La lumière

Lumière colorée

Parmi toutes les ondes électromagnétiques qui nous entourent, des méchants rayonnements gamma aux ondes hertziennes utilisées en radio, télévision, radiotéléphonie…, l’oeil, ce merveilleux capteur, est sensible à une petite portion qui constitue la « lumière » visible.

Les ondes, phénomènes vibratoires périodiques qui se propagent, peuvent être caractérisées par la valeur de cette périodicité : On parle de la période noté T, une durée mesurée en secondes, ou de son inverse la fréquence f = 1/T, en s-1 ou Hertz, Hz. On emploie souvent la notion de longueur d’onde, qui correspond au trajet parcouru par l’onde pendant une période , l= c.T ou c est la célérité de l’onde électromagnétique, soit environ 3. 108 m/s ( 300 000 km/s ). C’est une distance exprimée en mètres. Pour la zone visible le sous-multiple nanomètre (10-9 m, un milliardième de mètre ) est plus commode d’emploi, ainsi le spectre visible s’étend d’environ 380 nm, auquel correspond le violet, à environ 780 nm, rouge.

« Après », pour des longueurs d’ondes croissantes, ou des fréquences décroissantes, viennent les infrarouges, les micro-ondes puis les ondes hertziennes. Par exemple les « grandes ondes » de radiodiffusion ont des longueurs d’ondes de l’ordre du kilomètre, soit des fréquences de l’ordre de quelques centaines de kHz .

« Avant » , plus petites longueurs d’ondes et plus grandes fréquences, sont les ultraviolets, puis les rayons X, autour de 0,1 nm, puis les rayons gamma, autour du millième de nm, 10-12 m, soit des fréquences de l’ordre de 1021 Hz…

Une lumière peut être constituée d’une seule longueur d’onde, par exemple le rouge ŕ nm d’un laser Helium-Neon, ou d’un « mélange » de plusieurs, selon un spectre ( une distribution ) discret (nombre fini de longueurs d’ondes ) ou continu ( « infinité » de longueurs d’ondes, que l’oeil humain percevra comme une couleur plus ou moins « pure » voire comme une lumière blanche si l’intégralité du spectre est présente )

L’ émission de lumière dans les feux d’artifices peut provenir de deux types de phénomènes bien distincts :
– L’émission atomique ou moléculaire.
– L’incandescence.

L’émission atomique et moléculaire

Les atomes sont constitués d’un noyau autour duquel « gravitent » des électrons répartis sur des niveaux d’énergie quantifiées, si l’atome est excité par apport extérieur d’énergie ( chaleur, lumière, décharge électrique… ) il se peut qu’un électron grimpe à un niveau d’énergie supérieur. Mais cet état est instable et l’électron ne tarde pas à reprendre sa place d’origine en rendant l’énergie correspondant à la transition sous forme de… lumière.
Ainsi s’il est passé d’un niveau d’énergie Ep ( en joules, J ) au niveau supérieur En , lorsqu’il « retombera » , il cédera la différence Ep-En sous forme d’une radiation lumineuse de fréquence n telle que En-Ep=h.n ou h est la constante de Planck ( qui vaut environ 6,63. 10-34 J.s , joules x secondes ). Pour revenir aux longueurs d’ondes évoquées plus haut, on peut écrire cette relation sous la forme En-Ep=h.c/l

Selon la complexité de l’atome les transitions possibles peuvent être très nombreuses , de sorte que l’émission lumineuse de l’atome retrouvant son état stable pourra être constituée d’un grand nombre de longueurs d’ondes, dans le visible mais aussi dans l’ultraviolet et l’infrarouge, matérialisées par des raies dans le spectre. ( C’est l’étude des spectres d’émissions de divers corps soumis à une excitation adéquate (électrique, thermique ) à la fin du siècle dernier, inexplicables par les lois de la physique classique alors en vigueur, qui, entre autres, a conduit aux notions de quantification de l’énergie. Ce sont ces mêmes spectres, véritables signatures, qui permettent de déceler la présence de certains corps dans des régions lointaines de l’espace par l’étude des rayonnements qu’ elles nous envoient…) Une molécule, un assemblage d’atomes, peut aussi émettre selon le même principe, on conçoit facilement que les spectres puissent être alors beaucoup plus complexes, avec notamment la présence de bandes continues plutôt que des simples raies, comme par exemple celui de la molécule CuCl ci dessus.

Cela peut sembler un peu théorique, pourtant la vie courante en est remplie d’illustrations :
Peut être vous est t’il arrivé de laisser déborder sur le feu une casserole remplie d’eau salée : Les flammes prennent alors de vifs reflets jaune/orangé ,du à l’émission du sodium présent dans le sel, vaporisé dans la flamme et excité par la chaleur.

L’excitation peut être aussi d’origine lumineuse : Phénomène de fluorescence employé par exemple dans des encres visibles seulement sous ultraviolet pour des marquages , ou de façon plus ludique dans les établissements nocturnes qui font un usage massif des « lumières noires », ultraviolets proches, qui rendent si lumineux les vêtements blancs en coton par excitation de la cellulose…

Dans un tube fluorescent employé pour l’éclairage , c’est encore plus complet : Des atomes de mercure excités électriquement « rendent » une lumière très riche en ultraviolet, re-transformée en lumière visible de diverses nuances par un matériau fluorescent adéquat dont est revêtu l’intérieure du tube. Etc…

Dans les feux d’artifices on utilise l’excitation thermique d’atomes ou molécules vaporisés dans la flamme. L’émission atomique du sodium produit une couleur jaune/orange et les émissions de certaines molécules formées autour d’atomes de baryum, de cuivre et de strontium produisent du vert, du bleu et du rouge. Plus de détails ici.

L’ émission par incandescence

Chauffé à blanc, fer rouge… Le phénomène d’incandescence nous est très familier, à l’origine notamment de l’éclairage par les ampoules électriques classiques à filaments.
Tout corps, dans la mesure où il n’est pas au zéro absolu de température, ce qui demeure rare…, émet de la lumière, due au mouvement perpétuel d’agitation de la matière, qui s’amplifie avec une augmentation de température. Ainsi même notre propre corps émet des rayonnements infrarouges repérables par certains détecteurs de systèmes d’alarme ou visibles avec certains équipements de vision nocturne…
Si le phénomène est très courant – qui n’a jamais vu de braises, d’étincelles ou une ampoule en marche ? – le mécanisme de cet émission n’en demeure pas moins assez complexe… Il est lié ŕ la théorie du « corps noir » dont l’étude au début du siècle amena Max Planck à la théorie des quantas.

Cette émission lumineuse n’est pas constituée de longeurs d’ondes précises mais d’un spectre continu, que l’oeil humain percevra comme une gamme de « couleurs » qui selon la température ira du rouge sombre au blanc :

Dans les artifices il est ŕ l’ origine de la production par certaines compositions d’étincelles : Ce sont des particules liquides ou solides, produits de la réaction et/ou combustibles ( métaux, charbon ) non entičrement consumés, portées ŕ l’incandescence dans la zone de réaction chaude et qui, orangées, jaunes, blanches…, poursuivent leur trajectoire dans l’air.

De même certaines flammes blanches très lumineuses utilisées ŕ des fins d’illumination ou pour la production d’éclairs , résultent de la vive incandescence dans une flamme très chaude de particules d’oxydes issues de la combustion de métaux très réactifs comme l’aluminium ou le magnésium.

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