Spectres

B. M AHEU – 02/04 - 1
Travaux Pratiques DEUG SM1 et MIAS1 « Physique et Astronomie »
4. TP : Spectres d'émission et d'absorption
4.1. Préparation du TP
• Lire attentivement l'annexe (réglage du goniomètre)
4.2. Objectifs du TP
• Etalonner le spectromètre au moyen de lampes spectrales.
• Analyser les spectres d'émission de sources lumineuse et déterminer les longueurs d'onde des bandes
passantes de filtres colorés.
Attention : les objectifs et mesures de ce TP sont différents de ceux du TP sur le spectroscope (cf "Ondes et
physique expérimentale")
4.3. Evaluation
Pendant la séance : l’enseignant évalue la qualité de l'étalonnage du
spectromètre.
Après la séance : rédiger un compte rendu incluant les mesures et les
résultats clairement présentés et discutés.
4.4. Matériel
Matériel et données disponibles pour le TP :
• goniomètre BOUTY pour les mesures d'angles,
• système dispersif constitué d'un prisme,
• lampes spectrales (sodium, mercure, cadmium) avec leur alimentation
• lampe fluorescente
• filtres colorés
4.5. Réglage et étalonnage du spectromètre
Procéder au réglage du goniomètre et du prisme selon la méthode précisée en annexe.
Observer le spectre de raies d'émission de la lampe au mercure et orienter le prisme au minimum de
déviation D
m
car c'est au minimum de déviation que le stigmatisme est le meilleur.
D
m
Collimateur
Lunette

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Recherche expérimentale du minimum de déviation :
- Placer le prisme sur la plate-forme de façon à ce que l'arête choisie soit proche du centre de la
plate-forme et que les faces soient parallèles aux côtés du triangle formé par les vis U
1
, U
2
et U
3
.
- Tourner la plate-forme pour obtenir un petit angle d'incidence.
- Rechercher le spectre de raie à l'œil nu ou avec la lunette.
- Rechercher le minimum de déviation en augmentant progressivement l'angle d'incidence et en
suivant le spectre de raies avec la lunette.
- Parfaire le réglage en cherchant le minimum de déviation à l'aide des vis de réglage fin.
Faire vérifier.
Lorsque le minimum est obtenu, fixer la plate-forme. Pour toute la suite de l'expérience, on ne doit
plus modifier la position du prisme donc ne plus toucher à la plate-forme du prisme.
Procéder à l'étalonnage du spectromètre avec les lampes spectrales disponibles (Hg et Cd, dont les
longueurs d'ondes λ sont données dans le tableau ci-dessous. Pour cela relever les positions angulaires θ des
différentes raies observables en évaluant leur incertitude.
Lors du changement éventuel de lampes (chaudes) prendre bien soin de ne pas se brûler ni de faire
tomber la lampe spectrale. Ces lampes coûtent cher et ne résistent pas à la chute !
Placer les points de mesure avec leurs barres d'incertitude sur un graphique (abscisse λ / ordonnée θ )
puis tracer la courbe d'étalonnage
(
)
λ=θ f .
Lampe Couleur des raies Longueur d'onde (nm) Intensité (unité arbitraire)
rouge 623.4 30
doublet jaune 578.97 et 576.96 100 et 240
vert 546.07 1100
Mercure (Hg) bleu-vert 491.6 80
indigo 435.84 4000
violet 407.78 150
violet 404.66 1800
rouge 643.85 2000
Cadmium (Cd) vert 508.58 1000
bleu 479.99 300
indigo 467.82 200
4.6. Etude de spectres
Ne pas déplacer le prisme ni modifier les réglages du spectromètre afin d'utiliser la courbe d'étalonnage pour
étudier les spectres suivants.
4.6.1. lampe spectrale
Déterminer les longueurs d'onde des raies émises par la lampe à vapeur de
sodium (doublet jaune). Incertitudes.
4.6.2. filtres colorés
Avec la lampe à filament de tungstène, analyser la lumière transmise par les filtres. Les filtres sont
placés entre la source et la fente d'entrée du spectromètre, sur un statif à base rectangulaire maintenus dans le
faisceau par une pince. Réaliser la mesure pour au moins quatre filtres.
Décrire, pour chaque filtre, les bandes absorbées et estimer les longueurs
d'onde qui les délimitent (Indiquer couleur et numéro du filtre).
4.6.3. lampe fluorescente
Décrire le spectre d'émission de la lampe fluorescente (largeur et aspect,
longueur d'onde des raies les plus lumineuses, longueur d'onde des raies
extrêmes). Identifier un des éléments chimiques présent dans cette lampe.
Sur un graphique gradué en longueur d'onde, représenter les spectres (raies
et bandes) de chaque filtre et de la lampe fluorescente.

