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Lumière : spectre, infrarouge et ultraviolet
La lumière blanche décomposée par un prisme ou par les gouttes de pluie ; lumière polychromatique ou monochromatique ; les couleurs du spectre et les filtres colorés ; l’infrarouge et l’ultraviolet, invisibles de part et d’autre du visible ; la famille des ondes électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma ; leurs utilisations, leurs dangers et comment s’en protéger
À propos de cette page
La lumière blanche décomposée
Rappel : en 4e, tu as vu que la lumière est une onde électromagnétique, qui traverse le vide à environ 300 000 km/s (« Lumière : vitesse de propagation et année-lumière »). En 3e, on regarde ce que contient la lumière du Soleil ou d’une lampe : un mélange de couleurs.
• Chaque couleur est déviée d’un angle différent : le rouge est le moins dévié, le violet le plus dévié. Cette séparation des couleurs s’appelle la dispersion.
• La lumière blanche est donc un mélange de lumières de toutes les couleurs : elle est polychromatique. La lumière du Soleil et celle d’une lampe à incandescence sont blanches.
• La lumière d’un laser n’a qu’une seule couleur : elle est monochromatique. À travers le prisme, elle est déviée, mais ne s’étale pas : une seule tache, de la couleur du laser.
• Une couleur isolée du spectre ne se décompose plus : envoyée dans un second prisme, la lumière rouge reste rouge.
• L’arc-en-ciel est une dispersion par les gouttes de pluie. On le voit en tournant le dos au Soleil ; dans l’arc principal, le rouge est à l’extérieur, le violet à l’intérieur.
Le faisceau de lumière blanche est dévié vers la base du prisme, et chaque couleur d’un angle différent.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « si la lumière blanche est un mélange de couleurs, je dois pouvoir les réunir à nouveau ». Je teste : après un premier prisme, je place une lentille convergente qui rassemble toutes les couleurs du spectre en un même point d’un écran. J’observe : à cet endroit, la tache est blanche. Je conclus : les couleurs étaient bien contenues dans la lumière blanche ; le prisme les sépare, il ne les fabrique pas. C’est la démarche d’Isaac Newton, qui publia sa théorie des couleurs en 1672.
Une lampe torche à incandescence. Sa lumière, envoyée dans un prisme, donne une bande continue du rouge au violet : elle est polychromatique.
Un pointeur laser vert. Après le prisme, l’écran ne montre qu’un point vert, un peu décalé : la lumière est monochromatique, seulement déviée.
Un arc-en-ciel en fin d’après-midi. Le Soleil est bas à l’ouest, derrière l’observateur : l’arc apparaît vers l’est, sur le rideau de pluie, avec le rouge sur le bord extérieur.
Réflexe — devant une lumière qui traverse un prisme, je me demande : une bande de couleurs (lumière polychromatique) ou une seule tache (lumière monochromatique) ? Et dans le spectre, le rouge est toujours du côté le moins dévié.
Attention — le prisme ne colore pas la lumière, il sépare des couleurs qui y sont déjà. Et dévier n’est pas décomposer : un laser est dévié par le prisme, mais reste d’une seule couleur.
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Les couleurs du spectre et les filtres
Le spectre de la lumière blanche est continu : les couleurs passent de l’une à l’autre sans frontière nette. On y repère six grandes couleurs, toujours dans le même ordre.
• Un filtre coloré (une plaque de verre ou de plastique teintée) absorbe une partie des couleurs et laisse passer les autres. Il ne colore pas la lumière : il en retire.
• Éclairé en lumière blanche, un filtre rouge ne laisse passer que le rouge : derrière lui, un prisme ne donne plus qu’une bande rouge, le reste de l’écran est noir.
• Si la lumière qui arrive ne contient aucune des couleurs que le filtre laisse passer, il ne sort rien : on voit du noir. La lumière d’un laser ne traverse un filtre que si sa couleur fait partie de celles qu’il laisse passer.
• Deux filtres l’un derrière l’autre : il ne sort que les couleurs que chacun des deux laisse passer.
Les six couleurs du spectre visible ; de part et d’autre, l’infrarouge et l’ultraviolet, invisibles (partie suivante).
Un filtre vert devant une lampe blanche. Seule la partie verte du spectre passe : le prisme placé derrière ne donne plus qu’une bande verte.
Un filtre qui laisse passer du jaune au bleu, puis un filtre qui ne laisse passer que le bleu. Couleur laissée par les deux : le bleu seulement. Les inverser ne change rien.
