Données de physique utilisées en biologie/Lumière

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Présentation

Une lumière est une onde, donc un support d'énergie, qui se propage plus ou moins profondément dans les milieux où elle est émise et qui la recoivent.

Lumière blanche et lumière monochromatique

Composition de la lumière blanche

Décomposition de la lumière par un prisme et résultat

La lumière blanche, telle celle émise par le Soleil, est un ensemble de lumières colorées comme nous le montre un prisme judicieusement placé par rapport au trajet des rayons lumineux : le prisme décompose la lumière en une série de lumières colorées. Cette décomposition de la lumière par des gouttes d'eau a pour conséquence l'arc en ciel.

Chaque lumière colorée qui entre dans la composition de la lumière blanche est une lumière monochromatique.

Spectre lumineux

Quand un système optique décompose la lumière blanche tel que les lumières monochromatiques sont étalées dans une bande, on observe le spectre de la lumière blanche (Voir l'illustration ci-contre.). Ce spectre est complet pour la lumière blanche puisque, par définition, la lumière blanche est l’ensemble de toutes les monochromatiques.

Chaque bande d'une couleur constitue une raie du spectre.

Lumière et photon

Ces ondes du visible transportent des particules élémentaires, les photons, dont l'énergie cinétique (énergie de mouvement) constitue l'énergie lumineuse. Une surface éclairée subit un bombardement de photons : cette expression de l'éclairement d'une surface facilite la compréhension des phénomènes énergétiques liés à la lumière (donc, à retenir !). Bloquer un photon, c’est transformer son énergie cinétique en une autre énergie, souvent thermique. Les photons d'une monochromatique montre une énergie cinétique d'autant plus forte que sa longueur d'onde est faible.

Ainsi :

• les ondes du visible de plus grande longueur d'onde ont des photons relativement faciles à arrêter, donc avec une énergie relativement facile à transformer en énergie thermique, ce qui en fait des ondes de couleur chaudes, alors que celles de plus faible longueur d'onde dont les photons sont plus difficilement arrêtés, ondes plus pénétrantes, seront les ondes de couleur froides,
• la déviation des trajets des rayons monochromatiques par une surface est d'autant plus grande que la longueur d'onde est grande pour un même angle d'incidence (angle d'arrivée du rayon sur la surface par rapport à la perpendiculaire à cette surface au point d'incidence ou point où le rayon rencontre la surface), comme la déviation des monochromatiques qui composent un rayon de lumière blanche est différente, cela permet avec un prisme d’avoir la décomposition de la lumière blanche pour obtenir son spectre,
• lors de la traversée d'un milieu, les monochromatiques de longueur d'onde les plus petites, dont les photons sont plus difficiles à arréter, pourront s'enfoncer plus profondément dans le milieu que celles de longueur d'onde plus grande, sont considérées comme les plus pénétrantes.

Caractéristiques et propriétés des monochromatiques

Les ondes du visible sont des ondes électromagnétiques.
Chaque monochromatique est une onde de longueur d'onde définie (notée λ - lambda -).
Les ondes dont la longueur d'onde est comprise entre 0,350 μm et 0,750 μm (limites incluses) sont perçues par la vision humaine et sont les ondes du visible. Au delà de 0.750 μm, c’est le domaine de l'infrarouge (à gauche du spectre ci-dessus) et en-deçà de 0.350 μm, c’est le domaine de l'ultraviolet (à droite du spectre ci-dessus).

(Les préfixes "infra" et "ultra" se comprennent si on se rappelle que les ondes sont étudiées dans l’ordre des longueurs d'onde décroissantes.)

Dans une lumière, chaque monochromatique qui la compose se caractérise par :

• sa qualité qui est sa longueur d'onde et qui sera perçue comme sa couleur,
• sa quantité qui est son intensité correspondant au flux de photons transportés (le flux étant la quantité d'éléments passant au travers d'une surface élémentaire par unité de temps).

Une lumière se caractérise par :

• sa composition de monochromatique, son aspect qualitatif, qui lui permet d’être perçue avec sa couleur propre,
• son intensité lumineuse, son aspect quantitatif, qui est la somme des intensités des monochromatiques qui la composent et qui peut être appelée pour cela intensité lumineuse globale.

