Décrire la lumière et ses spectres

Une source primaire émet de la lumière ; un objet diffusant renvoie une partie de la lumière reçue. Pour voir un objet, de la lumière provenant de cet objet doit pénétrer dans l’œil. Un rayon lumineux est une ligne orientée représentant une direction et un sens de propagation. Il ne s’agit pas d’un fil matériel. Le modèle est utile pour prévoir les trajets et les zones éclairées, sans représenter toute la complexité du phénomène lumineux.

Dans un milieu homogène et transparent, la propagation est rectiligne. Homogène signifie que les propriétés du milieu ne varient pas d’un point à l’autre à l’échelle considérée ; transparent signifie qu’il laisse passer la lumière étudiée. Cette règle ne dit pas que tout trajet reste droit lorsqu’une lumière change de milieu. Une réfraction peut modifier sa direction à une interface, et un miroir peut la réfléchir.

Pour tester ce modèle, on peut aligner une source et des ouvertures pratiquées dans plusieurs écrans. Un faisceau fin est transmis si les ouvertures sont sur son trajet. Déplacer un écran peut interrompre le faisceau. On fixe les éléments, on utilise une lumière adaptée et on observe un écran de réception plutôt que de chercher à regarder directement dans la source. Une poussière qui rend un faisceau visible diffuse une partie de la lumière vers l’observateur.

Dans le vide, la vitesse de la lumière est une constante notée c ; pour les calculs de seconde, on utilise généralement c ≈ 3,00 × 10⁸ m/s. Dans l’air, cette valeur constitue aussi une bonne approximation dans les situations courantes étudiées. Elle est très supérieure à la vitesse du son dans l’air, de l’ordre de 340 m/s. Les deux signaux ne doivent pas être traités comme s’ils parcouraient une même distance avec la même durée.

Pour une propagation à vitesse constante, d = v × Δt. Dans le vide ou l’air avec l’approximation annoncée, on utilise d = c × Δt. La distance doit être en mètres et la durée en secondes si c est donnée en m/s. Une microseconde vaut 10⁻⁶ s ; une milliseconde vaut 10⁻³ s. Le contrôle des puissances de dix est indispensable, car ces durées très courtes correspondent déjà à des distances importantes.

Une année-lumière est une distance : celle parcourue par la lumière dans le vide pendant une année. Pour une année de 365,25 jours utilisée comme donnée, on obtient environ 9,46 × 10¹⁵ m. Ce n’est pas une durée, malgré la présence du mot année. Lorsque l’on reçoit la lumière d’un objet lointain, elle a mis un certain temps à arriver ; l’observation renseigne donc sur l’objet au moment où cette lumière a été émise.

Une radiation monochromatique se caractérise par une longueur d’onde dans le vide ou l’air, notée λ et exprimée en mètres. On utilise souvent le nanomètre : 1 nm = 10⁻⁹ m. Pour la lumière visible, les longueurs d’onde sont de l’ordre de quelques centaines de nanomètres. On retient approximativement un domaine de 400 à 800 nm ; les limites de perception ne sont pas des frontières universelles strictes.

Dans ce domaine, les radiations de plus courte longueur d’onde sont du côté du violet et celles de plus grande longueur d’onde du côté du rouge. Un rayonnement ultraviolet se situe au-delà du violet vers les courtes longueurs d’onde ; un infrarouge se situe au-delà du rouge vers les grandes longueurs d’onde. Ils ne sont pas visibles à l’œil humain. L’invisibilité d’un rayonnement ne permet pas de conclure qu’il est absent ou sans effet.

Une lumière polychromatique contient plusieurs radiations. La lumière blanche peut résulter d’un grand ensemble de radiations, mais aussi de mélanges plus limités donnant une perception blanche. Il serait donc inexact d’affirmer que toute source perçue blanche possède nécessairement un spectre continu identique. Il faut examiner le spectre pour connaître la composition et non déduire celle-ci de la seule couleur perçue.

Un spectre représente la composition d’une lumière selon la longueur d’onde. Un prisme ou un réseau disperse la lumière et permet de séparer des radiations. Pour lire quantitativement un spectre, il faut disposer d’un étalonnage qui associe les positions aux longueurs d’onde. Une photographie colorée sans graduation ne permet pas à elle seule d’annoncer une valeur précise en nanomètres. Le repérage dépend aussi de la résolution du dispositif.

Un corps chaud et dense peut produire un spectre continu d’origine thermique. Lorsque sa température augmente, la répartition du rayonnement change et la part relative des courtes longueurs d’onde devient plus importante dans les situations étudiées. On peut comparer qualitativement des spectres thermiques, mais une couleur d’objet éclairé ne mesure pas directement sa température : elle dépend aussi de la lumière reçue et des propriétés de l’objet.

Un gaz excité à basse pression peut émettre un spectre de raies : certaines longueurs d’onde sont présentes, séparées par des zones sans émission détectée. Les positions des raies constituent des informations caractéristiques des espèces émettrices dans les conditions de référence. Pour une identification, on compare plusieurs raies, pas seulement une couleur. Une seule coïncidence peut être insuffisante, et des espèces différentes peuvent partager des raies proches à la résolution de l’appareil.

Dans une activité expérimentale, on peut comparer une lampe à émission thermique et une lampe adaptée à l’observation de raies, en utilisant un spectroscope. On conserve la disposition et les réglages de mesure ; un fond parasite peut créer de fausses continuités ou masquer une raie faible. Si un analyseur fournit un signal en fonction de λ, on examine le fond, les pics et la largeur des raies. Une intensité non détectée n’est pas automatiquement une absence absolue de rayonnement.

Un prisme décompose une lumière polychromatique parce que son indice optique dépend de la longueur d’onde : les radiations ne sont pas toutes déviées de la même façon. Cette dispersion ne crée pas les couleurs ; elle les sépare. Un réseau réalise aussi une séparation, selon un autre mécanisme. Pour le prisme, la réfraction aux interfaces et la dépendance de l’indice à la radiation permettent une explication qualitative ; la géométrie du dispositif doit être prise en compte.