Nous vous proposons ici d’observer des phénomènes lumineux et colorés étonnants, induits en particulier par un éclairage contenant de la lumière ultraviolette (UV). Cette lumière, souvent appelée « lumière noire » parce que nos yeux ne la perçoivent pas, est capable d’interagir avec certaines substances chimiques qui la renvoient sous forme de lumière visible. Cette émission de lumière est appelée, selon les cas, fluorescence ou phosphorescence.

• une lampe UV ; on peut en acheter pour une dizaine d’euros, sous forme de tubes à décharge ou de LED ; on veillera à respecter les règles de sécurité : les UV étant dangereux pour les yeux, il convient de ne pas diriger le faisceau vers ceux-ci
• des objets bien blancs : feuille de papier pour imprimante, tee-shirt, mur peint, …
• des objets colorés, fluorescents (surligneurs de différentes couleurs, gilet de sécurité, vêtements, bracelets, …) ou non (vêtements, feutres, …)
• une boisson soda « tonic » (contenant de la quinine) type Schweppes
• un billet de banque
• de la crème solaire (écran total ou haute protection)
• un objet phosphorescent : étoiles qu’on colle dans les chambres d’enfant, pâte à modeler ou peinture spéciale (en magasin de loisirs créatifs), aiguilles de certaines montres, …
• une pièce où l'on peut faire l’obscurité

Placez côte à côte à la lumière du jour deux objets de même couleur, l’un classique et l’autre fluo, par exemple un tee-shirt jaune et un gilet jaune de sécurité, ou un trait de feutre classique et un trait de surligneur fluo tracés sur une feuille.
Vous constaterez sans doute que l’objet fluo attire davantage le regard, parce qu’il est plus lumineux.

Si vous placez vos deux objets dans une pièce obscure (ou comme sur notre photo faiblement éclairée) puis que vous les éclairez avec votre lampe UV, vous verrez l’objet fluo devenir très lumineux, contrairement à l’autre. Ici nous avons utilisé une lampe UV (lumière invisible) qui émet aussi un peu de lumière violette qu’on peut voir sur les bandes réfléchissantes du gilet jaune. Le tee-shit jaune paraît très sombre, alors que le gilet de sécurité renvoie une puissante lumière de couleur jaune-vert, qui n’est pourtant pas émise par notre lampe !

Si vous êtes amateur de boite de nuit, où on utilise parfois des éclairages UV, vous aurez peut-être remarqué que certaines boissons transparentes comme de l’eau à la lumière du jour, émettent une lumière bleutée diffuse sous éclairage UV. C’est le cas des sodas type « tonic ». On peut ainsi les différentier de l’eau sans avoir à goûter !

Essayez aussi avec un billet de banque : l’éclairage UV fera apparaître de petits motifs colorés lumineux, que vous n’aviez pas remarqués à la lumière du jour. Vous avez d’ailleurs peut-être déjà observé aux caisses de certains magasins la présence d’une lampe UV du type de celle utilisée ici, qui permet de détecter les faux billets par l’absence de ces petits motifs.

Restez dans votre pièce obscure et coupez votre lampe UV. Vous constaterez sans surprise qu’aucun objet autour de vous n’est visible, qu’il soit de couleur fluo ou non, sauf si vous avez dans la pièce des objets phosphorescents. Ces objets sont reconnaissables parce qu’on les « voit dans le noir ». C’est le cas par exemple des étoiles qu’on colle au plafond des chambres d’enfant et qui paraissent lumineuses une fois la nuit tombée.

Faites alors l’expérience suivante :

• placez votre objet phosphorescent assez longtemps (plusieurs heures peuvent être nécessaires) dans l’obscurité puis observez-le dans une pièce obscure : il ne devrait pas être pas lumineux ;
• placez-le ensuite quelques minutes à la lumière du Soleil ou sous votre lampe UV, avant de le regarder à nouveau dans l’obscurité : vous verrez qu’il est redevenu lumineux ;
• si vous attendez, toujours dans le noir, vous devriez constater que sa luminosité baisse peu à peu (il faut parfois attendre plusieurs heures pour s’en rendre compte).

Pour montrer plus clairement le rôle des UV, on peut revenir sur l’observation de la fluorescence d’une feuille de papier ou d’un tissus bien blanc. On sait qu’un objet blanc prend habituellement la couleur de la lumière qui l’éclaire. Sous notre lampe UV, qui émet aussi un peu de lumière violette, on pourrait donc s’attendre à ce qu’il apparaisse violet et sombre. Or l’expérience montre qu’il apparaît d’un bleu très lumineux, plus lumineux que la lampe. Si on analyse le spectre de la lampe UV avec un spectroscope, on peut vérifier qu’elle n’émet quasiment pas de lumière bleue. D’où vient donc cette lumière ? Étalez un peu de crème solaire sur la feuille de papier ou sur le vêtement (si vous ne craignez pas de le salir !) : vous devriez constater que l’éclat bleu disparaît !

La crème solaire sert à éviter les coups de Soleil dus aux rayonnements UV nocifs émis par le Soleil, qu’elle absorbe en partie. En revanche, comme elle n’est pas colorée on sait qu’elle n’absorbe pas la lumière visible. Le fait que l’émission de lumière bleue disparaisse avec la crème solaire permet de conclure que cette émission provient de la lumière UV : l’objet fluorescent convertit les photons UV (très énergétiques) qu’il reçoit en photons bleus (moins énergétiques) qu’il émet. La différence d’énergie est le plus souvent convertie en chaleur.

Cette fluorescence des objets d’un blanc éclatant (sous éclairage habituel) comme par exemple le papier, les peintures ou les vêtements, est due à un produit chimique que l’on appelle « azurant optique » ou « agent blanchissant ». La conversion de lumière UV (invisible) en lumière bleue (visible) donne l’impression que ces objets renvoient plus de lumière qu’ils n’en reçoivent. Par l’émission de lumière bleutée, ces azurants donnent aux objets blancs un éclat d’un blanc froid et évitent le jaunissement qui survient sinon avec le temps, la couleur bleue étant complémentaire du jaune. On en met aussi dans certaines lessives : voilà pourquoi elles lavent « plus blanc que blanc » !