La lumière et les couleurs expliquées par les physiciens

La lumière est un phénomène physique qui, capté par nos yeux, produit dans nos cerveaux une sensation visuelle colorée.

La lumière n'a pas de masse et se propage dans le vide à environ 300 000 km/s, cette vitesse est une des constantes fondamentales de l'univers (c'est le c dans la célèbre formule d'Einstein E=mc²⁾. C'est assez mystérieux, mais les physiciens ont découvert comment la décrire avec des formules mathématiques très élaborées qui sont validées par l'expérience. Ils nous disent qu'il s'agit d'une énergie qu'ils appellent ondes électromagnétiques. Chaque gamme de fréquence du spectre électromagnétique en deçà et au-delà de la lumière a des propriétés particulières (radio, gamma, rayons X, …), on ne sait pas vraiment pourquoi, mais on sait l'observer et l'étudier pour l'utiliser. Mais ils la décrivent, la mesurent et l'utilisent aussi comme de minuscules particules immatérielles, les photons dotés d'un niveau d'énergie.

Les Égyptiens et les Grecs pensaient que la couleur était constituée de particules de couleurs. On sait depuis longtemps décomposer la lumière blanche, Isaac Newton avec un prisme vers 1666 a montré que l'on pouvait décomposer et recomposer la lumière blanche et pensait qu'il s'agissait de particules. À ce moment là Huygens considérait la lumière comme une onde qui se propageait dans l’éther comme une onde se déplace sur l'eau.

(vu ici https://www.futura-sciences.com/sciences/dossiers/physique-relativite-restreinte-naissance-espace-temps-509/page/5/)

À chaque fréquence du spectre de la lumière correspond une couleur, depuis le violet (en deçà ce sont les UV, ceux qui brûlent notre peau sans chaleur) en passant par l'indigo, le bleu, le vert, le jaune, l'orange et le rouge (au-delà ce sont les infrarouges, ceux qui nous chauffent sans nous brûler) dont les longueurs d'onde visibles sous forme de couleur sont entre 400 et 700 nanomètres

Newton y a vu 7 couleurs en pensant aux 7 notes de la gamme des musiciens, ce qui inclut le jaune, le bleu et le rouge dont le caractère primaire était bien connu par les peintres.

Entre les fréquences du spectre et les couleurs, il faut mettre un œil+cerveau ou capteur numérique+logiciel de traitement. En effet, l’œil, ou l'appareil photo numérique, n'a pas de capteur jaune, de plus on voit du rose, du marron, du blanc et du noir qui ne sont pas dans le spectre.

La mécanique quantique explique comment la lumière est produite sous forme de photons qui sont de minuscules particules d'énergie qui vibrent à une fréquence déterminée. Les atomes sont constitués d'un noyau et d'électrons qui l'entourent (de un à plus d'une centaine suivant l'atome, voir le tableau de Mendeleïev, classification périodique des éléments). Ces électrons sont caractérisés par un niveau d'énergie et peuvent en changer par saut (car seuls quelques niveaux sont permis) lorsqu'ils sont excités par un apport d'énergie. Chaque changement de niveau donne lieu à l'émission d'un photon d'une fréquence propre à chaque niveau permis de chaque atome, les fréquences des photons émis par les électrons sont une signature de l'atome, on la mesure sous la forme d'un spectre électromagnétique. Une molécule constituée d'atomes a aussi un spectre magnétique qui la caractérise, par exemple l'hydrogène (un électron) est caractérisé par ce spectre :

Lorsqu'une lumière frappe un objet, l'énergie de cette lumière excite les électrons qui le composent, ce qui entraîne l’absorption et l'émission de photons. Ce qui fait que le spectre de la lumière réfléchie par l'objet est différente que celui de la lumière incidente. Un objet qui absorbe toutes les fréquences sauf celles que nous voyons jaune nous apparaît donc jaune. Un objet éclairé par une lumière rouge nous apparaît donc teinté de rouge suivant sa capacité de réflexion comme un miroir. Un objet qui absorbe toutes les fréquences de lumière visible nous apparaît noir, c'est pour ça qu'une surface noire en plein soleil s'échauffe.

Voici les spectres de quelques lumières (on y devine pourquoi la lumière émise par les lampes Del peut être agressive pour nos yeux alors que celle des lampes incandescentes est plus reposante) :

(attention la couleur est celle que notre œil attribue à une fréquence, et non la réalité physique qui est seulement la fréquence associée aux photons qui composent la lumière)

Et celui de la réflexion de la lumière du jour sur une fleur d'ageratum :

Ainsi, la lumière d'une scène ou d'une image qui est captée par nos yeux contient des photons de différentes fréquences du spectre.

La force de la lumière perçue provient de l'intensité du flux de photons émis par une source ou par sa réflexion sur un objet :

• Flux très faible et c'est l'obscurité, à la limite, c'est noir quand il n'y a pas de source de lumière du spectre visible.
• Flux très fort et c'est l'éblouissement (en photo, on dit, c'est brûlé)

On caractérise une source de lumière par sa température en degrés Kelvin : plus la température est élevée, plus la fréquence est élevée (il existe une formule qui lie fréquence et énergie) :

• celle de notre lumière du jour émise par le soleil est autour de 5 000 degrés Kelvin,
• celle émise par une bougie est autour de 2 500 degrés Kelvin, ce qui fait qu'elle comporte beaucoup de rouge par rapport à la lumière émise par le soleil en plein jour.
• un corps humain à 36 degrés Celsius est une source de chaleur qui émet à une fréquence de 9400 nm (c'est de l'infrarouge ce qui permet de la capter avec un capteur adapté à cette fréquence.

Les feuilles des plantes sont vertes, car elles réfléchissent les fréquences de cette couleur qui est celle de la chlorophylle qui puise l'énergie de la lumière en absorbant les fréquences du bleu et du rouge. La lumière est vraiment source de vie.

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