Pourquoi le verre est-il transparent ?
― Fait de sable, il laisse pourtant passer la lumière
Le verre est fait presque uniquement de sable. Pourtant, le sable est opaque, alors qu'on voit parfaitement à travers une vitre. La réponse tient en deux idées : la lumière est trop faible pour intéresser le verre, et le verre ne contient aucune frontière qui la renvoie. Quand ces deux conditions sont réunies, un objet est transparent.
Un jour de pluie, un enfant colle son visage à la fenêtre et regarde dehors. Puis il se retourne et demande : « Dis, pourquoi on voit à travers le verre ? Le mur, lui, on ne voit pas à travers. »
Vous allez répondre « parce que c'est du verre », puis vous restez court. On vous a dit que le verre se fabrique en fondant du sable. Or le sable d'une plage n'a rien de transparent.
Même matière, mais l'un laisse voir et l'autre non. En cherchant d'où vient cette différence, on découvre ce que « transparent » veut vraiment dire.
Deux raisons seulement
Un objet n'absorbe la lumière que si elle peut donner une impulsion aux électrons qu'il contient. Pour agiter ceux du verre, il faut beaucoup d'énergie, et la lumière visible n'en a pas assez. Elle traverse donc sans rien provoquer.
Chaque fois que la lumière rencontre la frontière entre deux matières, elle est un peu déviée ou renvoyée. Le verre est uniforme à l'intérieur : il n'a pas de petites frontières. La lumière file donc tout droit de l'autre côté.
Une seule de ces deux conditions ne suffit pas. Sans absorption mais avec beaucoup de frontières, le matériau devient blanc et laiteux. Sans frontières mais avec absorption, il devient coloré et sombre. Voyons cela pas à pas.
Pour le verre, la lumière visible est « trop légère »
On peut se représenter la lumière comme une pluie de petits grains d'énergie. L'énergie d'un grain dépend de la couleur. Un grain de lumière rouge porte peu d'énergie, un grain de lumière violette en porte davantage.
Dans la matière, des électrons sont liés aux atomes. Un électron n'accepte un grain de lumière que s'il reçoit assez d'énergie pour gravir d'un coup une « marche » de hauteur fixe. Un grain qui n'atteint pas la marche est refusé. Il n'y a pas de « presque ».
Regardez la figure 1. La hauteur verticale correspond à l'énergie d'un grain de lumière. La marche que doivent gravir les électrons du constituant principal du verre (la silice, ou dioxyde de silicium) vaut environ 9. La lumière visible, même le violet le plus intense, ne dépasse guère 3. Elle n'atteint même pas le tiers de la marche : le verre l'ignore. Il ne reste à la lumière qu'à traverser.
Si vous poussez le curseur tout à gauche, vous entrez dans l'ultraviolet. Ses grains sont plus énergiques, et certains constituants du verre de vitre commencent à les absorber. On dit que le verre de vitre arrête une bonne part des ultraviolets de courte longueur d'onde (les plus énergiques), ceux qui font bronzer. Mais il laisse passer beaucoup d'ultraviolets de grande longueur d'onde : on peut donc attraper un coup de soleil près d'une fenêtre.
À l'inverse, le verre coloré contient volontairement un peu de métal ou d'autres ajouts, qui fournissent des électrons à marche plus basse. Ces électrons absorbent seulement certaines couleurs ; les couleurs restantes donnent sa teinte au verre.
Le même verre, réduit en poudre, devient blanc
Si l'on s'en tenait aux électrons, le sable, qui est aussi de la silice, devrait être transparent comme le verre. Or le sable de plage ne l'est pas. C'est là qu'intervient la seconde raison : les « frontières ».
Chaque fois que la lumière passe de l'air au verre, puis du verre à l'air, une petite part est renvoyée et sa direction change un peu. Pour une vitre, il n'y a que deux frontières : la face avant et la face arrière. La part renvoyée est de moins d'un dixième au total ; le reste file tout droit.
Dans un tas de sable ou du verre pilé, en revanche, la lumière heurte de minuscules grains, des centaines ou des milliers de fois. Elle est déviée et renvoyée à chaque fois. Elle finit dispersée dans toutes les directions, y compris vers le côté d'où elle vient. Comme toutes les couleurs se dispersent de la même façon, l'ensemble paraît blanc (figure 2).
On en voit partout des exemples. Une glace transparente, une fois râpée, donne une neige blanche. Le cristal de roche transparent et le sable blanchâtre sont faits de la même silice. Si la pierre et le bois ne laissent pas voir à travers, c'est qu'ils contiennent d'innombrables frontières : de petits cristaux ou des interstices entre cellules.
