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(S-4) Les multiples couleurs de la lumière solaire

Couleurs : De quoi s'agit-il ?

    Les couleurs de l'arc-en-ciel constituent "le spectre de base" de toute la lumière visible. Bien qu'elles se mélangent sans discontinuité, on les différencie souvent en rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo et violet (et autres dénominations). Toute lumière colorée est un ensemble de "composants spectraux", exactement comme divers sons musicaux incluent les tons de base (souvent rassemblés en gamme, par exemple pour les cordes)

    Isaac Newton a démontré que non seulement un prisme triangulaire décompose la lumière du soleil en "couleurs de l'arc-en-ciel" (elles étaient déjà connues), mais également qu'un deuxième prisme les réunit à nouveau sous forme de lumière blanche. Il en résulte que la lumière blanche est la réunion de l'ensemble des couleurs de l'arc-en-ciel. En parvenant au prisme, les différentes couleurs du faisceau de lumière sont déviées selon un angle différent.

        [ C' est pourquoi un objectif en verre simple présente plusieurs foyers correspondants aux différentes couleurs, à des distances différentes,. A l'époque de Newton, un astronome manipulant son télescope et essayant d'obtenir l'image d'une étoile dans le jaune, ne parvenait qu'à une image brouillée par l'addition des images du rouge et du vert, non mises au point. Newton pensait le problème insoluble, et inventa le télescope, une nouvelle conception basée non plus sur les lentilles mais sur les miroirs concaves (qui reflètent toutes les couleurs de façon identique). Par la suite, on a réalisé en combinant différentes variétés de verre des objectifs dont le foyer est commun à toutes les couleurs. Actuellement, les appareils-photo, les projecteurs et certains petits télescopes découlent de ce principe. Cependant, les grands télescopes modernes suivent tous le concept de Newton et utilisent des miroirs. ]

   

Perception des Couleurs

  1. "La "couleur spectrale," c.-à-d. le mélange de certaines couleurs de l'arc-en-ciel. La proportion de chacune de celles-ci peut être déterminée en décomposant le faisceau avec un prisme.

  2. "La "Perception des couleurs", que l'œil humain transmet au cerveau. .

    Les instruments construits avec des prismes (les "spectrographes")montrent que l'œil humain peut se tromper : l'œil peut voir de façon identique différents mélanges de couleurs de l'arc-en-ciel .

    Notre œil possède trois types de cellules photosensibles, chacune correspondant à une couleur précise - l'une correspond au rouge, une autre au vert et la troisième au bleu. Notre cerveau synthétise les signaux de ces 3 zones de couleur, et peut même voir le brun, le vert olive, et d'autres couleurs absentes de l'arc-en-ciel. Certaines variétés de ces cellules manquent aux daltoniens et ceux ci vivent dans un monde d'où certaines couleurs sont absentes, (ou même sans couleur du tout pour ceux qui n'ont qu'un type de cellule). Cette "achromatopsie" est beaucoup plus répandue chez les hommes que chez les femmes. Il arrive par ailleurs rarement que des yeux aient quatre types différents de cellules réceptrices. Le commun mortel ne peut qu'imaginer les couleurs que ces femmes peuvent voir ! (pour en savoir plus, cliquez Ici.)

    Les trois "couleurs primaires", rouge, vert et bleu , sont à la base de la TV couleur et des imprimantes couleur : ces dispositifs sont capables de représenter les couleurs perçues par nos yeux, et ne reproduisent pas uniquement les couleurs du spectre.Ici un programme sur les combinaisons des 3 couleurs, utilisant le contrôleur de couleur de votre ordinateur. Si vous connaissez le langage Web, vous pouvez essayer un autre programme, mis en lien à la fin de cette page. .

