Lumière et luminescence : Ces phénomènes lumineux qui nous entourent

212 Pages·2005·86.26 MB·French

by  Bernard Valeur

BIBLIOTHÈQUE SCIENTIFIQUE
Ces phénomènes lumineux qui nous entourent
Bernard Valeur
BELIN • POUR LA SCIENCE
8, rue Férou -75278 Paris cedex 06
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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.
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© 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
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La couleur des animaux 122 .'
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D'autres formes
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• •••••••••••••••••••••••••• 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.