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Chapitre 3

SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE

A. Le programme
Notions et contenus

Compétences attendues

Domaines des ondes électromagnétiques.

Connaître les limites en longueur d’onde
dans le vide du domaine visible et situer les
rayonnements infrarouges et ultraviolets.
Exploiter la loi de Wien, son expression étant
donnée.
Pratiquer une démarche expérimentale
permettant d’illustrer et de comprendre la
notion de lumière colorée.

Couleur des corps chauffés. Loi de Wien.

Interaction lumière-matière : émission et
absorption.
Quantification des niveaux d’énergie de la
matière.
Modèle corpusculaire de la lumière : le
photon. Énergie d’un photon.
Relation ΔE = hν dans les échanges d’énergie.

Interpréter les échanges d’énergie entre
lumière et matière à l’aide du modèle
corpusculaire de la lumière.
Connaître les relations λ = c/ν et ΔE = hν et
les utiliser pour exploiter un diagramme de
niveaux d’énergie.

Différentes sources de lumière : étoiles,
lampes variées, laser, DEL, …

Distinguer une source polychromatique d’une
source monochromatique caractérisée par une
longueur d’onde dans le vide.

Spectre solaire.

Expliquer les caractéristiques (forme, raies) du
spectre solaire.

✔ Commentaires
Cette partie du programme fait apparaître des concepts quantiques, la dualité onde-corpuscule de la lumière (qui est reprise dans le programme de terminale S), et évoque le corps noir à
travers la loi de Wien (qui n’est pas exigible).

© Éditions Belin, 2011

B. La démarche adoptée dans le manuel
L’aspect quantitatif des spectres, qui était absent au chapitre précédent sur les couleurs,
apparaît ici. De façon à discerner l’impression visuelle qualitative du spectre de sa courbe quantitative, nous avons pris le parti de nommer la première « spectre » et la seconde « intensité
lumineuse en fonction de la longueur d’onde ».

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LIVRE DU PROFESSEUR

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C. Commentaires sur les activités et documents proposés
Évaluer les acquis de la 2de p. 52
✔ Réponses aux questions
– C’est en étudiant le spectre de la lumière émise par le Soleil qu’on est parvenu à connaître sa
température de surface.
– Le spectre de la lumière solaire est un spectre continu avec des raies d’absorptions. Un prisme
(ou un réseau) permettent de disperser la lumière pour en réaliser le spectre.
– La longueur d’onde dans le vide sert à caractériser une radiation monochromatique de ce
spectre.

Interpréter une expérience p. 52
La photographie présente un morceau de vitrail illuminé par un laser bleu (dispositif de
spectrométrie Raman). Ce verre contient des nanoparticules de cuivre. En lumière blanche, le
vitrail apparaît rouge, car sa composition le rend transparent autour de cette couleur spectrale,
et opaque pour les autres. Lorsqu’on éclaire ce verre par le laser bleu, on observe une fluorescence dans le vert.
Une proportion de lumière plus faible et invisible à l’œil, la diffusion Raman, est aussi émise : recueillie par l’objectif de microscope et redirigée vers un spectromètre par l’intermédiaire
d’une fibre optique, cette lumière, une fois analysée, donne des informations précieuses sur la
composition du verre, sa température de mise en œuvre et son état de conservation.
Pour en savoir plus : Ph. Colomban, « Restauration des vitraux de la Sainte Chapelle »,
www.ladir.cnrs.fr/pages/colomban/La%20Sainte-Chapelle-4.pdf
✔ Interprétation attendue
– En réalisant le spectre de la lumière des deux sources, on établit qu’un laser émet un rayonnement monochromatique, contrairement à l’ampoule à incandescence dont le spectre d’émission
est continu.
– Les longueurs d’onde correspondant au vert sont absentes du rayonnement d’un laser bleu :
la lumière verte ne peut donc pas être obtenue par dispersion par le verre.
– On peut citer des objets phosphorescents comme certaines aiguilles de réveil (visibles dans
l’obscurité).
En conclusion, la lumière verte est donc une lumière réémise par le verre, excité par le rayonnement laser, lors de sa désexcitation.