Le verre s'obtient en refroidissant une matière fondue avant qu'elle ait le temps de cristalliser. Il n'y a donc pas de frontières entre grains, et l'intérieur est identique partout où l'on coupe. Cette structure « uniforme jusqu'au bout » soutient la transparence.
Dans un métal, de nombreux électrons circulent librement, sans être liés à un atome. Ils n'ont presque aucune « marche » à gravir : ils réagissent aussitôt à toutes les couleurs et renvoient la lumière. C'est pourquoi un métal brille et ne laisse pas voir au travers. C'est exactement le contraire du verre.
Le verre dépoli ne laisse pas voir à travers parce que les minuscules aspérités de sa surface font office de « frontières » et dispersent la lumière. Si on y passe de l'eau, elle comble les creux. L'eau et le verre dévient la lumière à peu près de la même façon : les frontières deviennent discrètes et l'on voit bien mieux à travers.
En résumé
Le verre est transparent pour deux raisons réunies : la lumière visible est trop faible pour agiter ses électrons, donc il ne l'absorbe pas ; et il ne contient aucune frontière qui renvoie la lumière. Avec le même matériau, si on le réduit en poudre et qu'on multiplie les frontières, il devient blanc.
Être transparent, c'est que la lumière soit « ignorée »,
et en plus « jamais gênée ».
Le mécanisme de la lumière dispersée par des frontières, qui donne une apparence blanche, est détaillé dans Pourquoi la glace est-elle transparente, alors que la neige paraît blanche ? Pour savoir si le verre est un solide ou un liquide, lisez Le verre est-il un solide ou un liquide ? Quant aux ultraviolets derrière une vitre, voyez aussi Pourquoi attrape-t-on des coups de soleil même par temps nuageux ?
- Placez côte à côte un sucre candi et du sucre glace. C'est le même sucre, mais les gros cristaux du candi laissent passer la lumière, alors que la poudre fine du sucre glace est toute blanche. Plus les grains sont fins, plus il y a de frontières.
- Si vous avez un verre dépoli, mouillez-en une partie du bout du doigt. Seule la zone humide laisse deviner l'autre côté. Un morceau de ruban adhésif transparent collé dessus a le même effet.
- Déposez une goutte d'huile de salade sur un mouchoir ou une feuille de papier blancs. La tache devient translucide : l'huile comble les interstices (les frontières) entre les fibres, et la lumière se disperse moins.
Ne cassez pas et ne broyez pas de verre pour vérifier : c'est dangereux. Le sucre et le papier montrent le même mécanisme.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeAu programme de sciences du collège
- LycéeAu programme de physique-chimie du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours universitaire, hors programme du lycée (physique du solide, optique)
- RechercheSujets encore étudiés par les chercheurs, pas enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Réfraction et réflexion de la lumière : quand la lumière arrive à la frontière entre deux milieux différents, sa direction change ou elle est renvoyée. C'est une propriété de base de la lumière, vue au collège.
- Photon : nom du « grain d'énergie » quand on voit la lumière ainsi. L'énergie d'un photon dépend de la couleur (la longueur d'onde).
- Solide amorphe : solide dont les atomes se sont figés en désordre, sans former de cristal régulier. Le verre en est l'exemple type, et il n'a pas de frontières entre grains.
CollègeLycéeVérifier par la formule : la lumière visible est une fraction de la marche du verre
On calcule l'énergie d'un grain de lumière à partir de sa longueur d'onde, puis on la compare à la marche des électrons du verre (environ 9 électronvolts). L'électronvolt est l'énergie gagnée par un électron sous une tension de 1 volt : c'est une « règle » adaptée au monde des atomes.
| En symboles | E ＝ h × c ÷ λ |
| En mots | énergie d'un grain de lumière ＝ constante de Planck × vitesse de la lumière ÷ longueur d'onde |
| D'où vient-elle ? | L'énergie d'un grain de lumière est proportionnelle à sa fréquence (hypothèse des quanta de lumière d'Einstein). La fréquence vaut « vitesse de la lumière ÷ longueur d'onde » : plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie est grande. |
| E | énergie d'un grain de lumière (en électronvolts) |
| h | constante de Planck (un nombre fixé par la nature) |
| c | vitesse de la lumière (environ 300 000 km/s) |
| λ | longueur d'onde de la lumière (en nanomètres ; 1 nanomètre vaut un millionième de millimètre) |
| Produit h × c (en électronvolts et nanomètres) | environ 1240 |
| Longueur d'onde de la lumière verte | 550 nanomètres |
| Plus courte longueur d'onde visible (violet) | environ 400 nanomètres |
| Marche des électrons du verre de silice | environ 9 électronvolts |
| Seuil où le verre de vitre commence à absorber | environ 4 électronvolts |
| Énergie d'un grain de lumière verte | 1240 ÷ 550 ≒ 2.25 électronvolts |
| Énergie d'un grain de lumière violette | 1240 ÷ 400 ＝ 3.1 électronvolts |
| Combien de fois la marche dépasse le violet le plus intense | 9 ÷ 3.1 ≒ 2.9 fois |
| Longueur d'onde où le verre de vitre commence à absorber (formule à l'envers) | 1240 ÷ 4 ＝ 310 nanomètres |
Même le violet le plus intense n'atteint qu'environ un tiers de la marche. Le verre de vitre commence à absorber vers 310 nanomètres, dans l'ultraviolet invisible. Toute la lumière visible traverse donc, et le verre paraît transparent.