Addition et soustraction de monochromatiques

Méthode additive et méthode soustractive

Pour obtenir des couleurs, il y a deux méthodes :

• la méthode additive en réunissant plusieurs monochromatiques.
• la méthode soustractive en enlevant une ou plusieurs monochromatiques (tout ou en partie) de la lumière blanche,

Par la méthode additive, la réunion de toutes les monochromatiques avec des intensités relatives données donnent de la lumière blanche.

Par la méthode soustractive, enlever intégralement toutes les monochromatiques donnent l'obscurité totale (absence totale de lumière) ou encore, une surface qui ne renverrait et/ou ne se laisserait traverser par aucune monochromatique serait noire.

Obtention d'une couleur par la méthode additive

Pour comprendre plus facilement, il vaut mieux ne considérer que les trois couleurs Rouge (R), Jaune (J) et bleue (B): mode RJB (ou RYB En).

En représentant un spectre par trois batonnêts, l'un de couleur rouge, un autre de couleur jaune et le dernier de couleur bleue, dont la hauteur représente l'intensité lumineuse de chacune des couleurs, il est possible de reproduire un spectre simplifié du blanc.

Remarque: chaque couleur est représentée par une des couleurs de son domaine (pas exactement la bonne couleur nécessaire pour obtenir le blanc) et les trois sont dans des rapports d'intensité imaginaires (pas forcément les bons rapports pour obtenir le blanc). Ce schéma est créé pour suivre l'explication pour obtenir une couleur sans que la représentation soit une stricte réalité. Ce commentaire est pour les puristes qui s'intéressent à la réalité plus qu'au mécanisme.

Obtenir du jaune à partir d'une lumière blanche par méthode additive

En étant en mode R J B, en augmentant l'intensité de la composante jaune à partir d'une lumière blanche, est obtenue la couleur de la monochromatique augmentée de façon de plus en plus franche (marquée). Comme en augmentant l'intensité de l'une des composantes, l'intensité lumineuse globale augmente en même temps que la couleur jaune devient de plus en plus franche, sa luminosité augmente.

En augmentant l'intensité de la composante jaune, la lumière vire de plus en plus au jaune et est de plus en plus lumineuse puisque l'intensité globale, somme des intensité des trois composantes, est plus grande. Plus l'intensité de la composante jaune augmente plus la lumière globale vire au jaune franc (couleur de la composante initiale) et plus la luminosité globale est grande.
Une augmentation de l'intensité de la seule composante bleue aurait pour effet d'obtenir une couleur bleue franche de plus en plus lumineuse, et l’augmentation de la seule composante rouge d'obtenir une couleur rouge de plus en plus lumineuse.

En augmentant les intensités des composantes jaune et bleue en gardant constante leur proportion d'intensité ou pas, sera obtenue une lumière globale de couleur verte (différente selon les proportions de chacune des composantes bleue et jaune) et d'intensité globale lumineuse plus forte. Avec cette méthode d'augmentation de deux composantes seulement, seraient obtenues :

• une couleur orange avec augmentation des composantes rouge et jaune,
• une couleur violette avec augmentation des composantes rouge et bleue,
• une couleur verte avec augmentation des composantes jaune et bleue.

En partant d'un blanc, en méthode additive, en augmentant l'intensité des monochromatiques sauf une et en gardant leur proportion, c’est la couleur complémentaire de celle qui n'augmente pas qui est obtenue. Si, ensuite, l'intensité de la couleur, jusqu'ici constante, est augmentée à son tour le blanc sera réobtenu quand les proportions des trois composantes le permettront. Ainsi, combiner une couleur avec sa complémentaire (avec les bonnes intensités) redonne du blanc.

En augmentant les intensités des trois composantes mais en conservant les proportions de leur intensité, c’est de la lumière blanche qui est obtenue avec une intensité lumineuse de plus en plus forte. Si la composition initiale d'un blanc est exprimé par nR + pJ + qB, alors le blanc sera perçu pour toute valeur de k (k appartenant à l’ensemble R* -réels strictement positifs-) tant que knR + kpJ + kqB avec une luminosité globale d'autant plus grande que k est grand.

