Couleur et lumière

Couleurs et lumière

La couleur d’un objet est le résultat de l’interaction de trois facteurs: la lumière qui l’éclaire (la source), l’objet lui-même (sa composition et son organisation interne) et l’observateur.

La perception des couleurs est subjective, chacun en a déjà fait l’expérience. Mais focalisons-nous plutôt sur l’aspect physique des choses… La couleur d’un objet est donnée par la fréquence des ondes lumineuses qu’il émet. De quelles manières un objet peut-il émettre de la lumière ?

 1. Les objets passifs

D’abord, un objet peut simplement réémettre la lumière qu’il reçoit d’une source de lumière extérieure. C’est le cas de la Lune, qui renvoie la lumière du Soleil. Mais c’est aussi le cas de la majorité des objets qui nous entourent. Ils renvoient soit la lumière du Soleil, ou la lumière de la lampe la plus proche.

 

Le rôle de la source de lumière

D’ailleurs, vous avez déjà remarqué que les objets n’ont pas la même couleur suivant la source de lumière à côté de laquelle ils sont placés. C’est particulièrement flagrant dans le cas de l’alexandrite, une pierre précieuse qui apparaît verte à la lumière de l’astre solaire, et rouge sous une lampe à incandescence (une bête ampoule, quoi).

Mais alors, l’alexandrite est-elle verte ou rouge ? Hé bien, si on la place sous une source de lumière parfaitement blanche (c’est-à-dire, qui émet autant d’intensité lumineuse dans chaque couleur) elle devient… incolore ! En fait, l’alexandrite absorbe surtout la lumière dans le bleu et dans le jaune, mais très peu dans le rouge et dans le vert. La lumière solaire, qui contient beaucoup de vert et moins de rouge, fait apparaître la pierre verte, tandis que la lumière d’une ampoule, qui contient beaucoup de rouge et moins de vert, la fait apparaître plutôt verte. La couleur d’un objet telle que nous la percevons n’est donc pas une propriété intrinsèque des objets, mais dépend de l’environnement dans lequel ils sont placés.

 Les peintres impressionnistes ont beaucoup exploité cette idée de couleur changeante des objets. Monet par exemple, s’est attaché à capturer les teintes subtiles de la façade de la cathédrale de Rouen dans différentes conditions et à différents moments de la journée.

 

 

Lumière et structure : quand la lumière joue avec elle-même

Avez-vous remarqué que certains objets ont une couleur changeante suivant l’angle sous lequel on les regarde ? C’est le cas des CD, des plumes de paon, des ailes de nombreux papillons ou de la carapace de nombreux scarabées. C’est la structure interne de l’objet, à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière visible (c’est à dire de la centaine de nm à quelques µm environ), qui est responsable de cet effet.

 Une image au microscope à force atomique de la surface du CD révèle une alternance de zones sombres et de zones claires. Les rayons lumineux sont sensibles à cette alternance, et arrivés au niveau de l’oeil de l’observateur ils interféreront de façon complexe. Les rayons peuvent se détruire mutuellement – on dit qu’ils interfèrent destructivement – (dans ce cas on n’observera pas de lumière dans la zone dont les rayons proviennent) ou constructivement (dans ce cas on observera de la lumière).  C’est pour cela que le CD apparaît constitué de zones grises dans lesquels on n’observe pas de lumière provenant de la réflection directe sur le CD, et de zones colorées. En penchant plus ou moins le CD, on varie l’angle d’observation et ce qui déplace ces zones.  Les rayons interfèrent constructivement ou destructivement à des angles différents suivant leur longueur d’onde. Le CD sépare donc spatialement les couleurs contenues dans la lumière blanche qu’il reçoit !

La surface des plumes de paon est un empilement de couches translucides, sur laquelle une partie de la lumière se réfléchi, et qu’une partie de la lumière traverse. Deux rayons voisins peuvent donc avoir eu des parcours différents au sein de la matière, et interférer de manière non triviale. Bingo ! Tout se passe comme dans le cas du CD, ce qui explique que le résultat soit le même : des irisations colorées changeante avec l’angle d’observation. Bon, je ne sais pas vous, mais moi je préfère quand même admirer des paons que des CD …

Sans interférences, les CD seraient gris mat, et les plumes de paon d’un marron décevant. Les couleurs chatoyantes qu’ils exhibent sont le résultat de la balade des rayons de lumière dans leur structure interne…

 

Lumière et matière : la physique quantique entre en scène

Dans les pigments, longues molécules, les électrons interagissent avec les ondes lumineuses que reçoit l’objet. De ce ballet complexe, la couleur de l’objet contenant le pigment est déterminée. Les pigments sont partout dans la nature : ils colorent les fruits, les légumes, les feuilles (voir notre dossier sur la photosynthèse) et les animaux.

Les pigments, comme par exemple le bêta-carotène représenté en bas de page, sont de longues molécules qui ressemblent à des chaînes. Ici, “long” veut dire “très grand par rapport à la taille d’un atome”, c’est-à-dire quand même très petit: de l’ordre du nanomètre, ou de la dizaine de nanomètres. Chaque atome met à contribution un ou plusieurs de ses électrons pour se lier à ses voisins dans la chaîne. Mais comme les électrons sont des particules quantiques, ils ne sont pas localisé à un endroit précis. On peut les imaginer comme des ondes, se propageant le long de la molécule. Les ondes stationnaires sur une corde ne peuvent avoir que certaines fréquences précises, et c’est d’ailleurs pour cela que chaque corde d’une guitare produit un son précis, toujours, le même, lorsque l’on frappe cette corde. De la même façon, les ondes électroniques sur les molécules ne peuvent avoir que certaines fréquences précises, dont l’enchaînement est déterminé par la longueur et par la forme de la molécule.

