Histoire de la Lumière : le spectre lumineux

Découvrez l'histoire de la découverte des différents scpectres électromagnétiques, devenus de véritables outils d'exploration de la matière comme de l'univers.

Le spectre électromagnétique

Qu’est-ce que la lumière ? Quelle est sa nature ? Depuis l’antiquité, des philosophes, des mathématiciens, des astronomes, des physiciens ont cherché la solution à cette énigme. Une vive controverse a même opposé, pendant deux siècles et demi, les partisans de la théorie ondulatoire, pour qui la lumière est une vibration qui se propage, à ceux de la théorie corpusculaire, pour qui la lumière est un flot de particules. Finalement, la physique quantique, née au début du 20ème siècle, a concilié les deux hypothèses : selon son interaction avec la matière, la lumière peut se manifester sous forme d’ondes ou sous forme de corpuscules, les fameux photons.

Une onde est caractérisée par une longueur d’onde, un photon possède une énergie. Mais sur quelle étendue, sur quelle gamme ?

Longueur d’onde λ
Energie E

Commençons par Isaac Newton. Nous sommes en1666. Dans une chambre aux volets clos, il pratique une petite ouverture pour isoler un rayon de soleil. Dans le filet de lumière, il place un prisme de verre : par réfraction, la lumière se décompose en un arc-en-ciel de couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. En réalité l’indigo n'existe pas dans le spectre mais Newton l’a rajouté pour faire bonne mesure : le chiffre 7 est à cette époque doté de vertus magiques et mystérieuses.

7 notes
7 astres errants (selon les anciens)
7 merveilles du monde

7 couleurs, la lumière va rester cantonnée à 7 couleurs pendant tout le 18ème siècle, appelé « siècle des Lumières » car les philosophes étaient convaincus de rentrer dans un nouvel âge, illuminé par la Raison et la Science.

En 1800, l’astronome anglais William Herschel place des thermomètres dans le spectre solaire pour mesurer la température des différentes couleurs. Surprise : au-delà du rouge, là où l’œil ne voit plus rien, le thermomètre monte encore. Il vient de découvrir la première lumière invisible, l’infrarouge.

Et de l’autre côté ? Là encore la surprise est grande quand un an plus tard, en 1801, le chimiste allemand Johann Ritter expose au spectre solaire une plaque photographique recouverte de chlorure d’argent. Il constate qu’elle réagit particulièrement au delà du violet. Il existe donc une deuxième lumière invisible, l’ultraviolet.

Il manque encore une graduation, une échelle. C’est chose faite, toujours en 1801, avec le médecin anglais Thomas Young qui interprète les couleurs comme une manifestation de la longueur d'onde de la lumière. Sa célèbre expérience des franges d’interférences lui permet de mesurer les longueurs d'onde en question, qui sont de l’ordre du micron, le millième de millimètre.

Diffraction / 1 fente
Franges d’interférence / 2 fentes

En 1885, le physicien allemand Heinrich Hertz cherche à vérifier expérimentalement la théorie électromagnétique de Maxwell, et à la populariser car elle est encore mal comprise. Il fait passer un courant de haute tension dans un circuit électrique à éclateurs, deux petites sphères métalliques écartées de quelques millimètres. Les charges s'accumulent dans le circuit jusqu'au jaillissement d'une étincelle. Le savant constate qu'une autre étincelle jaillit simultanément à quelques mètres de distance dans une antenne en forme de boucle. De l’énergie a été transmise d'un circuit à l’autre, sans l'aide d'un fil conducteur. Qui l’a transporté ? Hertz a la réponse : c’est une onde électromagnétique, une onde qui a les mêmes propriétés que la lumière : réflexion, réfraction, vitesse de 300.000 km par seconde. Il mesure sa longueur d’onde en déplaçant l’antenne : environ un mètre. Ainsi le spectre s’enrichit des ondes hertziennes, appelées plus tard « ondes radio » quand les premiers postes radiophoniques feront leur apparition.

