Origine et nature
La lumière est produite par des sources naturelles (comme le soleil et les étoiles) ou artificielles, comprenant des sources incandescentes (lampe électrique), des sources luminescentes (tube au néon) des sources fluorescentes (tubes d’éclairage).
La lumière se propage en ligne droite ; mais elle est en même temps une suite de vibrations qui se déplacent en ondes ; ces vibrations sont transversales, c’est-à-dire perpendiculaires à leur sens de propagation.
La théorie ondulatoire de la lumière émise au XVlle siècle par Huyghens fût reprise au début du XIXe siècle par Young, puis par Fresnel et Maxwell. Depuis les physiciens ont développé la théorie corpusculaire (Max Planck, Louis de Broglie) afin d’expliquer tous les phénomènes physiques et chimiques liés à la lumière. Selon cette théorie, la lumière serait à la fois de nature ondulatoire et corpusculaire (Théorie des quanta).
Les ondes Lumineuses
On obtient des vibrations transversales —comme le sont celles de la lumière — en jetant une pierre dans l’eau : les molécules du liquide sont alors animées d’un mouvement oscillatoire. A la surface de l’eau se forment des rides circulaires concentriques. La crête de chaque ride est le ventre, le fond, le nœud la distance séparant deux nœuds (ou deux ventres) successifs représente la longueur d’onde, symbolisée par la lettre grecque lambda (λ). Un bouchon posé sur la surface de l’eau suit les oscillations de la masse liquide en se soulevant sur la crête des vagues et en s’enfonçant dans le creux, mais sans changer de place : c’est la preuve que l’énergie cinétique, provoquée par la pierre pénétrant dans l’eau, est transportée par les ondes, mais sans réel déplacement de la masse liquide. En réalité, le liquide ne fait qu’osciller perpendiculairement au sens de propagation des ondes. De même un rayon de lumière solaire est animé d’un mouvement vibratoire puisant son énergie dans la combustion du soleil.
La longueur d’onde λ. est la distance séparant deux ventres (crêtes) ou deux nœuds (fond).
Longueur d’ondes et fréquence
Toute onde électromagnétique peut être schématisée par une oscillation ABC qui se propage selon la direction XY : sur la figure la longueur d’onde (λ) est représentée par la distance AC.
La fréquence : pendant une seconde l’onde lumineuse accomplit un nombre d’oscillations déterminé. Longueur d’onde, fréquence et vitesse de propagation suffisent à caractériser un rayonnement. La longueur d’onde associée à la lumière est très petite ; pour la mesurer il a fallu adopter des unités de longueur appropriées :
La longueur d’onde λ est représentée par la distance AC.
Le micromètre ou micron (µ) qui vaut un millième de millimètre ; le nanomètre (nm) ou millimicron qui vaut un millionième de millimètre. L’Angstreőm (Å), unité spécialement utilisée pour la mesure des longueurs d’onde, qui vaut un dix-millionième de millimètre. Il s’ensuit qu’un micromètre vaut 10 000 Å et qu’un nanomètre vaut 10 Å
Lumière solaire ou lumière blanche
La lumière solaire, qui nous paraît blanche, est en réalité composée d’un mélange de radiations de diverses longueurs d’onde, chacune d’elles pouvant être caractérisée par sa longueur d’onde : à chaque longueur d’onde correspond une lumière de couleur déterminée.
Vitesse de propagation de la lumière
Pendant très longtemps, on a cru que la lumière se propageait instantanément ; mais depuis le XIX° siècle, cette vitesse a été mesurée avec précision. La vitesse de la lumière dépend de la nature du milieu transparent traversé : dans le vide elle est maximale et très proche de 300 000 km/s. Dans les autres milieux, elle est toujours plus faible : dans l’eau, 225 000 km/s environ ; 200 000 km/s dans le verre ordinaire.
Composition de la lumière blanche
Lorsque l’ensemble des radiations solaires frappe nos yeux, nous ressentons l’impression de lumière blanche ; mais cette lumière blanche est formée d’un mélange d’un grand nombre de radiations correspondant chacune à une longueur d’onde et à une couleur déterminées. La démonstration en est faite — depuis Newton — en faisant tomber un faisceau de lumière blanche sur la face d’un prisme.
Dispersion de la lumière par le prisme.
Le faisceau émergent est dévié vers la base du prisme ; reçu sur un écran, le faisceau est étalé en un spectre de plages juxtaposées et colorées : c’est le phénomène de la dispersion.
Les radiations les plus déviées sont les radiations violettes ; les moins déviées, les radiations rouges.
En effet, les radiations sont d’autant plus réfractées (c’est-à-dire déviées vers la base du prisme) qu’elles sont de plus courte longueur d’onde. En examinant un spectre solaire — un arc-en-ciel, par exemple — l’oeil humain distingue trois zones principales : une zone violet-bleu, une zone verte, une zone rouge. Aux limites de recoupement de ces trois zones, on remarque deux bandes colorées plus étroites : une bleu-vert (entre le violet-bleu et le vert) et une jaune (entre le vert et le rouge).
Le spectrographe est un appareil qui permet d’obtenir un spectre très étalé selon les longueurs d’onde. Le spectre visible est compris entre les radiations de longueur d’onde 4 000 Â (violet) et 7 000 Â (rouge).