Page d’ouverture p. 53

© Éditions Belin, 2011

Le maximum d’intensité présenté par le spectre de la lumière émise par une ampoule incandescente se trouve dans le domaine infrarouge. Aussi, le filament peu chauffé d’une telle
ampoule apparaîtra rouge, du fait de lacunes en faibles longueurs d’ondes dans son spectre.
Inversement, le matériau fluorescent qui recouvre les tubes convertit en lumière visible de
différentes couleurs le rayonnement ultra-violet émis par le gaz excité qu’ils contiennent ; la
superposition de ces lumières colorées apparaît blanche par synthèse additive.

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3. SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE

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Activité 1 p. 54
Il s’agit de visualiser divers spectres de lumières, qualitativement d’abord, grâce à un spectroscope réalisable à bas coût, quantitativement ensuite, à l’aide d’une barrette de détecteur
(ou d’un spectromètre tout équipé), plus chère.
Cette activité est à relier à l’activité 1 du chapitre 2, et vient superposer aux notions de couleurs spectrale et perçue les concepts de spectres mono- et polychromatique.
✔ Réponses aux questions
1. Lampe à vapeur de sodium, LED jaune, lampe à incandescence : sources primaires, spectre
d’émission. Solution de fluorescéine : source secondaire, spectre d’absorption.
2. a. Lampe à vapeur de sodium : monochromatique. LED jaune, lampe à incandescence, solution de fluorescéine éclairée en lumière blanche : polychromatiques.
b. Lampe à vapeur de sodium : spectre discontinu. Autres spectres continus.
c.
Spectres
Source
Vapeur
de sodium
DEL jaune
Lampe à
incandescence
Fluorescéine
en lumière
blanche

d’émission d’absorption
X

monochromatique

polychromatique

X

discontinu

continu

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

3. On observe sur l’écran du vert, du jaune et du rouge.
4. a. Sur l’ordinateur, on visualise la répartition de l’intensité lumineuse du faisceau incident
selon la longueur d’onde : c’est une mesure quantitative. Sur l’écran, on voit le spectre de ce
faisceau : c’est une observation qualitative.
b. Le maximum de l’intensité est dans le jaune ; l’intensité est faible dans le vert et le rouge.
5. Pour avoir une lumière colorée :
• Décharges électriques dans une vapeur atomique.
• Courant électrique dans une DEL.
• Courant dans un filament chauffé.
• Ajout de filtres sur le passage d’une lumière blanche.

Activité 2 p. 55
Dans cette activité, il s’agit, d’abord à partir de l’étude d’un document, de montrer l’intérêt
pratique de la loi de Wien, puis à partir de courbes d’intensités lumineuses de différents corps
noirs, d’établir une modélisation de cette loi.
L’activité conclut sur une application relevant d’un tout autre domaine : l’astrophysique.

© Éditions Belin, 2011

✔ Réponses aux questions
1. a. Domaine du visible : λ ∈ [400 nm ; 700 nm] ; de l’UV : λ < 400 nm ; de l’IR : λ > 750 nm.
b. Pour de telles températures, le rayonnement émis par la lave est essentiellement infrarouge.
2. a. T
1 800 K
2 100 K
2 400 K
2 600 K
2 800 K
3 000 K
λmax
1,6 µm
1,4 µm
1,2 µm
1,1 µm
1,0 µm
0,9 µm
3. a = 2,90 · 10−3 K · m ± 0,1 · 10−3 K · m. La modélisation présente une incertitude relative faible (de l’ordre du pourcent).
4. Il s’agit de tracer la courbe d’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde relative à
l’étoile, de déterminer la position du maximum d’intensité, et d’appliquer la loi de Wien.
5. a. λmax = 257 nm.
b. Cette radiation ne se situe pas dans le visible, mais dans l’UV.