En diminuant k, la luminosité globale diminue et quand k devient nul alors il n'y a plus de lumière et c’est le noir. Ainsi, tout gris est un blanc de faible luminosité et d'autant plus sombre que la luminosité globale est faible.

Méthode additive : trois monochromatiques pour un blanc

Le luxogramme, ci-contre, est obtenu en superposant les faisceaux de trois sources rouge, jaune et bleue de telle façon que la zone centrale reçoive les trois faisceaux, que tout autour d'elle des zones (trois) recoivent deux des trois faisceaux et qu'en périphérie des zones (trois) ne recoivent qu'un seul des trois faisceaux :
- la zone centrale recevant les trois faisceaux est blanche, - la couronne moyenne est celle des couleurs complémentaires, - la couronne périphérique est celle des couleurs des trois sources, - les couleurs des sources ont leur couleur complémentaire « diamétralement » opposée, - puisque la méthode est additive, la zone centrale est plus lumineuse que la zone moyenne et celle-ci plus que la zone périphérique, alors que la zone externe non éclairée paraît noire.

Par la méthode additive, trois sources de lumière monochromatique R, J et B éclairant une même surface blanche (un écran) donne une plage commune éclairée blanche.

Bien entendu l'aspect blanc ne sera obtenu que pour des intensités lumineuses et des qualités de couleur données de chacune des sources.

Obtention d'une couleur par méthode soustractive

Dans cette partie, nous conservons la simplification en mode R J B.

À partir d'une zone éclairée par les trois sources et perçue comme blanche, si une source est éteinte, la combinaison des deux restantes donne la couleur complémentaire de la couleur de la source éteinte. Ainsi :

• l'extinction de la source rouge donne du vert, combinaison du jaune et du bleu, et, donc, le vert obtenu est la couleur complémentaire du rouge,
• l'extinction de la source jaune donne du violet, combinaison du rouge et du bleu, et, donc, le violet obtenu est la couleur complémentaire du jaune,
• l'extinction de la source bleu donne du orange, combinaison du rouge et du jaune, et, donc, le orange obtenu est la couleur complémentaire du bleu.

Obtenir une même couleur d'une lumière blanche par méthode additive ou méthode soustractive

En étant en mode R J B, - en augmentant (méthode additive) l'intensité de la composante jaune à partir d'une lumière blanche, est obtenue la couleur de la monochromatique augmentée de façon de plus en plus franche (marquée) et comme en augmentant l'intensité de l'une des composantes, l'intensité lumineuse globale augmente en même temps que la couleur jaune devient de plus en plus franche, sa luminosité augmente, - en réduisant (méthode soustractive) l'intensité des deux autres monochromatiques on retrouve la même couleur mais, dans ce cas, la luminosité globale diminue au fur et à mesure où la couleur devient plus franche.

En diminuant l'intensité de deux des trois composantes en conservant leur proportion du blanc, la couleur de la zone commune vire de plus en plus à la couleur de la composante inchangée mais avec des luminosités de plus en plus faibles puisque diminuer l'intensité des deux autres revient à diminuer l'intensite lumineuse globale. Dans l'illustration ci-contre on retrouve la même couleur qu'avec la méthode additive (vue précédemment) par la méthode soustractive.

À partir de lumière blanche, l’utilisation de filtres permet la création de couleurs par méthode soustractive. Un filtre est une structure laissant passer une partie seulement des composantes de la lumière blanche : comme une partie au moins de chaque composante est arrêtée par le filtre, le passage de celui-ci correspond bien à une méthode soustractive. Ainsi, voir de la lumière blanche au travers d'un filtre est percevoir une couleur correspondant à la composition des composantes qui ont pu traverser le filtre avec leur intensité restante à leur sortie : en méthode soustractive, c’est percevoir ce qui reste de la lumière blanche après le passage du filtre.
Soit un filtre du jaune, c'est-à-dire qui arrête une partie du jaune (ou qui arrête en proportion plus de jaune que des deux autres composantes), donnera à partir de lumière blanche une couleur violette et sera considéré comme un filtre violet. En lumière blanche :

• un filtre du rouge est un filtre vert,
• un filtre du jaune est un filtre violet,
• un filtre du bleu est un filtre orange.

