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En physique, on entend souvent dire que la lumière visible va du rouge au violet, soit de 800 nm à 400 nm.
Ce qui me gêne ici, c’est le que l’on parle de « de 800 nm à 400 nm » pour désigner les couleurs rouges et du violet. Ceci n’est vrai que dans le vide.

Si on se place dans l’eau, l’indice de réfraction est de 1,33 : la vitesse de la lumière est donc réduite de 1/1,33 :

$$v_{eau} = \frac{c}{n_{eau}}$$
$$v_{eau} = 0,75c$$

La réduction ici est donc d’environ 25%.
Or, la longueur d’onde qui est proportionnelle à la vitesse est elle aussi réduite de 25% :

$$\lambda_{eau} = v_{eau}T$$
$$\lambda_{eau} = 0,75\times cT$$

Le rouge 800 nm passe donc à 600 nm dans de l’eau : un objet rouge plongé dans l’eau devrait, en toute logique, apparaître jaune. Or ceci n’est évidemment pas vrai : la couleur d’un objet est maintenue quelque soit le milieu.
Ceci est donc un problème : on ne peut pas attribuer une longueur d’onde à une couleur, si les deux ne sont pas synonymes.

Alors c’est quoi la solution ?

La longueur d’onde seule n’est pas suffisante pour caractériser l’onde : pour être utile, il faut aussi dire dans quel milieu nous nous trouvons.
L’information supplémentaire apportée par le milieu est son indice de réfraction $n$, soit le facteur de ralentissement de la lumière dans ce milieu par rapport au vide (25% pour l’eau).
Dans ce cas là, oui, on peut utiliser la longueur d’onde pour caractériser une onde lumineuse.

On peut pourtant faire beaucoup plus simple et n’utiliser qu’une seule information, indépendante du milieu et propre à l’onde. Pour caractériser une onde, on peut aussi parler de sa période temporelle $T$, qui elle ne varie pas quand on passe d’un milieu à l’autre !

En utilisant la période temporelle plutôt que la longueur d’onde, la définition d’une onde lumineuse devient universelle.

La raison à cela est que la période $T$ est directement proportionnelle à l’énergie $E$ transportée par la lumière, par la constante de Planck $h$ :

$$T = \frac{1}{hE}$$

Un rayon de lumière qui entre dans un milieu et qui en sort, ne perd pas d’énergie en y entrant pour en gagner quand il ressort : il conserve son énergie tout au long du trajet.

La vraie caractéristique d’une onde, c’est l’énergie qu’elle transporte.

De plus, si l’énergie d’une onde est constante, sa fréquence l’est aussi. Donc si la vitesse varie d’un milieu à l’autre, ce n’est ni l’énergie ni la fréquence qui varient, mais bien la longueur d’onde.
Sa couleur restant invariante elle aussi, il est bien plus juste d’associer la couleur à l’énergie plutôt qu’à la longueur d’onde.

Ainsi, le « 800 nm pour le rouge » n’est vrai que dans le vide. Si vous utilisez la valeur de 1,55 eV de l’énergie de l’onde lumineuse rouge, ce sera vrai où que vous vous trouvez :

$$E_{rouge} = \frac{h \times c}{\lambda_{eau}}n_{eau}$$
$$E_{rouge} = \frac{h \times c}{\lambda_{air}}n_{air}$$

Mais bon, si l’information du milieu considéré est donnée, on peut très bien continuer à parler de longueur d’onde. D’autant plus que les valeurs de longueur d’ondes du visibles sont bien plus simples à retenir.

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une flamme de bougie
Vous connaissez la scintillante beauté de l’or et de l’argent ; et l’éclat encore plus beau des pierres précieuses comme le rubis ou le diamant ; mais aucun de ceux-là ne rivalisent avec la brillance et la magnificence d’une flamme.

— Michael Faraday (1791-1867), dans L’Histoire Chimique d’une Bougie


Le titre, c’est une question que j’avais posé à plusieurs de mes profs, sans jamais pu être satisfait des réponses. Finalement, je me suis fait ma propre définition. J’espère que vous la trouverez utile.


La combustion d’abord : c’est une réaction chimique. Quand vous faites brûler quelque chose, vous effectuez une réaction chimique. Cette réaction chimique libère de la chaleur, beaucoup de chaleur (elle est dite exothermique).

La chaleur émise par la réaction chimique qui a lieu permet à l’endroit où se passe la réaction de monter en température.
Une flamme de bougie atteint ainsi facilement 1500°C.

À ces températures, les particules de suie dans la flamme sont si chaudes qu’elles émettent de la lumière visible (jaune voire blanche).

Et c’est bien ça une flamme : la zone de l’espace où siège une réaction chimique exothermique et où la température est suffisante pour que les particules deviennent lumineuses.

Que trouve t-on dans la flamme d’une bougie ?

De la suie et du diamant !
La suie peut être mise en évidence en plaçant une cuillère au dessus d’une bougie : elle noircit à cause du carbone quasiment pur qui s’y dépose.

Quant aux diamants, des chercheurs ont découvert que les flammes (d’une bougie ou d’un briquet) contiennent des micro-cristaux de diamant. Ils se forment quand les atomes de carbone se lient les unes aux autres de façon tétraédrique. Ces diamants apparaissent et disparaissent constamment, mais finissent par ne plus se former quand ils rencontrent l’oxygène et forment alors du simple CO2.

