Couleurs, prismes et arcs-en-ciel

Le verre crown dévie un peu plus la lumière violette à 410 nm que la lumière rouge à 660 nm, car son indice vaut 1.530 pour le violet et 1.512 pour le rouge.

La lumière blanche est un mélange

Au milieu des années 1660, Isaac Newton fait entrer un étroit faisceau de soleil dans une pièce obscure par un trou dans un volet, puis le fait traverser un prisme de verre. Une bande colorée apparaît sur le mur opposé. Dans un article publié en 1672, qu’un commentaire de 2015 paru dans les Philosophical Transactions de la Royal Society présente comme le fondement de l’optique moderne, il affirme que le prisme n’ajoute pas les couleurs. La lumière blanche en est un mélange et le prisme les sépare, car chacune est réfractée un peu différemment. Il montre aussi qu’une couleur isolée dans la bande conserve sa couleur après avoir traversé un second prisme.

OpenStax en explique la raison. Pour un matériau donné, l’indice de réfraction dépend légèrement de la longueur d’onde : il augmente quand celle-ci diminue et atteint son maximum pour le violet. La lumière violette est donc plus déviée que la rouge, et la lumière blanche s’étale dans l’ordre familier allant du rouge au violet. Cette séparation de la lumière blanche en un spectre s’appelle la dispersion. Plus généralement, il y a dispersion lorsqu’un phénomène dévie la lumière d’une quantité qui dépend de sa longueur d’onde.

Couleurs et longueurs d’onde

On distingue généralement environ six couleurs dans un arc-en-ciel : rouge, orange, jaune, vert, bleu et violet, parfois avec l’indigo en plus. OpenStax souligne que le spectre est continu : ces noms désignent des plages de longueurs d’onde, d’environ 700 nm pour le rouge à environ 400 nm pour le violet. Lorsqu’une lumière d’une seule longueur d’onde arrive dans l’œil, nous percevons généralement l’une de ces couleurs. Les nombreuses autres teintes que nous voyons résultent de la réaction de l’œil aux mélanges. La lumière du Soleil contient toutes les longueurs d’onde visibles et paraît blanche, ou très légèrement jaune.

Les objets doivent leur couleur à la lumière qu’ils nous renvoient. Une feuille paraît verte au soleil parce qu’elle réfléchit davantage de lumière verte que des autres couleurs et absorbe une grande partie du reste. Sous un éclairage sans vert, la même feuille paraît sombre. Un filtre agit de manière comparable sur la lumière qui le traverse : un filtre rouge laisse passer le rouge et absorbe la plupart des autres couleurs.

Les arcs-en-ciel

Un arc-en-ciel résulte de la dispersion par des gouttes d’eau. OpenStax décrit comment la lumière entre dans une goutte, se réfléchit sur sa face arrière puis ressort, en étant réfractée à l’entrée comme à la sortie. Comme l’indice de l’eau varie avec la longueur d’onde, les couleurs ressortent sous des angles légèrement différents. Tu ne vois un arc-en-ciel que lorsque le Soleil est derrière toi. Chaque couleur atteint ton œil depuis des gouttes situées sous un angle particulier par rapport à la direction des rayons solaires, d’où la forme en arc. Deux réflexions dans les gouttes produisent un arc secondaire, plus pâle, au-dessus du premier. Vers 1300, raconte OpenStax, Kamal al-Din al-Farisi étudie ce phénomène en Perse avec un grand récipient de verre rempli d’eau, placé dans une chambre noire pour représenter une goutte géante. Théodoric de Freiberg réalise des expériences similaires en Allemagne ; tous deux s’appuient sur les travaux d’Ibn al-Haytham.