Le Spectre

    Les couleurs seront désormais présentées selon leur couleur spectrale. Dans la nature, deux types de distributions de couleur sont importants

    (1) Dans la lumière émise par les solides, les liquides ou les corps gazeux étendus et denses tel le soleil les couleurs sont réparties sans discontinuité . Leur distribution exacte ("spectre du corps noir ") dépend de la température du corps qui les émet : une main assez chaude rayonne le plus souvent dans l'infrarouge, une barre de fer " rouge " est rouge cerise , un filament d'ampoule électrique est jaune lumineux, et la lumière du soleil est blanc " chaud ".

        [ Il en est de même pour la distribution des rayonnements micro-onde laissés par le "big-bang" du début de l'univers, observé par le satellite COBE, " explorateur du fond cosmique " de la NASA. Lorsque le spectre observé par COBE fut montré pour la première fois à un comité d'astronomes, il a causé un grand émoi. Généralement les valeurs sont enregistrées avec une marge d'erreur expérimentale, mais ici elles concordaient de si près avec la courbe théorique que les participants pensèrent que les présentateurs avaient d'abord placé leurs points sur la courbe.]

  Spectres de divers éléments ,
  © Donald E. Klipstein (voir Ici pour plus)

    (2) Pour un gaz raréfié, les couleurs émises par les différents atomes ou molécules ne sont pas réparties de façon continue, mais sont rassemblées en bandes étroites sur le spectre. Elles sont caractéristiques du type d'atome ou de molécule qui les émet, exactement comme la tonalité d'un diapason caractérise sa taille, son épaisseur et son métal. Ces bandes étroites sont dénommées raies spectrales, parce que dans la plupart des spectrographes la lumière, qui entre par une fente étroite, donne comme image une raie, pour chacune des émissions d'origine.

    Par exemple, les flammes jaune-orange . d'une cheminée, d'un feu de camp ou d'un bâtiment en feu - donnent dans un spectrographe deux lignes spectrales serrées, caractéristiques du sodium, , émises dans la chaleur même modérée d'un feu. Le bois et la plupart des autres carburants (mais pas le gaz naturel, qui brûle bleu) contiennent un peu de "sel de table" (NaCl), dont une trace s'ajoute à la couleur de la flamme.

    Certains réverbères contiennent un peu de vapeur de mercure dont la lumière est bleuâtre, mais le rouge en est absent. Le rendu de ses couleurs est souvent artificiel puisque le spectre ne couvre pas complètement l'arc-en-ciel.. Les tubes fluorescents contiennent également du mercure (un spectroscope en met en évidence les "raies" ) mais pour créer une lumière plus douce et plus plaisante (et pour utiliser la lumière UV, habituellement perdue ) on en enduit l'intérieur d'une couche fluorescente qui absorbe les violentes couleurs du mercure (UV y compris) et les rayonne selon une meilleure répartition. Le fonctionnement des lampes au néon est analogue, avec l'ajout d'autres gaz pour produire des couleurs appropriées. Quelques réverbères fonctionnent également à la vapeur de sodium , ils sont reconnaissables à leur couleur jaune-orange.

La nature ondulatoire de la lumière

    A l'aide de prismes ou de fentes, on peut extraire de l'arc en ciel une seule lumière "monochromatique", reflet d'une couleur spectrale simple et bien définie. L'étude de ce type de lumière a montré qu'elle se propage comme une onde. Sa longueur d'onde, la distance de crête à crête, est très faible, de l'ordre de 0.5 micromètre (ou micron) (un millionième de mètre).

        [ Nous verrons plus tard à quoi correspondent ces crêtes. Les "premiers physiciens ne le connaissaient pas non plus. Ils constataient seulement que si deux crêtes sont juxtaposées, la lumière est plus intense, alors que si une crête est en face d'une "vallée "(crête en direction opposée), les ondes s'annulent, ce qui donne de l'obscurité. ]

    La longueur d'onde détermine la localisation sur le spectre de l'émission. Puisque les ondes lumineuses sont très courtes, on peut les mettre en évidence dans un faisceau étroit. Mais un puissant microscope, grossissant plusieurs milliers de fois ne peut donner des petits objets observés une image nette puisque les ondes lumineuses ne peuvent contenir des détails inférieurs à leurs longueur d'onde. Dans ces cas, on utilise des microscopes électroniques qui fonctionnent sur la base des faisceaux d'électrons et non des ondes lumineuses.