Pour le reste, on trouve des ions : des atomes suffisamment chauds pour qu’ils s’échangent des électrons et se ré-assemblent (c’est la réaction chimique à proprement parler en fait : seuls les derniers électrons sont libres). La flamme n’est pas un plasma (où tous les électrons sont libres), comme dans l’éclair d’un orage : la température n’est pas suffisante pour ça.

Voir aussi :

image de Michael Nukular

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Tout le monde a déjà regardé le ciel étoilé. Peut-être y avez-vous même repéré quelques constellations.

Les constellation ne représentent cependant pas tout à fait la réalité de la disposition des étoiles. Ils représentent la disposition des étoiles vues depuis notre minuscule planète Terre : si on lève les yeux, on voit les étoiles comme collées sur la voûte céleste. On a l’impression que ce sont des figures plates, comme des points sur un bout de papier.

Quand on regarde les constellations depuis un autre angle, l’effet de perspective les rend méconnaissables.

Par exemple, pour la Grande Ourse, ça donne ça :

ursa major animation
(si l’animation ne démarre pas, cliquez ici)

En effet, l’une des étoiles est située à plus de 124 années-lumières, alors que les autres sont vers 80 années-lumière de la Terre.

Encore plus impressionnant : la constellation d’Andromède, dont la distance à la Terre des étoiles qui la composent va de 40 à 600 années lumières, et qui est donc très étirée en profondeur :

andromeda animation
(si l’animation ne démarre pas, cliquez ici)

Si on recule vraiment très loin de la Terre, et qu’on regarde les constellations, on observe quelque chose comme ça :

andromeda animation
(si l’animation ne démarre pas, cliquez ici)


Ce que l’on peut en tirer c’est que d’une part, les constellations sont formées d’étoiles qui sont toutes très proches de la Terre (quelques milliers d’années lumières au plus, ce qui ne représente guère que 5% de la voie lactée). Cela n’est pas étonnant quand on y réfléchit : ce sont ces étoiles qui sont visibles à l’œil nu et qui répertoriées depuis l’antiquité, quand il n’y avait pas encore de télescope.

D’autre part, bien que cela peut sembler évident, nos constellations ne sont visibles comme on les connaît que depuis la Terre.
Si on sort un peu trop loin dans l’espace (plus de quelques dizaines d’années lumières) nos constellations seront toutes déformées, et si on va encore plus loin, vous voyez comme sur la troisième qu’on ne reconnaît plus rien !

On peut alors s’imaginer (en fait, ça se modélise) de quoi aurait l’air le ciel, vu par des créatures vivants sur autre planète autour d’une autre étoile. Peut-être qu’ils auraient comme nous, des constellations, et peut-être même y en aurait-il une formée, entre autres, par notre Soleil…

(images faites grâce au logiciel Libre Celestia.)

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Il est très courant de confondre la chaleur et la température, et bien que ces notions soient liées, elles sont à distinguer.

La chaleur, c’est la quantité d’énergie thermique contenue dans un corps et qu’il est possible d’extraire pour s’en servir (pour chauffer par exemple).
La température est l’agitation de l’atome. C’est sa vitesse de vibration au sein de la structure solide qui la contient, ou bien sa vitesse de déplacement dans un gaz.

Chaleur et température restent liés : un corps à haute température contient plus de chaleur que s’il était à basse température.

La quantité de chaleur contenue dans un corps dépend de la constitution de ce corps : de l’eau ? de l’acier ? du bois ?

Exemple

De l’eau bouillante, c’est chaud non ? Si vous en recevez sur les doigts, vous risquez de vous brûler sévèrement. Pourtant, l’eau bouillante n’est toujours qu’à 100 °C.

Parallèlement, tout le monde a déjà utilisé les bâtonnets d’étincelles, lors des fêtes de fin d’année ou sur un gâteau. Les étincelles produites ne brûlent pas la peau, et pourtant leur température excède 1000 °C !

Alors où est le problème ? En fait, une étincelle est juste une poussière se trouvant à très haute température : elle est peut-être extrêmement chaude, mais elle est très petite. Elle ne transporte donc que très peu d’énergie (donc de chaleur) et peut très difficilement vous brûler.

Au contraire, avec l’eau bouillant que vous recevez sur votre main (je ne vous le souhaite pas), c’est une grande quantité d’eau que vous recevez, et même si 100°C est beaucoup moins que 1000°C, la quantité d’énergie (la chaleur) reçue sur votre peau est beaucoup plus importante. Ici, la quantité de matière qu’on reçoit joue d’avantage que la température.

Notes

On dit parfois que chauffer un corps implique d’augmenter la température de ce corps. Ceci est souvent vrai, mais pas toujours.

Voici un contre exemple : prenez un glaçon à 0 °C. Si vous le chauffez, il restera à 0 °C mais il va fondre. La chaleur de l’eau composant le glaçon a augmenté, mais sa température n’a pas évoluée. Le truc ici est que le passage de l’état solide à l’état liquide consomme de la chaleur (cette chaleur très spécifique est nommée enthalpie de changement d’état, ou chaleur latente) : l’eau va donc fondre plutôt que monter en température.

Réciproquement, on peut alors comprendre que geler un verre d’eau libère de l’énergie. Ce principe est utilisé dans les petites chaufferettes de poches en hiver : quand vous activez le petit « clic », le liquide cristallise et libère de la chaleur.

image de Andrii Zymohliad

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