Un filtre bleu éclairé par un laser rouge. Le bleu absent de la lumière ne peut pas apparaître : le filtre absorbe le rouge, l’écran reste noir.
Réflexe — je liste les couleurs qui arrivent sur le filtre, je garde celles qu’il laisse passer ; avec deux filtres, je garde les couleurs communes aux deux.
Attention — un filtre n’ajoute jamais de couleur : derrière un filtre bleu, une lumière rouge ne devient pas bleue, elle disparaît. Et l’ordre des couleurs ne change pas : le jaune est toujours entre l’orange et le vert.
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Au-delà du visible : infrarouge et ultraviolet
Le spectre ne s’arrête pas là où l’œil cesse de voir. De part et d’autre du visible, deux rayonnements de même nature que la lumière restent invisibles.
• En 1800, l’astronome William Herschel place des thermomètres dans le spectre de la lumière du Soleil et les compare à des thermomètres témoins restés hors du spectre : la température monte du violet vers le rouge, et elle est la plus élevée juste au-delà du rouge, là où l’on ne voit aucune lumière.
• L’ultraviolet (UV) se trouve au-delà du violet. Invisible lui aussi, il fait bronzer, provoque les coups de soleil et permet à la peau de fabriquer de la vitamine D.
• En 1801, Johann Ritter montre qu’un sel d’argent, qui noircit à la lumière, noircit encore plus vite au-delà du violet, où l’œil ne voit rien : l’ultraviolet est découvert.
• Pour détecter l’infrarouge : un thermomètre, une caméra thermique, le capteur d’un téléviseur. Pour détecter l’ultraviolet : un papier ou un sel sensible à la lumière, ou une substance fluorescente, qui brille dans le visible quand on l’éclaire en UV (encres de sécurité des billets sous la « lumière noire »).
Une classe refait l’expérience de Herschel avec le spectre de la lumière du Soleil : relevés au bout de 5 minutes.
Les relevés ci-dessus. T2, dans le rouge, monte plus que T1, dans le bleu (23,0 °C contre 21,0 °C) ; T3, dans une zone où l’on ne voit aucune lumière, monte le plus (24,0 °C) : un rayonnement invisible, l’infrarouge, y arrive.
Un t-shirt blanc en boîte de nuit. Sous la « lumière noire », il brille d’un bleu vif : la lessive y a déposé des azurants optiques, des substances fluorescentes qui transforment l’UV invisible en lumière bleue.
Un radiateur électrique « à rayonnement ». On sent sa chaleur à distance sur la peau, même quand ses barres ne rougissent pas : il émet surtout de l’infrarouge.
Réflexe — un rayonnement invisible du côté du rouge, qui chauffe : infrarouge. Du côté du violet, qui fait bronzer ou briller une substance fluorescente : ultraviolet.
Attention — « invisible » ne veut pas dire « inexistant » : un thermomètre ou une encre fluorescente révèle ces rayonnements. Et ne pas inverser : infra veut dire « en dessous » (du rouge), ultra « au-delà » (du violet). La chaleur et la température sont étudiées dans « Énergie : transferts thermiques, chaleur et température ».
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Une grande famille : les ondes électromagnétiques
La lumière visible, l’infrarouge et l’ultraviolet ne sont qu’une partie d’une famille bien plus vaste. Le son, lui, n’en fait pas partie : c’est une onde mécanique (« Son : fréquence, infrasons et ultrasons »).
• Elles sont toutes de même nature que la lumière : elles se propagent dans le vide, toutes à la même vitesse, environ 300 000 km/s. Notre œil ne perçoit que la lumière visible.
• Elles diffèrent par leurs effets, donc par leurs utilisations : les ondes radio transportent des informations (radio, télévision, téléphone, Wi-Fi, GPS) ou chauffent les aliments (four à micro-ondes) ; les rayons X traversent les tissus mous du corps mais sont arrêtés en grande partie par les os (radiographie) ; les rayons gamma, émis par des noyaux radioactifs, détruisent les microbes (stérilisation de seringues et de pansements) et certaines cellules cancéreuses (radiothérapie).
• Les rayons X ont été découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen, qui les nomma « X » parce qu’il en ignorait la nature.
La famille des ondes électromagnétiques, des ondes radio aux rayons gamma, et quelques utilisations.
Au contrôle d’un aéroport. Le tapis fait passer les valises dans un appareil à rayons X : ils traversent les vêtements, mais pas les objets métalliques, qui apparaissent nettement sur l’écran.