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Annexe : Réglage du goniomètre
BOUTY N°77000
L'appareil utilisé pour mesurer les angles est le goniomètre Bouty n°77000 (figure 1). Cet appareil sert à mesurer
des angles avec une précision de 30 secondes d'angle. On rappelle que 1° correspond à 60 minutes d'angle. Le
goniomètre est composé de :
- une plate-forme supportant le prisme,
- une lunette de visée et une lunette de lecture. L'ensemble (lunette de lecture + lunette de visée) est
solidaire d'un disque gradué en minutes permettant une lecture des angles à la demi minute près,
- un collimateur (fente verticale de largeur réglable et lentille)
Les angles sont lus dans la lunette de lecture. Le vernier est gradué en minutes. Exemple : lire 274° 14'
Figure 1 : Vue d'ensemble du goniomètre.
Pour pouvoir observer des spectres au travers du prisme, il est nécessaire de s'assurer que :
- l'axe optique de la lunette coïncide avec l'axe optique du prisme (il faut que les rayons lumineux qui
traversent le prisme entrent dans la lunette).
- la lunette soit réglée à l'infini (i) d'une part parce que les rayons lumineux provenant de la lampe et
traversant le collimateur puis le prisme sont parallèles entre eux pour une même raie (ceci est équivalent à
dire que l'objet est à l'infini); (ii) d'autre part parce que l'image des rayons lumineux que l'on observe dans
l'oculaire doit être à l'infini pour une raison de confort visuel. Pour le premier point, l'image A' des raies à
travers l'objectif doit être dans le plan focal image de l'objectif. Pour le second point, A' doit être dans le
plan focal objet de l'oculaire. L'œil observe donc une image A" à l'infini.
Les réglages sont réalisés comme indiqué dans les paragraphes suivants
4.7. Réglage des plates-formes (pré-réglage de la
coïncidence des axes optiques)
A l'aide du niveau à bulle:
- Rendre horizontale la plate-forme solidaire de la lunette en agissant sur les 2 vis calantes situées
sous l'appareil.
- Rendre horizontale la plate-forme supportant le prisme en plaçant les trois vis calantes U
1
, U
2
, U
3
à mi-course.
4.8. Réglage de la lunette à l'infini
60 50 40 30 20 10 0
273 274
objectif

