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La couleur et ses mystères

Nous vivons dans un monde en couleurs : l'art, la mode, le marketing... La couleur, qui apparaît comme naturelle, est un enjeu économique (développement de matériaux et de produits) et s'accompagne de recherches importantes.

Page 2 / 16 - Les couleurs Sommaire
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Claire König Enseignante Sciences Naturelles

Il ne s’agit pas ici d’un cours d’optique, je laisse ceci aux physiciens ! Ils sont plus compétents que moi sur le sujet, il s’agit, ici, simplement de fixer un peu les idées pour savoir de quoi on parle quand on parle de couleurs. Pour ceux qui aiment les équations rendez-vous dans le « Traité des couleurs » des Presses polytechniques et universitaires romandes cité en bibliographie, toute la deuxième partie du livre est consacrée aux équations qui gèrent le monde dans lequel ce dossier va vous entraîner !

1 - Les ondes électromagnétiques

Spectre du visible
Spectre du visible

Projetée sur un écran à partir de petites ouvertures de formes diverses la lumière (rouge par exemple) dessine des motifs d’interférences qui prouvent sa nature ondulatoire. Elles forment la lumière visible dont le spectre se répartit entre 400 et 800 nanomètres. Voici le spectre visible (donc les couleurs que nous pouvons voir) et les caractéristiques de différentes ondes dont on parle souvent :

Tableau spectre des radiations
Tableau spectre des radiations

EM Spectrum
EM Spectrum

Une onde est caractérisée par sa fréquence et sa longueur qui sont inverses l’une de l’autre : plus la longueur d’onde est faible, plus la fréquence est grande, et donc plus la lumière est énergétique, on le sait bien que les rayons ultraviolets pénètrent dans la peau suffisamment pour y causer des dégâts !

2 - Réflexion ou  Loi de Snell-Descartes

Les lois de Snell-Descartes décrivent le comportement de la lumière à l'interface de deux milieux. Ces lois sont au nombre de deux, une pour la réflexion et une pour la réfraction. Avec la propagation rectiligne de la lumière dans les milieux homogènes et isotropes, ces lois sont à la base de l'optique géométrique.

Loi de la réflexion
Loi de la réflexion

3 - Réfraction

L'expression désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. Les couleurs de l’arc-en-ciel sont des couleurs par réfraction à travers les gouttes d’eau  en suspension dans une atmosphère très humide, après un orage par exemple.

Réfraction du prisme
Réfraction du prisme

4 - Diffraction

La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La diffraction se manifeste par le fait qu'après la rencontre d'un objet, la densité de l'onde n'est pas conservée selon les lois de l'optique géométrique.

La diffraction est une déflection des rayons lumineux aux abords immédiats des obstacles, déflexion qui a pour effet d’élargir les faisceaux aux passages étroits…par exemple les couleurs irisées des grains de poussières dans certaines conditions de lumière ou des fils d’une toile d’araignée ou encore un CD

La diffraction s'observe avec la lumière, mais également avec le son, les vagues, les neutrons, les rayons X... Elle est une signature de la nature ondulatoire d'un phénomène.

A noter : les couleurs par diffraction sont difficiles à différencier des couleurs interférentielles (voir ci-dessous).

Diffraction d’une onde
Diffraction d’une onde

5 - Diffusion

La diffusion d'une onde électromagnétique par un système est due à l'hétérogénéité du système, à l'échelle des molécules ou d'agrégats de molécules. Si un obstacle (une particule d’aérosol, des petits cristaux de glace dans l’air, le brouillard....) est éclairé par une onde électromagnétique, les charges électriques de l'obstacle se mettent à osciller à cause du champ électrique de l'onde incidente. Les charges électriques ainsi excitées rayonnent l'énergie électromagnétique dans toutes les directions ; c'est ce deuxième rayonnement qui est appelé diffusion.

Les couleurs qui apparaissent dans la neige le matin sont des couleurs par diffusion du bleu du ciel et du rouge du soleil levant. Ceci est du à la fine division de la matière en petits cristaux de neige.

Image de diffusion
Image de diffusion

6 - Interférences

Les bulles de savon, la nacre, une argenterie oxydée, les plumes ou les écailles des ailes de papillons… Il y a deux catégories d’interférences, celle des lames minces et celle des structures organisées.

Dans le cas des lames minces, l’essentiel est la minceur de la lame qui doit être de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de la lumière. Dans le cas des structures organisées il en va de même et l’opale est source de lumière interférentielle parce que les petites boules qui la forment sont disposées très régulièrement et ont un diamètre proche de la longueur d’onde de la lumière (lire notre dossier : "Au coeur de la silice... du silex au wafer"). Il en va de même pour le bleu des ailes de Morpho, ce célèbre papillon d’Amérique du Sud.

7 - Transparence

Un matériau ou un objet est qualifié de transparent (on peut voir les formes à travers) ou translucide (on ne peut pas voir les formes à travers) lorsqu'il se laisse traverser par la lumière.

Transparence
Transparence

8 - Réfringence

C’est une propriété caractéristique des substances transparentes qui correspond à sa capacité à dévier la lumière. Les substances de grande masse volumique sont, en principe, fortement réfringentes et les substances de petite masse volumique le sont faiblement. Cette corrélation est imparfaite : l'huile, de masse volumique inférieure à l'eau, est plus réfringente qu’elle. La réfringence d'une substance dépend aussi de sa structure moléculaire. De plus, les conditions ambiantes comme la pression et la température, influencent la réfringence d'une substance.

9 - Biréfringence

C’est une propriété qu'ont certains matériaux transparents vis-à-vis de la lumière. Leur effet principal est de diviser en deux un rayon lumineux qui les pénètre. La biréfringence s’explique par l’existence de deux indices de réfraction différents selon la polarisation de la lumière. Ces deux indices sont appelés indice ordinaire (noté no) et indice extraordinaire (noté ne).

Image de biréfringence
Image de biréfringence

Du point de vue de la cristallographie, les cristaux biréfringents présentent une anisotropie, c'est-à-dire que leur structure possède un ou deux axes privilégiés. Cette anisotropie a pour effet que le cristal ne transmet pas de la même façon les rayons lumineux selon leur polarisation.

Image de biréfringence de la calcite
Image de biréfringence de la calcite

De très nombreux cristaux sont biréfringents, comme le quartz ou le spath d'Islande (lire notre dossier "Cristallographie : chimie de la calcite"). Quelques exemples : béryl, calcite calomel, glace, fluorure de magnésium, quartz, rubis, rutile, péridot, saphir, tourmaline, zircon...

Lire également sur ce sujet notre dossier : "La vision au-delà de la vision"

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