Couleurs et lumière
Couleurs des objets : absorption
La lumière blanche est constituée par la somme de toutes les lumières d’une seule couleur (monochromatique). Cette lumière blanche distribuée par le soleil est d’ailleurs décomposée par les gouttelettes de pluie pour donnée l’arc en ciel.
Pour simplifier cette lumière est composée d’une certaine proportion de rouge plus une certaine proportion de vert plus une certaine proportion de bleu (RVB). C’est cette composition qu’on utilise entre autre en informatique pour fabriquer des couleurs.
Sur les figures ci-dessous, le soleil envoie une lumière blanche composée de un tiers de rouge plus un ters de vert plus un tiers de bleu. La lumière éclaire des objets, un poivron, un arbre, une boule, une caisse, une navette spatiale. Chacun de ces objets possède une couleur qui lui est propre. Pourquoi ?
Tout objet peut soit absorber, soit réfléchir, soit réfracter, soit laisse passer la lumière ou une partie de cette lumière.
Ce poivron rouge est constitué de cellules végétales, elles-mêmes composées de molécules qui sont un assemblage d’atomes. Il se trouve que les atomes de ce poivron absorbent la lumière verte et bleue, mais réfléchissent la lumière rouge , celle que l’oeil peut voir. D’où la couleur rouge du poivron.
Le feuillage de notre pommier est vert. Il reçoit la lumière blanche du soleil, mais les atomes qui le constituent absorbent le lumière rouge et la lumière bleue, mais réfléchissent la lumière verte.
Les atomes de la bille bleue absorbent la lumière verte et la lumière rouge. La lumière bleue est réfléchie par la boule, d’où sa couleur bleue.
Les atomes de la peinture de cette navette spatiale n’absorbent aucune lumière qui est entièrement réfléchie, d’où sa couleur blanche.
Par contre, les atomes de la peinture de la male absorbent toutes les couleurs et la male ne réfléchi aucune couleur d’où son absence de couleur. Elle est noire.
Un faisceau de lumière blanche est dirigé sur un nuage de gaz froid. Le nuage de gaz absorbe certaines composantes (couleurs) de la lumière blanche. Grace au prisme la lumière obtenue après passage par le gaz est décomposée. On remarque que le diagramme de la lumière est incomplet et qu’il y manque des radiations (Raies noires). Ce qui prouve que le gaz a bien absorbé ces couleurs.
Dans cette expérience, le liquide bleu absorbe toute une bande de couleurs, les couleurs rouges.
Emission de lumière
Le fer est gris à température normale.
Si on le chauffe jusqu’à une certaine température, il rougit (non pas de honte mais de plaisir). Il émet de la lumière rouge.
Si on le chauffe encore plus, jusqu’à une température encore plus élevée, il devient blanc. Il émet une lumière blanche qui est la somme de toutes les couleurs de l’arc en ciel.
La lumière est une onde
Voyons ce que sont, dans la réalité physique, ces couleurs, qui sont absorbées ou émises.
A chacune des couleurs correspond une onde ayant une longueur d’onde particulière (distance entre deux crêtes) et une fréquence ( nombre de vibrations par seconde) particulière.
En fait c’est le contraire dans la réalité. Il existe une infinité d’ondes caractérisées par leur fréquence ou leur longueur d’onde. C’est notre cerveau, grâce à l’oeil qui interprète chacune de ces ondes selon une couleur spécifique.
La lumière visible (ondes électromagnétiques interprétées par notre cerveau) n’est qu’une infime partie de toutes les ondes électromagnétiques présentes dans l’univers.
Toute onde est caractérisée par sa longueur d’onde ou par sa fréquence.
une onde est à l’origine une perturbation, une vibration (des allers et retours incessant entre deux points) qui se transmet de proche en proche dans l’espace (Ici dans le plan).
Cette vibration est représentée par le point N qui se déplace entre 1 et -1. Le point M est la représentation du point N en fonction du temps écoulé. Entre A et B il s’écoule une seconde. En une seconde, le point N effectue 4,5 aller et retour entre -1 et 1. Le point M pareillement.. La fréquence de notre onde est donc de 4,5 allers et retours par seconde, l’unité étant le hertz :
La fréquence est représentée soit par la lettre f, soit par la lettre grecque nu.
