se retrouver à l’état liquide lorsqu’il est porté à sa température de fusion. Toutefois, un même métal garde un comportement similaire qu’il soit à l’état solide ou à l’état liquide (phénomènes liés à l’incandescence exclus). Lorsque l’on fait fondre de l’étain avec un fer à souder, celui-ci conserve la même couleur.

L’eau pure est isolante, c’est à cette propriété qu’est dû son aspect translucide (la conductivité de la plupart des bassins d'eau est due aux impuretés de l'eau, c'est à dire au nombreuses mollécules diverses et variées qui s'y trouvent). La plupart des fluides sont constitués d’une part plus ou moins importante d’eau, dans laquelle baigne de nombreuses molécules colorantes. Ces mélanges peuvent être naturels ou artificiels :

Le sang est à plus de 50% composé d’eau. La couleur rouge du sang des mammifères est due à la présence d’hémoglobine (substance à base de fer) à la surface des hématies (globules rouges). Le sang des invertébrés est souvent bleu-vert, il est dû à la présence d’hémolymphe voire d’hémocyanine (substance à base de cuivre).

Le lait est à environ 85% composé d’eau. La couleur blanche de celui-ci est due aux matières grasses qu’il contient. Plus le lait est écrémé, moins son aspect est opaque.

Le vin est à environ 85% composé d’eau. La couleur du vin rouge est principalement due à la présence de marc de raisin (lequel comporte de nombreux tanins, responsable de la coloration), qui n’est pas conservé pour le vin blanc.

De nombreuses matières liquides sont des mélanges d’eau et de particules solides. C’est le cas des peintures, des enduits et différentes pâtes. Ces matières sont plus ou moins visqueuses en fonction de leur teneur en eau, et se retrouvent à l’état solide une fois que l’eau est vaporisée (après avoir séché). La couleur d’une peinture est due à la coloration des pigments (solides) qui sont introduits dans le mélange.

Les mélanges à base d’huiles se comportent généralement comme les mélanges à base d’eau en ce qui concerne la lumière. Les matières grasses sont généralement isolantes et en conséquences translucides.

La couleur du miel dépend principalement de la proportion de fructose et de glucose dans celui-ci. La cristallisation du glucose est plus rapide que celle du fructose. Les miels qui contiennent beaucoup de glucose sont rapidement visqueux et opaques, tandis que ceux qui contiennent plus de fructose restent liquides plus longtemps.

Les nombreuses impuretés qui s’introduisent dans une huile sont responsables de sa coloration. Une huile moteur est globalement translucide quand elle est en bidon. Elle se mélange avec les dépôts à l’intérieur du moteur (de couleur noire) durant l’utilisation du véhicule. Elle ressort noire et plus visqueuse lors d’une vidange moteur.

Cas des gaz

Nous avons vu lors du premier chapitre qu’un atome isolé était caractérisé par des niveaux d’énergie, et que ceci avait pour conséquence de pouvoir associer à chaque atome un spectre lumineux (d’émission et d’absorption).

De telles caractéristiques peuvent être étendues aux molécules d'un gaz. Lorsqu’une lumière incidente pénètre dans un milieu gazeux, certaines composantes (qui ne font pas partie du spectre lumineux) ne subissent pas l’influence des molécules de gaz. Les composantes qui font partie du spectre lumineux sont quant à elles captées par les molécules. Certaines sont converties en chaleur tandis que d’autres sont réémises dans toutes les directions de l’espace. On observe ainsi une diffusion de lumière. La couleur générale perçue est une addition de toutes les composantes du spectre lumineux des molécules de gaz du milieu traversé.

On observe sur la photo ci-dessous que lorsque l’on brûle un gaz, une émission de lumière par incandescence se produit :

La partie bleue de la flamme est produite par combustion du CO2 en sortie du bec.

La partie vive de la flamme est produite par incandescence. Une partie de l’énergie thermique est convertie en énergie électromagnétique (photons). Ceux-ci sont principalement de longueur d’onde associée au spectre lumineux des molécules du gaz.

