Ce dont vous aurez besoin :
- Une boîte en carton
- Du papier blanc épais
- Du papier thermochromique
- Un prisme
- Des rayons de soleil et de l'ombre
Pour aller plus loin :
Cette vidéo présente une version moderne d'une expérience de William Herschel. [1,2] En 1800, cet astronome germano-britannique cherchait à déterminer si les différentes couleurs de la lumière avaient des puissances de réchauffement différentes. Pour répondre à cette question, Herschel dispersa la lumière blanche du Soleil à l'aide d'un prisme et se servit d'une série de thermomètres pour mesurer la température en différents points de l'arc-en-ciel ainsi obtenu. Il constata que la température augmentait du violet au rouge... mais de façon étonnante, il remarqua aussi que la plus grande hausse de température – et de loin – avait lieu après la bande rouge de l'arc-en-ciel, dans une zone où aucune couleur n'était visible. Il mit ainsi en évidence une forme de "lumière invisible", qu'on connaît de nos jours sous le nom de rayonnement infrarouge. Aujourd'hui, on sait que le Soleil émet beaucoup plus d'infrarouge que de lumière visible ou même d'ultraviolets, et que le rayonnement infrarouge possède juste la bonne énergie pour augmenter l'agitation des molécules de la plupart des matériaux qui nous entourent - ou autrement dit, pour augmenter leur température. Ces deux facteurs expliquent pourquoi le rayonnement infrarouge du Soleil provoque une hausse marquée de la température des matériaux qu'il rencontre, alors que la lumière rouge ne produit qu'une augmentation modérée, la lumière verte une augmentation mineure, etc.
Dans cette vidéo, plutôt que des thermomètres, on utilise du papier sensible à la chaleur, aussi appelé papier thermochromique: sur un tel papier, un changement de température (thermo) se matérialise par un changement de couleur (chromique). Les matériaux thermochromiques sont constitués soit d'un pigment ou d'un colorant sensible à la chaleur et appliqué sur du papier [3], soit d'un cristal liquide sandwiché dans un film plastique [4]. Pour réaliser cette expérience correctement, choisissez un papier thermochromique dont la couleur est sombre à température ambiante et qui s'éclaircit dès que la température augmente de quelques degrés. La position du prisme montrée dans la vidéo ne produira un bel arc-en-ciel sur le papier thermochromique que lorsque le soleil est haut dans le ciel, vers midi.
Cette expérience consiste en fait à fabriquer son propre détecteur de particules. Vos yeux sont des détecteurs de particules - ils détectent les photons de la lumière visible, mais ils sont incapables de détecter ceux dont l'énergie est supérieure ou inférieure à une gamme spécifique. Notre détecteur "arc-en-ciel en boîte" étend cette gamme aux photons de plus faible énergie, c'est-à-dire aux photons dans l'infrarouge. Au CERN, nos détecteurs de particules étendent cette gamme dans l'autre sens : ils sont capables de détecter des photons de très haute énergie, grâce à des instruments qu'on appelle des calorimètres électromagnétiques. Il existe plusieurs sortes de calorimètres électromagnétiques, mais tous partagent deux caractéristiques fondamentales: premièrement, ils ralentissent les photons en les faisant se collisionner avec des matériaux denses; deuxièmement, ils enregistrent les trajectoires des particules qui sont créées dans ces collisions. Le calorimètre électromagnétique d'ATLAS possède une structure unique, différente de celles qu'on trouve dans les autres détecteurs du LHC : un millefeuille de plaques métalliques pliées en accordéon ralentissent les photons, tandis que l'espace entre ces plaques est occupé par de l'argon liquide. Cet argon est ionisé par le passage des particules issues des collisions [5], ce qui crée un courant électrique qu'on peut mesurer. C'est ainsi que nos photons de haute énergie sont détectés !
Liens supplémentaires :
- [1] David Sang, William Herschel and the discovery of infra-red radiation, IOP Sparks.
- [2] James Lincoln, Infrared Light Physics Experiments - AAPT Films, YouTube (2014). Une vidéo montrant une reproduction moderne de l'expérience d'Herschel avec des thermomètres et un film de cristal liquide.
- [3] Exemples d'encres et de pigments thermosensibles vendus sur une boutique en ligne.
- [4] Exemples de feuilles de cristal liquide thermosensible vendues sur une boutique en ligne.
- [5] ATLAS website, Liquid argon calorimeter overview.