Les différentes couleurs correspondent aux longueurs d’ondes suivantes :
- 4 000 à 4 350 Å
- violet4 350 à 5 000 Å bleu
- 5 000 à 5 700 Å vert
- 5 700 à 5 950 Å jaune
- 5 950 à 6 250 Å orange
- 6 250 à 7 400 Å rouge.
Mais le spectre visible n’occupe qu’une place extrêmement réduite dans le spectre des ondes électromagnétiques : celui-ci s’étend en effet depuis les radiations de longueur d’onde 0,001 Å —longueur d’onde associée aux rayons cosmiques —jusqu’aux ondes hertziennes de la radio, dont la longueur d’onde peut dépasser 1 km.
Spectre visible
Radiations invisibles : ultraviolet et infrarouge
Le spectre visible se prolonge sans solution de continuité, à chacune de ses extrémités de radiations invisibles. Du côté des courtes longueurs d’ondes, se trouvent les radiations ultraviolettes, lesquelles, dans des conditions particulières, impressionnent l’émulsion photographique.
Le domaine de l’ultraviolet est compris entre 4 000 Å et 100 Å. Les
radiations de plus courtes longueurs d’onde : les rayons X (de 100 Å à 0,01 Å) ; les rayons gamma (0,01 à 0,001 Å) peuvent également impressionner le film photographique pour y former des images.
Spectre des ondes électromagnétiques
Du côté des grandes longueurs d’ondes, le rouge visible est prolongé par l’infrarouge qui agit sur les films photographiques spécialement sensibilisés. Le domaine de l’infrarouge est globalement compris entre 7 500 Å et 300 p. (soit 30 000 000 Å) Au-delà, commence le domaine des ondes radio hyperfréquences…
Variations du rayonnement solaire
La lumière solaire, dite lumière naturelle, subit des variations sensibles de sa composition:
1- Selon l’état de l’atmosphère. Les brumes et poussières qui troublent l’atmosphère laissent passer davantage les radiations rouges et jaunes que les radiations vertes et violet-bleu. C’est pour cette raison que les diapositives en couleur, prises par temps brumeux ou dans l’atmosphère enfumée des villes, ont souvent une dominante rougeâtre.
En revanche, dans une atmosphère très pure —en haute-montagne ou au bord de la mer — les radiations violet-bleu et ultraviolettes abondent ; de plus, le ciel bleu diffuse une quantité importante de rayons bleus. En photographie couleur, on peut employer un filtre pour équilibrer la composition spectrale de la lumière avec le type de film couleur utilisé.
2- Selon la saison, l’heure et le lieu. De même, lorsque le soleil est bas sur l’horizon, la lumière solaire a une teinte jaunâtre ou rougeâtre : ceci est dû à ce que, pour nous parvenir, les rayons solaires doivent traverser, sur une plus grande longueur, les couches denses de l’atmosphère.
Par convention, on appelle lumière naturelle la lumière moyenne du soleil, au milieu de la journée par temps clair ; le spectre de la lumière naturelle contient sensiblement 33 % de chacune des trois grandes zones distinguées dans la lumière solaire : violet-bleu, vert et rouge.
Température de couleur de la lumière
La composition spectrale d’une source de lumière incandescente, à spectre continu, comme l’est celle du soleil peut être définie avec précision par sa température de couleur (ou TC). Celle-ci s’exprime en degrés Kelvin (0K) ou en mired.
En effet, pour les corps incandescents — dits « corps noirs » — il y a un rapport constant entre la température du corps chauffé et la composition de la lumière qu’il émet. On sait, par exemple, qu’un morceau de fer chauffé à 800 °C est rouge, à 1 000 °C, il est jaune; à 1500 °C (sa température de fusion), il est blanc : le rayonnement émis est d’autant plus riche en radiations violet-bleu que la température est plus élevée.
Température de couleur de la lumière solaire aux différents
moments de la journée en été, en France
Les températures en degrés Kelvin ne sont autres que les températures exprimées en degré absolu c’est-à-dire à partir du zéro absolu (-273 °C) Par exemple 1 000 01 °K correspondent à 1 000-273 = 727 °C (degrés Celsius).
- La lumière naturelle moyenne a une TC voisine de 6 000 °K
- Les lampes à incandescence utilisée en photographie ont une TC bien déterminée, lorsqu’elles sont alimentées par un courant dont la tension est indiquée sur le culot de la lampe :
- Lampe photo flood = 3400 °K ;
- Lampe pour studio type B = 3 200 °K.
Les degrés mired, parfois utilisés, sont les valeurs millionièmes inverses des degrés Kelvin : TC en mired = 1 000 000/T 01 °K
Action énergétique des radiations lumineuses
Le rayonnement solaire, surtout dans sa zone infrarouge, produit la chaleur ou énergie calorifique nécessaire à la vie terrestre ; de plus, il agit sur de nombreuses substances, parmi lesquelles le bromure d’argent : c’est l’énergie photochimique.
Enfin, en frappant certaines substances, la lumière peut produire du courant électrique : l’action photoélectrique de la lumière est bien illustrée par les cellules photovoltaïques au sélénium employées dans certains posemètres : elles produisent du courant électrique lorsque la lumière les frappe.
Ces diverses actions de la lumière ne s’expliquent que par l’existence de corpuscules énergétiques appelés photons, associés au mouvement ondulatoire dont on a déjà parlé.
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