Le sommet de la flamme est plus foncé car la température y est moins élevée. La quantité de lumière émise baisse.

Test de flamme

Chaque élément chimique est doté de qualités intrinsèques qui lui permettent d'émettre une lumière d'une certaine couleur quand il est porté à combustion. Cette lumière varie en fonction de la température. Il est possible d'avoir un aperçu de cette propriété à travers un test de flamme. Cette propriété est très largement utilisées pour la conception des lampes à halogénures métalliques et même des lampes à décharge d'une manière générale.

Association lumière et matière

La couleur d’une source lumineuse fait partie de ses propriétés intrinsèques. Elle dépend directement de la longueur d’onde ou des longueurs d’ondes des composantes faisant partie du rayonnement. Dans le cas de la matière, la couleur perçue dépend à la fois :

Des propriétés intrinsèques de la matière.

De la nature de la lumière par laquelle la matière est éclairée.

L’exemple le plus simple concerne les objets de « couleur blanche ». Il serait plus juste de parler de « couleur neutre ». Un « mur blanc » n’apparait blanc que s’il est éclairé par une lumière blanche. En revanche, il apparait bleu s’il est éclairé par une lumière bleue, rouge s’il est éclairé par une lumière rouge, etc…

Rendu des couleurs et lampes à Sodium Basse Pression

Les murs du tunnel sur la photo ci-dessus apparaissent gris-clair en plein jour. Ils apparaissent jaunes-orangés quand ils sont éclairés par des lampes à Sodium Basse Pression. Celles-ci ont la particularité d'émettre une lumière quasi-monochromatique, c'est à dire qui ne comporte presque que des composantes lumineuses situées dans le jaune-orangé.

D’une manière générale, la couleur des objets est d’autant mieux perçue que la lumière est riche en termes de composantes lumineuses :

On parle généralement d’IRC (Indice de Rendu des Couleurs) pour une source lumineuse. L'indice maximum, Ra=100, correspond à une lumière blanche « idéale » telle que la lumière du soleil. L’indice Ra=0 correspond à une lumière monochromatique, tel qu’un laser, qui ne permet aucune distinction des couleurs entre elles. Lorsque l'IRC d'une source lumineuse est élevée, les couleurs réfléchies par chaque éléments du décor restent diversifiées :

Sources lumineuses avec IRC élevés

La photo de gauche montre un espace éclairé avec des lampes Metal Halide (à Iodures Métalliques), teinte blanc chaud. Ces lampes, pour la plupart des modèles, ont un IRC proche de 90.

La photo de droite montre un espace éclairé avec des tubes fluorescents, température de couleur de 4000°K. Ces lampes, pour les modèles de bonne qualité, ont un IRC proche de 90.

Dans les deux cas, les couleurs du décor éclairé restent aisément perceptibles.

Lorsque l'IRC d'une source lumineuse est faible, les couleurs réfléchies par chaque élément du décor sont beaucoup plus homogènes. Le décor apparait d'une couleur générale qui est celle de la source lumineuse :

Sources lumineuses avec IRC faibles

La photo de gauche montre un espace éclairé avec des lampes Ballon Fluorescent. Ces lampes ont un IRC proche de 50. La couleur verte de la végétation reste nette parce que ces lampes émettent une lumière riche en composantes vertes. La couleur des autres éléments est plus difficilement perceptible.

La photo de droite montre un espace éclairé avec des lampes à vapeur de sodium sous haute pression. Ces lampes ont un IRC proche de 20. La couleur rouge de la borne reste perceptible parce que ces lampes émettent une lumière riche en composantes jaunes et rouges. La couleur des autres éléments est quasiment imperceptible.

En conclusion, il est essentiel de retenir que l'apparence d'un décor est le résultat d'une intéraction lumière - matière. Il dépend d'une combinaison entre les composantes lumineuses de la source et les propriétés intrinsèques de chaque élément du décor.

