BIBLIOTHÈQUE SCIENTIFIQUE Ces phénomènes lumineux qui nous entourent Bernard Valeur BELIN • POUR LA SCIENCE 8, rue Férou -75278 Paris cedex 06 www.editions-belin.com www.pourlascience.com Dans la même collection aux Éditions Belin-Pour la Science • Gilbert PIETRYK (sous la directions de), Panorama de la SARRAZIN-VILAS, Le ciel à portée de main, 2005. physique, 2007. • John KING, Le monde fabuleux des plantes, 2004. • Cédric RAY et Jean-Claude POIZAT, La physique par les • Jean-Paul DELAHAYE, Les inattendus mathématiques, objets quotidiens, 2007. 2004. • Hervé THIS, De la science aux fourneaux, 2007. • Anny CAZENAVE & Didier MASSONNET, La Terre vue • Adolphe NICOLAS, Futur empoisonné - Quels défis? Quels de l'espace. 2004 remèdes ?, 2007. • Jean LEFORT, L'aventure cartographique, 2004. • Jean-Paul DELAHAYE, Complexités, 2006. • Thérèse ENCRENAZ, À la recherche de l'eau dans l'Univers, • Denis SAVOIE, Cosmographie - Comprendre les mouvements 2004. du Soleil, de la Lune et des planètes, 2006. • Adolphe NICOLAS, 2050 Rendez-vous à risques, 2004. • Louis BOYER, Feu etf lammes, 2006. • Armand LE NoXAïc, Les métamorphoses du vide, 2004. • Marcel BOURNÉRIAS & Christian BOCK, Le génie des • Roland TROMPETTE, La Terre - Une planète singulière, végétaux, 2006. 2003. • François FORGET, François COSTARD & Philippe • Denis SAVOIE, Les cadrans solaires, 2003. LOGNONNÉ, La planète Mars - Histoire d'un autre monde, • Jacques DURAN, Sables émouvants - La physique du sable 2• édition, 2006. au quotidien, 2003. • Alain NICOLAS, Parcelles d'infini - Promenades au jardin • John L. HEILBRON, Astronomie et églises, 2003. d'Escher, 2005. • Jean-Michel COURTY, Édouard KlERLIK & Roland • Étienne GUYON,Jean-Pierre HULIN &Luc PETIT, Ce que LEHOUCQ. Les lois du monde, 2003. disent les fluides - La science des écoulements en images, 2005. • Stéphane DURAND, La relativité animée - Comprendre • Pierre CHAUVE, Des grottes et des sources, 2005. Einstein en animant soi-même l'espace-temps, 2002. • Yaël NAZÉ, Les couleurs de l'Univers, 2005. • Hervé THIS, Casseroles et éprouvettes, 2002. • Thérèse ENCRENAZ et Fabienne Casoli, Planètes • Jean-Paul DELAHAYE, L'intelligence et le calcul - De Gode/ extrasolaires, 2005. aux ordinateurs quantiques. • François MICHEL, Roches et paysages, 2005. • Paul ARNAUD, Si la chimie m'était contée, 2002. • Michel BLAY, Les figures de l'arc-en-ciel, 2005. • Pierre CAUSERET & Liliane SARRAZIN, Les saisons et les • Pierre CAUSERET, Jean-Luc FOUQUET & Liliane mouvements de la Terre, 2001. Consultez ces ouvrages et nos autres titres sur nos sites Internet: www.editions-belin.com www.pourlascience.com Le code de la propriété intellectuelle n'autorise que « les copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective• [article L. 122-5]; il autorise également les courtes citations effectuées dans un but d'exemple ou d'illustration. En revanche• toute rgirésentation ou reproduction intégrale ou partielle, sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite• [article L. 122- 4j. La loi 95-4 du 3 janvier 1994 a confié au C.F.C. (Centre français de l'exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), l'ex clusivité de la gestion du droit de reprograp_hie. Toute photocopie d'œuvres protégées, exécutée sans son accord préalable, constitue une contrefaçon sanc tionnée par les articles 425 et suivants du Code pénal. © Éditions Belin 2005 ISSN 0224-5159 ISBN 978-2-7011-3603-5 Préface de Claude Cohen-Tannoudji 7 Avant-propos 8 Une introduction : Émission , la lumière dans de lumière tous ses états par la matière ••••..•••••..•••••••.••••• 10 •••••••••••••••..••••..•.• 40 Incandescence et luminescence 12 Émission de lumière par les corps incandescents 42 Des pierres qui luisent dans l'obscurité 12 Les spectres de raies des atomes. Luminescence atomique 43 Et le phosphore ? 