Spectrométrie optique, couleur

Introduction

Une pomme est-elle rouge dans le noir ? La question, posée à des élèves, désamorce d'emblée la conception la plus tenace sur la couleur : celle d'une propriété intrinsèque de l'objet. La couleur perçue est en réalité le produit de trois acteurs — une source qui émet un spectre, une matière qui en absorbe, transmet ou diffuse certaines longueurs d'onde, et un œil qui, par ses trois types de cônes, réduit ce spectre à une sensation. Changez la source (lumière du jour, tube fluorescent, LED) et la couleur perçue change, alors que l'objet, lui, n'a pas bougé.

Derrière la couleur se cache donc une information physique bien plus riche : le spectre, c'est-à-dire la répartition de l'énergie lumineuse en fonction de la longueur d'onde. La spectrométrie est l'art de décomposer la lumière pour lire cette signature. C'est l'un des outils les plus puissants de la physique : c'est elle qui a révélé la composition du Soleil sans y aller, qui dose une espèce en solution au laboratoire, et qui, en montrant que les atomes n'émettent que certaines couleurs, a imposé l'idée de quantification de l'énergie.

Cette leçon suit cette montée en puissance le long du curriculum. Au lycée, on relie couleur perçue et couleur absorbée, et l'on mesure une concentration par absorbance (loi de Beer-Lambert). En CPGE, on formalise l'instrument qui décompose la lumière — le réseau — et l'on discute sa résolution. Enfin, la spectroscopie des raies boucle le sujet en reliant chaque longueur d'onde à une transition d'énergie \(\Delta E=hc/\lambda\).

I. Couleur perçue et absorption de la matière Terminale spé

Il faut d'abord distinguer deux façons d'obtenir une couleur. La synthèse additive combine des lumières : trois faisceaux rouge, vert et bleu (RVB) superposés donnent, à saturation égale, du blanc ; pris deux à deux, ils forment les couleurs secondaires (rouge + vert = jaune, vert + bleu = cyan, bleu + rouge = magenta). C'est le principe des écrans. La synthèse soustractive, elle, combine des matières (filtres, pigments) qui retranchent des longueurs d'onde à une lumière blanche : superposer les filtres cyan, magenta et jaune assombrit jusqu'au noir. C'est le principe de l'imprimerie et de la peinture.

Cette distinction s'illustre en direct : trois LED de puissance RVB projetées sur un écran blanc (additive, blanc au centre), puis des filtres colorés empilés sur un rétroprojecteur (soustractive). La simulation PhET « Color Vision », autorisée à l'oral, permet en outre de faire varier la lumière incidente et de visualiser la réponse des cônes S/M/L de la rétine : elle rend tangible que la couleur est une construction perceptive, non une donnée brute du monde.