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Conrad Röntgen étudie le courant électrique passant dans une ampoule où l’air est à faible pression. Il constate que l’ampoule produit des rayons capables de traverser les boites, les sacs, les valises... et le corps humain. Il les nomme rayons X ; rayons car ils se propagent en ligne droite comme la lumière, et X car il n’en connait pas la nature. Malgré ce doute, les rayons X sont immédiatement exploités en médecine pour la radiographie, mais restent mystérieux car aucun instrument d’optique n’est capable de les réfléchir, de les focaliser, de les disperser ou de les diffracter. Ce n’est qu’en 1912 que le physicien allemand Max von Laue réussit expérimentalement à obtenir la diffraction des rayons X par un cristal. Il s’agit donc bien d’une onde électromagnétique, mais de longueur d’onde extrêmement courte, située au delà du domaine ultra-violet.

La première radiographie : la main de Madame Röntgen
Les services de radiologie se multiplient

Ce n’est pas fini, il existe un rayonnement de longueur d’onde encore plus courte. Sa découverte met en scène 4 personnages : Henri Becquerel qui découvre la radioactivité en 1896, Marie Curie qui isole le radium en 1898, Paul Villard et Ernest Rutherford qui montrent en 1900 que la radioactivité est de trois types : alpha, beta, gamma. Rutherford n’établit la nature électromagnétique des rayonnements gamma qu’en 1914 quand il observe leur diffraction par des surfaces cristallines.

Le spectre électromagnétique est quasiment complet mais il reste une frontière floue entre les ondes radio et l’infrarouge. Elle sera précisée dans les années 1940 avec l’introduction des micro-ondes. Pendant la seconde guerre mondiale, les anglais développent en effet les radars pour détecter à distance les bombardiers allemands. Les radars fonctionnent sur le principe de la réflexion des ondes électromagnétiques, les longueurs d'onde allant de 30 m à 10 centimètres, c'est-à-dire des ondes radio aux micro-ondes. Dans les années 1950, des ingénieurs américains constatent que les radars à micro-onde échauffent les objets situés à proximité. C’est ainsi qu’un dispositif militaire est à l’origine d’un mode de cuisson très pratiqué aujourd’hui.

Il aura donc fallu presque trois siècles pour découvrir le rayonnement électromagnétique dans toute son étendue, dans toutes ces lumières et dans toutes ses grandeurs. Notre œil n’en détecte qu’une infime partie. Nous sommes presqu’aveugles. Heureusement, nous avons inventé des instruments pour pallier le manque de sensibilité de nos organes. Aujourd’hui, le développement de détecteurs ultra-sensibles nous permet de capter les lumières invisibles, de les traduire, de voir leurs effets. La lumière est devenue un merveilleux outil d'exploration.

Longueur d’onde λ (m)
Energie des photons (eV)

onde-radio
micro-ondes
infrarouge
visible
ultraviolet
rayons X
rayons γ

Exploration de l’Univers, qui émet dans toutes les longueurs d’onde. Les satellites d’astronomie nous transmettent non pas une image globale du ciel, mais une série d’images pour chaque longueur d’onde, ce qui permet de dresser une carte très précise du cosmos et des différents objets qu’il contient : nuages de poussières, étoiles visibles et invisibles, galaxies, étoiles à neutrons, trous noirs, supernovae...

Exploration de la Matière, éclairée à différentes longueurs d’onde. Elle se fait avec des instruments de plus en plus performants, comme les sources de lumière synchrotron. SOLEIL, la nouvelle source synchrotron française, est capable d’émettre toutes les lumières de l’infrarouge aux rayons X, avec une exceptionnelle brillance.

Grâce à la lumière, grâce à toutes les lumières, notre regard est devenu aujourd’hui plus perçant. Nous voyons mieux, plus loin, plus petit. Progressivement, nous prenons connaissance du monde qui nous entoure.