13 La lumière qui nous vient de l'espace 48 Phosphorescence et fluorescence 14 La luminescence cristalline 51 Les divers types de luminescence 16 La luminescence moléculaire 53 Les sources de lumière 16 Émission spontanée et émission stimulée. L:effet laser 54 @ Une brève histoire Lumière de la lumière et couleurs •••••••••••••.•••••••••••• 18 •••.••..••••..•••.••..••.. 62 Premières conceptions « philosophiques » Qu'est-ce que la couleur? 64 de la lumière 20 Origine de la couleur des substances ou objets éclairés 67 Les progrès de l'optique géométrique 20 Perception des couleurs par l'œil 80 De nouveaux phénomènes lumineux 22 Synthèse des couleurs 83 Ondes lumineuses ou corpuscules de lumière? 24 Comment caractériser une couleur? 87 Le triomphe de la théorie ondulatoire 28 Pigments et colorants. Du naturel au synthétique 88 Corpuscules : le retour 32 La lumière : langage des atomes 33 Naissance d'une nouvelle mécanique 35 Chimi Lumière luminescence et et nature bioluminescence •••••••••••••••••••••••••• 98 •••••••••••••••••••.•••••• 162 Les couleurs du ciel 100 La chimiluminescence 164 Les couleurs de la mer 102 Applications de la chimiluminescence 164 L:arc-en-ciel 104 La bioluminescence 166 Les couronnes et les halos 106 Applications de la bioluminescence 172 Le rayon vert 110 Les aurores boréales et australes 111 La couleur des minéraux 114 La couleur des végétaux 117 CHAPITRE 8 \:-,, '."'\(. La couleur des animaux 122 .' ,, ' : ' , ' .~ r ,/. D'autres formes . / .\"'·.. ?q1;~ . '\,, '~ ' ~/ -'~. .. . de luminescence '.' .. ' ·. .,:<.,,. / . • ~ •.. . ·:f..t;.,~. ..~ ···· . • •••••••••••••••••••••••••• 174 - Fluorescence et Radioluminescence 176 phosphorescence Thermoluminescence 178 Cathodoluminescence 180 Électroluminescence 185 •••••••••••••••••••••••••• 128 Un peu d'histoire 130 La fluorescence moléculaire 133 Conclusion 193 La fluorescence : un outil de détection et d'analyse 139 Glossaire 197 La fluorescence : un outil de diagnostic médical 146 Bibliographie 199 La fluorescence : un outil de visualisation du vivant 150 Notes 203 La fluorescence dans la vie quotidienne 155 Index 207 La phosphorescence et ses applications 160 Crédits photographiques 208 Liste des encadrés CHAPITRE 2 CHAPITRE 6 A : Lois de la réflexion A: Diagramme de Perrin-Jablonski 134 et de la réfraction de la lumière 23 B : Techniques fluorimétriques stationnaires B : Polarisation de la lumière et biréfringence 29 et résolues en temps 136 C: Mesure de la vitesse de propagation C: Exemples de fluorophores 138 de la lumière 30 D : Détection sélective du plomb D : Effet photoélectrique 33 dans l'eau par fluorescence 141 E : Peintures fluorescentes sensibles CHAPITRE 3 à la pression [PSP) 144 F : Détection précoce de tumeurs de la vessie A : Le rayonnement thermique 44 B : Lampes à incandescence par autofluorescence 147 G: Microscopie de fluorescence conventionnelle et lampes à halogène 45 C: Les feux d'artifice 47 et confocale 150 H : Comment rendre fluorescente une protéine D : Luminescence des cristaux et en particulier des semi-conducteurs 52 à l'aide de la GFP [Green Fluorescent Protein) 152 E : Divers types de laser 56 F: Refroidissement par laser 60 CHAPITRE 7 A: Quelques réactions de chimiluminescence 165 CHAPITRE 4 B : Dosage des oxydes d'azote A: Diffusion Rayleigh et diffusion de Mie 69 par chimiluminescence 166 C : Réactions de bioluminescence 167 B : Diffraction et interférences 72 C: Mécanisme primaire de la vision 82 D : La bioluminescence au service de la mécanique des fluides ou l'inverse? 