2.1 : Les propriétés de la lumière

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Objectifs d'apprentissage

Identifier et définir les caractéristiques du rayonnement électromagnétique (EMR) utilisé en microscopie
Expliquer comment les lentilles sont utilisées en microscopie pour manipuler la lumière visible et ultraviolette (UV)

Orientation clinique : Partie I

Cindy, une conseillère de 17 ans participant à un camp de sports d'été, s'est grattée le genou en jouant au basket il y a deux semaines. À l'époque, elle pensait que ce n'était qu'une légère abrasion qui guérirait, comme beaucoup d'autres avant elle. Au lieu de cela, la blessure a commencé à ressembler à une piqûre d'insecte et a continué à devenir de plus en plus douloureuse et enflée.

L'infirmière du camp examine la lésion et observe une grande quantité de pus suintant de la surface. Craignant que Cindy n'ait développé une infection potentiellement agressive, elle prélève un échantillon sur la plaie pour prélever un échantillon sur le site de l'infection. Ensuite, elle nettoie le pus et guérit la plaie, demandant à Cindy de garder la zone propre et de revenir le lendemain. Lorsque Cindy part, l'infirmière envoie l'échantillon au laboratoire médical le plus proche pour qu'il soit analysé au microscope.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Que pouvons-nous apprendre sur ces bactéries en les observant au microscope ?

La lumière visible est constituée d'ondes électromagnétiques qui se comportent comme les autres ondes. Ainsi, bon nombre des propriétés de la lumière pertinentes pour la microscopie peuvent être comprises en termes de comportement de la lumière sous forme d'onde. Une propriété importante des ondes lumineuses est la longueur d'onde, ou la distance entre un pic d'une onde et le pic suivant. La hauteur de chaque pic (ou profondeur de chaque creux) est appelée amplitude. En revanche, la fréquence de l'onde est le taux de vibration de l'onde, ou le nombre de longueurs d'onde au cours d'une période donnée (Figure\(\PageIndex{1}\)).

La figure a montre une ligne ondulée avec des vagues qui se répètent uniformément vers le haut et vers le bas. Une ligne droite passant par le centre de la ligne ondulée indique la base des vagues. La distance entre le pic d'une onde et l'autre est la longueur d'onde. La distance entre la ligne de base et le pic d'une vague ou la distance entre la ligne de base et le creux d'une vague est appelée amplitude. La figure b montre trois vagues avec l'unité de temps étiquetée en bas. La ligne supérieure présente des vagues largement dispersées. Les ondes de grande longueur d'onde ont une fréquence basse. En fin de compte, les vagues sont proches les unes des autres. Les ondes à longueur d'onde étroite ont une fréquence élevée. La ligne médiane a une longueur d'onde moyenne et donc une fréquence moyenne. — Figure\(\PageIndex{1}\) : (a) L'amplitude est la hauteur d'une onde, tandis que la longueur d'onde est la distance entre un pic et le suivant. (b) Ces ondes ont des fréquences ou des taux de vibration différents. L'onde au sommet a la fréquence la plus basse, car elle a le moins de pics par unité de temps. L'onde en bas a la fréquence la plus élevée.

Interactions de la lumière

Les ondes lumineuses interagissent avec les matériaux en étant réfléchies, absorbées ou transmises. La réflexion se produit lorsqu'une onde rebondit sur un matériau. Par exemple, un morceau de tissu rouge peut réfléchir la lumière rouge vers nos yeux tout en absorbant d'autres couleurs de lumière. L'absorption se produit lorsqu'un matériau capte l'énergie d'une onde lumineuse. Dans le cas des plastiques qui brillent dans le noir, l'énergie de la lumière peut être absorbée puis réémise ultérieurement sous forme d'une autre forme de phosphorescence. La transmission se produit lorsqu'une onde traverse un matériau, comme la lumière à travers le verre (le processus de transmission est appelé transmittance). Lorsqu'un matériau permet de transmettre une grande partie de la lumière, il peut le faire parce qu'il est plus fin ou plus transparent (plus transparent et moins d'opacité). La figure\(\PageIndex{2}\) illustre la différence entre transparence et opacité.

