Fluorescence et phosphorescence

Peintures fluorescentes sous lampe UV

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.

Matériel

Expériences simples sur la fluorescence et la photphorescence
  • 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

Observations à la lumière du jour

Fluorescence d'un gilet jaune

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.

Observations avec une lampe UV

Fluorescence d'un gilet jaune sous éclairage UV

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 !

Faites maintenant autant que possible l’obscurité dans la pièce où vous êtes et pointez le faisceau de votre lampe vers différents objets autour de vous. Vous verrez que certaines surfaces réagissent à la lumière UV en devenant très lumineuses et souvent en changeant de couleur par rapport à celle que vous leur connaissez à la lumière du jour. Intéressez-vous en particulier à des objets bien blancs : par exemple dans la photo suivante, la feuille de papier pour imprimante apparaît sous éclairage UV d’une belle lumière bleutée alors que la page de magazine, pourtant blanche aussi, reste très sombre. Vous aurez peut-être envie de jouer avec les changements de couleur des encres fluorescentes pour créer des tableaux qui se transforment selon l'éclairage !

Schwepps lumière jour et UV : fluorescence

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 !

Fluorescence d'un billet de banque

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.

Observations dans le noir

Etoiles phosphorescentes

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.

Phosphorescence (pâte Fimo)

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).

Discussion

Nos observations suggèrent que les objets fluorescents et phosphorescents émettent, dans certaines conditions, une lumière qui leur est propre. Comment est-ce possible ?
On sait qu’un colorant agit en absorbant une partie de la lumière qu'il reçoit et en renvoyant le reste. Ainsi un colorant jaune absorbe les composantes violette et bleue de la lumière et renvoie le reste, ce qu’on voit. Un objet ne peut pas renvoyer plus de lumière que ce qu’il reçoit, sauf s’il est capable d'en « fabriquer » lui-même. Mais la lumière est une énergie, elle ne peut se créer à partir de rien. On peut donc se demander d’où peut venir ce surplus d’énergie que semblent émettre les objets fluorescents et phosphorescents, alors même qu’ils ne disposent pas d’alimentation électrique ou chimique, comme c’est le cas pour une lampe ou une bougie.
La réponse à ces questions tient dans la présence dans nos expériences d’une source d’énergie invisible. Il y a en effet une partie de la lumière du jour que nos yeux ne voient pas (mais que certains animaux voient, des insectes en particulier) et qui pour cette raison est parfois appelée « lumière noire ».  Il s’agit de la lumière UV, c’est-à-dire ultraviolette, qui tire son nom du fait que dans la décomposition de la lumière blanche elle se situe au-delà du violet. Cette composante du spectre de la lumière correspond à des photons (particules qui composent la lumière) plus énergétiques que ceux de toutes les composantes visibles. En effet, dans le spectre lumineux l’énergie d’un photon augmente dans le sens allant du rouge vers le violet. C’est pour cela que les UV peuvent être dangereux, en particulier pour la peau et les yeux.
Le Soleil émet des UV (5 % de son spectre) qui sont en partie absorbés par l’atmosphère, en particulier par la couche d’ozone sans qui la vie sur Terre ne serait pas possible. L’été en mi-journée, quand le Soleil est haut dans le ciel, l’épaisseur d’atmosphère traversée est plus faible donc les UV sont suffisamment intenses pour être dangereux (pour la peau et les yeux) si on s’y expose trop longtemps sans protection.

Effet d'ue crème solaire sur la fluorescence UV

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 !

Fluorescence échanges énergétiques

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.

Azurants optiques : plus blanc que blanc !

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 » !

Dans les sodas de type « tonic », c’est la quinine qui réagit à la lumière UV. Les petites marques qui apparaissent sur les billets de banque sont faites avec des colorants fluorescents difficiles à se procurer, ce qui rend les billets plus difficiles à contrefaire.

Remarque

Vous savez sans doute qu’on ne bronze pas derrière une vitre. En effet le verre absorbe (en partie) les UV. On peut donc aussi essayer de couper la fluorescence en plaçant une vitre entre l’objet et la lampe UV. Cela fonctionne mieux si le verre est plus épais, avec du double vitrage en particulier. Vous pouvez aussi essayer avec des verres de lunettes de Soleil, qui filtrent (plus ou moins bien) une partie des UV, à condition que la géométrie de votre lampe permette de faire passer la totalité de son faisceau à travers un verre.

Et la phosphorescence ?

Les objets phosphorescents ont la particularité d’être encore lumineux quand on les place dans le noir, mais seulement pendant un certain temps. Une fois qu’ils n’émettent plus, il faut les replacer un moment à la lumière pour qu’ils émettent à nouveau. Alors que les objets fluorescents n’agissent que comme des convertisseurs (qui convertissent par exemple la lumière UV en lumière bleue), les objets phosphorescents ont donc en plus la particularité d’agir comme des piles : ils stockent l’énergie de la lumière qu’ils reçoivent pour la réémettre lentement, c’est pourquoi ils continuent à émettre de la lumière quand ils n’en reçoivent pas. Bien sûr ils émettent aussi de la lumière quand ils en reçoivent, mais cela se remarque moins !

Si ces expériences vous ont donné envie d'en savoir un peu plus sur ces phénomènes, nous vous invitons à lire  notre page d’explications sur la fluorescence et la phosphorescence.