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Qu'est-ce qu'une couleur ?

Dossier - La couleur et ses mystères
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Nous vivons dans un monde en couleurs. La nature et le vivant nous émerveillent par la variété des effets colorés qu'ils offrent. L'art s'est inspiré de la couleur, tout comme la mode et le marketing. La couleur, si elle nous apparaît toujours comme naturelle, est devenue un enjeu économique.

  
DossiersLa couleur et ses mystères
 

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 simplement de fixer un peu les idées pour savoir de quoi on parle quand il est question de couleurs...

Des cristaux biréfringents présentent une anisotropie, ici sur des couverts. © Vlue, Shutterstock

Les ondes électromagnétiques et le spectre 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. Ces ouvertures 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) :

Spectre du visible. © DR

Découvrez à présent les caractéristiques de différentes ondes dont on parle souvent :

Tableau spectre des radiations. © DR
EM Spectrum. © DR

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 plus la lumière est énergétique. Ainsi, les rayons ultraviolets pénètrent dans la peau suffisamment pour y causer des dégâts !

La réflexion ou lois 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 :

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. © DR

La réfraction

La réfraction est 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. © DR

La 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 déflexion 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.

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

Diffraction d’une onde. © DR

La diffusion des ondes

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 dû à la fine division de la matière en petits cristaux de neige.

Image de diffusion. © DR

Les interférences

Les bulles de savon, la nacre, une argenterie oxydée, les plumes ou les écailles des ailes de papillons... Tous ces exemples entrent dans les deux catégories existantes d'interférences :

  • celle des lames minces ;
  • 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 à cce sujet 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.

La grande majorité des couleurs que nous pouvons percevoir sont dues à des pigments, mais pas celle du papillon morpho. Ce surprenant insecte arbore un bleu irisé qui change en fonction de la lumière. Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent au cours de cet épisode de Kézako d’où provient cette étrange couleur. © Unisciel

La 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. © DR

La 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.

La biréfringence et les cristaux

La biréfringence 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. © DR

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. © DR

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

Pour ceux qui aiment les équations et qui souhaitent en savoir davantage sur les couleurs, lisez le Traité des couleurs, des Presses polytechniques et universitaires romandes, toute la deuxième partie du livre est consacrée aux équations qui gèrent le monde dans lequel ce dossier va vous entraîner !

Pour en savoir plus, lisez également notre dossier La vision au-delà de la vision.

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