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Sciences
Pourquoi l'eau est elle transparente?
Réponse de Didier Perret
Docteur
Section de chimie et biochimie
Université de Genève
Lorsqu’il y a de la lumière, tout ce qui nous entoure nous apparaît soit coloré, soit non coloré (c’est-à-dire noir ou blanc), soit transparent, soit non transparent.
Ces caractéristiques ne peuvent être ressenties que lorsque trois acteurs sont en jeu: l’observateur et ses yeux qui agissent comme un "détecteur", l’objet qui nous apparaît, et la lumière qui atteint cet objet.
Parlons de lumière, d’abord. On appelle "lumière blanche" la lumière du soleil parce qu’elle est composée de toutes les couleurs qui apparaissent dans un arc-en-ciel. En effet, lorsque les rayons du soleil passent au-travers de gouttes de pluie (qui agissent comme un prisme) et que nous observons le résultat de cette interaction entre lumière et gouttes d’eau, on aperçoit en effet une multitude de couleurs, qu’Isaac Newton avait réduites à 7 lors de ses observations en 1660: rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. Le prisme des gouttes d’eau "décompose" la somme de toutes les couleurs véhiculées par la lumière blanche du soleil en des couleurs individuelles.
Chaque "couleur" générée par la lumière du soleil est associée à une longueur d’onde (car la lumière est véhiculée sous forme d’ondes – sinusoïdales –): les ondes correspondant à la couleur rouge sont très longues, tandis que les ondes correspondant à la couleur violette sont très courtes (Tout est relatif: le rouge correspond à une longueur d’onde proche de 800 nanomètres environ, tandis que le violet correspond à une longueur d’onde proche de 350 nanomètres environ).
De plus, à chaque "couleur" correspond une énergie particulière: les ondes correspondant à la couleur rouge sont très peu énergétiques, tandis qu’à l’opposé de l’arc-en-ciel les ondes correspondant à la couleur violette sont très énergétiques.
Pour résumer, les ondes longues (p.ex. rouge) sont peu énergétiques, tandis que les ondes courtes (p.ex. violet) sont très énergétiques.
Parlons d’objets éclairés ensuite. Un objet est un matériau composé de molécules. Ces molécules peuvent interagir avec les rayons du soleil (ou toute autre source lumineuse) d’une manière bien particulière: Lorsqu’une onde d’une certaine énergie (donc couleur ou longueur d’onde) atteint un objet, les molécules qui constituent cet objet peuvent s’exciter! Ceci signifie que les électrons qui forment les liaisons entre atomes dans la molécule peuvent passer de leur état d’équilibre stable à un état plus énergétique, de la même manière qu’un individu passe de son état d’équilibre stable à un état plus énergétique (il sue…) lorsqu’on l’énerve (on lui "fournit de l’énergie").
Cette caractéristique à absorber de l’énergie (à absorber les rayons lumineux) est propre à chaque molécule: certaines molécules "s’énervent" (s’excitent) lorsque de la lumière rouge les atteint, tandis que d’autres ne s’excitent que lorsque de la lumière violette plus énergétique les atteint.
Parlons de l’observateur, enfin. Lorsqu’un observateur voit un objet bleu, cet objet N’EST PAS bleu! Il n’APPARAÎT bleu QUE parce que la lumière de couleur complémentaire au bleu a été absorbée par les molécules qui constituent l’objet. La couleur complémentaire du bleu est grosso modo le rouge ; un objet "bleu" absorbe donc la lumière rouge. Les autres couleurs de la lumière qui atteint l’objet sont aussi absorbées (à l’exception du bleu, bien sûr), mais en proportions plus faibles que la couleur complémentaire du bleu. Notre œil voit donc l’objet comme étant bleu, car seule la couleur bleue n’a pas du tout interagi avec l’objet.
Inversement, un objet qui nous apparaît comme rouge n’est pas rouge, mais il absorbe principalement la couleur complémentaire du rouge, qui est grosso modo le bleu (les autres couleurs, à l’exception du rouge bien sûr, sont aussi absorbées, mais en moindres proportions).
L’eau, ainsi que de nombreux liquides ou certains matériaux comme le verre, apparaît comme transparente ET incolore, car la lumière du soleil qui l’atteint n’interagit pas du tout avec les molécules qui constituent l’eau (ou le verre, ou d’autres liquides). Comme la lumière n’interagit pas du tout, elle ne peut que traverser l’eau et en ressortir de manière totalement inchangée (c’est-à-dire sous forme de lumière blanche). Aucune des couleurs qui constituent les rayons du soleil n’est absorbée par les molécules d’eau, qui ne sont donc pas du tout excitées, et qui ne peuvent donc pas apparaître à nos yeux avec une quelconque "couleur complémentaire"!
On pourrait se demander pourquoi la lumière passe au travers de l’eau, plutôt que d’être simplement réfléchie par l’eau (comme lorsque la lumière atteint un objet opaque et coloré: on voit l’objet d’une couleur donnée, mais la lumière ne passe pas au travers de l’objet). C’est simplement parce que l’indice de réfraction de l’eau est très faible: l’eau, en tant que matière (et non à l’échelle de chaque molécule individuelle), n’a pas la capacité à retourner "vers l’expéditeur" les rayons lumineux qui l’atteignent. En conséquence, ces rayons lumineux traversent l’eau, et rendent celle-ci transparente.
En fait, en réalité, le processus est bien plus compliqué que cela, car les molécules d’eau peuvent absorber certains rayons lumineux. Mais ceci ne nous apparaît pas car la "couleur" associée à ces rayons n’est pas dans la gamme des couleurs que nos yeux peuvent percevoir (les couleurs qui constituent l’arc-en-ciel sont accessibles à notre œil, mais pas les couleurs associées à des ondes lumineuses plus énergétiques que le violet ou moins énergétiques que le rouge).
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