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La lunette comprend un objectif, un oculaire et le réticule R (fils horizontal et vertical croisés). La source latérale
S (Figure 2) permet d'éclairer le réticule R à l'aide de la lame à faces planes et parallèles m, inclinée à 45° sur
l'axe de la lunette. Dans cette position, la lame à faces parallèles agit comme un miroir. Pour que la lame soit
dans cette position, il faut que le bouton D (Figure 3) soit dans la position 2.
Figure 2
Figure 3
Pour positionner le réticule dans le plan focal de l'oculaire :
- Régler le tirage de l'oculaire O
c
en tournant la bague moletée A (Figure 3) de façon à voir le
réticule aussi net que possible. Le réticule est alors dans le plan focal de l'oculaire (vous regardez
une image à l'infini du réticule. Cette position est la plus confortable pour l'œil car elle ne
nécessite pas d'accommodation).
- La couronne C (Figure 3) permet de modifier l'orientation du réticule.
Pour positionner le réticule dans le plan focal de l'objectif :
- Placer le prisme sur la plate-forme de façon à ce que l'arête choisie soit proche du centre de la
plate-forme et que les faces soient parallèles aux cotés du triangle formé par les vis U
1
, U
2
et U
3
.
- Faire tourner la plate-forme pour que la base du prisme soit face au collimateur.
- Fixer la plate-forme.
- Placer le bouton D en position 2 (position miroir de la lame à faces parallèles).
- Amener la lunette perpendiculairement à l'une des faces du prisme. Si elle est correctement placée,
vous devez voir dans la lunette un cercle ou une partie de cercle lumineux.
Si le réticule est exactement dans le plan focal de l'objectif, les rayons issus de R forment une image à
l'infini (les rayons sortent de l'objectif parallèles entre eux). Le prisme, placé dans cette position, joue le rôle d'un
miroir qui renvoie les rayons lumineux issus de l'objectif. Les rayons lumineux restent parallèles entre eux. Après
une nouvelle réfraction sur l'objectif, ils forment une image R' de R située dans le même plan que R (cf
autocollimation TP sur les lentilles minces, l'image de la mire et la mire forment un cercle dans le plan de la
diapositive).
En général, le réticule n'est pas exactement dans le plan focal de l'objectif. L'image R' de R n'est alors
pas dans le même plan que R. Elle apparaît floue.

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- Régler le tirage de la lunette à l'aide de la vis moletée B (Figure 3) jusqu'à ce que le réticule R et
son image R' soient nettes en même temps (Figure 4).
Le réticule est alors dans le plan focal de l'objectif et la lunette est réglée à l'infini. Vous pouvez
observer un objet à l'infini.
Figure 4
4.9. Réglage simultané de l'axe optique de la lunette et
du prisme
Si les axes optiques de la lunette et du prisme coïncident, les traits horizontaux du réticule R et de son image R'
doivent se superposer.
- Pour amener les traits verticaux de R et R' en coïncidence, déplacer latéralement la lunette.
- En ce qui concerne les traits horizontaux agir pour moitié sur la vis E de la lunette (Figure 3) et
pour moitié sur les vis U
1
, U
2
et U
3
de la plate-forme. Le premier mouvement agit sur le
déplacement de l'image, le second sur le déplacement de l'objet.
- Amener la lunette devant l'autre face polie du prisme et effectuer le même réglage.
- Revenir à la première face et corriger le léger déréglage en agissant toujours sur les différentes
vis.
- Répéter l'ensemble de ces opérations jusqu'à ce que le réticule et son image coïncident pour les
deux faces.
L'axe optique de la lunette et du prisme coïncident.
4.10. Réglage du collimateur
Pour que les rayons lumineux qui proviennent de la lampe à Mercure soient parallèles entre eux, on utilise un
collimateur (lentille).
- Brancher la lampe à Mercure.
- Eclairer la fente du collimateur à l'aide de la lampe spectrale.
- Amener le bouton D (Figure 3) en position 1 (on souhaite observer la lumière qui provient de la
lampe à mercure et non celle qui provient de la source latérale S).
- Enlever le prisme.
- Agir sur le tirage du collimateur (vis moletée) jusqu'à ce que l'on observe une image nette de la
fente dans la lunette.
La fente est alors dans le plan focal objet du collimateur. Les rayons lumineux sont parallèles entre eux.
- Régler la largeur de la fente pour qu'elle soit fine.
- Viser la fente à l'aide de la lunette (amener en coïncidence le fil vertical du réticule et la fente).
Rendre l'un des fils du réticule parallèle à la fente du collimateur en utilisant la vis moletée C
(Figure 3) .
R
R'