Cours - PhyZik

Chapitre 12
Analyse de la lumière
I – Caractérisation de la lumière blanche
Expérience :
La lumière blanche est composée d’une infinité de radiations monochromatiques (multitude de « couleurs »). Un
réseau dévie les rayons lumineux et disperse la lumière blanche : les différentes radiations monochromatiques dont
elle est formée sont déviées différemment.
La radiation la plus déviée est rouge, la moins déviée est violette. On obtient un spectre :
A toute radiation monochromatique correspond une longueur d’onde notée λ (lambda) qui s’exprime souvent en
nanomètres nm = 10-9m :
Exemple : λviolet = 400 nm
Description du spectre : Spectre d’émission (issu d’une source lumineuse), continu (pas d’interruptions) et d’origine
thermique (filament de l’ampoule)
II – Effet d’une variation de température
Exemples de corps chauffés à différentes T :
Tout corps chauffé à une température suffisante émet de la lumière.
Le spectre de la lumière émise par un corps chauffé est un spectre d’origine thermique.
Le corps peut être un solide, un liquide que l’on chauffe ou un gaz fortement comprimé.
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Résultats importants :
 Les spectres d’origine thermique sont des spectres continus.
 Lorsque la température augmente, le spectre devient de plus en plus lumineux et s’enrichit de couleurs
vertes, bleues puis violettes. Il s‘étale vers les courtes longueurs d’onde.
III – Autres spectres d’émission
Utiliser le spectromètre à fibre optique pour l’observation du LASER , Hg et Na
LASER light amplification by stimulated emission of radiation
Une seule raie c’est à dire une seule radiation apparait sur le spectre:
Spectre d’émission monochromatique (632,8nm)
Lampes à gaz ionisé :
Mercure Hg
Spectre d’émission, discontinu et polychromatique
Sodium Na
Spectre d’émission, discontinu et quasi monochromatique
IV – Spectres d’absorption
C’est un spectre observé après traversée de la lumière sur un élément absorbant (solution, gaz).
1) Cas d’un gaz
- Quel est le spectre observé avant de placer le sodium en combustion ? Spectre continu
- Quelle modification observe-t-on lorsque l'on interpose la flamme jaune du sodium dans le faisceau de lumière
blanche ? raie noire dans la partie jaune du spectre continu
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- Comparer avec le spectre d'émission du sodium. Conclure.
Spectre de raie d’absorption du Na
Spectre de raie d’émission du Na
Lorsqu’un gaz à basse température est traversé par de la lumière blanche, le spectre de la lumière obtenue est
constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c’est un spectre de raies
d’absorption. Le gaz absorbe les radiations qu’il serait capable d’émettre s’il était chaud. Pour un même élément, les
raies d’émission (dans le spectre d’émission) et d’absorption (dans le spectre d’absorption) ont les mêmes longueurs
d’onde.
2) Cas d’une solution colorée
Faire le montage sur le rétroprojecteur avec le permanganate de potassium et le sulfate de cuivre
Quel est le spectre observé avant de placer la cuve ? Spectre continu
Quelle modification observe-t-on lorsque l'on interpose la cuve dans le faisceau de lumière blanche? Bande noire
dans la partie bleue-verte du spectre continu
Reprendre l'expérience avec une solution de sulfate de cuivre ou de dichromate de potassium. Conclure. Bande
noire dans la partie rouge et bande noire dans la partie bleue-violette
Lorsqu’une solution colorée est traversée par de la lumière blanche, le spectre de la lumière obtenue présente des
bandes noires sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c’est un spectre de bandes d’absorption. Ce
spectre est caractéristique de la substance dissoute.
Une entité chimique (atome, ion ou molécule) ne peut absorber que les radiations qu’elle est capable d’émettre.
Son spectre d’absorption permet donc également de la caractériser.
V – Application à l’astrophysique
1) Composition du Soleil
La lumière émise à la surface d’une étoile est celle d’un corps incandescent (6000°C en surface et 15 millions au
centre du soleil), son spectre est continu.
En réalité, le spectre (par longueurs d’ondes décroissantes) observé à l’extérieur du soleil pour la première fois par
Fraunhofer 1814 est le suivant :
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Comment qualifier ce spectre ? Spectre de raies d’absorptions
Dans quelle partie du soleil y a-t-il absorption de certaines radiations ? Dans l’atmosphère du Soleil
A quoi correspond chaque raie d’absorption ? Les radiations manquantes sont absorbées par une entité présente
dans l’atmosphère du Soleil.
Que prouve ce spectre ? Il montre que l’atmosphère du soleil est constituée de nombreuses entités chimiques.
Par comparaison avec les spectres d’émission des différents éléments chimiques, l’analyse des raies d’absorption
nous enseigne sur la composition de l’atmosphère d’une étoile.
2) Température d’une étoile
Le spectre d’une étoile ne dépend pas uniquement des entités chimiques présentes dans son atmosphère. Il dépend
aussi de sa température :
Type spectral
Température superficielle (K)
O
> 25 000
B
11 000 - 25 000
A
7 500 - 11 000
F
6 000 - 7 500
G
5 000 - 6 000
K
3 500 - 5 000
M
< 3 500
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