La couleur

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.

Figure 10. Application au cas de la fluorescence et à celui de la phosphorescence

Mécanisme de la fluorescence et de la phosphorescence : un électron initialement dans son état fondamental d'énergie E1 est excité. Il retombe dans son état initial en passant par un ou plusieurs états intermédiaires, réémettant ainsi des photons dans le visible

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.

Figure 11. Une montre aux aiguilles phosphorescentes

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.

La couleur d'une bulle de savon ou d'un film d'huile à la surface d'une flaque provient d'un phénomène d'interférence.

Dans le cas des bulles de savon ou d'un film d'huile à la surface d'une flaque, la lumière arrive sur une lame de très faible épaisseur et est réfléchie en partie sur le premier interface et en partie sur le deuxième. Comme l'épaisseur de la lame est très faible, la différence de marche entre les deux rayons est peu élevée, et on voit apparaître des phénomènes d'interférence. Selon la longueur d'onde considérée, la différence de marche varie, et certaines longueurs d'onde visibles vont correspondre à des interférences destructives, tandis que d'autres vont correspondre à des interférences constructives.

La lumière reflétée par une bulle de savon ou un film d'huile sur une flaque est donc colorée suite à ces phénomènes d'interférences. Comme la couleur dominante dépend de l'épaisseur du film, des irrégularités de l'épaisseur de la bulle de savon ou de la couche d'huile sur une flaque entrainent des irisations de la surface.

Figure 12. Couleurs venant d'un phénomène de diffraction

À gauche, des irisations sur des bulles de savon : des couleurs interférentielles... À droite, un CD : ces couleurs viennent d'un phénomène de diffraction

L'aspect d'un CD est déterminé par des phénomènes de diffraction à la surface du CD. Celle-ci est en effet composée de "pits" et de "lands" très petits qui diffractent la lumière et engendrent ainsi les couleurs arc-en-ciel de la surface du disque (voir image ci-dessus).

Ajout du 26 novembre 2009 : l'article Les couleurs chez les animaux proposé par le site Vie illustre très joliment ce phénomène qui est à l'origine des belles couleurs des ailes du papillon Morpho menelaus.

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...

Figure 13. La couleur du ciel

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 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 ».