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LIVRE DU PROFESSEUR

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Activité 3 p. 56
L’activité propose, grâce à une étude documentaire orientée vers l’histoire des sciences,
d’associer aux grandeurs ondulatoires de la lumière un corpuscule, le photon.
✔ Réponses aux questions
1. La dispersion de la lumière par un prisme est expliquée par la conception ondulatoire de la
lumière.
2. a. La conception ondulatoire de la lumière modélise correctement le rayonnement du corps
noir aux grandes longueurs d’onde, mais pas du tout aux petites longueurs d’onde.
b. Pour expliquer le rayonnement du corps noir, il faut faire appel à la théorie corpusculaire.
3. On parle de dualité onde-corpuscule car la lumière se comporte à la fois comme une onde
(électromagnétique) et un corpuscule (le photon).
4.a. Photon d’énergie E = hν .

b. Photon d’énergie E = h

c
.
λ

5. Onde : longueur d’onde λ dans le vide et fréquence ν ; corpuscule : photon d’énergie
E = hν = h

c
.
λ

Activité 4 p. 57
L’activité fait le lien entre le spectre d’un atome (celui de mercure en l’occurrence) et les
états d’énergie de cet atome. La première partie consiste en la réalisation d’un diagramme énergétique où sont représentés les niveaux d’énergie du mercure.
La seconde partie de l’activité propose une découverte du lien entre les transitions électroniques et le spectre d’émission et d’absorption d’un atome, sous la forme d’une manipulation
simple et ludique.

© Éditions Belin, 2011

✔ Réponses aux questions
1. Les orbitales des électrons sont situées à des distances bien spécifiques du noyau et chaque
orbitale a une énergie fixée.
2. Le dessin doit être réalisé soigneusement, en prévision de la question 5.
3. a. Le modèle de Bohr explique la correspondance entre les raies d’émission et d’absorption
par le fait que l’émission comme l’absorption sont dues à la transition d’un électron entre deux
niveaux d’énergie de l’atome. Dans un cas, l’électron émet un photon, dans l’autre il l’absorbe ;
mais l’énergie du photon (donc la fréquence des rayonnements émis et absorbé) est identique
dans les deux cas.
b. λ1 = 436 nm : bleu, ν1 = 6,88 · 1014 Hz ;
λ2 = 546 nm : vert, ν2 = 5,49 · 1014 Hz ;
λ3 = 578 nm : jaune, ν3 = 5,19 · 1014 Hz.
4. ΔE1 = 4,55 · 10−19 J = 2,85 eV ;
ΔE2 = 3,63 · 10−19 J = 2,27 eV ;
ΔE3 = 3,44 · 10−19 J = 2,15 eV.
5. a. Comme dans la question 2., le découpage doit être soigneux pour éviter toute hésitation
quant à la position des bandes de couleur sur le diagramme énergétique du mercure.
b. ΔE1 correspond à la transition niveau excité 2 ↔ niveau excité 5 ;
ΔE2 correspond à la transition niveau excité 3 ↔ niveau excité 5 ;
ΔE3 correspond à la transition niveau excité 4 ↔ niveau excité 9.
6. Il faut que son énergie ΔE vérifie ΔE = E − E ʹ .

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3. SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE

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D. Déroulement du cours
On peut compter pour ce chapitre deux séances d’activités expérimentales en demi-groupe et
deux séances en classe entière.
Exemple de progression :
Séance de TP
• En demi-groupe : activité 1 et activité 2 (1 h 30 à 2 h).
Remarque : l’activité 1 s’appuie sur les connaissances acquises en classe
de seconde. On pourra donc lors de cette séance consacrer un temps plus
important à l’activité 2.
Cours
• En classe entière : 1. Couleur et température ; 3. Sources lumineuses; exercices d’application (1 h à 1 h 30).
Séance de TP
• En demi-groupe : activité 3 et activité 4 (1 h 30 à 2 h).
Remarque : si nécessaire, les activités 3 et 4 peuvent être effectuées en
classe entière.
Cours
• En classe entière : 2. Lumière et matière ; exercices d’application (1 h à
1 h 30).

E. Réponses aux exercices p. 62
Les réponses aux exercices qui ne figurent pas ici sont à la fin du manuel, p. 352.
éclaire est donc la lumière émise par sa photosphère.

4 1. On applique la loi de Wien :
T=

2,9 ⋅ 10

−3

210 ⋅ 10 −9

= 13 810 K = 14 ⋅ 10 3 K ,

soit T = 13 810 − 273 = 13 537 °C.