171 D : La trichromie au siècle des lumières 85 E : Relation entre couleur et structure chimique des colorants et pigments organiques 92 CHAPITRE 8 F: Procédés de fabrication du bleu A: Mécanismes de l'émission et du vert égyptien 94 de thermoluminescence 179 B : Les luminophores des tubes de télévision 182 CHAPITRE 5 C: Étude d'un mortier antique A: Pourquoi l'eau absorbe-t-elle dans le rouge? 103 par cathodoluminescence 185 B : Absorption de la lumière par les minéraux 116 D : Constitution des diodes C: Formules chimiques de pigments naturels 120 électroluminescentes organiques 191 e (&elle est la nature de la lumière? Comment est-elle produite? Comment interagit-elle avec la matière? Comment caractériser sa couleur? Depuis !'Antiquité, les interrogations sur la lumière n'ont cessé d'être au cœur des réflexions des philosophes, des artistes, des scientifiques qui ont essayé de construire une image cohérente du monde qui nous entoure. En physique notamment, ce sont les réflexions sur la lumière qui ont été à l'origine des révolutions conceptuelles qui ont marqué le début de la physique moderne: la révolution relativiste qui nous a conduits à abandonner les notions de temps et d'espace absolus et à intro duire l'équivalence entre masse et énergie, la révolution quantique qui nous a forcés à introduire une nouvelle mécanique pour décrire le comportement de la matière à l'échelle atomique. Les progrès specta culaires des sciences et des techniques au cours des dernières décennies ont fait par ailleurs apparaître dans notre vie quotidienne toute une série d'objets lumineux nouveaux, comme les fibres optiques, les diodes laser, les écrans plats, les peintures fluorescentes, etc. Comment fonctionnent ces objets? Comment les relier à d'autres phénomènes fascinants comme l'arc-en-ciel, les aurores boréales, le rayon vert, la couleur des ailes des papillons, les vers luisants, les couleurs des pierres précieuses, des végétaux? Dans ce très bel ouvrage, Bernard Valeur accompagne son lecteur dans l'univers merveilleux de la lumière et de la couleur en lui fournissant des explications claires et simples des phénomènes qui peuvent y être observés. Il ne se contente pas, comme cela est fait dans la plupart des ouvrages publiés sur la lumière, de rappeler les grandes étapes qui ont marqué, dans l'histoire des sciences, l'évolution de nos idées dans ce domaine. Il procède à une revue approfondie des divers phénomènes lumineux qui appa raissent dans la nature et dans les objets que nous utilisons, en analysant les processus physiques, chimiques ou biologiques qui sont à l'origine de l'émission de lumière. Il témoigne à cet égard d'une réelle pluridisciplinarité, que l'on ne rencontre pas souvent dans les ouvrages analogues, dégageant clairement les concepts propres à chaque discipline et montrant la fécondité des synergies qui se manifestent entre elles. Faisant preuve de qualités pédagogiques remarquables, Bernard Valeur aide son lecteur par des sché mas très clairs, des illustrations de toute beauté, des citations évocatrices, des encadrés pour approfondir tel ou tel point. On est également très heureux, en lisant les explications sur le fonctionnement de tel ou tel objet, de découvrir à quel point les progrès de la recherche scientifique peuvent déboucher sur une multitude d'applications utiles. Je suis sûr que cet ouvrage rencontrera un très grand succès auprès d'un public très large, comportant non seulement des scientifiques confirmés heureux d'avoir une vision globale et synthétique d'un grand éventail de phénomènes très divers, mais également des jeunes lycéens, des enseignants, des hommes et des femmes curieux de comprendre d'où viennent cette belle lumière et ces belles couleurs qu'ils obser vent tous les jours. À cet égard, Bernard Valeur aura fait une œuvre très utile pour montrer et expliquer la démarche scientifique et pour