    Les physiciens utilisent divers instruments pour mesurer l'exacte longueur d'onde de la lumière. Les étudiants se servent le plus souvent d'un réseau de diffraction, un plan très finement rayé de cannelures parallèles séparées par une distance constante ( des "râpes"). Un modèle en plastique peu coûteux est fourni par la reproduction des stries à partir d'une matrice en métal et montées sur un cadre de carton, comme les diapositives. L'onde incidente rebondit dans l'intervalle des cannelures et est légèrement déviée, selon un angle dépendant de sa longueur d'onde. D'après la valeur de cet angle et de celle de l'espacement, on peut calculer la longueur d'onde. Ainsi ces "râpes" peuvent elles séparer un faisceau de lumière dans les couleurs du prismes et sont souvent utilisées comme spectroscope.

Les Spectres

    Les scientifiques du 19ème siècle, en particulier Robert Bunsen (1811-99) et Gustav Kirchoff (1824-87), avaient observé et catalogué les spectres de nombreuses substances. Leurs résultats sont toujours largement utilisés pour analyser la composition des métaux ou d'autres substances.

    Le soleil émet lui aussi des lignes spectrales. Les premières détectées étaient des lignes foncées (dites raies de Fraunhofer, du nom de celui qui les a découvert ), suggérant que la lumière subit une grande absorption , le contraire d'une émission accrue. Pour une longueur d'onde donnée, les rayonnements sont absorbés par les atomes "froids" alors que ceux-ci les émettent quand ils sont "chauds". Par exemple, la lumière issue du filament d'une ampoule de vapeur de mercure encore trop froide pour éclairer, montre des lignes foncées dans les mêmes longueurs d'onde que celles qui sont émises par la vapeur chaude du mercure. Dans le cas de la lumière du soleil, il s'est avéré que l'absorption ne se produisait pas dans l'atmosphère de la terre (comme on aurait pu le penser) mais dans le soleil lui même.

        Par ailleurs, la lumière du soleil contient également beaucoup de raies d'émission lumineuses, caractéristiques de l'hydrogène, du calcium et d'autres éléments. Une ligne jaune, découverte en 1868, a d'abord été identifiée comme celle du sodium, mais n'avait ni la fréquence appropriée ni le spectre d'une substance connue. L'astronome britannique Norman Lockyer a finalement suggéré qu'il s'agissait d'une nouvelle substance, inconnue sur terre, et il avait raison : l'"hélium" (de "helios", soleil) n'a ensuite été identifié sur terre qu'en 1895, par William Ramsay qui l'a isolé ultérieurement.

En savoir plus

        http://umbra.nascom.nasa.gov/images/ est un choix utile pour s'informer sur le soleil. Il présente les plus récentes images du soleil, en provenance de divers observatoires. Les images sont prises à travers des filtres dans les gammes étroites de couleur émises par les substances choisies (c.-à-d. les"lignes spectrales"), et montrent beaucoup de détails sur les régions solaires actives.


Après avoir écrit cette page Web, j'en ai rajouté une sur les combinaisons expérimentales avec les trois couleurs
            (S4-A) Expériences avec les couleurs .
Mais il faut savoir que cela nécessite de modifier le code "source" de cette page. C' est un bon moyen d'apprendre l'HTML. Sinon, la page Web signalée plus haut est beaucoup plus facile à utiliser.

Prochaine étape: (S-5) Ondes et Photons

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      Auteur et responsable :   Dr. David P. Stern
     Mail au Dr.Stern:   stargaze("at" symbol)phy6.org

Traduction française: Guy Batteur guybatteur(arobase )wanadoo.fr

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Dernière mise à jour : 12.13.2001