couleur

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Présentation

couleur, sensation visuelle associée aux longueurs d'onde de la lumière visible reçue par l'œil (voir vision).

Ressentie par l'homme et par certains animaux, cette perception de la couleur résulte d'un procédé neurophysiologique complexe mis en jeu dans la rétine de l'œil, qui capte la lumière grâce à des cellules en forme de bâtonnets et de cônes : alors que les bâtonnets enregistrent l'intensité globale de la lumière, les cônes sont sensibles à trois gammes de longueurs d'onde différentes, le cerveau se chargeant d'en faire une synthèse qui se traduit par une couleur.

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Lumière et couleurs

La lumière visible, à laquelle sont sensibles les yeux, constitue une mince fraction du spectre électromagnétique, et comprend les rayonnements de longueurs d'onde comprises entre 400 et 750 nm (10^-9 m). Un rayonnement à 400 nm est perçu comme une lumière violette ; à 750 nm la lumière est rouge. Les longueurs d'onde intermédiaires sont perçues en bleu, vert, jaune et orange, l'œil humain étant capable de distinguer plusieurs centaines de nuances, en particulier dans le vert, auquel il est très sensible.

En général, la lumière émise par une source (ou réfléchie par un objet) embrasse une gamme étendue de longueurs d'onde, et sa couleur est complexe plutôt que pure. En particulier, lorsque la lumière rassemble toutes les longueurs d'onde de 350 à 750 nm, distribuées de façon égale, elle nous apparaît blanche ou grise (selon l'intensité de l'illumination). Le mathématicien et physicien Isaac Newton en fait la démonstration en 1666 : il décompose la lumière blanche du Soleil en ses composantes colorées à l'aide d'un prisme, puis combine à nouveau les couleurs ainsi obtenues au moyen d'un second prisme. Il reconstitue ainsi la lumière blanche. L'arc-en-ciel est une illustration naturelle du phénomène, la lumière solaire étant dispersée en rayons de différentes longueurs d'onde (et donc de couleurs distinctes) par les gouttelettes de pluie agissant comme des prismes.

Une lumière de longueur d'onde unique (ou ne couvrant qu'une étroite bande de longueurs d'onde) est dite monochromatique ou saturée. On rencontre rarement de telles couleurs, dites pures, en dehors du laboratoire, à l'exception de la lumière jaune des lampes à vapeur de sodium utilisées pour l'éclairage des rues et des autoroutes.

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Couleurs primaires et complémentaires

La couleur du physicien n’est pas celle du peintre. Aussi les couleurs primaires ne seront pas les mêmes pour ces deux protagonistes de la description du monde. Pour le peintre, les trois couleurs primaires sont le jaune (primaire), le bleu (cyan) et le rouge (magenta). En revanche, du point de vue des physiciens, toute la gamme des couleurs rencontrées dans la nature peut être obtenue en mélangeant en proportions variables trois couleurs de base — le rouge, le vert et le bleu —, appelées pour cette raison couleurs fondamentales, ou couleurs primaires additives. Ainsi une lumière jaune, par exemple, est obtenue par addition de lumières rouge et verte. Quant à la lumière blanche, elle est obtenue par un mélange en proportions égales des trois couleurs de base. Cet aspect trichrome de la lumière a été établi au début du XIX^e siècle par le physicien anglais Thomas Young. Il est le premier à énoncer les lois de la théorie trichromatique de la synthèse de la couleur, ou plus simplement les lois de la trichromie. Il est à noter que la lumière blanche peut aussi être obtenue par addition de deux couleurs seulement, soit le jaune et le bleu, soit le rouge et le cyan (bleu-vert), soit encore le vert et le magenta (rouge violacé) : de telles paires sont appelées couleurs complémentaires.

Dans la nature, la plupart des couleurs sont dues non à des mélanges de longueurs d'onde, mais à des soustractions, la lumière blanche du Soleil étant partiellement absorbée par des pigments qui absorbent certaines longueurs d'onde et ne laissent passer que leur complément, qui produit la sensation de couleur. Ainsi le magenta s'obtient à partir de la lumière blanche en supprimant sa composante verte ; le jaune en soustrayant le bleu ; et le cyan en supprimant le rouge : magenta, jaune et cyan sont appelés pour cette raison couleurs primaires soustractives (couleurs primaires du peintre). Celles-ci, tout comme les primaires additives, peuvent être combinées en proportions variables pour reproduire toutes les nuances possibles de couleurs. Si elles sont mélangées toutes les trois en proportions égales, elles produisent une teinte très foncée, proche du noir. Les couleurs primaires soustractives sont utilisées dans la photographie couleur : l'image est recueillie sur trois couches chimiques superposées, qui se colorent sélectivement en magenta, cyan et jaune. Les couleurs globales d'une scène sont restituées en projetant une lumière blanche à travers la diapositive ou le négatif.

Notre perception de la couleur ne dépend pas uniquement de la valeur apparente des longueurs d'onde reçues. Le cerveau intègre en effet les changements d'éclairage d'un objet pour déduire sa couleur réelle : ainsi quand nous déplaçons un objet d'une lumière artificielle (en général décalée vers le rouge) à la lumière du jour (beaucoup plus bleue), nous ne remarquons pas de changement dans la couleur de l'objet. Cette « constance de la couleur » est due à la faculté de synthèse du système visuel, qui prend en considération toutes les couleurs d'une scène pour détecter les changements globaux d'éclairage et compenser leur effet dans la perception des couleurs.

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Mécanismes microscopiques

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Absorption, réflexion, transmission

Lorsqu’un faisceau lumineux provenant d’une source naturelle (Soleil) ou artificielle (lampe) arrive sur un objet, une fraction de la lumière est réfléchie par la surface de l’objet, une autre traverse l’objet sans être affectée, et une dernière fraction est absorbée. Pour chaque longueur d’onde, les coefficients de réflexion, de transmission et d’absorption sont différents : un objet rouge réfléchit beaucoup le rouge, tandis que les autres couleurs sont transmises ou absorbées. La plupart des objets que nous observons sont opaques : la fraction de la lumière transmise est nulle. Pour de tels objets, l’aspect coloré est donc essentiellement la conséquence de l’absorption de certaines couleurs. Ces rayonnements sont absorbés par les électrons des atomes et molécules, qui passent à un niveau d’énergie supérieur. Par la suite, cette énergie se transforme en chaleur qui se dissipe dans le matériau et le milieu extérieur. Pour qu’un objet apparaisse coloré lorsque qu’il est éclairé en lumière blanche, il faut donc que certains de ses électrons absorbent des rayonnements de longueurs d’onde comprises dans le domaine visible.

Ainsi en chimie organique, on note qu'un composé n'apparaît coloré que si ses atomes de carbone forment des liaisons insaturées, c'est-à-dire que certains de leurs électrons sont libres de vibrer et d'intercepter des longueurs d'onde particulières de la lumière. La couleur d'une matière organique peut donc varier selon sa composition chimique. Inversement, les composés inorganiques sont généralement incolores lorsqu'ils sont en solution, à l'exception de ceux qui contiennent des éléments de transition.

Par ailleurs, les objets translucides présentent en général une couleur différente suivant qu’on les observe en réflexion ou en transmission : le dioxyde de soufre, par exemple, est bien connu des volcanologues pour se teinter de bleu en lumière transmise (à contre-jour) et de brun en lumière réfléchie. De même, une mince feuille d'or est jaune en lumière réfléchie, mais paraît verte lorsqu'elle est éclairée en transparence.