Pourquoi voit-on les couleurs de l'arc en ciel sur les bulles de savon ?

Les bulles de savon fascinent autant les enfants que les scientifiques. Leur surface irisée, qui reflète des couleurs changeantes comme un arc-en-ciel, est un phénomène purement optique dû à l’interaction de la lumière avec une fine couche de liquide. Ce phénomène s’explique principalement par l’interférence de la lumière.

Une bulle de savon est constituée d’une fine pellicule d’eau enfermée entre deux couches de savon. Cette pellicule, extrêmement fine (de quelques centaines de nanomètres à quelques microns), agit comme un film transparent sur lequel la lumière blanche (comme celle du soleil) se réfléchit. Or, cette lumière blanche est composée de toutes les longueurs d’onde du spectre visible — du violet (longueur d’onde courte) au rouge (longueur d’onde longue).

Lorsque la lumière frappe la surface d’une bulle, une partie est réfléchie sur la face extérieure du film, et une autre partie pénètre dans le film et est réfléchie sur la face intérieure. Ces deux rayons lumineux ressortent ensuite de la bulle et interfèrent entre eux : ils peuvent s’ajouter ou s’annuler selon leur décalage de phase, c’est-à-dire selon la différence de chemin parcouru dans le film.

Ce décalage dépend de l’épaisseur locale du film et de la longueur d’onde de la lumière. Certaines couleurs seront renforcées (interférence constructive) tandis que d’autres seront atténuées (interférence destructive). Résultat : on observe des couleurs qui varient selon l’épaisseur de la bulle et l’angle de vue. C’est ce qu’on appelle des franges d’interférence.

Si la bulle était d’épaisseur parfaitement uniforme, on verrait des couleurs régulières. Mais en réalité, la gravité fait que le film est plus épais en bas et plus mince en haut. Cela crée un dégradé de couleurs changeantes, souvent disposées en bandes horizontales. Et comme la bulle est en mouvement, les épaisseurs varient sans cesse, ce qui donne l’effet de couleurs qui ondulent et dansent.

Autre facteur important : l’indice de réfraction du film, qui change selon la composition du liquide (savon, eau, glycérine...). Cela influence la vitesse de la lumière dans le film et donc les conditions d’interférence.

Enfin, lorsque le film devient trop mince — de l’ordre de 10 à 20 nanomètres — presque toutes les longueurs d’onde s’annulent par interférence destructrice. La bulle apparaît alors noire ou transparente juste avant d’éclater.

En résumé, les couleurs arc-en-ciel des bulles de savon sont le fruit d’un subtil jeu entre lumière, épaisseur du film, et interférences optiques. Une leçon de physique dans un souffle de savon.

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