En généralisant, un filtre d'une couleur a la couleur complémentaire.

Compléments

Pour la réalisation des vitraux, ce sont des filtres de verre qui sont utilisés. Selon les additifs (corps chimiques, ajoutés au verre lors de sa fabrication), le verre obtenu arrêtera des composantes lumineuses, tout ou en partie, différentes donnant au verre la couleur complémentaire de la couleur arrêtée globalement. De plus, l'épaisseur d'un verre utilisée pourra jouer sur l'intensité lumineuse. Epaisseur, qualité et quantité des additifs étaient les secrets des maîtres verriers : leur méthode de travail était empirique (par essais successifs) mais le résultat final était quand même réussi puisque n'étaient gardés ou utilisés que les verres de couleur intéressante.

Une surface éclairée par de la lumière blanche peut renvoyer une partie seulement de cette lumière, ayant absorbé le reste en fonction de sa composition chimique. Si elle renvoie les trois composantes dans des proportions correspondant au blanc, alors la surface sera blanche et d'autant plus grise que de la lumière globalement aura été absorbée voire sera noire si toute la lumière a été absorbée. Cette surface peut être celle d'une pâte au contact de l'air et la pâte est alors de la peinture. Leur mélange cumule leur soustraction à partir de la lumière blanche et peut permettre d'obtenir toutes les nuances. Les peintures après application peuvent perdre une partie de leur solvant par évaporation et changer de nuance parce que leur composition chimique aura changé : elles deviendront moins lumineuses en séchant car la densité des matières non volatiles aura augmenté. De même l'oxydation des surfaces au contact de l'air peut faire varier la couleur des peintures. Pour maintenir une coloration, il faudra choisir des substances les plus stables possibles ou leur éviter de s'oxyder ou de perdre des composants en les recouvrant d'un vernis mais qui ne modifie pas leur structure.

Comme éclairer une surface, c’est la bombarder de photons, certaines surfaces sont modifiées au cours du temps d'éclairement et d'autant plus vite que l'intensité de l'éclairage est forte. L'intensité des flashs photographiques étant forte, ces dispositifs sont interdits d’utilisation dans les musées d'autant que tout le travail d'exposition d'une peinture est justement de trouver un juste équilibre dans l'éclairage des œuvres pour permettre d’en percevoir toutes les nuances sans en altérer trop les couleurs au cours du temps.

Remplacement de la composante jaune par une composante verte

La vision est une analyse de la lumière par rapport à ces trois composantes rouge, verte et bleue (mode R V B - ou R G B En-). De même, les écrans électroluminescents (cathodiques ou à LED) affichent leur couleur à partir des trois composantes rouge, verte et bleue : d'où le mode R V B utilisé en informatique.

Obtenir du jaune à partir d'une lumière blanche par méthode additive

En utilisant une composante verte à la place d'une composante jaune, le vert apporte une part de jaune et une part de bleu : pour obtenir du blanc, il faut mettre une intensité de la composante verte qui apporte la même intensité de jaune qu’il est nécessaire pour obtenir le blanc et enlever à l'intensité de la composante bleue, l'intensité de bleu apportée alors par le vert.
Si l'intensité et la qualité de la composante verte apporte autant d'intensité de jaune que d'intensité de bleu qu’il faut pour obtenir le blanc, alors l'addition de rouge et de ce vert avec les intensités nécessaires permet d'obtenir du blanc. Dans ce cas, le rouge et le vert sont complémentaires et, donc, leur addition suffit (sans bleu) pour obtenir du blanc.

L'illustration, ci-contre, montre qu'en utilisant du vert au lieu du jaune, il est possible d'obtenir du blanc. Il faut que l'intensité du vert apporte l'intensité de jaune nécessaire pour avoir le blanc mais comme du bleu est apporté en utilisant la composante verte, il faut enlever à l'intensité de la composante bleue, l'intensité de bleu apporté par le vert. En mode R V B, pour une couleur donnée, il faut enlever autant de bleu à la composante bleue que le vert en apporte.
La partie à droite montre comment sans, composante bleue, avec des composantes rouge et verte données il est possible d’avoir du blanc. Cela illustre, aussi, qu'ajouter à une couleur sa complémentaire donne du blanc.