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Accueil > Les numéros > DocSciences 4 : Pleins feux sur la lumière Synchrotron

La lumière, matière à réflexion

La lumière visible nous permet de voir les objets qui nous entourent. Au synchrotron SOLEIL, la lumière permet une exploration à l’échelle atomique et moléculaire qui touche aussi bien le monde des médicaments, des nouveaux matériaux, que des œuvres d’art.

Voir pour l’Homme est chose naturelle.
Mais comment expliquer le phénomène de la vision ? Prenons l’exemple des objets dans une pièce aux volets hermétiquement fermés. Ils ne peuvent pas être perçus par notre œil. Pour les observer directement (avec nos yeux), il faut les éclairer avec de la lumière, par exemple, la lumière du jour en ouvrant les volets, ou en allumant une ampoule électrique. La vision de ces objets résulte de l’interaction entre la lumière et la matière dont sont constitués ces objets ; notre œil étant dans ce cas le détecteur. Si nous observons un pull bleu éclairé par la lumière blanche d’une lampe à incandescence, il nous paraît bleu parce qu’il a absorbé toutes les couleurs, sauf justement le bleu qu’il renvoie vers notre œil.

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Ionisation de l’air sur le passage du rayonnement synchrotron (© SOLEIL)
Le rayonnement lumineux incident, émis dans le vide, passe dans l’air après avoir traversé une fenêtre transparente pour ce rayonnement. On observe ici le trajet rectiligne (en ligne droite) de la lumière dans l’air qui est un milieu homogène.

Mais qu’en est-il de ce même pull lorsqu’il est éclairé par les lampes jaunes à vapeur de sodium – que l’on trouve, par exemple, dans les souterrains  ? Il paraît noir ! En effet, la lumière jaune envoyée est entièrement absorbée par la teinture qui donne sa couleur à ce vêtement lorsqu’il est observé en lumière blanche ; sous la lumière jaune, il ne renvoie plus aucune lumière ; ce qui se traduit visuellement par du noir.

Que dire encore des billets de banque éclairés avec une lampe riche en rayons ultraviolets ? Des filaments, invisibles sous un éclairage classique, apparaissent maintenant roses, verts ou bleus ; le drapeau européen change de couleur. Ces éléments deviennent… fluorescents : les encres utilisées absorbent les rayons ultraviolets (UV) et réémettent une lumière moins énergétique dans le domaine du visible. Pour mieux comprendre ces interactions, revenons à la nature de la lumière.

La face cachée de la matière

Dans le synchrotron, la stabilité de la position du faisceau de lumière est de l’ordre de quelques microns. La lumière peut ainsi rester focalisée sur un petit échantillon ou le balayer avec une grande précision pour déterminer la répartition de certains éléments en son sein, permettant de réaliser ainsi de l’imagerie scientifique. On peut par exemple visualiser la répartition des lipides, protéines et collagène dans la peau ou encore la pénétration d’un produit actif de médicament à travers la peau. L’émission synchrotron est pulsée, à raison de quelques centaines de millions d’éclairs par seconde. Pour beaucoup d’applications, on peut alors la considérer comme étant continue. Toutefois, dans certains modes de fonctionnement, la structure pulsée de l’émission lumineuse peut être mise à profit dans des expériences impliquant l’évolution d’une structure ou d’un milieu en fonction du temps. C’est, par exemple, le cas des études de cinétiques rapides pour comprendre des réactions chimiques dans les pots catalytiques de voitures ou encore celles qui ont lieu dans les batteries de nouvelle génération.

Par ailleurs, les propriétés magnétiques de matériaux et la symétrie de certaines molécules biologiques peuvent être étudiées grâce au choix de l’état de polarisation de la lumière – linéaire, circulaire ou elliptique

LA LUMIÈRE, UNE ONDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE PARMI D’AUTRES

L’homme a toujours voulu prolonger ses activités au-delà du coucher du soleil. Le feu fut sa première lumière artificielle, puis vinrent la lampe à graisse, la lampe à huile, la chandelle, la lampe à pétrole, le gaz d’éclairage, jusqu’à l’arrivée vers 1900 de la « fée électricité ». Après de nombreux Anciens (Grecs, Arabes…), le savant anglais Isaac Newton s’intéresse, vers 1650, à la lumière et aux couleurs. L’une des expériences fondamentales qu’il réalise est la décomposition de la lumière blanche émise par le Soleil, en faisant passer un fin pinceau de lumière solaire à travers un prisme. Sur un écran placé derrière, il observe une image colorée, étalée parallèlement à l’arête du prisme, et ayant toutes les couleurs de l’arc-en-ciel  : c’est le spectre de la lumière blanche.

En recombinant toutes ces couleurs, il retrouve alors une tache blanche identique à celle avant passage dans le prisme. La preuve était faite que la lumière blanche est composée de plusieurs couleurs.

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Jeu de lumière sur un élément de spectromètre (© Laboratoire Charles-Fabry de l’Institut d’optique)
De la lumière ultraviolette (invisible pour nos yeux) est absorbée par l’objet. Celui-ci la restitue ensuite très rapidement sous forme de lumière verte : on parle alors de fluorescence

En savoir plus

Voir également : la galerie « La lumière synchrotron »

Revues

  • TDC, « Les mystères de la lumière », n° 866, décembre 2003.
  • TDC, « La science des couleurs », n° 922, octobre 2006.

Ressources pédagogiques Synchrotron

  • Malettes pédagogiques SOLEIL « Lumière Synchrotron » et « Optique ». Gratuite dans la rubrique « espace pédagogique »
  • Brochure « Histoire des rayons X »
  • Cédérom : « La Lumière, une longue histoire »
    Renseignements : 01 69 35 90 20