LUMIÈRE

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

Interaction lumière-matière

Il est aisé de comprendre au premier degré par quel procédé un objet – rouge par exemple – nous apparaît d'une certaine couleur. Éclairée par de la lumière dite blanche (comme celle du soleil ou d'une ampoule), il ne renvoie vers notre œil qu'une partie du rayonnement incident – les composantes rouges de la lumière. Les autres composantes sont absorbées ou diffusées dans d'autres directions (un objet blanc renverrait toute la lumière, un objet noir l'absorberait entièrement).

Dans le cas de l'absorption, que se passe-t-il à l'échelle des constituants de l'objet ?

Au début du xxe siècle, les physiciens ont opéré une quantification de la lumière mais également de la matière. La matière est composée d'atomes, eux-mêmes formés d'un noyau, chargé positivement, et d'électrons. En fonction des positions occupées dans l'espace par ces électrons, on définit des niveaux d'énergie de l'atome (l'énergie ne peut pas prendre n'importe quelle valeur : ces niveaux sont discrets). Pour passer d'un niveau d'énergie à un autre, un atome a besoin de recevoir exactement la quantité d'énergie qui correspond à l'écart entre ces deux niveaux. Ni moins, ni plus. La lumière transporte des photons dont l'énergie est déterminée par la fréquence (ou la longueur d'onde). Si cette énergie est égale à l'écart entre deux niveaux atomiques, alors le photon sera absorbé et l'atome sera excité. À l'inverse, si l'énergie du photon est trop petite, mais également si elle est trop grande, le photon ne sera pas absorbé. Cela est la base de la spectroscopie d'absorption.

Typiquement, l'excitation d'un atome de son état fondamental vers les premiers états excités correspond à l'absorption de photons dans le domaine visible ou proche ultraviolet. Ainsi, si l'on éclaire une vapeur d'atomes métalliques avec de la lumière blanche et que l'on observe la lumière à la sortie, on constate qu'il manque certaines fréquences, qui ont été absorbées par les atomes. De même pour le spectre solaire : dès 1814, Joseph von Fraunhofer observa que certaines composantes spectrales manquaient, que l'on attribua plus tard à l'absorption par certains éléments constitutifs du Soleil. On analyse encore ainsi la composition superficielle des étoiles.

La matière qui nous entoure est plus généralement formée de molécules, qui sont elles-mêmes des assemblages d'atomes. Il existe des niveaux électroniques dans ces molécules, mais également d'autres types de niveaux – vibrationnels et rotationnels – qui peuvent être également excités avec des photons moins énergétiques que les états électroniques – infrarouge et micro-ondes.

Ainsi, le spectre d'une molécule – à savoir la façon dont elle absorbe ou non la lumière suivant la longueur d'onde de celle-ci – est une empreinte caractéristique de cette molécule. On peut ainsi utiliser la lumière comme outil d'analyse pour détecter la présence de molécules dans des milieux aussi divers que l'atmosphère des villes, les flammes d'un réacteur, ou le milieu interstellaire à des années-lumière de notre planète.

La spectroscopie d'émission est complémentaire de la spectroscopie d'absorption : un atome ou une molécule excité(e) retourne à son état fondamental en émettant un photon, caractéristique des états électroniques (et/ou vibrationnels et rotationnels) de l'atome ou de la molécule. La fréquence d'émission (donc l'énergie) du photon émis est bien souvent inférieure à celle du photon initialement absorbé dans le cas d'une molécule. Il existe des processus – dits non radiatifs – qui permettent à la molécule de se désexciter dans un premier temps sans émettre de lumière, puis d'émettre un photon à partir d'un niveau d'énergie plus bas. On peut donner comme exemple courant la célèbre « lumière noire » qui donne un aspect éclatant aux vêtements blancs. Il s'agit en réalité de lumière ultraviolette que les molécules du tissu absorbent et réémettent sur toute la gamme spectrale visible.

À noter que la spectroscopie tire profit des différentes techniques de dispersion de la lumière (diffraction par un réseau, réfraction par un prisme, interférométrie...) pour analyser la lumière incidente et transmise (absorption) ou émise.

