Le spectre d’une lumière
En 1666, Isaac Newton étudie l'apparition de couleurs lorsqu'un rayon du soleil traverse un prisme de verre : la lumière incidente blanche est décomposée par le prisme en différentes couleurs, qui se succèdent dans un ordre bien précis et qui sont aussi celles de l'arc-en-ciel.
Il montre que si on prélève un de ces rayons colorés pour le renvoyer dans un second prisme, il ne se décompose plus. Cette expérience montre que certaines lumières colorées, celles dites "de l'arc-en-ciel", peuvent être pures alors que d'autres, la lumière blanche du soleil par exemple, sont toujours des mélanges.
A chaque couleur "pure" correspond une onde
lumineuse d'une seule fréquence, donc d'une certaine longueur d'onde : on parle d'onde monochromatique
(littéralement : "une seule couleur"). L'ordre des couleurs de l'arc-en-ciel, du violet vers le rouge, correspond aux valeurs de longueurs d'onde croissantes, de 0,4 à 0,7 µm environ (1 µm ou
micron ou micromètre = 1 millième de mm). Ces valeurs peuvent varier continument, ainsi on peut dire qu'il y a une infinité de couleurs "de l'arc-en-ciel". Par exemple une longueur d'onde de
0,590 µm est vue orange, mais c'est aussi le cas pour 0,591 µm, 0,592 µm, ... Vers 0,630 µm on voit du rouge, mais aussi à 0,631 µm, 0,632 µm, ... Il n'y a pas de frontière franche entre les
couleurs : on passe continument du orange foncé au rouge.
De même qu'en musique on peut superposer différentes notes pour former des accords, on obtient différentes nuances de couleur en superposant les couleurs "pures" : on parle d'onde polychromatique (littéralement : "plusieurs couleurs"). Ce type de lumière est caractérisé par son spectre, qui indique les couleurs "pures" qui la composent.
Par exemple, une lumière de couleur MAGENTA ne peut pas être pure puisqu'elle n'est pas dans l'arc-en-ciel : on l'appelle pour cette raison couleur "extra spectrale". Elle est obtenue par superposition de lumière rouge et bleue, qui elles sont dans l'arc-en-ciel.
La photo ci-contre montre à gauche la lumière émise par une lampe à hydrogène, de couleur MAGENTA, et à droite sa décomposition spectrale qui fait apparaitre ses composantes monochromatiques bleue et rouge.
Inversement, les couleurs que l'on retrouve dans l'arc-en-ciel ne sont pas nécessairement pures : par exemple une lumière JAUNE peut soit être pure, soit être obtenue par mélange de vert et de rouge.
La photo ci-contre montre à gauche de haut en bas la lumière d'un laser rouge, vert,
puis la superposition des deux, et à droite pour chacun leur décomposition spectrale. On voit que les lasers ROUGE et VERT émettent une couleur pure puisque sa décomposition n'a pas d'effet,
alors que la lumière JAUNE n'est pas pure : on y retrouve les composantes verte et rouge.
Il
existe des appareils appelés spectromètres qui permettent non seulement
de montrer quelles sont les couleurs pures présentes dans une lumière mais aussi d'en déterminer les quantités respectives. On représente ces informations sur une courbe donnant la quantité de
lumière pour chaque composante pure dans l'ordre des couleurs de l'arc-en-ciel, c'est à dire l'ordre des longueurs d'onde
croissante.