La figure a montre le bout des mains gantées d'une personne tenant une assiette transparente avec un couvercle. La plaque contient une matière rougeâtre au fond de la plaque. La figure b montre un morceau de métal entre les mains d'une personne. Le matériau est foncé avec quelques zones brillantes. — Figure\(\PageIndex{2}\) : (a) Une boîte de Pétri est fabriquée en plastique transparent ou en verre, ce qui permet de transmettre une grande proportion de lumière. Cette transparence nous permet de voir à travers les côtés du plat pour voir le contenu. (b) Cette tranche de météorite de fer est opaque (c'est-à-dire qu'elle est opacique). La lumière n'étant pas transmise à travers le matériau, il est impossible de voir la partie de la main couverte par l'objet. (crédit a : modification de l'œuvre par Umberto Salvagnin ; crédit b : modification de l'œuvre par « Waifer X » /Flickr)

Les ondes lumineuses peuvent également interagir les unes avec les autres par interférence, créant ainsi des motifs de mouvement complexes. Le fait de laisser tomber deux cailloux dans une flaque d'eau provoque une interaction entre les vagues à la surface de la flaque, créant ainsi des motifs d'interférence complexes. Les ondes lumineuses peuvent interagir de la même manière.

En plus d'interférer les unes avec les autres, les ondes lumineuses peuvent également interagir avec de petits objets ou des ouvertures en se pliant ou en se dispersant. C'est ce qu'on appelle la diffraction. La diffraction est plus grande lorsque l'objet est plus petit par rapport à la longueur d'onde de la lumière (la distance entre deux pics consécutifs d'une onde lumineuse). Souvent, lorsque les ondes se diffractent dans différentes directions autour d'un obstacle ou d'une ouverture, elles interfèrent les unes avec les autres.

Exercice\(\PageIndex{2}\)

Si une onde lumineuse a une longue longueur d'onde, est-elle susceptible d'avoir une fréquence basse ou haute ?
Si un objet est transparent, réfléchit-il, absorbe-t-il ou transmet-il la lumière ?

Lentilles et réfraction

Dans le contexte de la microscopie, la réfraction est peut-être le comportement le plus important des ondes lumineuses. La réfraction se produit lorsque les ondes lumineuses changent de direction lorsqu'elles pénètrent dans un nouveau milieu (Figure\(\PageIndex{3}\)). Différents matériaux transparents transmettent la lumière à différentes vitesses ; ainsi, la lumière peut changer de vitesse lorsqu'elle passe d'un matériau à l'autre. Ce changement de vitesse entraîne généralement également un changement de direction (réfraction), le degré de changement dépendant de l'angle de la lumière entrante.

La figure a montre un faisceau lumineux dirigé vers un morceau de verre. Lorsque le faisceau lumineux atteint le matériau en verre transparent, il se plie d'environ 45°. Ce rayon lumineux courbé est le rayon réfracté. Le matériau opaque sur lequel repose le verre ne laisse passer aucune lumière. Le diagramme b montre une flèche désignée rayon incident pointant à un angle de 45° vers le bas en direction d'une région ombrée. Au point où le rayon incident atteint la zone ombrée, deux autres flèches commencent. L'une de ces flèches pointe à un angle de 90° par rapport au rayon incident (et s'éloigne de la zone ombrée) et représente le rayon réfléchi. La deuxième flèche continue à travers la zone ombrée mais à un angle légèrement incurvé par rapport au rayon incident. Cette deuxième flèche est le rayon réfléchi. — Figure\(\PageIndex{3}\) : (a) La réfraction se produit lorsque la lumière passe d'un milieu, tel que l'air, à un autre, tel que le verre, modifiant ainsi la direction des rayons lumineux. (b) Comme le montre ce diagramme, les rayons lumineux passant d'un milieu à un autre peuvent être soit réfractés, soit réfléchis. (crédit a : modification de l'œuvre par « ajizai » /Wikimedia Commons).