En réalité la fréquence de cette couleur rouge est de 
soit 450 000 000 000 000 allers et retours en une seconde.
Il est évident que sur l’animation une telle fréquence était impossible à représenter, c’est pourquoi on a garder simplement le chiffre de 4,5 hertz.
La période T est le temps mis par notre point N pour faire un aller retour. Sur notre animation ce temps, cette période est de 
Mais en réalité elle est de :
Une autre caractéristique importante d’une onde est sa vitesse qui est la même pour toutes les ondes électromagnétiques. On la représente par c (célérité) .
On peut maintenant calculer la longueur d’onde (lettre grecque lambda) :
660 nanomètres soit 0,000000066 m.
Sur notre animation, en gardant les proportions précédentes la longueur d’onde serait de 66 cm environ.
Ci-dessous un tableau de correspondance entre les couleurs, les fréquences en hertz (rouge sur jaune) et les longueurs d’onde en nanomètre (vert)
Voyons maintenant à l’échelle microscopique ce qui se passe entre la lumière et les atomes qui en absorbent ou en émettent une partie.
Pour cela il nous faut définir pour la lumière un quantum d’énergie appelé photon.
Il faut voir ensuite comment se comporte un atome (atome d’hydrogène, le plus simple) sous l’effet de ces quanta d’énergie.
Le photon
Le photon : (Gamma)
Sa fréquence : (Nu) 
Sa vitesse (Célérité)
Sa longueur d’onde (Lambda)
Sa pulsation 
Son énergie 
Constante de Planck 
Un photon est une petite quantité d’énergie assimilable à une particule de masse nulle. Il est désigné par la lettre grecque gamma γ. Cette petite quantité d’énergie est fonction de la fréquence ou de la longueur d’onde de l’onde qui le porte.
Elle est proportionnelle à la fréquence et inversement proportionnelle à la longueur d’onde. Le coefficient de proportionnalité est une constante h appelée constante de Planck exprimée en Joule.seconde (des Joule multipliés par des secondes) et égale à
h=6,62607015×10-34 Js. On utilise parfois la constante de Planck réduite h.
L'atome d'hydrogène
Ci-contre, un atome d’hydrogène constitué de son noyau (point rouge au centre) et d’un électron (non figuré sur le dessin). Sont tracées diverses couches autour du noyau numéroté par le nombre quantique n principal.
La couche n=1 est la plus proche du noyau, c’est là que réside habituellement le seul électron de l’atome. Ensuite nous trouvons les couches n=2 à n=6. Elles sont indiquées par différentes couleurs. A chacune des couches correspond un niveau d’énergie indiqué ici en électron-volts.
Par convention ces niveaux d’énergie sont négatifs pour traduire que l’électron lié à son atome possède une énergie inférieure à celle qu’il aurait en étant libre.
Chaque niveau d’énergie dans l’atome est calculé en fonction du numéro de la couche donc du nombre quantique principal.
Ainsi la couche fondamentale possède-t-elle un niveau d’énergie de :
Lorsque l’électron se trouve sur cette couche, l’atome n’est pas excité. C’est son état habituel.
Mais il suffit que l’atome subisse un choc quelconque pour que l’électron passe sur une couche supérieure. L’atome est alors excité.
Les niveaux d’énergie correspondant aux couches 2 à 6 sont celles d’un atome excité.
L’unité électron Volt permet d’obtenir des chiffres plus simples. Si on utilisait l’unité Joule, les chiffres traduisant l’énergie dans ce cas seraient affublés de 1019.
Voyons ce qui se passe lorsque l’électron passe d’un niveau à un autre.
Positionner le curseur sur la valeur c=1,2
Dans l’animation ci-contre, les différentes couches de l’atome d’hydrogène sont représentées horizontalement.
Elles sont numérotés comme sur la figure précédente et leur niveau d’énergie est indiqué.
