Mots-clés

couleur métaux métal cristaux pierre précieuse réflexion spéculaire réflexion diffuse diffusion réfraction transmission phosphorescence fluorescence phosphorescent fluorescent triboluminescence thermoluminescence couleur de diffraction couleur interférentielle interférence diffusion Rayleigh couleur du ciel bleu du ciel couleur du couchant éclispe de lune arc-en-ciel théorie des bandes bande de conduction bande de valence source secondaire

La nature de la lumière émise par les objets qui nous entourent

  • Certains objets émettent de la lumière par eux-même, en l'absence de source lumineuse extérieure, comme les lampes, le soleil, les étoiles, etc... : ce sont des sources lumineuses primaires
  • Les autres (le cas de la phosphorescence est un peu particulier) ne sont lumineux que s'ils sont éclairés, ce sont ces sources lumineuses secondaires que nous voulons étudier ici.

Sources lumineuses secondaires

La plupart des objets que nous rencontrons dans la vie courante sont des sources lumineuses secondaires. Les origines de la couleur de ces objets peuvent être très variées, comme l'illustrent les photos ci-dessous.



Cas général : transmission, réflexion spéculaire et réflexion diffuse dans un objet non cristallin

Lorsqu'un objet est éclairé, la lumière qui arrive à l'observateur peut provenir de différentes origines. Il peut s'agir, si l'objet n'est pas opaque, de lumière qui a traversé l'objet et qui nous arrive par transmission.

Une partie de la lumière reçue par un corps éclairé est absorbée et convertie en chaleur. Un objet de couleur noir mat est un objet qui absorbe toutes les radiations visibles qu'il reçoit, les objets blancs réfléchissant au contraire ces radiations. C'est pour cela qu'un vêtement noir est plus chaud qu'un vêtement blanc.

Enfin, une autre partie de l'énergie lumineuse reçue peut être réfléchie. Cette réflexion peut être de deux sortes : on étudie généralement très tôt les lois de la réflexion spéculaire, qui est la réflexion qui se produit entre autres sur un miroir, et qui obéit aux lois de Descartes, mais tout autour de nous se produit un autre phénomène : la "réflexion diffuse" aussi appelée diffusion de la lumière.


La transmission et la réflexion spéculaire

Rappels : les lois de Descartes

Lorsque la lumière arrive à l'interface entre un milieu d'indice n1 et un milieu d'indice n2, une partie de cette lumière est réfléchie et (si le milieu n'est pas opaque) une partie est transmise suivant les lois de Descartes apprises au lycée.


Si le rayon lumineux incident fait un angle i avec la normale à l'interface, et le rayon réfléchi un angle i', alors on a

i' = i

Si le milieu est au moins en partie transparent, d'après les lois de Descartes, le rayon lumineux transmis fait un angle i" par rapport à la normale tel que

n1 sin i = n2 sin i"

En fait, en dépit de la simplicité de ces lois, le phénomène à l'échelle atomique ou moléculaire est plus complexe.

Couleur de la réflexion spéculaire et couleur de la lumière transmise

Lorsque la lumière rencontre un atome ou une molécule individuels, cette onde lumineuse n'est pas réémise exclusivement suivant les directions données par les lois de Descartes. En fait, la lumière est réémise dans toutes les directions. Cependant, il y a des interférences entre les ondes lumineuses réémises par des atomes différents et, en fin de compte, seules les ondes réémises dans les directions données par les lois de Descartes (pour la réflexion et pour la réfraction) sont le siège d'interférences constructives.

Il y a une différence majeure entre la lumière réfléchie par réflexion spéculaire et la lumière transmise. La lumière réfléchie par réflexion spéculaire n'est entrée dans le matériau que sur une longueur de l'ordre d'une demi-longueur d'onde avant d'être réfléchie, la réflexion spéculaire est donc essentiellement un phénomène de surface alors que la lumière transmise, elle, traverse tout le matériau.

Cette différence a une conséquence majeure au niveau de la couleur des lumières réfléchies et transmises.

La lumière transmise a traversé tout le matériau . Certaines couleurs, sur un trajet aussi important, peuvent être notablement absorbées. C'est ainsi que la lumière transmise par certains matériaux est colorée.