La mesure dans laquelle un matériau ralentit la vitesse de transmission par rapport à l'espace vide est appelée indice de réfraction de ce matériau. De grandes différences entre les indices de réfraction de deux matériaux se traduiront par une grande quantité de réfraction lorsque la lumière passe d'un matériau à l'autre. Par exemple, la lumière se déplace beaucoup plus lentement dans l'eau que dans l'air, de sorte que la lumière qui entre dans l'eau depuis l'air peut changer de direction considérablement. Nous disons que l'eau a un indice de réfraction plus élevé que l'air (Figure\(\PageIndex{4}\)).

Une photo montre un poteau placé dans l'eau. Le mât semble fléchir là où il touche l'eau. — Figure\(\PageIndex{4}\) : Ce mât droit semble se plier en biais lorsqu'il entre dans l'eau. Cette illusion d'optique est due à la grande différence entre les indices de réfraction de l'air et de l'eau.

Lorsque la lumière traverse une limite pour pénétrer dans un matériau ayant un indice de réfraction plus élevé, sa direction devient plus proche de la perpendiculaire à la limite (c'est-à-dire plus proche d'une normale par rapport à cette limite ; Figure\(\PageIndex{5}\)). C'est le principe qui sous-tend les verres. Nous pouvons considérer un objectif comme un objet avec une limite incurvée (ou un ensemble de prismes) qui capte toute la lumière qui la frappe et la réfracte de sorte qu'elle se rencontre en un seul point appelé point image (point focal). Une lentille convexe peut être utilisée pour agrandir, car elle peut effectuer la mise au point à une distance plus proche que celle de l'œil humain, produisant ainsi une image plus grande. Des lentilles et des miroirs concaves peuvent également être utilisés dans les microscopes pour rediriger le trajet de la lumière. La figure\(\PageIndex{5}\) montre le point focal (le point de l'image lorsque la lumière entre dans l'objectif est parallèle) et la distance focale (la distance jusqu'au point focal) pour les lentilles convexes et concaves.

Le schéma a (prisme) montre une pyramide claire dans laquelle la lumière pénètre sur une surface. La lumière quittant l'autre surface est courbée et constitue la lumière réfractée. Une ligne pointillée indique la trajectoire que le faisceau lumineux d'origine aurait emprunté s'il n'avait pas été courbé. La région au-dessus de la ligne pointillée est marquée à indice de réfraction élevé ; la région située en dessous de la ligne est marquée à faible indice de réfraction. Le schéma b (lentille convexe) montre une lentille avec un renflement au centre. La lumière pénètre d'un côté ou de l'autre du dôme et est focalisée sur un point situé au-delà de la lentille et aligné avec le centre du dôme. Le point de focalisation de la lumière est le point focal ; la distance entre le point focal et le centre de l'objectif est la distance focale. Le diagramme c (lentille concave) montre une lentille qui se courbe vers l'intérieur de chaque côté. La lumière qui entre dans cette lentille est courbée vers l'extérieur, loin du centre de la courbe de l'objectif. Une ligne pointillée indique le trajet linéaire vers l'arrière pour chacun des faisceaux lumineux incurvés. Le point de rencontre de toutes les lignes pointillées (qui se trouve de l'autre côté de l'objectif) est le point focal. — Figure\(\PageIndex{5}\) : (a) Une lentille est comme un ensemble de prismes, comme celui illustré ici. (b) Lorsque la lumière traverse une lentille convexe, elle est réfractée vers un point focal situé de l'autre côté de la lentille. La distance focale est la distance jusqu'au point focal. (c) La lumière traversant une lentille concave est réfractée loin d'un point focal situé devant la lentille.

L'œil humain contient une lentille qui nous permet de voir des images. Cette lentille concentre la lumière réfléchie par les objets situés devant l'œil sur la surface de la rétine, qui ressemble à un écran à l'arrière de l'œil. Les lentilles artificielles placées devant l'œil (lentilles de contact, lunettes ou lentilles microscopiques) focalisent la lumière avant qu'elle ne soit focalisée (à nouveau) par le cristallin, manipulant ainsi l'image qui se retrouve sur la rétine (par exemple, en la faisant paraître plus grande).