5 1. On applique la loi de Wien en convertissant d’abord la température en kelvins ; on
obtient λm = 1,59 μm.
2. a. Dans l’infrarouge.
b. Même si le maximum se trouve dans l’infrarouge, le rayonnement s’étend aussi à des
longueurs d’onde plus courtes : une partie du
rayonnement est visible.

6 1. a. Pour le cœur du Soleil :
106

© Éditions Belin, 2011

T = 15 000 000 + 273,15 = 15 ·
K
donc λm= 0,19 nm. Le domaine spectral est
donc [0,95 nm ; 1,9 nm].
b. Pour la photosphère :
T = 5500 + 273 = 5773 K donc λm = 502 nm.
Le domaine spectral est [251 nm ; 5,02 μm].
2. Le domaine spectral de la photosphère
recouvre le domaine visible (entre 400 nm
et 750 nm). La « lumière du Soleil » qui nous

28

7 1. a. Classe O (delta Ori) : 83 nm.
b. Classe A (Sirius) : 293 nm.
c. Procyon A : 446 nm.
d. Classe M (Proxima du centaure) : 954 nm.
e. 61 Cygni : 652 nm et 704 nm.
2. Étoiles chaudes : étoiles de classe O (delta
Ori) et de classe A (Sirius).
Étoiles froides : étoiles de classe M (Proxima
du centaure).
Étoiles semblables au Soleil : Procyon A et
61 Cygni.

9 « Fossile » : ce rayonnement est un reste,
une trace de l’événement qui a mené à la formation des atomes. « 3 K » : 1,06 mm correspond, d’après la loi de Wien, à 2,73 K (à peu
près 3 K).
13 1. E = 3,1 · 10−19 J.
2. E = 1,9 eV.

14 1. ν = 9,192 631 770 · 109 Hz.
2. ΔE = 6,05 · 10−24 J.

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15
Niveaux d´énergie du sodium (en eV)
4d

4

3
3p3/2
2

3p1/2

1

3s

0

1. 2. et 3.
Niveau
d’énergie 1

4d

Niveau
d’énergie 2

4d

3 p 3/2 3 p 3/2

4d

3 p 3/2 3 p 3/2 3 p 3/2

3s

3 p 3/2

3s

3s

Énergie du
photon associé à
2,186
la transition
1 ↔ 2 (eV)

2,188

4,293

0,002

2,107

2,105

Longueur d’onde
dans le vide
568,6
de la radiation
associée (nm)

568,1

288,8

6 · 105

589,9

590,5

Raie
correspondante
dans l’énoncé
(question 3)

Doublet Doublet
vertvertjaune jaune





Doublet Doublet
orange orange

16 Il s’agit d’exploiter la relation :
ΔE = hν = hc/λ,
où ΔE est la différence d’énergie entre l’état
excité et l’état E1 par lesquels passe un électron.
1. Pour ΔE = E2 − E1 : λmax = 122 nm.
2. Pour ΔE = Eion − E1 : λmin = 92 nm.
3. Dans l’UV.

17 1. On applique la formule donnée :

© Éditions Belin, 2011

En = −E0/n2 où E0 = 13,6 eV.
n

2

3

4

En

−3,40 eV

−1,51 eV

−0,85 eV

n

5

6

7

En

−0,54 eV

−0,38 eV

−0,28 eV

5908_LDP_03.indd 6

2. ΔE = hν = hc/λ. On calcule d’abord toutes
les énergies en joules, puis on les convertit en
électrons-volts.
Longueur
d’onde
des raies
Énergie
du photon
associé
Longueur
d’onde
des raies
Énergie
du photon
associé

409 nm

433 nm

4,86 · 10−19 J

4,59 · 10−19 J

3,04 eV

2,87 eV

486 nm

657 nm

4,09 · 10−19 J

3,03 · 10−19 J

2,56 eV

1,89 eV

3. L’énergie du photon est ΔE = En − E2.
Transition
Niveau 3
vers niveau 2
Niveau 4
vers niveau 2
Niveau 5
vers niveau 2
Niveau 6
vers niveau 2
Niveau 7
vers niveau 2