LycéeLycée+Réflexion de surface et indice de réfraction
LycéeLe nombre qui mesure à quel point un milieu dévie la lumière est l'indice de réfraction : environ 1 pour l'air, environ 1.5 pour le verre de vitre. Plus l'écart d'indice est grand de part et d'autre d'une frontière, plus la réflexion est forte. En incidence normale, une surface de verre réfléchit environ 4 %, soit moins d'un dixième avec les deux faces.
Lycée+Si le verre dépoli devient transparent une fois mouillé d'eau (indice d'environ 1.33), c'est que l'écart d'indice de part et d'autre de la frontière tombe de « 0.5 » à environ « 0.17 ». Cette idée de supprimer l'écart pour rendre transparent s'appelle l'appariement d'indice de réfraction. On l'utilise aussi pour rendre transparents des organismes vivants et les observer au microscope.
Univ.Théorie des bandes et limite des fibres optiques
En physique du solide, on appelle bandes d'énergie les plages d'énergie que peuvent prendre les électrons, et bande interdite (gap) la « marche » où ils ne peuvent pas se trouver. Si l'énergie du photon est inférieure à la bande interdite, il ne peut pas hisser un électron dans la bande supérieure, et la lumière n'est pas absorbée. C'est le principe de base d'un isolant transparent. Un métal n'a pas de bande interdite : ses électrons libres réfléchissent la lumière.
Aucune matière n'est pourtant parfaitement uniforme. En se figeant, le verre garde de très légères irrégularités de densité. La diffusion de la lumière par ces irrégularités s'appelle la diffusion Rayleigh. Dans les fibres optiques de télécommunication, elle est la principale source de pertes : même à la longueur d'onde la plus favorable, la lumière s'affaiblit d'environ 0.2 décibel par kilomètre (environ 5 %).
📖 Démonstrations et approfondissements : Bande interdite (Wikipédia, en japonais) ／ Photon (Wikipédia, en japonais)
RechercheCe qu'on ne comprend pas encore bien
- Pourquoi le verre peut-il se figer sans cristalliser ? La « transition vitreuse », où un liquide qui refroidit ralentit brusquement, reste l'un des grands problèmes débattus en physique.
- Jusqu'où peut-on rendre une fibre optique transparente ? On étudie des matériaux à densité plus uniforme et des fibres à cœur creux, pour franchir la limite de la diffusion Rayleigh.
- Rendre transparent ce qui ne l'est pas. On a mis au point un « bois transparent », dont on retire les composés colorés et dont on comble les vides avec de la résine, ainsi que des céramiques transparentes sans frontières entre grains. Leur utilité pratique reste à établir.
Cet article ne présente donc que l'état actuel des connaissances. On comprend l'essentiel de la transparence, mais on cherche encore comment la pousser à l'extrême.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 1re année : « réflexion et réfraction de la lumière » | La lumière est déviée et renvoyée aux frontières (figure 2) |
| Lycée | Physique : « indice de réfraction », « énergie du photon » | Vérifier par la formule, réflexion de surface |
| Lycée+ | Approfondissement physique-chimie : « solide amorphe », « appariement d'indice » | Verre dépoli et eau, fabrication du verre |
| Univ. | Physique du solide : « théorie des bandes » ; optique : « diffusion Rayleigh » | La marche (bande interdite), les fibres optiques |
| Recherche | Transition vitreuse, nouveaux matériaux transparents | Section recherche |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Coups de soleil près d'une fenêtre, verre dépoli, verre coloré |
- Wikipédia (japonais), « バンドギャップ » (bande interdite)
- Wikipédia (japonais), « 光子 » (photon)
- Sakka Sumio (作花済夫), « ガラス科学の基礎と応用 » (Fondements et applications de la science du verre), Uchida Rokakuho (内田老鶴圃)
- Manuels de physique du lycée (chapitres sur la réfraction de la lumière et l'énergie du photon)
- C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, Wiley (manuel de référence sur la théorie des bandes)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur, destinés à comprendre le mécanisme. L'absorption et la réflexion du verre varient selon son type et son épaisseur. Ne cassez pas et ne broyez pas de verre pour expérimenter : vous risqueriez de vous blesser.