Les ultraviolets

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Situées immédiatement après le domaine de la lumière visible (dans le sens des fréquences et énergies croissantes), les ultraviolets se classent arbitrairement en 3 catégories : UV A, UV B et UV C. Les ultraviolets sont invisibles pour l'oeil humain mais certains insectes sont sensibles aux UV A, comme les abeilles par exemple.

La lumière ultraviolette est donc plus énergétique que la lumière visible et, pour cette raison, peut être dangereuse pour les yeux et la peau. L'énergie transportée par les photon UV correspond à l'énergie d'excitation des électrons dans les atomes et molécules, si bien qu'un rayonnement ultraviolet peut exciter les molécules et conduire à des réactions chimiques (c'est la photochimie) voire même les découper (photolyse).

Ainsi, les UV A sont assez énergétiques pour engendrer des réactions chimiques dans notre peau, d'où le bronzage. Mais les UV B et C Radiations ionisantes sont encore plus énergétiques et peuvent altérer certaines molécules situées dans les cellules de notre peau, par exemple notre molécule d'ADN. Cela peut conduire à des anomalies génétiques lors du renouvellement des cellules de la peau et provoquer des dégénérescences (tumeurs, cancers). De plus, les UV peuvent casser des molécules pour former des molécules très réactives (les fameux radicaux libres), lesquels pourraient à leur tour attaquer nos cellules... Voilà pourquoi les ultraviolets sont dangereux, il faut donc s'en protéger lors d'une séance de bronzette, en utilisant par exemple des crèmes qui arrêtent partiellement les UV ou des crèmes qui empêche les radicaux libres de faire des dégâts. C'est la crème qui se fait détruire, pas notre peau !

Pourtant, ce côté destructeur est très utilisé, justement pour détruire certaines molécules ou micro-organismes. Des gaz malodorants ou nocifs peuvent être transformés en gaz sans odeur ou moins dangereux. Les bactéries et les virus peuvent être détruits sous l'action des UV. Les UV sont utilisés chez les coiffeurs, les esthéticiens, etc. pour stériliser leur petit matériel courant (peignes, ciseaux, pinces à épiler). On utilise aussi l'énergie des UV pour déclencher des réactions chimiques : durcissement de résines et de colles dans l'industrie ou chez le dentiste, fixation des encres en imprimeries, fabrication d'ozone à partir du dioxygène...

Si nous ne pouvons pas voir directement les UV avec nos yeux, nous pouvons tout de même les voir indirectement à l'aide d'une feuille sensible aux UV. C'est le but de cette expérience.

1 Précautions

Ce n'est pas parce que nous ne pouvons pas voir les UV que nos yeux sont pour autant insensibles aux UV. Une exposition très prolongée aux UV peut entraîner, à la longue, une opacification de notre cristallin (donc une perte de la vue). Il faut donc les protéger à l'aide de filtres spéciaux anti-UV. Les lunettes de soleil filtrent la lumière visible mais toutes ne filtrent pas tous les UV : vérifiez donc la qualité de vos lunettes ! Évitez de regarder trop longtemps une source ultraviolette. Évitez aussi d'exposer votre peau aux UV B et C Radiations ionisantes.

2 Matériel

  • Feuille de papier calque
  • Feutres fluorescents
  • Lampe de Wood ou tube de "lumière noire" (source ultraviolette)
  • Échantillons transparents de verre, quartz, plastiques en tout genre

3 Protocole expérimental

Les UV d'un tube de lumière noire sont convertis en lumière visible, jaune ou verte par les substances contenues dans les feutres.
Lunettes disposées entre la source UV et la feuille fluorescente : on distingue une ombre ce qui montre que les UV sont absorbés par les verres.
  • Préparation du détecteur à UV : dessinez un grand rectangle au feutre fluorescent sur le papier calque. Passer plusieurs couches. Éclairez la zone sensible avec la source UV. Alors que la source UV semble être de faible intensité et de couleurs violet sombre, la substance fluorescente devient très lumineuse et colorée (dépend du feutre utilisé).
  • Placez entre la source et la feuille sensible divers échantillons de matières transparentes : verre fin, verre épais, plastique de bouteilles d'eau, plexiglass®, polyéthylène, etc. Essayer aussi avec le verre des lunettes de vue et des lunettes de soleil. Essayez aussi avec des filtres colorés. On remarque de nombreux matériaux sont bien transparents à la lumière visible (aspect non coloré) mais forme une ombre sur la feuille sensible aux UV.
  • Placez un fin cristal de quartz entre la source et la feuille sensible. On remarque que le quartz est transparent aux UV, il ne forme pas d'ombre sur la feuille sensible.
  • Mettez une, deux, puis quatre, puis huit épaisseurs de plastique de bouteille d'eau entre la source et la feuille sensible. On remarque que l'absorption des rayons ultraviolets est proportionnelle à l'épaisseur du filtre.
  • Si vous possédez une petite cuve en quartz (matériel de spectroscopie), vérifiez qu'elle n'absorbe pas les UV. Versez-y de l'eau et observez que l'eau arrête partiellement les UV. Essayez avec de l'alcool à 90°, de l'huile, du white spirit, etc. et notez quels sont les liquides qui filtrent les UV. Dans l'alcool, diluez un peu de crème solaire et observez que la crème absorbe les UV d'autant plus qu'elle est concentrée (ou que l'indice de la crème est élevé).

4 Explications

  • La majorité du rayonnement émis par un tube de lumière noire se situe dans l'ultraviolet, que l'on ne voit pas. Seule une petite part de lumière visible (violette) est émise. Lorsqu'on éclaire une substance fluorescente aux UV, celle-ci paraît produire de la lumière. En effet, une substance fluorescente transforme la lumière UV en lumière visible, on peut donc dire que la substance se comporte comme une source de lumière visible. On utilise cette propriété pour observe indirectement les UV. (Pour d'autre expériences avec la fluorescence et la phosphorescence, consulter la Catégorie:Fluorescence et la Catégorie:Phosphorescence.)
  • Certains matériaux, comme les plastiques et le verre, absorbent les ultraviolets. Cela dépend de leur composition chimique, car l'absorption correspond à une excitation des électrons des molécules ou des atomes. Le verre ne laisse passer les UV que partiellement, voilà pourquoi on ne peut pas bien bronzer sous du soleil qui passe à travers des vitres (parebrise, verrière...)
  • Par contre certains matériaux n'absorbent pas (ou peu) les UV et les laissent passer presque entièrement. C'est le cas du quartz et c'est pour cette raison qu'il est utilisé pour fabriquer certaines ampoules à UV et pour les cuves utilisées en spectroscopie UV.
  • Si une substance absorbe la lumière, alors l'absorption totale est proportionnelle à la concentration de cette substance (ou l'épaisseur dans le cas d'un solide) : plus l'épaisseur du filtre est grande et plus la lumière est arrêtée. C'est une loi très générale qui s'applique aussi bien pour les infrarouges que pour la lumière visible et ultraviolette : la loi de Beer-Lambert. Voilà pourquoi il existe des crèmes solaires à différents indices de filtre : pour la même quantité de crème étalée sur la peau, les crèmes à indice élevé contiennent plus de substance filtrante et donc arrêtent mieux les UV.

5 Références