La genèse des couleurs, un dialogue entre lumière et matière

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• Publié par: mimytitesouris
• Publié le: 31 août 2013
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• Langue: Français

Extrait

LA GENESE DES COULEURS,
UN DIALOGUE ENTRE LUMIERE ET MATIERE

La lumière joue dans notre vie un rôle essentiel : elle intervient dans la plupart de nos activités. Les Grecs de l’Antiquité le savaient bien déjà,
eux qui pour dire « mourir » disaient « perdre la lumière ».
Louis de Broglie, 1941

Qu’est-ce que la lumière ?

Comparer la lumière à des gouttes de pluie est une belle métaphore pour illustrer le fait que la lumière, ce flux
de vagues électromagnétiques qui nous apparaît continu, est également constitué de grains d’énergie, les
photons. Gouttes et vagues, photons et ondes, sont les deux facettes indissociables de la lumière. Impossible
d’interpréter tous les phénomènes lumineux si on se limite à un seul de ces aspects.
Les physiciens ont mis du temps à accepter cette double identité de la lumière, à la fois photon et onde.
Paradoxalement, alors que l’identité corpusculaire allait devenir la plus difficile à établir (elle ne le
sera qu’au XXe siècle), c’est d’abord elle qui est apparue sur le passeport de la lumière, dès
l’Antiquité, avant d’être reprise par Isaac Newton au XVIIe siècle.
Isaac Newton (1642-1727) est le père de la mécanique moderne, ayant notamment établi
l’existence d’une interaction gravitationnelle entre deux particules pourvues d’une masse.
C’est donc tout naturellement qu’il se sert de cette interaction fondamentale pour
proposer une interprétation de ses expériences sur la matière.
Selon lui, la lumière est constituée de corpuscules très rapides, qui, lorsqu’elles atteignent
le fond de l’œil, engendrent des vibrations qui sont transmises au cerveau. Les sensations de
couleur dépendent alors de la masse de ces corpuscules : rouge pour les plus lourds, et violet
pour les plus légers.
Toujours selon Newton, le phénomène de réfraction observé lors du passage du prisme s’explique alors par
une interaction gravitationnelle entre ces corpuscules et la matière constituant le prisme. Les corpuscules les
plus légers sont le plus déviés, alors que les plus lourds sont les moins déviés.
L’intention de Newton était proche de la définition corpusculaire de la lumière telle que nous la connaissons
actuellement :
Une lumière est constituée de particules appelées photons. Toutefois, les photons sont immatériels, car sans
masse.

A l’époque, la théorie de Newton atteint toutefois rapidement ses limites. Une description corpusculaire de la
lumière ne permettait pas d’expliquer des phénomènes tels que les irisations sur une bulle de savon ou la
couleur des ailes des papillons. C’est en cherchant à percer ces mystères que les physiciens du XIXe siècle ont
été conduits à reprendre l’hypothèse formulée par Christiaan Huygens en 1690.

Quelques années avant les travaux de Newton, le physicien néerlandais Christiaan Huygens
(1629-1695) avait proposé une autre interprétation pour expliquer les phénomènes de
réfraction et de réflexion. Il comparait la lumière au son et avait émis le principe suivant :
la lumière est un phénomène vibratoire qui se propage par ondes. Huygens démontra que
la vitesse de la lumière est plus grande dans l’air que dans l’eau. Il parvint ainsi à concilier
le trajet rectiligne de la lumière dans un milieu homogène et la propagation des ondes, et
était en accord avec les lois de Descartes établies quelques décennies plus tôt.
Ainsi, ces travaux permirent au physicien français Augustin Fresnel de publier en 1816 la
première théorie complète de l’optique ondulatoire, grâce à laquelle il parvint à expliquer quantitativement les
phénomènes cités précédemment.



Les travaux de James Clerk Maxwell, en 1865, et de Heinrich-Rudolf Hertz en 1885 ont ensuite donné la
définition ondulatoire de la lumière telle que nous la connaissons aujourd’hui :
Une lumière est constituée d’ondes électromagnétiques (OEM). Chacune de ces OEM est une radiation que l’on
peut caractériser par sa longueur d’onde  (distance entre les crêtes de l’onde), mesurée en mètres, et sa
fréquence f (nombre d’oscillations complètes par seconde), mesurée en hertz.