ΔE
1,89 eV
2,55 eV
2,86 eV
3,02 eV
3,12 eV

4. On compare le tableau de la question 2. au
tableau de la question 3. Lorsqu’il y a accord
numérique, la transition correspond à l’émission du photon.
Longueur d’onde
du photon émis
Niveau de départ
de l’atome
Longueur d’onde
du photon émis
Niveau de départ
de l’atome

409 nm

433 nm

6

5

486 nm

657 nm

4

3

22 1. Le spectre réalisé dans le satellite
comporte moins de raies noires que celui réalisé sur Terre.
2. Car les espèces chimiques présentes dans
l’atmosphère terrestre et absentes de l’atmosphère solaire ajoutent des raies d’absorption
dans le spectre réalisé sur Terre.

3. SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE

29

13/09/11 15:01:43

23 Na : raies D ; Ca+ : raie K ; Ca2+ : raie H.

– 668 nm correspond à :
x = 268 × 2,3/100 = 6,2 cm.

24 1. a. T = 2700 K donne λm = 1,07 μm
dans l’infrarouge.
b. Le filament de tungstène est un corps
incandescent : sa courbe d’intensité du rayonnement en fonction de la longueur d’onde est
semblable à celles du doc. 9 p. 58. Ici, on n’a
qu’une partie de la courbe, mais ce fragment
indique bien que le maximum de rayonnement se trouve dans l’UV.

Il s’agit de la position des bandes sur le spectre de l’énoncé : c’est bien le même atome.

2. a. La lumière du Soleil est blanche.
b. Le spectre est décalé vers le rouge (voir
l’infrarouge), comme le montre la figure : la
lampe n’émet pratiquement pas de rayonnement dans les petites longueurs d’ondes
(autour du violet et du bleu spectraux). Cela
différencie la lumière obtenue, où le rouge
domine, de celle du Soleil.
3. La couleur est dite plus « chaude », mais
cela correspond selon la loi de Wien à une
température inférieure, c’est-à-dire à un corps
noir plus froid…

28 1. E(4F5/2) = 6,63 · 10 –34 × 3,00 · 10 8/
(808 · 10–9 × 1,6 · 10–19) = 1,54 eV.
2. E( 4F 3/2) = 0,270 + 6,63 · 10 –34 × 3 · 10 8/
(1 064 · 10–9 × 1,6 · 10–19) = 1,44 eV.

30 Voir Erratum p. 31.
1. a. Seule la longueur d’onde 633 nm se
trouve dans le domaine visible.
b. Le spectre est un spectre de raies d’émission à une seule raie : il s’agit donc d’une
source de lumière monochromatique.
2. a. Le niveau 5s : 0 eV. 4p : −0,37 eV ; 3p :
−1,96 eV et 4s : −0,87 eV.
Énergie (eV)
5s

0
h = 3 391 nm

4p

– 0,37
h = 633 nm
− 0,87

4s

25 1. Spectre discontinu de raies d’émission.
2. 404 nm : violet ; 436 nm : bleu ; 546 nm :
vert ; 578 nm : jaune.
h = 1 152 nm

3. Spectre continu.
4. La lumière émise par la lampe fluocompacte apparaît blanche parce qu’elle comporte toutes les longueurs d’onde.
5. En ajoutant l’ensemble des radiations du
domaine du visible aux radiations du mercure, le matériau fluorescent permet l’émission d’une lumière blanche.

© Éditions Belin, 2011

27 1. Le spectre fait 7 cm, donc 2,3 cm correspondent à 100 nm.
2. Si l’abscisse x = 0 cm correspond à 400 nm,
alors :
– 446 nm correspond à :
x = 46 × 2,3/100 = 1,1 cm ;
– 502 nm correspond à :
x = 102 × 2,3/100 = 2,4 cm ;
– 588 nm correspond à :
x = 188 × 2,3/100 = 4,3 cm ;

30

– 1,96

3p

b. Cf. figure.