La lumière réfléchie via une réflexion spéculaire n'est entrée à l'intérieur du matériau que sur une longueur de l'ordre d'une demi-longueur d'onde. Sur un trajet aussi faible, les effets d'absorption sont négligeables et le spectre de la lumière réfléchie est identique à celui de la lumière reçue. Ainsi, lorsque la lumière qui éclaire l'objet est blanche, la réflexion spéculaire est blanche elle aussi.

Diffusion de la lumière

De nombreuses surfaces présentent des inhomogénéités ou des irrégularités... Si celles-ci sont d'un ordre de grandeur supérieur à la longueur d'onde de la lumière reçue, celle-ci peut être diffusée. Nous avons tous constaté, par exemple, que de la lumière qui est réfléchie "comme sur un miroir" (il s'agit donc de réflexion spéculaire) par un matériau dont la surface est très lisse se comporte très différemment sur une surface rugueuse du même matériau : cela tient à la présence d'irrégularités plus grandes que la longueur d'onde de la lumière incidente.

La lumière qui entre dans ce matériau, du fait de ces irrégularités ou de ces inhomogénéités, accomplit un trajet chaotique avant de ressortir dans une direction aléatoire. On obtient alors de la lumière diffusée, qui est réémise dans toutes les directions et non pas seulement celle de la réflexion spéculaire, et qui a accompli à l'intérieur du matériau un trajet grand devant la longueur d'onde.

Sur cette distance, l'absorption n'est plus négligeable et la lumière qui ressort est colorée.


En fait, la lumière qui arrive à un observateur peut être le résultat d'une combinaison de plusieurs de ces phénomènes.

Ainsi, dans le cas de la porte rouge dont la photographie a été montrée précédemment, la lumière qui arrive à l'observateur vient à la fois d'une réflexion spéculaire (on voit nettement le reflet du flash sur la porte) et de la diffusion de la lumière des sources lumineuses sur la porte (cette diffusion est responsable de la couleur rouge de la porte en-dehors de la zone où on voit le reflet du flash).

Dans le cas du bijou en verre, on peut voir le reflet du néon sur le bijou (réflexion spéculaire) et on peut lire les caractères imprimés en-dessous du bijou, donc il y a aussi eu transmission de la lumière à travers le bijou, diffusion de cette lumière par la feuille de papier, et à nouveau transmission à travers le bijou. Cet objet contient d'ailleurs aussi des structures à l'intérieur du verre (dessin d'arbre) sur lesquelles ont lieu d'autres diffusions, etc...

Les objets à structure cristalline : quartz, pierres précieuses, métaux...

Les cristaux (quartz, aluminium, émeraude, cuivre, etc...) ont généralement un aspect brillant, sauf dans le cas où une couche d'oxyde (vert de gris, par exemple) recouvre leur surface. Pourquoi?

L'aspect commun à tous les cristaux cités ci-dessus vient de l'absence de diffusion. Il y a réflexion spéculaire, transmission pour certains de ces cristaux, mais pas de diffusion. On a vu plus haut que la diffusion a lieu lorsque l'objet diffusant présente des inhomogénéités ou des irrégularités : la parfaite régularité du réseau cristallin idéal explique l'absence de diffusion de la lumière par la surface des cristaux.

L'aspect des cristaux isolants (comme le quartz) est bien différent de celui des cristaux conducteurs (comme le fer ou le cuivre). D'où provient cette différence?

On peut montrer, en physique du solide, que les électrons d'un cristal appartiennent à des bandes d'énergie possible, séparées par des bandes d'énergie interdite. Nous allons expliquer ci-dessous, moyennant quelques rappels de physique du solide, en quoi la structure de bande d'un cristal isolant diffère de celle d'un cristal conducteur, ainsi que les conséquences qui en découlent.

Cristaux isolants

Dans les cristaux isolants, la dernière bande d'énergie possible occupée est totalement remplie :


Pour atteindre le premier état excité possible, un électron doit recevoir une énergie au moins égale à la largeur E3 - E2 de la bande d'énergie interdite qui le sépare du prochain niveau d'énergie possible non occupé.

Dans un isolant, E3-E2 est suffisamment important (typiquement de l'ordre de quelques électrons-volts), et les électrons doivent recevoir une énergie élevée pour pouvoir passer dans la bande de conduction. Cette énergie correspond au "claquage" de l'isolant.