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 10 pages

Médias de l’article

Réflexion et réfraction de la lumière

Réflexion et réfraction de la lumière
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Lumière : phénomènes ondulatoires

Lumière : phénomènes ondulatoires
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Lumière : propagation du champ électromagnétique

Lumière : propagation du champ électromagnétique
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Ondes électromagnétiques

Ondes électromagnétiques
Crédits : Encyclopædia Universalis France

dessin

Afficher les 4 médias de l'article


Écrit par :

Classification

Autres références

«  LUMIÈRE  » est également traité dans :

NATURE DE LA LUMIÈRE

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 299 mots

Aprèsses études à Cambridge et un premier poste de professeur à l'université d'Aberdeen, le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) est nommé professeur au King's College de Londres en 1860. C'est là qu'il obtient ses plus célèbres résultats sur l'électromagnétisme. En 1861 et 1862, il […] Lire la suite

A DYNAMICAL THEORY OF THE ELECTROMAGNETIC FIELD (J. C. Maxwell)

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 335 mots
  •  • 1 média

Le physicien écossais James Clerk Maxwell envoie en octobre 1864 aux Comptes-rendus de la Royal Society de Londres le résumé d'un article intitulé « Une théorie dynamique du champ électromagnétique ». En six pages, le professeur de physique du King's College de Londres propose une théorie qui suppose que les effets électromagnétiques aux alentours de corps électrisés ou magnétiques ne sont pas […] Lire la suite

ATOME

  • Écrit par 
  • José LEITE LOPES
  •  • 9 246 mots
  •  • 15 médias

Dans le chapitre « Atome et spectroscopie »  : […] L'étude des spectres des éléments et des corps composés constitue la source essentielle des informations sur la structure quantique des atomes et des molécules. Cette étude repose sur la détermination de la fréquence des raies spectrales qui correspondent à des transitions entre états quantiques, à quoi s'ajoutent la détermination de l'intensité des raies et la considération des règles de sélect […] Lire la suite

ATOMIQUE PHYSIQUE

  • Écrit par 
  • Philippe BOUYER, 
  • Georges LÉVI
  •  • 6 703 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Les atomes refroidis »  : […] L' action mécanique de la lumière sur les objets matériels avait été pressentie dès le début du xvii e  siècle par Kepler. Il expliquait ainsi que, si la queue des comètes est toujours orientée à l'opposé du Soleil, c'est en raison de la pression exercée par la lumière solaire sur les particules qui composent cette queue. Depuis lors, on a appris à maîtriser cette force radiative qui peut alors co […] Lire la suite

BROGLIE LOUIS DE (1892-1987)

  • Écrit par 
  • Marie-Antoinette TONNELAT
  •  • 2 214 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Recherches ultérieures »  : […] En 1928, Louis de Broglie devient titulaire d'une maîtrise de conférence créée pour lui à la faculté des sciences de Paris. Grâce aux donations du baron de Rothschild, un institut de recherches théoriques est créé : l'institut Henri-Poincaré. Louis de Broglie y enseignera pendant trente-quatre ans, succédant en 1932 à Léon Brillouin à la chaire de physique théorique. Dès 1933, Louis de Broglie est […] Lire la suite

BROUILLARDS

  • Écrit par 
  • Jean-Pierre CHALON
  •  • 4 267 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « Réduction de la visibilité »  : […] Lorsqu’un rayon de lumière traverse le brouillard, il rencontre une multitude de microgouttelettes d’eau en suspension. Une partie de la lumière est alors absorbée pendant que le reste est diffusé, dévié, réfléchi dans tous les sens, si bien qu’il est difficile de voir les objets situés à distance. Ce phénomène provoque une réduction de la visibilité, préjudiciable à de nombreux secteurs d’activi […] Lire la suite

CHLOROPHYLLES

  • Écrit par 
  • Alexis MOYSE
  •  • 3 558 mots
  •  • 4 médias

Dans le chapitre « Excitation photochimique des chlorophylles et photosynthèse »  : […] La photosynthèse se caractérise matériellement par un transfert d'électrons et de protons de l'eau au bioxyde de carbone qui se trouve réduit avec formation de glucides . Cette opération requiert de l'énergie et, dans les meilleures conditions, il faut 8 photons-grammes (8 einsteins) par molécule-gramme de bioxyde de carbone réduit, soit l'équivalent d'environ 1 460 à 2 300 kilojoules, selon la l […] Lire la suite