Les images sont généralement manipulées en contrôlant les distances entre l'objet, l'objectif et l'écran, ainsi que la courbure de l'objectif. Par exemple, pour une courbure donnée, lorsqu'un objet est plus proche de l'objectif, les points focaux sont plus éloignés de l'objectif. Par conséquent, il est souvent nécessaire de manipuler ces distances pour créer une image focalisée sur un écran. De même, une courbure plus importante crée des points d'image plus proches de l'objectif et une image plus grande lorsque l'image est nette. Cette propriété est souvent décrite en termes de distance focale ou de distance par rapport au point focal.

Exercice\(\PageIndex{3}\)

Expliquez comment un objectif concentre la lumière sur le point de l'image.
Nommez certains facteurs qui influent sur la distance focale d'un objectif.

Spectre électromagnétique et couleur

La lumière visible n'est qu'une forme de rayonnement électromagnétique (EMR), un type d'énergie qui nous entoure. Les autres formes d'EMR incluent les micro-ondes, les rayons X et les ondes radio, entre autres. Les différents types d'EMR appartiennent au spectre électromagnétique, qui est défini en termes de longueur d'onde et de fréquence. Le spectre de la lumière visible occupe une gamme de fréquences relativement restreinte entre la lumière infrarouge et la lumière ultraviolette (Figure\(\PageIndex{6}\)).

Une série d'échelles indique que l'image montre la longueur d'onde la plus basse (10 exposants -18 m) à gauche et la longueur d'onde la plus élevée (10 exposants à 6 m) à droite. Les fréquences vont de plus de 10 Hz en exposant (24 Hz à gauche) à 1 Hz (à droite). Les énergies vont de 10 exposant 12 ev à gauche à 10 exposant -12 à droite. Les types de rayonnement énumérés au-dessus de ces échelles (de gauche à droite) sont les suivants : rayonnement cosmique, rayons gamma, rayons X, ultraviolets, visibles, infrarouges, rayonnements térahertz, radars, télédiffusion et radions, et circuits à courant alternatif. La partie visible du spectre est extraite et montre de la lumière bleue à 400 nm, de la lumière verte à 500 nm, de la lumière jaune à 600 nm et de la lumière rouge à 700 nm. — Figure\(\PageIndex{6}\) : Le spectre électromagnétique va des rayons gamma de haute fréquence aux ondes radio de basse fréquence. La lumière visible est la gamme relativement restreinte de fréquences électromagnétiques qui peuvent être détectées par l'œil humain. Sur le spectre électromagnétique, la lumière visible se situe entre la lumière ultraviolette et la lumière infrarouge. (source : modification de l'œuvre de Johannes Ahlmann).

Alors que la longueur d'onde représente la distance entre les pics adjacents d'une onde lumineuse, la fréquence, dans une définition simplifiée, représente le taux d'oscillation. Les ondes de fréquences plus élevées ont des longueurs d'onde plus courtes et, par conséquent, ont plus d'oscillations par unité de temps que les ondes de basse fréquence. Les ondes de haute fréquence contiennent également plus d'énergie que les ondes de basse fréquence. Cette énergie est délivrée sous forme de particules élémentaires appelées photons. Les ondes de haute fréquence produisent plus de photons énergétiques que les ondes de basse fréquence.

Les photons d'énergies différentes interagissent différemment avec la rétine. Dans le spectre de la lumière visible, chaque couleur correspond à une fréquence et à une longueur d'onde particulières (Figure\(\PageIndex{6}\)). La fréquence la plus basse de la lumière visible apparaît sous forme de couleur rouge, tandis que la plus haute apparaît sous forme de couleur violette. Lorsque la rétine reçoit de la lumière visible de nombreuses fréquences différentes, nous la percevons comme de la lumière blanche. Cependant, la lumière blanche peut être séparée en ses couleurs composantes par réfraction. Si nous faisons passer de la lumière blanche à travers un prisme, différentes couleurs seront réfractées dans différentes directions, créant ainsi un spectre semblable à un arc-en-ciel sur un écran situé derrière le prisme. Cette séparation des couleurs est appelée dispersion, et elle se produit parce que, pour un matériau donné, l'indice de réfraction est différent pour différentes fréquences de lumière.