Ranger rayons X, ondes radio et lumière visible. Dans l’ordre de la famille : ondes radio, puis lumière visible, puis rayons X.
Un message pour un rover sur Mars. Il voyage par ondes radio, à la même vitesse que la lumière : une onde radio ne va ni plus vite ni moins vite qu’un rayon lumineux dans le vide.
Réflexe — pour classer une onde, je pars de son utilisation (communiquer, chauffer, voir, désinfecter, radiographier, stériliser) et je la place dans l’ordre : radio, infrarouge, visible, ultraviolet, X, gamma.
Attention — les ultrasons et les infrasons ne sont pas des ondes électromagnétiques : ce sont des sons, ils ne traversent pas le vide. Et le four « à micro-ondes » n’utilise ni rayons X ni radioactivité : des ondes radio.
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Effets sur le vivant : utiliser et se protéger
Une onde électromagnétique transporte de l’énergie : selon le domaine, cette énergie chauffe la matière ou abîme les molécules du vivant.
• Les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma peuvent abîmer l’ADN des cellules : coups de soleil et cancers de la peau pour les UV, risque de cancer après de fortes doses de rayons X ou gamma (« Génétique : mutations et variabilité »). Les rayons X et gamma sont dits ionisants : ils peuvent arracher des électrons aux atomes (« Atome : noyau, électrons et neutralité »).
• L’index UV mesure l’intensité des UV du Soleil. Échelle de l’OMS : 0 à 2 faible, 3 à 5 modéré, 6 et 7 élevé, 8 à 10 très élevé, 11 et plus extrême. Il est le plus fort en été, aux heures où le Soleil est le plus haut.
• Les UV augmentent d’environ 10 % tous les 1 000 m d’altitude ; la neige fraîche les réfléchit si bien qu’elle double presque l’exposition ; des nuages fins en laissent passer l’essentiel. L’écume des vagues en renvoie environ 25 %, le sable environ 15 %, l’eau et l’herbe moins de 10 % (OMS). Être dans l’eau ne protège pas : les UV la traversent sur plusieurs dizaines de centimètres.
• Se protéger des UV : l’ombre aux heures les plus ensoleillées, des vêtements couvrants, un chapeau, des lunettes de soleil (en haute montagne, la catégorie 4, la plus foncée, qu’on ne porte pas au volant), et la crème solaire en complément, renouvelée souvent.
• Rayons X et gamma : un examen seulement quand il est utile, et pour le personnel, la distance et un écran de plomb (paroi, tablier). Le four à micro-ondes est entouré de métal, avec une grille dans la vitre de la porte : les micro-ondes restent dedans, la lumière ressort.
| Domaine | Effet principal sur le vivant | Protection |
|---|---|---|
| ondes radio, micro-ondes | échauffement à forte puissance | four fermé par du métal |
| infrarouge | échauffement, brûlure | distance à la source |
| ultraviolet | coup de soleil, ADN abîmé | ombre, vêtements, lunettes, crème |
| rayons X et gamma | ADN abîmé (ionisants) | distance, plomb, examens limités |
Une randonnée à 2 000 m. Au bord de la mer, l’index UV annoncé vaut 7, risque « élevé ». À 2 000 m, il augmente d’environ 2 × 10 % = 20 % : 7 × 1,2 = 8,4, soit environ 8. Le risque devient « très élevé » ; sur un névé, la réflexion par la neige l’augmenterait encore.
Chez le dentiste. Pendant la radio d’une dent, le patient ne reçoit qu’une faible dose pour un examen utile ; l’assistant, qui recommencerait chaque jour, sort de la pièce ou se place derrière un écran plombé.
Réflexe — je repère le domaine : s’il est du côté des ondes radio et de l’infrarouge, le risque est l’échauffement ; s’il est du côté de l’ultraviolet, des X ou des gamma, je pense à l’ADN, à la dose et à l’écran protecteur.
Attention — un rayonnement qui chauffe beaucoup n’est pas forcément le plus dangereux pour les cellules : l’infrarouge du Soleil chauffe, mais ce sont ses ultraviolets qui donnent les coups de soleil. Et un ciel nuageux ne protège pas toujours : des nuages fins laissent passer les UV.
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Pour aller plus loin
Vu en 4e et en 5e. La lumière se propage en ligne droite, traverse le vide et va à environ 300 000 km/s ; l’année-lumière est une distance : « Lumière : sources, propagation et vitesse » et « Lumière : vitesse de propagation et année-lumière ». La télécommande et la fibre optique transmettent des informations avec de l’infrarouge : « Signaux : transmettre une information ». Le rayonnement infrarouge des corps chauds et la caméra thermique : « Énergie : transferts thermiques, chaleur et température ».