L’œil humain

Constitution de l'œil humain

La vue est la conséquence d'une rencontre entre un rayon électromagnétique « visible » et au moins l'un de nos yeux. Lorsqu'un rayon lumineux entre en contact avec notre œil, il effectue le voyage suivant :

Il arrive droit dans l’œil et suit ensuite la courbe de la cornée.

L’iris, la partie colorée de l’œil, régule la quantité de lumière autorisée, en se contractant plus ou moins.

Cette quantité choisie traverse la pupille, rond noir au centre de l’iris.

Elle traverse le cristallin, une sorte de gélatine transparente, qui renvoie l’image inversée sur la rétine.

La rétine, faite de cellules sensibles à la lumière reçue, décompose les couleurs et les formes.

L’ensemble est transmis au cerveau par le nerf optique, qui remet l’image à l’endroit, place les couleurs, formate les trois dimensions de notre vision.

Le spectre visible

La lumière désigne un « rayonnement électromagnétique visible par l'œil humain ». L'œil humain est capable de percevoir des ondes électromagnétiques d'une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nanomètres environ (cette fourchette varie très légèrement en fonction des individus). On présente généralement le « spectre visible » comme ceci.

Les cellules photosensibles de l'œil

Comme indiquées dans le paragraphe précédent, les cellules photosensibles sont situées dans la rétine de chaque œil. Parmi elles, on distingue les cônes et les bâtonnets.

Les bâtonnets constituent près de 95% des cellules photoréceptrices. On en compte environ 90 millions par rétine. De forme allongée, ils permettent la vision scotopique, c'est à dire la vision avec une luminosité faible. Il n'existe qu'un seul type de bâtonnet. Une vision purement scotopique serait perçue en « noir et blanc » (nuances de gris). Ainsi, l'homme peut toujours voir dans les espaces sombres, mais les couleurs y apparaissent beaucoup moins nettes. Les bâtonnets perçoivent des rayonnements de longueur d'ondes comprises entre 400 et 600 nanomètres environ.

Les cônes constituent les 5% restants des cellules photoréceptrices. On en compte environ 4,5 millions par rétine. Ils permettent de voir le monde en couleurs. Bien qu'il perçoive une immense variété de couleurs différentes, l'homme ne possède que trois types de cônes : les cônes cyanolabes ou cônes B sensibles aux basses longueurs d'ondes (longueur d'ondes autour de 437 nm), les cônes chlorolabes ou cônes V sensibles aux radiations de moyennes longueurs d'ondes ou cônes (longueur d'ondes autour de 533 nm), et les cônes érytholabes ou cônes R sensibles aux radiations de grandes longueurs d'ondes (longueur d'ondes autour de 564 nm).

L'association des trois types de cônes permet à l'homme de percevoir un grand nombre de couleurs. Par association avec les informations reçues par les trois types de cône, le cerveau peut en déduire une infinité de variantes de couleurs. On peut également noter que la sensibilité de l’œil humain n’est pas équivalente pour toutes les longueurs d’ondes visibles. Elle est maximale pour les composantes « vertes » et « jaunes » par association des cônes V et R. Elle reste bonne pour les composantes « bleues » grâce aux cônes B, elle est minimale pour les composantes « rouges » de longueur d’onde supérieure à 650 nanomètres. La longueur d’onde la mieux perçue par l’œil humain est celle de 555 nanomètres.

Le nombre de cônes et de bâtonnets varient en fonction des espèces. Les canidés et les félins possèdent moins de cônes que les humains. Les études semblent également montrer que ceux-ci ne possèdent que des cônes B et R. Ils ont en conséquence une perception différente de la nôtre, moins colorée. Les oiseaux ont en revanche plus de cônes et ont en conséquence une vision plus haute en couleurs. Quant aux daltoniens, un groupe de cônes de leur rétine est déficient (généralement les cônes V ou R).

