Pourquoi le verre est-il transparent ?

Aujourd'hui, j'essaie d'apporter une réponse à la question "Pourquoi une vitre est-elle transparente" ?

En voilà une question qu'elle est bonne ! Et la réponse est valable pour tous les matériaux transparents ! Une réponse brève tout d'abord : si la vitre est transparente, c'est parce qu'elle n'absorbe ni n'émet de lumière visible. Pour aller plus loin, il faut comprendre comment la lumière interagit avec la matière. Et pour cela, il va falloir parler de photons et d'électrons.

Matière VS Lumière

Côté gauche, un atome, masse : 0,000000000000000000000000001 kg

Structure "classique" de l'atome.

Tous les objets (et êtres vivants) sont constitués d'atomes. Ces atomes sont eux mêmes constitués d'un noyau entouré par un nuage d’électrons. On représente classiquement l'atome comme sur la figure ci-contre, avec des électrons orbitant joyeusement autour du noyau. Le nombre d'électrons, de protons et de neutrons détermine la nature de l'atome. L'atome d'hydrogène par exemple, ne compte qu'un électron. L'oxygène en compte 8 et le plutonium 94.

Les électrons ne sont pas tous à la même distance du noyau; il existe des couches qui ne peuvent accueillir qu'un nombre précis d'électrons. Les électrons sont obligés de rester dans leurs couches respectives et ne peuvent pas être quelque part entre deux couches. La première couche est appelée K, elle est réservée aux happy fews qui côtoient, peinards, le noyau au plus près. Il n'y a de la place que pour deux électrons sur cette couche. Plus loin, on trouve la couche L qui peut accueillir 8 électrons. Encore plus loin se trouve la couche M où 18 électrons peuvent loger et ainsi de suite jusqu'à la couche P qui a une capacité maximale de 72 électrons. Dans le schéma ci-dessous, seules les trois premières couches sont représentées.

Schéma des trois premières couches électroniques

Pour les curieux, le nombre d'électrons Ne qu'une couche peut accueillir est égale à 2n² où n est le numéro de la couche (n=1 pour la couche K, 2 pour la couche L etc.). Quant à la désignation par lettres, elle vient du fait que la première couche fut appelée K pour Kern qui signifie Noyau en allemand.

Chaque couche est caractérisée par une énergie particulière. Pour faire passer un électron sur une couche supérieure où il reste un peu de place, il faut lui fournir exactement l'énergie qui sépare les deux couches. C'est ce qui est illustré dans le schéma ci-dessous, où les couches sont représentées horizontalement et où l'énergie entre les couches K et L est notée delta E.

Les niveaux d'énergie dans la structure électronique de l'atome

Côté droit, un photon, masse : 0 kg !

Tous les objets et êtres vivants visibles le sont parce qu'ils produisent ou renvoient de la lumière. Pour que nous soyons capables de la voir, il faut que sa  longueur d'onde soit comprise entre 400 et 780 nanomètres (un nanomètre est égal à un millionième de millimètre). Dans cet intervalle appelé spectre de la lumière visible, chaque longueur d'onde correspond à une couleur :

Spectre (gamme de longueur d'onde) de la lumière visible

Cette lumière est constituée de photons, qui n'ont pas de masse mais qui ont une énergie. Cette énergie dépend de la longueur d'onde de la lumière. Par exemple, dans le domaine de la lumière visible, les photons "bleus" sont plus énergétiques que les photons "rouges". Il y a aussi des photons que l'on ne voit pas, comme les photons des rayons X par exemple. En fait, le spectre de la lumière visible n'est qu'un fragment du spectre électromagnétique :

Spectre électromagnétique, crédits : Université de Nantes -Faculté de Médecine

L'interaction entre la lumière et la matière

Lorsqu'un photon arrive sur un atome, il peut se produire deux choses : soit son énergie correspond pile poil à celle qu'un électron attend désespérément pour passer à une couche supérieure, soit l'énergie du photon est bien trop basse ou bien trop haute pour intéresser l'électron. Dans ce dernier cas, le photon n'interagit pas avec la matière et celle-ci est invisible pour cette longueur d'onde.

Dans le cas de la lumière visible (comportant donc toutes les couleurs), des photons de différente énergie (et donc de "couleur" différente) bombardent les atomes. Si un photon apporte exactement la bonne quantité d’énergie, il est absorbé par un électron. Celui-ci profite alors de ce tremplin énergétique pour se propulser vers la strate supérieure! Il passe dans un état dit excité. Las, cet état de grâce ne dure pas, et l'électron retourne très rapidement à sa couche d'origine en restituant l'énergie qu'il avait emmagasinée ; il réémet exactement le même photon qu'il a absorbé, Un véritable ascenseur émotionnel pour le pauvre électron :

Alors finalement, pourquoi la vitre est-elle transparente? Et bien les atomes dans le verre n’interagissent qu'avec des électrons dont le saut énergétique se traduit par l'émission de photons de très haute énergie, invisibles pour l'Homme.. Autrement dit, le verre n'absorbe ni ne réémet aucune lumière visible.

La vitre n'est pas complètement invisible car, en fonction de l'angle d'incidence et même avec un traitement antireflet, une infime fraction des rayons lumineux sont déviés ou réfléchis. Ce phénomène est particulièrement visible au niveau des interfaces (air/verre par exemple).

La promenade en verre du grand canyon n'est pas complètement transparente

De plus, le verre est opaque pour d'autres longueurs d'onde : il n'est pas possible de bronzer derrière une vitre car celle-ci bloque le rayonnement ultra-violet.

J'ai lu sur quelques forums (ou pire, dans cet article sur "Figaro Science") que le verre devait sa transparence à sa structure amorphe et désordonnée. C'est inexact, il existe d'ailleurs de nombreux matériaux (liquides, verres, céramiques) désordonnés mais opaques. A l'inverse, il existe des matériaux ordonnés comme certains cristaux (la glace ou le quartz pour citer le plus connu) qui sont translucides. Enfin, petite révolution dans le monde du verre en 2014 : des chercheurs sont parvenus à faire du verre ordonné, en modifiant la technique de fabrication. Le verre a été créé couche par couche, en passant directement de composants à l'état gazeux à du verre solide. L'article est disponible ici.

Photo du film Les nuits de Cabiria

Pour compléter la lecture, je recommande cet article en deux parties sur le blog Le monde et nous :
Lumière et verre, partie 1
Lumière et verre, partie 2