Certains matériaux peuvent réfracter des formes non visibles d'EMR et, en fait, les transformer en lumière visible. Certains colorants fluorescents, par exemple, absorbent la lumière ultraviolette ou bleue et utilisent ensuite cette énergie pour émettre des photons d'une couleur différente, émettant de la lumière au lieu de simplement vibrer. Cela se produit parce que l'absorption d'énergie amène les électrons à passer à des états d'énergie plus élevés, après quoi ils retombent presque immédiatement à leur état fondamental, émettant des quantités spécifiques d'énergie sous forme de photons. Toute l'énergie n'est pas émise dans un photon donné, de sorte que les photons émis seront d'une énergie plus faible et donc d'une fréquence plus basse que les photons absorbés. Ainsi, un colorant tel que le rouge texan peut être excité par la lumière bleue, mais émettre de la lumière rouge ; ou un colorant tel que l'isothiocyanate de fluorescéine (FITC) peut absorber (invisible) la lumière ultraviolette à haute énergie et émettre de la lumière verte (Figure\(\PageIndex{7}\)). Dans certains matériaux, les photons peuvent être émis après un certain délai après l'absorption ; dans ce cas, le processus est appelé phosphorescence. Le plastique phosphorescent fonctionne à l'aide d'un matériau phosphorescent.

Une image montre une grande cellule au premier plan et d'autres cellules plus loin en arrière-plan. Chaque cellule a une forme irrégulière avec un grand cercle bleu au centre. Des lignes vertes entourent le cercle bleu et s'étendent vers les bords de la cellule. Le reste de la cellule est rouge avec un bord rouge vif. L'arrière-plan de l'image est noir. — Figure\(\PageIndex{7}\) : Les colorants fluorescents absorbés par ces cellules endothéliales de l'artère pulmonaire bovine émettent des couleurs vives lorsqu'ils sont excités par la lumière ultraviolette au microscope à fluorescence. Différentes structures cellulaires absorbent différents colorants. Les noyaux sont colorés en bleu avec du 4',6-diamidino-2-phénylindole (DAPI) ; les microtubles sont marqués en vert par un anticorps lié au FITC ; et les filaments d'actine sont marqués en rouge avec de la phalloïdine liée à la tétraméthylrhodamine (TRITC).

Exercice\(\PageIndex{4}\)

Lequel a une fréquence plus élevée : feu rouge ou feu vert ?
Expliquez pourquoi la dispersion se produit lorsque la lumière blanche traverse un prisme.
Pourquoi les colorants fluorescents émettent-ils une couleur de lumière différente de celle qu'ils absorbent ?

Agrandissement, résolution et contraste

Les microscopes agrandissent les images et utilisent les propriétés de la lumière pour créer des images utiles de petits objets. Le grossissement est défini comme la capacité d'un objectif à agrandir l'image d'un objet par rapport à l'objet réel. Par exemple, un grossissement de 10 signifie que l'image apparaît 10 fois la taille de l'objet vue à l'œil nu.

Un grossissement plus important améliore généralement notre capacité à voir les détails des petits objets, mais le grossissement à lui seul ne suffit pas à créer les images les plus utiles. Il est souvent utile d'améliorer la résolution des objets : la capacité de savoir si deux points ou objets distincts sont séparés. Une image basse résolution semble floue, alors qu'une image haute résolution semble nette. Deux facteurs influent sur la résolution. Le premier est la longueur d'onde. Les longueurs d'onde plus courtes permettent de résoudre des objets plus petits ; ainsi, un microscope électronique a une résolution beaucoup plus élevée qu'un microscope optique, car il utilise un faisceau d'électrons de très courte longueur d'onde, par opposition à la lumière visible de grande longueur d'onde utilisée par un microscope optique. Le deuxième facteur qui influe sur la résolution est l'ouverture numérique, qui est une mesure de la capacité d'un objectif à capter la lumière. Plus l'ouverture numérique est élevée, meilleure est la résolution.

Même lorsqu'un microscope possède une résolution élevée, il peut être difficile de distinguer les petites structures dans de nombreux échantillons, car les microorganismes sont relativement transparents. Il est souvent nécessaire d'augmenter le contraste pour détecter différentes structures dans un échantillon. Différents types de microscopes utilisent différentes caractéristiques de la lumière ou des électrons pour augmenter les différences de contraste et de visibilité entre les parties d'un échantillon (voir Instruments de microscopie). De plus, les colorants qui se lient à certaines structures mais pas à d'autres peuvent être utilisés pour améliorer le contraste entre les images d'objets relativement transparents (voir Coloration d'échantillons microscopiques).

