Spectre visible

Le spectre visible obtenu par décomposition de la lumière blanche par un prisme

Le spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique visible pour l'œil humain, c'est-à-dire une représentation de l'ensemble des composantes monochromatiques de la lumière visible.

On ne peut pas définir de façon absolue les limites en longueur d'onde des rayonnements perceptibles ; la sensibilité de l'œil diminue progressivement, et varie selon les individus. La Commission internationale de l'éclairage définit la vision de l’observateur de référence entre une longueur d'onde dans le vide de 390 nanomètres (nm), perçue comme un violet, et celle de 780 nm, correspondant à un rouge^[1].

Le spectre visible occupe la majeure partie de la fenêtre optique, une gamme des longueurs d'onde qui sont facilement transmises par l'atmosphère terrestre. Cette région du spectre électromagnétique recoupe celle où l'éclairement énergétique solaire est maximal à la surface de la Terre^[2]. Des longueurs d'ondes plus courtes que 380 nm endommageraient la structure des molécules organiques tandis que l'eau, constituant abondant du vivant, absorbe celles plus longues que 720 nm^[3].

Utilisation historique du terme

Le terme spectre, signifiant « apparence immatérielle », « illusion » s'appliquait, au XVII^e siècle, à tous les phénomènes optiques qu'on ne s'expliquait pas. Synonyme de couleur accidentelle, il servait pour les impressions rétiniennes du contraste simultané ou successif aussi bien que pour les irisations vues au bord d'un objet regardé à travers un prisme^[4].

Newton utilise une seule fois le terme « Spectrum » pour présenter ses expériences en optique dans son article de 1671^[5]. Procédant avec soin, il projette un rayon de lumière blanche du Soleil passant au travers d'un volet par un trou de 6 mm de diamètre et dévié par un prisme sur un mur, et obtient un spectre (op. cit., p. 3076) environ cinq fois plus long que large. Éliminant toutes les autres causes possibles, Newton conclut que la lumière blanche est « un mélange hétérogène de rayons différemment réfrangibles » (op. cit., p. 3079). Les couleurs ne sont pas, dit-il, des qualifications de la lumière, comme on l'estimait depuis Aristote, mais des propriétés originales, différentes dans chaque rayon ; les moins réfrangibles sont de couleur rouge, et les plus réfrangibles sont d'un violet profond, et cette association de propriétés ne peut être brisée par aucun moyen (op. cit., p. 3081). Les transmutations de couleurs ne se produisent que lorsqu'il y a mélange de rayons. Ce sont ces couleurs, et non celles séparées par le prisme, qui sont illusoires, fugaces et apparentes. « Les couleurs originales ou premières sont le rouge, le jaune, le vert, le bleu et un violet-pourpre, ensemble avec l'orange, l'indigo, et une variété indéfinie de gradations intermédiaires^[6] ». Toute une série de phénomènes optiques s'expliquent ainsi, y compris la coloration des objets (op. cit., p. 3084). Avec ces conclusions, il est clair que Newton n'emploiera plus le terme de spectre. Les « couleurs prismatiques » (op. cit., p. 3087) ne sont pas illusoires ou immatérielles : les autres couleurs le sont.

La théorie de Newton est immédiatement adoptée par le public, mais des savants influents, comme du Fay^[7], doutent. Voltaire défend la théorie de Newton avec une interprétation particulière qui transforme le spectre continu en sept rayons principaux^[8]. Le jésuite Castel s'oppose avec détermination à ce qu'il considère comme un phénomène de mode^[9]. Quelles sont, dit-il, ces sept couleurs que le savant anglais discerne, par raport aux trois qui, comme les peintres et les teinturiers le savent depuis fort longtemps, suffisent pour en reconstituer une infinité^[10] ?

Après plus d'un siècle, des intellectuels, moralistes et philosophes comme Goethe^[11] suivi par Schopenhauer^[12] s'obstinent à contester les conclusions de la physique. Pour eux, les couleurs prismatiques sont un « spectre », une illusion trompeuse. L'explication par des causes physiologiques, avec la théorie de Young et Helmholtz, de la synthèse trichrome des couleurs, résoudra l'apparente contradiction entre les pratiques des coloristes et les expériences des physiciens.

Après la séparation des recherches optiques et de celles sur la perception, le terme spectre reste en usage en physique, au sens de « description d'un signal par les fréquences ou les longueurs d'onde (voire les énergies) qui le composent^[13] », tandis que les arts de la couleur et la colorimétrie adoptent une série de caractérisations de la couleur qui leur est propre.

Du point de vue de la physique, la lumière est une variété de rayonnement électromagnétique, partageant certaines propriétés d'une onde et certaines de celles des particules^[14]. La vitesse de la lumière au travers d'un matériau est inférieure à celle dans le vide. Le rapport des vitesses est connu sous le nom d'indice de réfraction du matériau. Dans certaines matières, dites dispersives, la vitesse, et donc l'indice de réfraction dépend de la fréquence. La lumière qui contient plusieurs fréquences ou énergies photoniques se disperse en les traversant sous une incidence non perpendiculaire. Le verre est l'une de ces matières, ce qui permet de créer un spectre optique depuis la lumière blanche avec un prismes en verre.