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Rq : Les fréquences visibles, entre 4.10 Hz (rouge) et 8.10 Hz (violet), ne représentent qu’une infime
partie des ondes électromagnétiques : infrarouge, UV, rayons X ou rayons gamma sont autant de
gammes d’ondes électromagnétiques non perçues par l’œil.



Origine des couleurs
Une même couleur peut provenir de corps ou de matières très divers. Ainsi, le bleu se retrouve-t-il dans le ciel,
dans la flamme bleue d’un bec Bunsen, dans les ailes d’un papillon morpho ou encore dans l’aspect bleuté de
certaines étoiles…
A première vue, les phénomènes physiques qui enfantent les couleurs paraissent d’une variété infinie, mais en
réalité, on peut les classer selon différents groupes.
Certaines couleurs ont une origine physique. Leur émission ne dépend que de paramètres physiques tels que la
température ou la structure du corps qui les émet. On utilise une approche ondulatoire pour les interpréter.
D’autres couleurs ont une origine chimique. Leur émission dépend de la nature des atomes et molécules
constituant le corps qui les émet. On utilise une approche corpusculaire pour les interpréter.
schéma p.25
Rq : D’autres classements sont possibles, notamment en fonction de la source lumineuse. Ainsi, une source
primaire de lumière est un corps qui est vu car il émet lui-même de la lumière, alors qu’une source
secondaire de lumière est un corps qui n’est vu que parce qu’il interagit avec de la lumière.


Couleurs physiques
1. UNE COULEUR DEPENDANT DE LA TEMPERATURE
a. Rayonnement thermique
Tout objet émet un rayonnement en raison de sa température. Ce rayonnement se fait généralement dans le
domaine des infra-rouges. Cependant, lorsqu’on l’échauffe et que sa température augmente, et son
rayonnement s’enrichit en radiations de longueurs d’onde de plus en plus faibles, jusqu’à émettre de la lumière
visible.
b. Concept de corps noir
Pour expliquer le rayonnement thermique, le physicien allemand Gustav Kirchhoff (1824-1887) introduit le
concept de corps noir. Il s’agit d’un corps idéal, capable d’absorber intégralement tous les rayonnements,
quelle que soit leur longueur d’onde, et qui émet toutes les longueurs d’onde lorsqu’il est chauffé. Son
spectre d’émission est continu et ne dépend que de la température.
L’objet réel qui se rapproche le plus de ce modèle est l’intérieur d’un four. c. Loi de Wien
Le rayonnement émis par un corps noir est caractérisé par plusieurs lois
établies expérimentalement, dont la loi de Wien (établie par Wilhelm Wien,
physicien allemand (1864-1928, prix Nobel de physique en 1911). L’intensité
du rayonnement émis n’est pas uniforme, mais dépend de la longueur
d’onde. Elle passe par un maximum à une longueur d’onde inversement
proportionnelle à la température du corps noir :



Rq : T s’exprime en Kelvin (T = T + 273) K °C
La constante k est indépendante de la nature du corps noir :
-3
k = 2,897.10 m.K
L’étude du spectre d’émission thermique d’un objet permet donc d’en estimer la température (  ) et la max
couleur perçue (allure globale).
Par exemple, la forme du spectre solaire est voisine de celle d’un corps noir à 5800 K.
d. Conséquences : Comment reconnaître un bon maréchal-ferrant ?
En extrapolant à partir de la loi de Wien, on peut établir un lien entre la couleur d’un objet incandescent et sa
température. Ainsi, une observation attentive du ciel nocturne permet de distinguer des étoiles rougeâtres,
dont on peut estimer la température de surface entre 2000 et 3000 K, et des étoiles bleutée,
dont on peut estimer la température de surface à plus de 25000 K.
Dans un autre registre, la qualité d’un fer à cheval dépend fortement de la température à
laquelle il a été chauffé avant de ferrer l’animal. U