Exercice\(\PageIndex{5}\)

Expliquez la différence entre le grossissement et la résolution.
Expliquez la différence entre résolution et contraste.
Citez deux facteurs qui influent sur la résolution.

Concepts clés et résumé

Les ondes lumineuses interagissant avec les matériaux peuvent être réfléchies, absorbées ou transmises, en fonction des propriétés du matériau.
Les ondes lumineuses peuvent interagir entre elles (interférence) ou être déformées par des interactions avec de petits objets ou des ouvertures (diffraction).
La réfraction se produit lorsque les ondes lumineuses changent de vitesse et de direction lorsqu'elles passent d'un milieu à un autre. Les différences entre les indices de réfraction de deux matériaux déterminent l'ampleur des changements de direction lorsque la lumière passe de l'un à l'autre.
Une lentille est un support à surface incurvée qui réfracte et focalise la lumière pour produire une image.
La lumière visible fait partie du spectre électromagnétique ; les ondes lumineuses de différentes fréquences et longueurs d'onde sont distinguées par des couleurs par l'œil humain.
Un prisme peut séparer les couleurs de la lumière blanche (dispersion) car différentes fréquences de lumière ont des indices de réfraction différents pour un matériau donné.
Les colorants fluorescents et les matériaux phosphorescents peuvent transformer efficacement le rayonnement électromagnétique non visible en lumière visible.
La puissance d'un microscope peut être décrite en termes de grossissement et de résolution.
La résolution peut être augmentée en raccourcissant la longueur d'onde, en augmentant l'ouverture numérique de l'objectif ou en utilisant des taches qui améliorent le contraste.

Lexique

absorbance: lorsqu'une molécule capte l'énergie d'un photon et vibre ou s'étire, en utilisant l'énergie

amplitude: la hauteur d'une vague

contraste: différences visibles entre les parties d'un échantillon microscopique

diffraction: le changement de direction (flexion ou propagation) qui se produit lorsqu'une onde lumineuse interagit avec une ouverture ou une barrière

dispersion: la séparation de la lumière de différentes fréquences en raison de différents degrés de réfraction

fluorescente: la capacité de certains matériaux à absorber de l'énergie puis à libérer immédiatement cette énergie sous forme de lumière

distance focale: la distance entre l'objectif et le point d'image lorsque l'objet se trouve à une distance définie de l'objectif (il s'agit également de la distance jusqu'au point focal)

point focal: une propriété de l'objectif ; le point de l'image lorsque la lumière entre dans l'objectif est parallèle (c'est-à-dire que l'objet se trouve à une distance infinie de l'objectif)

fréquence: le taux de vibration d'une onde lumineuse ou d'une autre onde électromagnétique

point d'image (focus): une propriété de l'objectif et la distance entre l'objet et l'objectif ; le point sur lequel une image est mise au point (le point de l'image est souvent appelé point de mise au point)
interférence: distorsion d'une onde lumineuse due à l'interaction avec une autre onde
grossissement: la capacité d'un microscope (ou d'une lentille) à produire une image qui semble plus grande que l'échantillon réel, exprimée en tant que facteur de la taille réelle
ouverture numérique: une mesure de la capacité d'un objectif à capter la lumière
opacité: la propriété d'absorber ou de bloquer la lumière
phosphorescence: la capacité de certains matériaux à absorber de l'énergie puis à libérer cette énergie sous forme de lumière après un certain délai
réflexion: lorsque la lumière rebondit sur une surface
réfraction: flexion des ondes lumineuses, qui se produit lorsqu'une onde lumineuse passe d'un milieu à un autre
indice de réfraction: une mesure de l'ampleur du ralentissement des ondes lumineuses par un milieu particulier
résolution: la possibilité de distinguer deux points d'une image
transmittance: la quantité de lumière qui traverse un milieu
transparence: la propriété de laisser passer la lumière
longueur d'onde: la distance entre un pic d'une vague et le pic suivant