Les énergies des photons du visible sont E = h ν (h = 6,63 × 10-34 J.s, ν = fréquence du photon) comprises entre entre 1,8 eV et 3,1 eV pour des longueurs d'ondes comprises entre 400 et 700 nm. Lorsque E3 - E2 est supérieur à 3,1 eV, alors l'énergie des photons du visible est insuffisante à exciter les électrons du cristal et la lumière passe à travers ce-dernier sans être absorbée. C'est ainsi que de nombreux cristaux isolants, comme le quartz, sont transparents. Si E3 - E2 est plus faible, le cristal peut être coloré.

Un grand nombre de cristaux colorés le sont à cause de "défauts" à l'intérieur de leur structure cristalline. Du fait de ces défauts, des niveaux d'energie supplémentaires sont créés et certaines radiations seront absorbées. Ces défauts, qui sont responsables de la couleur du cristal, sont appelés "centres colorés" (ce sont des ions Chrome III pour l'émeraude, des ions Fer III pour l'améthyste, etc...).


Ces explications ne font que survoler l'origine des couleurs des cristaux isolants. Pour en savoir plus, vous pouvez lire ce dossier sur les couleurs des cristaux.

Quelques cas particuliers : fluorescence, phosphorescence, interférences, ...

Fluorescence, phosphescence, thermoluminscence ou triboluminescence ?

Fluorescence et phosphescence

La lumière émise par une source lumineuse contient de nombreuses longueurs d'onde, visibles comme invisibles (dans l'infrarouge ou dans l'ultraviolet en particulier). Dans les cas que nous avons vus jusqu'à présent, les objets illuminés par une lampe absorbent une partie de la lumière reçue, transmettent une autre partie et reflètent le reste sans changement de longueur d'onde. Ainsi, l'intensité de la lumière visible reflétée par le matériau est nécessairement plus faible que celle de la lumière reçue (intensité lumineuse visible reflétée = intensité lumineuse visible reçue - intensité lumineuse visible absorbée - intensité lumineuse visible transmise).

Lorsque des matériaux fluorescents ou phosphorescents sont illuminés par une lampe, par contre, une partie de l'énergie reçue sous forme de lumière invisible dans l'utraviolet est réémise dans le domaine visible, pouvant ainsi conduire à une intensité lumineuse visible réémise plus importante que l'intensité lumineuse visible reçue. Dans le cas de la fluorescence, cette réémission est quasi-instantanée, tandis qu'elle est différée dans le cas de la phosphorescence.

Quel est le mécanisme microscopique ?

En mécanique quantique, l'énergie des électrons des atomes ne peut prendre que des valeurs discrètes, appelées "niveaux d'énergie". L'état le plus naturel pour un électron est l'état d'énergie la plus basse, qui est aussi appelé "état fondamental" (voir schéma ci-dessous). Si l'atome absorbe de l'énergie, cependant, l'électron peut se retrouver dans un des autres niveaux d'énergie plus élevée (ces niveaux de plus grande énergie que l'état fondamental sont appelés "états excités"). L'énergie absorbée est alors égale à la différence d'énergie entre l'énergie de l'état excité et celle de l'état fondamental. Un électron dans un état excité n'y reste pas éternellement : il finit, après un temps plus ou moins long, par revenir dans l'état fondamental en émettant, souvent sous forme de lumière, la différence d'énergie entre son état initial excité et son état final fondamental.

Application au cas de la fluorescence et à celui de la phosphorescence :


Le matériau fluorescent ou phosphorescent est éclairé avec de la lumière ultraviolette (pour cela, il n'est évidemment pas nécessaire d'utiliser une lampe à UV puisque la lumière naturelle contient aussi des ultraviolets). La lumière ultraviolette reçue possède suffisamment d'énergie pour exciter les électrons des atomes qui reçoivent la lumière. Ceux-ci passent donc d'un niveau d'énergie plus faible à un niveau d'énergie plus élevé. L'électron excité ne retombe pas directement dans son état fondamental, il passe par des états d'énergie intermédiaire. Il retombe donc dans l'état fondamental en émettant plusieurs photons d'énergie plus faible (donc de longueur d'onde plus grande) que le photon reçu. C'est ainsi que l'énergie de la lumière ultraviolette reçue est réémise sous forme de lumière visible.

Un exemple courant de fluorescence est le cas des lessives. Les lessives "blanchissantes" contiennent généralement des particules fluorescentes qui permettent ainsi au tissu de restituer dans le visible de la lumière qui a été reçue dans l'ultraviolet.