31 1. La lumière émise par le « noyau
solaire » dont Kirchhoff parle dans le texte est
en fait la lumière émise par la photosphère du
Soleil. Le spectre obtenu avec un spectroscope
à prisme est un spectre d’origine thermique
continu, s’étalant du rouge au violet.
2. a. Il s’agit d’un spectre d’émission de raies.
b. Le spectre d’émission d’un métal est
constitué d’un nombre fini de radiations de
longueurs d’onde bien déterminées. La visualisation de l’ensemble des raies caractéristiques d’une certaine espèce métallique dans
le spectre solaire atteste donc de la présence
du métal dans l’atmosphère du Soleil. Ce

LIVRE DU PROFESSEUR

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13/09/11 15:01:45

phénomène ne se limite pas aux métaux et le
spectre d’émission solaire met en évidence la
présence d’atomes ou d’ions non métalliques
dans l’atmosphère du Soleil.

de gaz des ampoules, rayonnement qui est
ensuite converti en lumière visible par les arômes du bonbon, qui jouent un rôle similaire à
celui des luminophores.

3. a. Les métaux (entre autres) de l’atmosphère
du Soleil vont absorber certaines radiations de
la lumière émise par la photosphère. On ne voit
donc pas dans le spectre les raies d’émission
des métaux mais des raies noires correspondant aux longueurs d’onde absorbées.
b. Il s’agit d’un spectre d’absorption de raies.

33 1. La fréquence associée à la longueur
d’onde dans le vide de 470 nm est plus
grande que celle associée à 550 nm : la diode
au nitrure de gallium émet autour de 470 nm,
et le luminophore autour de 550 nm.

4. Les raies émises par une entité chimique sont
les mêmes que les raies absorbées par cette
entité chimique. La donnée du spectre d’émission ou du spectre d’absorption renseigne donc
de façon identique sur la présence d’une entité
chimique dans l’atmosphère du Soleil.

2. La diode au nitrure de gallium émet dans
le bleu, si elle n’est pas associée aux luminophores.
3. Le luminophore émet principalement du
jaune (mais émet aussi dans le rouge et le vert).
4. La superposition de faisceaux de lumière
bleu, rouge et vert donne du blanc.

32 1. L’expérience montre que deux morceaux de sucre frottés l’un contre l’autre
émettent une lumière bleutée.

34 1. L’état fondamental correspond au
niveau d’énergie E0 ; les autres sont les états
excités.

2. La lumière provient de la désexcitation des
molécules d’air. Le spectre correspondant à
ce type d’émission est discontinu.

2. a. ΔE = 2,11 eV.

3. Le mécanisme de triboluminescence du
bonbon pourrait être rapproché des phénomènes à l’œuvre dans les ampoules fluocompactes : un rayonnement UV est émis par des
particules excitées, comme par les molécules

b. On remarque que ΔE = E1 − E0 : la flèche 1
doit relier le niveau 1 et le niveau 0.
3.a. ΔEʹ = E2 − E1. Le photon peut donc interagir avec l’atome de sodium. Il peut être absorbé
et faire passer l’atome du niveau excité d’énergie E1 au niveau excité d’énergie E2.
b. La flèche 2 doit aller du niveau 1 au niveau 2.

F. Erratum
✔ Dans l’énoncé de l’exercice 30, à la fin du deuxième paragraphe, il faut lire « ainsi portés
dans des états notés 5s et 4s » et non « ainsi portés dans un état noté 5s ». De même, dans
cet exercice, la troisième voie de désexcitation est « 4s à 3s » et non « 5s à 4s ».

© Éditions Belin, 2011

G. Bibliographie







Panorama de la physique, sous la direction de G. PIETRYK, Belin-Pour la Science, 2007.
B. VALEUR, Lumière et luminescence, Belin, 2005.
B. VALEUR, La couleur dans tous ses éclats, Belin, 2011.
Y. AYANT, E. BELORIZKY, Cours de mécanique quantique, Dunod, 2007.
« Planck, la révolution quantique », Les génies de la science, mai-juillet 2006.
« La couleur », Dossier Pour la Science n° 27, avril 2000.

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3. SOURCES DE LUMIÈRE COLORÉE

31

13/09/11 15:01:46



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