Lundi 14 Mai 2007

Ces phénomènes lumineux qui nous entourent

Bernard Valeur
Elisabeth Bardez

Conservatoire National des Arts et Métiers

Comment la lumière est-elle produite ? La matière peut émettre de la lumière selon des mécanismes très différents. Il est essentiel de distinguer l'incandescence, lumière émise par les corps portés à haute température (lumière dite chaude), et la luminescence qui n'est pas d'origine thermique (lumière dite froide).

L'émission par incandescence obéit à des lois qui ne dépendent pratiquement pas de la nature du corps émetteur. La couleur des corps incandescents va du rouge au blanc-bleu en passant par le jaune et le blanc selon la température du corps (Fig. 1). L’application la plus banale est la bonne vieille lampe à incandescence qui brille par son record de longévité : elle n’a subi aucune modification depuis les années 1930, et elle est encore vendue à plus de 10 milliards d’exemplaires par an dans le monde !

Figure 1. Exemples d’émission de lumière par incandescence : résistance chauffante d’un grille-pain, lave en fusion, feu de bois, bougie, lampe à incandescence, soleil.

Contrairement à l’incandescence, la luminescence qui résulte de la désexcitation d'atomes ou de molécules dépend de la nature de ces espèces : les aurores polaires et les feux d'artifices en sont des exemples spectaculaires. Les divers types de luminescence se distinguent par le mode d'excitation des atomes ou des molécules : absorption de lumière, champ électrique, réaction chimique ou biochimique, rayonnement radioactif, etc. (Tableau 1).

Les phénomènes de luminescence donnent lieu à une multitude d’applications. En voici quelques-unes :

• Les lampes à décharge fondées sur l’électroluminescence de certains gaz à haute pression (vapeur de sodium, vapeur de mercure, halogénures métalliques) permettent d’obtenir de la lumière blanche et sont donc utilisées pour l’éclairage extérieur : rues, grands parkings, terrains de sport.

• Les lampes et tubes fluorescents sont également des lampes à décharge mais elles mettent en œuvre à la fois l’électroluminescence et la fluorescence. La décharge électrique dans la vapeur de mercure produit un rayonnement UV qui excite le revêtement intérieur des tubes comportant trois composés fluorescents. Ces derniers émettent respectivement des lumières rouge, verte et bleue : de la lumière blanche est ainsi produite par superposition de ces lumières primaires. On vante à juste titre la consommation d’énergie nettement inférieure à celle des lampes à incandescence.

• Les écrans à plasma doivent leur nom à la technologie qui exploite le phénomène de décharge électrique conduisant à la formation d’un plasma de faible énergie (milieu où cohabitent, grâce à un apport d’énergie, des électrons et des ions à l’état libre). Chaque pixel fonctionne comme un micro-tube fluorescent : il est constitué de trois cellules contenant un mélange d’argon et de xénon, et revêtue chacune d’un luminophore différent (un bleu, un vert, un rouge) qui sont excités dans des proportions variables pour reconstruire toutes les couleurs (synthèse additive).

• L’acronyme LED (pour Light Emitting Diode) fait désormais partie du langage courant pour désigner les diodes émettrices de lumière, ou diodes électroluminescentes. Ces diodes ont remplacé les lampes miniatures à incandescence pour les affichages lumineux. Elles sont de plus en plus utilisées pour l’éclairage et nombre de lampes de poche en sont désormais munies. Le grand avantage est la durée de fonctionnement : environ 45 000 h au lieu de 1000 h pour une lampe standard.

• Les azurants optiques rendent le linge ou le papier d’un blanc lumineux. Ce sont des composés fluorescents qui émettent de la lumière bleue se superposant à la couleur naturelle légèrement jaune du linge ou du papier. Bleu et jaune étant des couleurs complémentaires, leur association donne une impression de blanc qui en outre est lumineux en raison de l’émission de fluorescence, d’où l’expression « plus blanc que blanc » autrefois employée par une publicité pour vanter les mérites des lessives.

• Les molécules fluorescentes sont couramment utilisées comme traceurs ou sondes dans des domaines variés : diagnostics médicaux (angiographie, puces à ADN), visualisation du vivant sous microscope (microscopie de fluorescence), traceurs fluorescents en hydrologie pour simuler des pollutions éventuelles d’eau potable, etc...

• Le marquage de sécurité de documents (billets de banque en particulier) et de divers objets, en vue de rendre difficile la contrefaçon, fait largement appel à la luminescence.

• La chimiluminescence est mise à profit pour doser dans l’atmosphère les oxydes d’azote, polluants connus pour leur nocivité. Le monoxyde d’azote réagit avec l’ozone en donnant des molécules de dioxyde d’azote excitées qui, en se désexcitant, émettent de la lumière.
En criminalistique, des traces de sang, même séchées et invisibles à l’œil, peuvent être détectées par chimiluminescence : on pulvérise un mélange de luminol et d’eau oxygénée ; la présence de fer issu de l’hémoglobine catalyse la réaction entre ces deux réactifs, et l’émission de lumière qui accompagne la réaction révèle les taches de sang.
Enfin les bâtons lumineux que l’on trouve dans le commerce mettent en œuvre une réaction de chimiluminescence : ils sont utilisés pour la plongée sous-marine, la spéléologie, le repérage des naufragés, et par les pompiers pour créer un éclairage en atmosphère de gaz inflammable. De la diversité de ses effets à la multiplicité de ses applications, la lumière n’a pas fini de nous émerveiller par sa beauté et les outils qu’elle nous offre.

Pour en savoir plus :

B. Valeur, LUMIÈRE ET LUMINESCENCE. Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin – Pour la Science, 2005.