CINÉMA (Aspects généraux) - Les techniques du cinéma

  • Écrit par 
  • Michel BAPTISTE, 
  • Pierre BRARD, 
  • Jean COLLET, 
  • Michel FAVREAU, 
  • Tony GAUTHIER
  •  • 17 490 mots
  •  • 17 médias

Dans le chapitre « La vidéo-projection »  : […] Le procédé le plus ancien, l'Eidophore, permet la projection d'images de télévision en utilisant la réflexion d'un puissant flux lumineux modulé par les déformations d'une couche visqueuse provoquées par le bombardement d'un faisceau électronique. Pour la projection d'images en couleurs, on utilise l'association de trois tubes Eidophore respectivement filtrés en bleu, vert et rouge. Un deuxième pr […] Lire la suite

COLORIMÉTRIE

  • Écrit par 
  • Bernard LEBLANC
  •  • 3 871 mots
  •  • 3 médias

Dans le chapitre « La modernisation de la colorimétrie »  : […] Dans le système colorimétrique C.I.E. 1931, le diagramme Yxy , calculé à partir des composantes X , Y et Z , ne permet pas de quantifier de façon uniforme la perception des différences des couleurs par la vision humaine. En 1942, Deane Brewster Judd (1900-1972) et David L. MacAdam ont calculé, dans cet espace, les aires de confusion des couleurs. Ces études ont abouti à définir des zones de conf […] Lire la suite

COULEUR

  • Écrit par 
  • Pierre FLEURY, 
  • Christian IMBERT
  •  • 7 848 mots
  •  • 21 médias

Les radiations lumineuses perçues par notre œil se distinguent non seulement par leurs intensités, mais aussi par des caractéristiques qualitatives, leurs couleurs, qui n'ont d'abord été définies que par des comparaisons souvent grossières : les lumières comparables à celle du jour sont dites blanches, celles qui nous viennent de la plupart des feuilles au printemps sont vertes... Les mêmes adject […] Lire la suite

Voir aussi

Les derniers événements

9-31 décembre 2020 O.N.U. Sommet sur l'ambition climatique.

Le 9, le Programme des Nations unies pour l’environnement (PNUE) publie son rapport annuel qui met en lumière le « vaste écart » existant entre l’objectif de long terme en matière climatique et le niveau « totalement insuffisant » des engagements à moyen terme pris par les États signataires de l’accord de Paris de décembre 2015. Le rapport constate la poursuite de l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre (GAS) – 2,6 p. […] Lire la suite

10-29 décembre 2020 France. Maintien de mesures de restriction face à la Covid-19.

Il met notamment en lumière la responsabilité du directeur général de la Santé Jérôme Salomon dans la pénurie de masques de protection et la dissimulation de celle-ci au public. Le rapport préconise le renforcement de la gestion interministérielle du traitement des urgences sanitaires. Le 10 également, le Premier ministre Jean Castex annonce le remplacement du confinement par un couvre-feu de 20 heures à 6 heures, à partir du 15. […] Lire la suite

11-27 août 2020 États-Unis. Conventions d'investiture démocrate et républicaine.

Dans son discours, Joe Biden promet d’être « un allié de la lumière et non des ténèbres » et déclare que l’actuel président « a failli à son devoir le plus fondamental envers la nation » en n’ayant « pas réussi à […] protéger » ses concitoyens de la Covid-19. Du 24 au 27, la convention également virtuelle du Parti républicain se tient à Charlotte (Caroline du Nord). […] Lire la suite

6-17 décembre 2019 Allemagne. Visite de la chancelière Angela Merkel au camp d'extermination d'Auschwitz-Birkenau.

Il annonce également la création, au sein du BfV, d’une cellule chargée de « mettre en lumière les activités d’extrême droite dans la fonction publique », notamment dans l’armée et la police. […] Lire la suite

17-25 novembre 2019 France. Annonce de mesures contre les violences conjugales.

Celui-ci met en lumière les nombreux dysfonctionnements, notamment en matière de prévention, de la part des services de police et de gendarmerie, des magistrats, des services pénitentiaires, ainsi que des services sociaux et médicaux. Le 23, quarante-neuf mille personnes manifestent à Paris à l’appel du collectif féministe #NousToutes contre les violences faites aux femmes, ainsi que des milliers d’autres à travers le pays. […] Lire la suite

Pour citer l’article

Séverine MARTRENCHARD-BARRA, « LUMIÈRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 juillet 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/lumiere/