L’atome est si on peut dire au repos. Son seul électron gravite sur la couche n=1, couche fondamentale.
En cliquant sur la petite flèche en bas à gauche, on voit cet électron graviter.
Absorption :
Un photon rouge représenté par le point rouge en haut de la figure arrive au voisinage de l’atome. En cliquant sur le point c du curseur et en le faisant glisser vers la gauche, le photon pénètre dans l’atome. Il faut atteindre la valeur c=-1.
A ce stade le photon est absorbé, l’atome est excité et l’électron passe de la couche 1 à la couche 4.
Emission :
A partir de la position de c=-1, on fait glisser le point c vers la droite.
Un photon apparaît ( c’est le même que précédemment), il est éjecté hors de l’atome, l’atome émet un photon, il est désexcité. L’électron qui gravitait sur la couche 4 reprend sa place sur la couche fondamentale 1.
Dans l’exemple de l’animation, il s’agit d’un photon ayant une énergie de 12,75 eV . En effet cet apport d’énergie est tel que :
Cette énergie correspond à un niveau d’énergie existant dans l’atome d’hydrogène. Cet apport d’énergie permet donc à l’électron de l’atome de changez de couche et de graviter sur la couche n=4. Et le photon disparaît puisque la totalité de son énergie est absorbée. Qu’est-ce donc ce photon d’énergie 12,75eV ?
Transformons cette énergie en joules : 
Calculons la fréquence de ce photon 
D’après le tableau ci-dessus il s’agit d’un photon situé dans les infra-rouge.
Que se passe-t-il si l’atome percute un photon d’énergie 11,0 eV ?
Calculons l’énergie que l’atome dont l’électron est sur la couche fondamentale (-13,6 eV) va recevoir de la part du photon d’énergie 11,0 eV.
Dans l’atome d’hydrogène, il n’existe aucune couche énergétique dont la valeur est égale à -2,6 eV.
Le photon ne sera pas absorbé et continuera son chemin. L’électron de l’atome d’hydrogène restera sur la couche fondamentale.
Pour connaître la nature de ce photon (sa fréquence) convertissons cette énergie en joules.
Nous déduisons sa fréquence :
C’est un photon situé dans l’ultra violet.
L’Energie reçue par l’atome peut-être si importante que l’électron ne se contentera plus de passer sur une couche plus extérieure mais sortira complètement de l’atome, il prendra sa liberté, ce sera un électron libre. Et l’atome, privé de son électron, sera ionisé, il deviendra un ion H+.
Voyons à partir de quelle énergie cette ionisation se fait elle.
L’électron va passer dans l’atome d’une énergie de couche fondamentale de -13,6 eV à une énergie nulle. Donc il lui faut recevoir une énergie de 13,6 eV. soit en joules :
Nous pouvons calculer la fréquence d’un tel photon :
Et donc sa longueur d’onde ;
Dualité onde particule
Je suis une particule
je me conduis comme toute particule ou tout morceau de matière. Lorsque je rencontre un obstacle, je rebondis dessus en changeant éventuellement de direction, comme une boule contre la bande du billard, comme une particule lumineuse (un photon) contre un miroir.
Je suis une onde
Là je me conduis comme toute onde. Un signal en A est répercuté dans toutes les directions de l’espace ( ici on se contente du plan), comme un caillou qui tombe dans l’eau engendre des rides à la surface.
La lumière se comporte à la fois comme une particule, le photon, et comme une onde, dont la longueur d’onde varie avec la couleur de cette lumière. Ces comportements ne sont pas simultanés. Ils sont adaptés aux situations. Lorsque la lumière se réfracte ou se réfléchi, elle se comporte comme une particule, lorsqu’elle traverse deux fentes pour donner des franges d’interférences, elle se comporte comme une onde. Mais la lumière n’est pas un cas particulier. Il a été démontré par l’expérimentation que tous les constituants de la matière, électrons, proton, neutrons et aussi des molécules possédaient cette dualité. Même les objets macroscopiques telle une balle de tennis possède une longueur d’onde de
10-34 mètre, plus petite que la taille d’un proton. (Science et univers n°11 p 31)