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Marianne

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Spectres de la lumière

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Introduction :

Ce cours porte sur les spectres d’émission et d’absorption, et plus précisément sur l’interaction de la lumière avec une entité chimique.

Dans un premier temps, nous réviserons succinctement les principes associés aux ondes électromagnétiques et en particulier à la lumière blanche, puis nous aborderons les phénomènes d’émission et d’absorption de la lumière par une entité chimique.

Nous verrons ainsi dans quelle mesure ces connaissances permettent d’étudier la composition et la température de corps très éloignés comme les étoiles.

La lumière : une onde électromagnétique

Rappel sur les ondes électromagnétiques

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Définition

Onde :

Une onde est un phénomène de propagation d’une perturbation sans déplacement de matière. Certaines ondes, comme les ondes mécaniques, nécessitent un milieu matériel pour se propager.

D’autres en revanches peuvent se propager dans le vide. C’est le cas des ondes électromagnétiques. Elles se propagent à 3,00×108 ms13,00\times108\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1} et se traduisent par la perturbation d’un champ électrique et magnétique.

On peut classer les ondes électromagnétiques en six grandes familles :

  • les rayons γ\gamma (gamma) ;
  • les rayons X ;
  • les rayons UV (ultraviolets) ;
  • la lumière visible ;
  • les radiations infrarouges ;
  • les grandes ondes.

Principales catégories d’ondes électromagnétiques 2nde Principales catégories d’ondes électromagnétiques

La lumière blanche

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Définition

Lumière blanche :

La lumière qui regroupe l’ensemble des longueurs d’onde du spectre visible est appelée lumière blanche.

On peut la décomposer à l’aide d’un prisme grâce au principe de réfraction.

Une onde électromagnétique qui passe à travers un milieu dispersif est déviée. L’angle de déviation dépend de sa longueur d’onde.

Par conséquent, un faisceau de lumière blanche qui traverse un prisme sera décomposé en un spectre de faisceaux lumineux de couleurs différentes (c’est le principe de l’arc-en-ciel).

Décomposition de la lumière blanche par un prisme 2nde Décomposition de la lumière blanche par un prisme

Pour cette raison, on dit que la lumière blanche est polychromatique (composée de plusieurs couleurs). Elle se décompose en plusieurs radiations monochromatiques, chacune ayant une longueur d’onde spécifique.

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Définition

Spectre continu :

Si le spectre lumineux s’étend du violet au rouge sans interruption, on dit qu’il est continu.

Il existe des spectres de radiations non-continus, appelés spectres de raies. C’est grâce à eux que l’on peut identifier la composition d’un corps en analysant les radiations qu’il émet.

Les spectres d’émission et d’absorption

Spectre continu émis par un corps chauffé

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À retenir

Lorsqu’on analyse les radiations émises par un corps chaud, on constate que le spectre est continu et que ses propriétés dépendent de la température : plus elle augmente, plus le spectre s’enrichit, c’est-à-dire émet une lumière blanche.

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Exemple

On peut en faire l’expérience avec une bûche dans l’âtre d’une cheminée : quand la température est basse, la bûche émet un rayonnement rouge. Plus la chaleur du feu augmente, plus la couleur émise se complexifie : on voit apparaître du jaune auquel s’ajoutent du vert, du bleu et du violet jusqu’à émettre de la lumière blanche.

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À retenir

Une température est caractéristique d’une longueur d’onde. On constate également qu’avec l’augmentation de la température, la longueur d’onde de la radiation émise avec la plus grande intensité diminue.

On peut traduire cette affirmation de la façon suivante : un corps faiblement chauffé émettra majoritairement du rouge, d’une longueur d’onde avoisinant 800 nm. Si sa température augmente largement, la lumière émise aura un pic d’intensité centré sur le violet dont la longueur d’onde est autour de 400 nm.

  • C’est pourquoi on dit que la longueur d’onde émise diminue lorsque la température de l’objet augmente.

Longueur d’ondes lumineuses émises en fonction de la température 2nde

Ce phénomène est un principe physique fondamental.

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À retenir

En fonction de sa température, un corps chaud émet une lumière au spectre plus ou moins enrichi. Et réciproquement, la lumière émise par un corps chaud donne une information sur sa température.

Spectre d’émission

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Propriété

Principes physiques : spectre de raies

  • Un gaz à basse pression que l’on excite à l’aide de décharges électriques émet lui aussi un spectre mais celui-ci est discontinu. Il est appelé spectre de raies : cela signifie que seules certaines longueurs d’onde sont émises.
  • Chaque gaz émet un spectre de raies caractéristique, la lumière émise par un corps gazeux excité à basse température apporte donc des informations sur sa composition.
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Exemple

Par exemple, le spectre du mercure est discontinu. On voit donc apparaître des « traits » lumineux sur le spectre d’absorption visible : deux dans le bleu, une jaune, deux orangées et une rouge.

Spectre d’émission du mercure 2nde Spectre d’émission du mercure

Pour obtenir ce spectre de raies, il faut exciter un gaz à l’aide de décharges électriques. La lumière émise est concentrée par une fente puis une lentille avant d’être dispersée à l’aide d’un prisme.

Montage pour obtenir un spectre d’émission (spectre de raies) 2nde

Spectre d’absorption

En modifiant légèrement ce montage, c’est-à-dire en éclairant du mercure gazeux sous faible pression au lieu de l’exciter, on obtient un spectre d’absorption.

Montage pour obtenir un spectre d’absorption (spectre de raies) 2nde

On remarque que ce spectre d’absorption est complémentaire de celui obtenu précédemment. Les longueurs d’ondes émises par le gaz excité à basse pression sont justement celles qui sont absorbées lorsqu’un faisceau lumineux traverse celui-ci.

Spectre d’absorption du mercure 2nde Spectre d’absorption du mercure

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Propriété

Principes physique : spectre d’absorption

On peut donc affirmer qu’une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu’elle est capable d’émettre. Par conséquent, les raies d’absorption permettent d’identifier une entité chimique présente dans un gaz.

À partir de ces informations, on peut étudier les radiations émises par une étoile et en déduire la composition gazeuse de son atmosphère ainsi que sa température.

Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile

Ces expériences et les principes physiques qui en découlent permettent aux scientifiques d’étudier la composition gazeuse de l’atmosphère des étoiles ainsi que leur température.

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Exemple

On prend comme exemple le profil spectral du Soleil.

Profil spectral du Soleil 2nde Profil spectral du Soleil

λmax\lambda _{max}, la longueur d’onde correspondant à la plus forte intensité lumineuse, permet de déduire la température à la surface de l’étoile.

  • Ici, elle avoisine les 480 nm. Cette valeur permet d’estimer que la température de surface du Soleil est d’environ 5 700 °C.

Les pics correspondent aux longueurs d’ondes des raies que l’on voit sur le spectre d’absorption.

Les longueurs d’ondes absorbées permettent de savoir quels gaz composent l’atmosphère solaire.

Les longueurs d’onde absorbées par l’atmosphère solaire permettent également de savoir qu’elle est principalement composée d’hydrogène (à hauteur de 73,5 %) et d’hélium (à hauteur de 25 %).