Un réseau de diffraction permet aussi, par l'effet des interférences, la dispersion des rayons lumineux selon la fréquence. C'est le principal procédé aujourd'hui pour l'analyse du spectre.

Spectroscopie

L'étude scientifique des objets fondée sur l'analyse de la lumière qu'ils émettent est nommée spectroscopie. Une application très importante de la spectroscopie est l'astronomie, où la spectroscopie est essentielle à l'analyse d'objets distants. En particulier, la spectroscopie astronomique utilise des instruments à forte dispersion pour observer le spectre à de très hautes résolutions.

Fraunhofer repéra le premier l'existence de raies obscures dans la lumière du Soleil décomposée par le prisme. Différents éléments chimiques peuvent être détectés dans les astres par les raies d'émission ou d'absorption contenues dans leur spectre, la position des raies dans le spectre pouvant renseigner sur la nature des éléments chimiques, ainsi que sur la vitesse radiale des astres. Les premières exoplanètes ont été ainsi découvertes en analysant le spectre des étoiles à une si grande résolution que des petites variations de leur vélocité radiale - de quelques mètres par seconde - purent être détectées : la présence de planètes fut révélée par leur influence gravitationnelle sur les étoiles analysées, ainsi que leurs trajectoires.

Couleurs du spectre

Le spectre électromagnétique (le spectre visible correspond aux couleurs en bas du schéma)

La vision humaine a une sensibilité maximale en vision photopique, diurne, pour un rayonnement de longueur d'onde voisine de 555 nm, ce qui correspond à un vert jaunâtre.

Chaque « couleur spectrale » correspond à une longueur d’onde précise ; cependant, le spectre des lumières présentes dans la nature comprend en général l'ensemble des rayonnements, en proportion variables. La spectrométrie étudie les procédés de décomposition, d’observation et de mesure des radiations en étroites bandes de fréquence.

Un tel appareil, capable de donner cent niveaux différents pour chacune de ses quarante bandes, peut représenter 100⁴⁰ spectres différents.

Cependant, dans certaines régions du spectre, un humain normal peut distinguer des ondes de longueur d'onde différant de moins de 1 nm, et plus d'une centaine de niveaux de luminosité^[15]. Pourtant, la description d'une couleur n'a pas besoin d'autant de données que pourrait laisser croire la spectroscopie. Les humains n'ont en vision diurne que trois types de récepteurs, et il suffit de trois nombres pour décrire une couleur perçue. De nombreuses lumières mélangées de plusieurs radiations de longueurs d'onde différentes, dites métamères, se perçoivent identiquement. Les lumières monochromatiques n'ont pas de métamère, sauf à utiliser un mélange de deux rayonnements proches pour donner à percevoir un intermédiaire entre eux.

La description de la couleur perçue est l'objet de la colorimétrie ; mais la spectrométrie a une grande utilité lorsqu'il s'agit de couleurs de surface. Une surface colorée renvoie une partie du spectre de l'illuminant qui l'éclaire, absorbant le reste. Changer l'illuminant, c'est changer la lumière émise par la surface. Deux surfaces peuvent apparaître identiques sous un illuminant, mais, leur réflectance spectrale étant différente, ne plus être métamères sous un autre. Pour résoudre les problèmes que cela peut susciter, sans avoir à expérimenter avec tous les illuminants possibles, il faut étudier leur spectre.

On utilise parfois par extension le terme lumière pour désigner les rayonnements ultraviolets (UV), comme dans l'expression « lumière noire », ou infrarouges (IR), bien que ces rayonnements ne soient pas visibles^[16].

Longueurs d'onde approximatives des couleurs spectrales

Bien que le spectre soit continu et qu'il n’y ait pas de frontière claire entre une couleur et la suivante, la table suivante donne les valeurs limites des principaux champs chromatiques, avec les noms et limites de longueur d'onde dans le vide indiqués par la norme française AFNOR X080-10 « Classification méthodique générale des couleurs »^[17].

La fréquence du rayonnement en hertz s'obtient en divisant la vitesse de la lumière, soit environ 3×10⁸ m⋅s^-1, par la longueur d'onde en mètres. La fréquence en THz s'obtient en divisant 300 000 par la longueur d'onde en nanomètres, ou 1×10^-9 m.

Les couleurs primaires d'instrumentation de la CIE (1931) correspondent à des raies spectrales du mercure, pour celles à 435,8 et 549 nm, et est une valeur arbitraire pour celle à 700 nm, dont la luminance n'est que de 0,004102 du maximum atteint vers 555 nm.

Intervalles de longueur d'onde utilisés en spectroscopie UV-Visible

Ces intervalles de fréquences sont issus du CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts^[18] , ces frontières sont bien entendu approximatives, car le passage d'une couleur à l'autre est continu.

Voir aussi

Bibliographie

• Maurice Déribéré, La couleur, Paris, PUF, coll. « Que Sais-Je » (n^o 220),‎ 2014, 12^e éd. (1^re éd. 1964)
• Yves Le Grand, Optique physiologique : Tome 2, Lumière et couleurs, Paris, Masson,‎ 1972.
• Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelle, De Boeck,‎ 2013, p. 635

Articles connexes

• Bande spectrale
• Spectre électromagnétique

Lien externe

• (fr) Tout savoir sur la photosynthèse et le photovoltaïsme

Notes et références

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