Dans le cas de la phosphorescence, l'électron dans l'état excité retombe d'abord dans un état métastable ("métastable" signifie que l'électron peut rester relativement longtemps dans cet état sans retomber dans l'état fondamental) d'énergie plus faible, avant de retomber enfin dans l'état fondamental en émettant de la lumière. Ainsi, l'objet phosphorescent émet de la lumière alors que l'on a cessé de l'éclairer.


Triboluminescence et thermoluminescence

Ce sont deux autres phénomènes un peu "exotiques" d'émission de lumière. Dans le cas de la triboluminescence, une action mécanique entraine l'excitation d'électrons qui retombent dans leur état fondamental en émettant de la lumière. Il semblerait que l'on puisse obtenir cet effet en brisant certains morceaux de sucre dans l'obscurité... Le cas de la thermoluminescence correspond à des électrons excités par une faible élévation de température de l'objet.

Interférences et diffraction : irisations d'une bulle de savon, CD, etc...

Lorsque la source secondaire n'est pas un objet compact : exemple du bleu du ciel

Le bleu du ciel, le rouge du couchant, et les éclipses de lune

L'atmosphère terrestre est très peu dense, elle ne se comporte donc pas de la même façon qu'un morceau de verre. Le phénomène qui domine dans le cas de l'atmosphère terrestre est la diffusion Rayleigh : la lumière qui arrive sur une molécule de l'atmosphère est diffusée (c'est-à-dire déviée dans diverses direction). Le flux lumineux diffusé dépend de la longueur d'onde de la lumière incidente comme 1/λ4. Les longueurs d'ondes les plus courtes du spectre visible (λ = 400 nm) sont ainsi 9 à 10 fois plus diffusées que les longues longueurs d'onde (λ = 700 nm). Le résultat est que les longueurs d'ondes courtes dominent dans le spectre de la lumière diffusée et celle-ci nous apparaît comme bleue. Lorsqu'on ne regarde pas directement le soleil, la lumière que nous voyons est celle qui a été déviée, c'est-à-dire la lumière diffusée dans laquelle domine le bleu, le ciel nous apparaît donc comme bleu...


A contrario, la lumière qui nous arrive du soleil dans l'axe de ce-dernier est celle qui n'a pas été diffusée, dans laquelle le rouge domine. La couleur rouge est d'autant plus prononcée que l'épaisseur d'atmosphère traversée est importante : le soleil au zénith est donc jaune alors que le soleil couchant nous apparaît comme rouge. Les couleurs du ciel au couchant ont la même origine, à laquelle il faut ajouter le rôle des poussières en suspension dans l'atmosphère qui peuvent contribuer aux nuances de couleurs du crépuscule.

Si vous souhaitez aller plus loin, vous pouvez accéder à l'article « Les couleurs du ciel » ainsi qu'à une expérience de cours illustrant le phénomène de diffusion Rayleigh, le bleu du ciel et le rouge du couchant proposé par le site Planet-Terre.

La couleur de la lune, qui est rougeâtre lors d'une éclipse, s'explique de la même façon. Lors d'une éclipse, la lune est éclairée par des rayons de soleil dont une partie a été déviée par diffusion dans l'atmosphère terrestre et n'arrive donc pas jusqu'à la lune. Lors de cette diffusion, le bleu a été plus dévié que les autres couleurs, donc la teinte de la lumière qui éclaire la lune est rouge.

L'arc-en-ciel

L'arc-en-ciel a une autre origine : la dispersion de la lumière. Un article complet a déjà été consacré à ce sujet sur notre site : « L'arc-en-ciel ».

L'importance des sources lumineuses

Si l'étude des sources lumineuses primaires ne fait pas partie de notre propos, la couleur d'un objet éclairé dépend évidemment de la nature des sources lumineuses qui l'éclairent. Un objet "blanc" en lumière blanche sera évidemment "coloré" s'il est éclairé avec une lampe colorée. La couleur n'est donc pas une propriété "absolue" d'un objet, mais dépend de l'éclairage.

Conclusion

La couleur que nous percevons est la conjonction de nombreux facteurs, qu'il est impossible de tous décrire en détails en un seul article. La couleur dépend de la nature de l'éclairage, elle dépend aussi bien sûr de l'objet éclairé et elle dépend enfin aussi de l'observateur. Ce sont ces trois éléments : source lumineuse, objet regardé, et observateur, pris ensembles, qui déterminent les couleurs d'un paysage ou d'un tableau...