Les UV, l’ozone et l’ADN. La couche d’ozone, en altitude, arrête les UV du Soleil les plus dangereux pour l’ADN, mais pas tous : ceux qui arrivent au sol suffisent à donner des coups de soleil ; les mutations provoquées par les UV, les rayons X et la radioactivité sont étudiées en SVT : « Génétique : mutations et variabilité ».
Au lycée. En 2de, on explique la dispersion : dans le verre, chaque couleur se propage à une vitesse un peu différente, donc est réfractée différemment (« Lumière : propagation, réfraction et dispersion »). Chaque couleur et chaque domaine se repèrent alors par une grandeur, la longueur d’onde, exprimée en nanomètres pour la lumière visible (environ 400 nm pour le violet, 800 nm pour le rouge), et l’on étudie les spectres d’émission et d’absorption des lampes et des étoiles (« Spectres : lumières blanches et colorées »). La couleur des objets s’explique en 1re.
- Un prisme décompose la lumière blanche : c’est la dispersion. Le spectre va du rouge (le moins dévié) au violet (le plus dévié). Lumière blanche = polychromatique ; laser = monochromatique, dévié mais pas étalé. L’arc-en-ciel est une dispersion par les gouttes de pluie.
- Ordre du spectre : rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet. Un filtre coloré absorbe une partie des couleurs et laisse passer les autres ; il n’en ajoute jamais. Deux filtres : seules les couleurs que les deux laissent passer.
- Au-delà du rouge, l’infrarouge (Herschel, 1800), qui chauffe ; au-delà du violet, l’ultraviolet (Ritter, 1801), qui fait bronzer et rend fluorescentes certaines substances. Tous deux sont invisibles.
- Ondes électromagnétiques, dans l’ordre : ondes radio (dont micro-ondes), infrarouge, visible, ultraviolet, rayons X, rayons gamma. Même nature, même vitesse dans le vide (environ 300 000 km/s).
- Radio, micro-ondes, infrarouge : échauffement. UV, X, gamma : ils abîment l’ADN. Index UV de l’OMS (faible à extrême), plus fort en altitude et sur la neige ; protections : ombre, vêtements, lunettes, crème, distance et plomb pour les X et gamma.
Questions fréquentes
Pourquoi un prisme décompose-t-il la lumière blanche ?
La lumière blanche est un mélange de lumières de toutes les couleurs. En traversant le prisme, chaque couleur est déviée d’un angle différent : le rouge le moins, le violet le plus. Les couleurs, superposées à l’entrée, se séparent : c’est la dispersion, et la bande colorée obtenue sur l’écran est le spectre de la lumière blanche.
Que fait un filtre coloré ?
Un filtre ne colore pas la lumière : il absorbe une partie des couleurs du spectre et laisse passer les autres. Un filtre rouge éclairé en lumière blanche ne laisse sortir que le rouge. Si la lumière qui arrive ne contient aucune des couleurs que le filtre laisse passer, il ne sort rien : on voit du noir.
Qu’est-ce que l’infrarouge et l’ultraviolet ?
Ce sont des rayonnements invisibles, de même nature que la lumière. L’infrarouge se trouve juste au-delà du rouge du spectre : il échauffe ce qu’il éclaire, et tout corps chaud en émet. L’ultraviolet se trouve au-delà du violet : il provoque le bronzage et les coups de soleil, et fait briller certaines substances, comme les encres de sécurité des billets.
Quelles sont les ondes électromagnétiques ?
Dans l’ordre : les ondes radio (dont les micro-ondes), l’infrarouge, la lumière visible, l’ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma. Elles sont de même nature et vont toutes à la même vitesse dans le vide, environ 300 000 km/s. Elles diffèrent par leurs effets et leurs utilisations : radio et Wi-Fi, chauffage, vision, désinfection, radiographie, stérilisation.
Quels rayonnements sont dangereux et comment s’en protéger ?
Les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma peuvent abîmer l’ADN des cellules. Contre les UV : rester à l’ombre aux heures les plus ensoleillées, se couvrir (vêtements, chapeau, lunettes de soleil) et mettre de la crème solaire en complément, surtout quand l’index UV est élevé. Contre les rayons X et gamma : limiter les examens, s’éloigner de la source et s’abriter derrière du plomb ou du béton.
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