1. Lumière et rayonnement

Photons    (4/4)

Comment sommes-nous capables de voir en couleurs ? La rétine d'un oeil humain possède trois types de récepteurs de lumière appelés les cônes qui nous permettent de voir en couleur pendant le jour.

Les cônes S (S pour 'short', c-à-d courts) perçoivent la lumière bleue avec un maximum de sensibilité à 420 nm. Les cônes M (M pour moyens) perçoivent la lumière verte vec un maximum de sensibilité à 535 nm. Quant aux cônes L (L pour longs), ils sont responsables de la vision du rouge bien que leur sensibilité maximale soit située quelque part dans la région du jaune à environ 560 nm.

Zoom Sign
colour vision
Graphe de la réponse des cônes humains S, M et L (respectivement sensibles à la lumière bleue, verte et rouge) en fonction de la longueur d'onde de la lumière envoyée pour les stimuler. Les courbes sont normalisées à 1 pour la longueur d'onde maximale à laquelle ils réagissent. En réalité les cônes S sont beaucoup moins sensibles que les cônes M et L. Ces courbes sont des courbes standard, les longueurs d'onde auxquelles les cônes présentent une réponse maximale varient selon les individus.

Dans le modèle des photons, la lumière est distribuée entre les différents cônes selon l'énergie des photons. Par une réaction chimique, les photons absorbés par les cônes produisent des signaux électriques qui sont envoyés par le nerf optique au cerveau. Le cerveau reçoit les signaux et les interprète selon le type de cône, produisant ainsi les impressions chromatiques que nous percevons.

L'oeil humain ne peut donc ni voir ni interpréter les longueurs d'onde de la lumière en couleurs. Les trois types de cônes que nous possédons nous permettent seulement de voir dans trois canaux chromatiques, qui couvrent des portions relativement larges du spectre de la lumière visible. Les signaux de tous les tons de couleur sont créés dans ces canaux.

Les couleurs physiologiques perçues par l'oeil sont donc différentes des couleurs physiques, c'est-à-dire du spectre physique de la lumière visible indiqué sous le graphique. L'oeil humain n'est par exemple pas capable de percevoir directement la couleur physique 'jaune' qui a une longueur d'onde monochromatique de 560 nm. L'oeil produit lui-même cette couleur en combinant les signaux envoyés par les cônes M et L.

Voir dans le noir ↓
Équations ↓

Mais quelles sont les définitions de l'énergie lumineuse et de l'intensité lumineuse ? Dans le modèle des photons, l'énergie d'un photon vaut:

E=hf

où h est la constante de Planck et f la fréquence de la lumière. On a vu que l'énergie des photons était essentielle dans certaines réactions chimiques où ils sont impliqués, notamment dans les cônes de l'oeil pour percevoir les couleurs et pour libérer des électrons de surfaces métalliques, un phénomène appellé l'effet photoélectrique. La longueur d'onde de la lumière importe peu, elle n'est pas inclue dans l'équation de l'énergie d'un photon.

Que ce passe-t-il quand la lumière est transmise dans l'air vers une autre matière transparente comme le verre ou l'eau ? La lumière est en partie réfractée et en partie reflétée. Sa couleur reste la même dans l'autre matière. L'énergie des photons reste inchangée elle aussi. En fait, la couleur de la lumière est liée à l'énergie des photons !

Dans la section sur les ondes électromagnétiques, on avait obtenu cette relation qui liait la vitesse de lumière, la fréquence et la longueur d'onde:

c=fλ

Dans le modèle ondulatoire, l'énergie d'un photon - comme indiqué dans l'équation ci-dessus - est raccordée à la fréquence f de la lumière. L'énergie des photons ne varie pas dans différents matériaux transparents et c'est également valable pour la fréquence. Puisque la vitesse de la lumière c dans un matériau transparent est plus petite que la vitesse de la lumière dans le vide co, on trouve:

E=hf=h c o λ o =h c λ

où λ est la longueur d'onde dans la matière transparente et λo est la longueur d'onde dans le vide. La longueur d'onde de la lumière ne reste pas constante quand la lumière est transmise vers un milieu transparent, mais elle diminue de la même manière que la vitesse de la lumière.

En réalité, il est donc plutôt inexact de définir les couleurs en utilisant les longueurs d'onde de la lumière! Il serait plus correct d'utiliser les énergies des photons ou les fréquences! Et pourtant, on utilise habituellement toujours les longueurs d'onde pour définir les couleurs.

Energie d'un photon de lumière réfractée ↓
L'intensité de la lumière peut être facilement expliquée avec le modèle des photons. Considérons un certain nombre n de photons par unité de surface et unité de temps dans un faisceau lumineux donné. Alors l'équation nE=nhf décrit l'énergie donnée par ces photons par unité de surface et unité de temps. Il s'agit d'une puissance par surface, c'est-à-dire de l'irradiance exprimée en W/m2.

On peut obtenir le même résultat via le modèle ondulatoire après un calcul beaucoup plus compliqué: à consulter dans le supplément 4.

Tâche : Un éclair de 1000 photons ↓