souligner l'importance de la recherche. Nous devons lui en être très reconnaissants. Claude Cohen-Tannoudji Prix Nobel de physique Qyelles sont les missions d'un enseignant-chercheur? Enseigner et chercher bien sûr (e t si possible trouver. .. !), mais aussi transmettre au plus grand nombre l'état actuel des connaissances dans son domaine d'activité et dans les sujets connexes. C'est de ce souci de diffuser la culture scientifique et technique qu'est née l'idée de rédiger cet ouvrage, après avoir participé à des manifestations comme « Envie d'amphi», la « Fête de la Science», etc. La lumière est au cœur de cet ouvrage. Pourquoi un nouveau livre alors que tant d'écrits lui ont déjà été consacrés? C'est en premier lieu parce que la lumière ne finira jamais de nous émerveiller: si elle a livré une grande partie de ses secrets aux physiciens du xx:e siècle, le voile n'est pas complètement levé, et nous sommes loin d'avoir exploité toutes ses potentialités en termes d'applications. Mais c'est aussi parce que l'émission de lumière par luminescence est rarement abordée dans les ouvrages de vulgarisa tion. Pourtant, fluorescence, phosphorescence, cathodoluminescence, électroluminescence, etc. font partie de notre quotidien depuis longtemps. Le choix de la lumière comme thème central de l'Année mondiale de la physique en 2005 à Paris, est un indice parmi bien d'autres de la place considérable qu'elle occupe dans notre univers culturel. Difficile évidemment de parler de lumière sans traiter des couleurs. « Les couleurs sont les filles de la lumière ... » écrivait le peintre Johannes ltten. Le domaine de la couleur est d'une infinie richesse, comme en témoigne le nombre impressionnant d'ouvrages rédigés par les scientifiques, les peintres, les historiens, les philosophes, les psychologues ... C'est pourquoi cet ouvrage ne prétend pas évoquer tous les aspects de la couleur. Le chapitre 4 lui est plus spécifiquement consacré, mais elle est bien sûr omni présente dans l'ensemble du livre. Une attention particulière est portée aux aspects historiques, qui manquent si souvent dans les ouvrages scolaires et universitaires. I.:histoire de la lumière (chapitre 2) est certainement l'une des plus passionnantes qui soit. Rarement un phénomène n'a fait l'objet d'autant de spéculations et suscité autant de controverses. Le chemin est long, depuis la philosophie des Grecs anciens jusqu'à l'électro dynamique quantique. S'il existe un phénomène «rayonnant» sur toutes les sciences, c'est bien la lumière. Omniprésente en physique, chimie, biologie, elle est une sorte de trait d'union entre les disciplines. Physicochimiste de formation, de vocation et de profession, je suis convaincu, après avoir écrit cet ouvrage, de l'absence de frontière entre physique, chimie et biologie - et le bonheur de côtoyer trois éminents représentants de chacune de ces matières, Pierre-Gilles de Gennes, Jean-Marie Lehn et Jean-Pierre Changeux, m'a plus que jamais conforté dans cette idée. Qy'ils trouvent ici le témoignage de mon admiration et de ma reconnaissance. À qui cet ouvrage est-il destiné? À tous ceux qui s'interrogent sur les phénomènes lumineux et dési rent en comprendre l'origine. Point n'est besoin en effet de posséder un bagage scientifique important; les encadrés, dont la lecture n'est en aucun cas indispensable, sont destinés aux lecteurs ayant des connaissances en sciences du niveau baccalauréat. Ainsi, depuis le lycéen jusqu'au chercheur accompli, chacun trouvera, je l'espère, matière à apprendre, observer, réfléchir ... et à s'émerveiller! Puisse ce livre contribuer à ouvrir l'esprit des plus jeunes, leur donner la soif de comprendre le monde qui nous entoure, susciter parmi eux des vocations, mais aussi enrichir les plus avertis.