lumière (suite)

Production de la lumière

La lumière a été expliquée par diverses théories. Les principales sont la théorie de l’émission et la théorie ondulatoire. La théorie de l’émission part de l’idée que les corps chauds émettent en tous sens des corpuscules animés de grande vitesse, donc de forte énergie. On lui préfère la théorie ondulatoire, fondée sur l’existence d’un fluide impondérable, l’éther, entrant en vibration.

La théorie électromagnétique de J. C. Maxwell* ramène à des phénomènes identiques les ondes hertziennes et les ondes lumineuses.

Vitesse de la lumière

Les ondes électromagnétiques se caractérisent par leur longueur d’onde ou leur fréquence. L’énergie qu’elles transportent, c’est-à-dire la radiation qui, entre 400 et 720 nm, constitue la lumière, se déplace avec une vitesse qui est connue. Le Danois Olaüs Römer (1644-1710), à l’aide d’observations astronomiques, établit le premier que la vitesse de la lumière ne se propage pas instantanément. Puis les Français Hippolyte Fizeau*, par rotation d’une roue dentée en 1849, et Léon Foucault*, en utilisant des miroirs tournants en 1850, donnèrent des méthodes de mesure. D’autres déterminations par moyens optiques ont été faites. Sur le plan scientifique, on admet la valeur 299 792 ± 0,4 km/s. Pratiquement, on retient, pour les applications usuelles, la valeur approximative de 300 000 km/s. On utilise cette grandeur en transposition de la seconde en année entière pour fournir une échelle de temps, l’année de lumière, qui permet d’avoir une unité de longueur extrêmement grande pour situer les étendues astronomiques, telles que distances des étoiles, qui, traduites en kilomètres, nécessiteraient l’alignement de longues suites de chiffres.

Caractères physiques de la lumière

La lumière est une vibration qui s’effectue dans tous les sens. Si on limite cette vibration à un plan unique, par filtrage par exemple au travers de cristaux orientés d’hérapathite, on obtient une lumière polarisée. Le laser fournit une lumière qui est à la fois polarisée, monochromatique et cohérente c’est-à-dire dotée d’une vibration sur un seul axe, comme l’est une onde hertzienne.

Un rayon lumineux qui parvient sur un corps, c’est-à-dire sur une surface constituant une limite de séparation entre l’air et la matière de ce corps, peut être soit réfléchi, soit absorbé. Le plus généralement, le rayon se trouve partiellement réfléchi et partiellement absorbé. Le comportement des corps vis-à-vis de la lumière permet de les considérer comme réfléchissants ou absorbants. Les métaux et les surfaces polies donnent une réflexion directe, où l’angle de réflexion est égal à l’angle d’incidence. Les substances mates, telle qu’une feuille de papier buvard, donnent une réflexion diffuse. On dit des corps qui renvoient pratiquement toute la lumière qu’ils reçoivent qu’ils sont opaques. Ceux qui se laissent traverser par elle sont dits transparents. Lorsque la lumière pénètre une substance, elle peut en ressortir presque intégralement. C’est ce qui se produit avec une mince feuille de verre à vitre ou de plastique incolore transparent. En revanche, si la substance est massive, l’énergie lumineuse s’y trouve absorbée et se transforme alors, soit par dégradation thermique avec élévation de température, soit par réémission en une longueur d’onde plus élevée (loi de Stokes) et qui correspond alors à un phénomène de luminescence, ou encore par des effets photochimiques.

L’ensemble des radiations émanant du Soleil constitue ce que l’on appelle la lumière blanche. L’expérience classique du prisme de Newton a permis d’établir que cette lumière est constituée par une suite de radiations qui, des longueurs d’onde les plus courtes aux longueurs d’onde les plus longues, vont du violet au rouge en passant par le bleu, le vert, le jaune et l’orangé. On ne saurait y placer l’indigo, qui n’est qu’un bleu gris lavande et fut introduit par l’abbé Delille pour le plaisir de faire un alexandrin. Il n’y a du reste ni six, ni sept couleurs dans le spectre, mais toute une gamme ; un œil exercé est capable d’en séparer et d’en analyser plusieurs centaines qui peuvent être désignées sans ambiguïté par leur longueur d’onde.

Lumières colorées

On peut obtenir des lumières colorées en séparant ces radiations optiquement par un monochromateur. On peut aussi séparer des bandes plus ou moins étroites en filtrant une lumière blanche par une matière (filtre coloré) qui n’en laisse passer qu’une certaine partie. Un verre rubis à l’or ne laisse passer que la lumière rouge et absorbe les autres radiations ; une très mince feuille d’or ne laisse passer qu’une lumière verte, alors qu’elle réfléchit la lumière jaune. La sensation de couleur est donc associée à la fois à la radiation reçue par une substance (lumière) et à la structure de l’objet qui reçoit cette lumière.

La lumière, source de vie

Source d’énergie, la lumière est indispensable à la vie, que ce soit celle des plantes, celle des cellules ou celle des animaux.

Les plantes vertes reçoivent la lumière comme source d’énergie vitale et aussi comme stimulus déclenchant une série de réactions indispensables à la germination, au développement et à la maturation. Pour capter la lumière, les plantes étalent sur le trajet de ses rayons une substance absorbante, qui est la chlorophylle. Celle-ci agit comme photoréceptrice et comme analyseur. Elle renvoie par réflexion du vert et absorbe le rouge ; d’où l’aspect coloré des feuilles. Les radiations absorbées réalisent au sein des chloroplastes des réactions qui participent étroitement à la photosynthèse des glucides et des protides. Les plantes sont capables de réactions adaptatives. Dans un local où la lumière vient trop faiblement d’une fenêtre, les plantes se penchent vers la lumière. Dans la nature, les feuilles s’étalent et s’orientent pour capter au mieux la lumière. En présence d’une trop grande quantité de lumière, certaines espèces disposent leurs feuilles sur champ pour limiter cette captation.

Les cellules sont capables d’un choix : les chloroplastes s’offrent à une faible lumière et s’orientent de façon à limiter son action si elle est trop intense.