Les ondes non-visibles

Concernant les ondes qui ne sont pas comprises dans l'intervalle 400 à 700 nanomètres :

Les ondes électromagnétiques de longueur d'onde supérieure à 700 nm qui suivent le spectre visible sont appelées « rayons infrarouges ». Non perçus par l'œil humain, ils peuvent en revanche l'être par de nombreux appareils, dont les caméras infrarouges, utilisées pour filmer une vidéo dans le noir (dans un espace où un être humain ne perçoit pas de lumière mais où sont émis et réfléchis des rayons infrarouges). On appelle généralement rayons infrarouges les ondes électromagnétiques de longueur d'onde comprise entre 700 nm et 1 mm. Les ondes de longueur d'onde plus élevées sont quant à elles utilisées par les appareils de télécommunication (radars, radio, télévision, etc...).

Les ondes électromagnétiques de longueur d'onde inférieure à 400 nm qui suivent le spectre visible sont appelées « rayons ultraviolets ». Plus la longueur d'onde est petite, plus la fréquence de l'onde électromagnétique est élevée (λ = c / f) de même que son énergie (E = h × f). Il s'agit de rayons énergétiques qui peuvent s'avérer particulièrement dangereux lorsque le corps humain y est exposé. Entre 400 nm et 1 nm, on parle de rayons ultraviolets. Viennent ensuite, pour les longueurs d'onde encore plus basse (et niveaux d'énergie encore plus hauts), les rayons X, puis les rayons Gamma.

Et le cerveau dans tout cela ?

Nos yeux n’assurent que le rôle de photorécepteur. Ils se content de détecter des rayons électromagnétiques de longueur d’onde comprises entre 400 et 700 nanomètres, et de transmettre l’information au cerveau. Notre cerveau se charge par la suite de traiter l’information.

On estime que nos cinq sens nous bombardent de 2 milliards de fragments d’informations par seconde, tandis que notre conscience ne peut en traiter à tout moment qu’entre 5 et 9. Pour préserver notre santé mentale, ce déluge d’informations est filtré par un réseau de neurones afin qu’une seule minuscule partie de ces informations parvienne à notre cerveau. Ce processus de filtrage est propre à chaque individu. Il est influencé par nos valeurs, nos croyances, nos souvenirs, nos décisions, nos expériences, notre bagage culturel et social. Nous n’assimilons que le contenu pour lequel nos filtres sont paramétrés. Les informations recueillis par nos yeux ne sont ainsi qu’une partie des sensations que nous procurent notre vue. Par exemple, que voyez-vous exactement sur la photo ci-dessous ?

Vos yeux voient tout. Absolument tout. Votre cerveau, quant à lui, se charge de ne retenir que les images qui sont réellement importantes pour vous.

Une ruelle de Reims

A quelle catégorie de personnes appartenez-vous ? Ceux qui repèrent en priorité la cathédrale de Reims en arrière plan ? Ceux qui repèrent les voitures qui sont garées ? Ceux qui repèrent les arbres qui sont plantés ? Ceux qui repèrent les pavés ? Peut-être faites vous partie, comme moi, de cette infime partie de la population qui repère immédiatement le luminaire MAZDA Comète P qui éclaire la ruelle photographiée…

Conclusion

Les humains comme les autres espèces se servent de leurs yeux de façon innée. Rares sont les êtres vivants qui se doutent que ce qu’ils voient le résultat d'une quantité colossale d'interactions extrêmement complexes. Celles-ci impliquent des milliards de milliards d'échanges d'énergie entre les particules, la température ambiante, la nature des matériaux, la constitution de nos yeux ainsi que la psychologie des individus. La lumière est un phénomène fascinant qui nécessite, pour comprendre sa nature, de se pencher sur des phénomènes d’ordre physique, chimique et biologiques. En espérant avoir réussi à « éclairer vos lanternes », je vous propose de me contacter par e-mail si vous avez des questions ou des remarques.