La lumière est elle aussi une onde. Cette onde oscille à une certaine fréquence, que l’on perçoit comme la couleur de la lumière. Souvent, lorsqu’une onde lumineuse frappe une molécule, sa fréquence n’est pas en accord avec l’une des fréquences possibles des ondes électroniques, et rien ne se passe. Mais parfois, la lumière a juste la bonne fréquence pour faire changer un électron de fréquence. L’heureux élu peut alors absorber la lumière, et utiliser l’énergie gagnée au passage pour sauter en fréquence. Pareille au doigt du guitariste excitant une onde la corde, la lumière a stimulé une onde électronique… Et de la même façon que la corde de guitare se calme peu à peu en émettant un son, l’électron excité abaisse sa fréquence en émettant de la lumière.[1]

Nous pouvons maintenant comprendre l’origine des couleurs des pigments ! Dans une molécule donnée, les électrons peuvent être excité par des photons de tout un tas de longueur d’onde différente. Dans le cas des pigments, une ou plusieurs de ces transitions emploient des photons visibles. Dans le cas du carotène par exemple, ce sont des photons bleus qui peuvent exciter les électrons. La lumière blanche contient des photons de toutes les longueurs d’onde, et en particulier des photons ayant pile la longueur d’onde nécessaire pour exciter les électrons. Certains de ces derniers photons sont donc absorbés par le pigment. Ils sont ensuite réémis, dans toutes les directions, ce qui fait que la lumière réémise est très diffuse. En pratique donc, le carotène par exemple soustrait de la lumière qu’il reçoit une grande part de la composante bleue. La lumière qui nous arrive d’une matière contenant du carotène (comme par exemple… les carottes !) contient beaucoup moins de bleu et apparait de la couleur complémentaire, c’est-à-dire… orange ![2]

Pour conclure cette section, voici une petite sélection de trucs qui contiennent du carotène… Les pigments sont partout !

 

2. Les objets actifs, les sources de lumière

Nous avons jusqu’à présent négligé le plus évident : les sources directes de lumière. On peut grossièrement distinguer deux façon de produire directement de la lumière :

  1. par une réaction chimique (explosions, feux de bois) ou nucléaire (toutes les étoiles, dont notre Soleil)
  2. en chauffant le matériau (fer chauffé au rouge, résistance électrique, ampoule à incandescence)

La première façon de produire de la lumière est la plus évidente. La plupart des réactions chimiques qui dégagent de l’énergie, le font sous forme de chaleur et de lumière. Notez qu’on peut aussi faire l’inverse : capter de l’énergie sous forme de lumière pour déclencher une réaction chimique. C’est le principe de la photosynthèse, qui utilise pour cela la lumière du Soleil. Patiemment, au cours de leur vie, les plantes récupèrent la lumière du Soleil et l’utilisent pour bâtir leur tronc, leurs tiges, leurs feuilles. Lorsque l’on fait brûler un morceau de bois, c’est l’énergie solaire stockée tout au long de sa vie par l’arbre que l’on libère. En un certain sens, la lumière d’un feu de bois est celle de notre étoile…

Comment chauffer un corps peut-il produire de la lumière ? La réponse est complexe, mêlant physique statistique et mécanique quantique… Étonnamment, la couleur de la lumière émise ne dépend en première approximation pas du type de corps que l’on chauffe, seulement de sa température ! Ce fait est très utile en astrophysique : connaître la couleur d’une étoile lointaine sur laquelle on ne pourra certainement jamais poser de thermomètre suffit pour en déduire sa température !

A partir du moment où il est chaud, un objet se met à rayonner de la lumière. Mais attention, celle-ci n’est pas forcément dans le domaine visible ! Les objets relativement froids, comme ceux qui sont tout autour de nous quotidiennement, rayonnement surtout dans l’infrarouge, qui est invisible pour nous… mais pas pour tous les animaux. Les serpents par exemple possèdent des fossettes thermosensibles, qui captent le rayonnement infrarouge, ce qui permet à l’animal d’en déduire la température des objets proches. Bien pratique pour repérer une souris, plus chaude que son environnement ![3]

 

Conclusion

Du monde végétal aux étoiles, des pigments colorés aux pierres précieuses et aux serpents, les couleurs sont partout présentes, partout essentielles. La lumière est sans doute la forme d’énergie la plus manifeste dans l’univers, et le monde du vivant l’utilise sans cesse comme moyen de communication, d’exploration, et de découverte. Pas étonnant que les couleurs, si importantes pour nous, comme pour toutes les espèces, continuent de nous fasciner…

Nicolas Macé

Source :

Bernard Valeur, La couleur dans tous ses éclats, Belin (coll. Pour la Science).


[1] Dans le cas de la molécule c’est la lumière qui excite les ondes, et c’est encore de la lumière qui est émise, tandis que pour une corde de guitare c’est une mécanique, le doigt, qui excite les ondes et c’est du son qui est émis. Pour que l’analogie soit parfaite, il faudrait que l’on puisse exciter la corde avec du son…C’est possible, à condition que le son soit émis à la bonne fréquence ! Vous pouvez en faire vous-même l’expérience si vous avez une guitare !

[2] En pratique, les choses sont un peu plus compliquées : les molécules n’absorbent pas uniquement les photons d’une longueur d’onde précise, mais peuvent en fait absorber des photons dans toute une gamme de longueurs d’onde…

[3]  Il semble même que certains serpents choisissent des lieux de chasse froids tout spécialement dans le but de bien repérer leurs proies à sang chaud !

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