Chapitre 4 – Les spectres lumineux Cours I. Observation d`un

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Chapitre 4 – Les spectres lumineux
Cours
I. Observation d'un spectre lumineux
1) Introduction
Nous avons vu que la dispersion de la lumière par un prisme permet la
décomposition de la lumière blanche émise par le soleil et l'observation de son
spectre.
⇒ Le spectre d'une lumière est obtenu par la décomposition de cette lumière en
radiations monochromatiques.
On s'intéresse uniquement à la partie visible des spectres qui correspond aux
radiations de longueurs d'onde comprises entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge).
⇒ Un spectre lumineux est représenté par une bande rectangulaire qui représente
les couleurs correspondant aux radiations présentes dans le spectre.
⇒ A droite du spectre il y a les petites longueurs d'onde (λviolet=400 nm). A gauche
du spectre il y a les grandes longueurs d'onde (λrouge=800 nm).
2) Les spectroscopes
Pour former les spectres des lumières qu'ils veulent analyser, les physiciens utilisent
des spectroscopes. Il existe différents types de spectroscope: spectroscope à
prismes ou spectroscopes à réseaux.
⇒ Un spectroscope est un objet qui sépare les différentes radiations qui
composent une lumière pour observer son spectre.
⇒ Il existe des spectroscopes à prismes et des spectroscopes à réseaux optiques.
⇒ On appelle réseau optique un ensemble de fentes ou de traits gravés très
rapprochés qui disperse la lumière.
Remarque : un CD est gravé d'une multitude de traits très fins et très proches, c'est
un exemple de réseau et l'irisation que l'on perçoit est du à la décomposition de la
lumière par ce réseau de traits.
II. Les spectres d’émission
1) Les spectres de raies
a) Présentation
⇒ Un gaz d’atomes que l’on soumet à une décharge électrique ou que l’on porte à
haute température émet de la lumière.
⇒ Les atomes émettent une lumière composée uniquement de certaines
radiations.
⇒ Le spectre de la lumière émis par les atomes présente donc des raies fines
colorées : on dit qu’il s’agit d’un spectre d’émission de raies.
⇒ Les longueurs d'onde des radiations d’un spectre d’émission de raies sont
caractéristiques de l’élément chimique qui a émis cette lumière.
b) Observation
⇒ L'émission atomique dans des gaz à basse pression est utilisée dans les lampes à
décharge électrique aussi appelées lampes spectrales.
⇒ Un autre moyen de faire émettre de la lumière aux atomes est de les chauffer à
la flamme. Cette méthode peut être utilisée pour identifier certains éléments
chimiques grâce à la couleur de leur flamme. C'est le test de flamme.
2) Les spectres continus d'origine thermique
⇒ Un corps dense chauffé émet de la lumière dont le spectre est continu.
⇒ Un spectre d’origine thermique contient donc toute une large gamme de
couleurs.
⇒ Exemples : le filament d'une lampe à incandescence, les étoiles, les braises, la
lave, le métal en fusion.
Lorsque la température d’un corps augmente, le spectre de la lumière qu’il émet
en radiations violettes.
Les métallurgistes connaissent bien cet effet et ils savent que du métal chauffé
paraît d'abord rouge puis jaune et enfin blanc au fur et à mesure que sa
température augmente.
III. Les spectres d’absorption
1) Définition
⇒ Un spectre d'absorption est un spectre obtenu en analysant une lumière blanche
ayant traversé un milieu matériel.

2) Les spectres de raies en absorption
Nous avons vu que dans certaines conditions, un atome peut émettre certaines
radiations lumineuses. Dans d’autres conditions, cet atome pourra absorber ces
mêmes radiations lumineuses.
⇒ Un gaz d’atome traversée par de la lumière peut absorber certaines radiations.
⇒ Le spectre de la lumière blanche qui a traversé un gaz d’atomes est donc
composé de toutes les radiations sauf certaines qui ont été absorbées.
⇒ Les radiations absorbées apparaissent comme des raies noires que l’on appelle
des raies d’absorption.
⇒ Les raies d'absorption d'un élément chimiques sont situées aux mêmes longueurs
d'ondes que les raies d'émission de cet élément.
Un spectre d'absorption contient donc la signature des éléments chimiques que la
lumière blanche a traversé avant d'être analysée.
3) Les spectres d’absorption de bandes
⇒ Une solution colorée traversée par de la
lumière peut absorber certaines radiations
⇒ Le spectre de la lumière blanche qui a
traversé une solution colorée présente des
bandes d’absorption.
⇒ Ces bandes d’absorption apparaissent comme
des bandes noires et correspondent aux
radiations qui ont été absorbées.
⇒ La solution apparaît de la couleur
complémentaire de la couleur absorbée.
Exemple : Une solution de permanganate de potassium absorbe toutes les radiations
autour du vert-jaune : elle apparaît violette.
IV. Analyse spectrale de la lumière des étoiles
⇒ Voir le TP de physique n°6 sur l’étoile de Rigel
1) A quoi ressemble le spectre d'une étoile ? ( Livre p 220 à 223 )
⇒ La photosphère des étoiles est une région chaude qui émet un rayonnement
thermique dont le spectre est continu.
⇒ En traversant l’atmosphère de l’étoile, certaines radiations de la lumière sont
absorbées par les atomes présents dans cette région.
⇒ Le spectre d’une étoile présente donc des raies noires d’absorption sur un fond
continu.
2) Quelles informations le spectre d'une étoile contient-il ?
a) Température de surface de l'étoile :
⇒ Grâce au fond continu du spectre, on peut déterminer la température de
surface de l’étoile.
⇒ Plus une étoile est chaude, plus son spectre s'étend vers le violet.
⇒ La couleur des étoiles dépend de leur température.
> 10 000°C : bleutée (les plus chaudes)
8000°C : blanche
5500°C : jaune (Soleil)
3000°C : rouge (étoiles les plus froides)
Loi de Wien
Une relation existe entre la longueur
d'onde de la radiation la plus intense
du spectre et la température θ du
solide en degré kelvin :
T(en K ) = 273 + θ( en °C)
Avec constante = 2,9 106 nm.K C'est la loi de Wien.
Exemple : la radiation la plus intense du spectre du soleil a pour longueur d’onde
λmax = 460 nm.
Quelle est la température de la surface du soleil ?
T = 2.9 106 nm.K / 460 nm = 6300 K θSoleil = 6000°C environ
b) Composition chimique de l'étoile :
⇒ Grâce aux raies d’absorption, on peut déterminer, la composition de
l’atmosphère de l’étoile.
⇒ Les raies d'absorption présentes dans le spectre d'une étoile sont
caractéristiques des éléments chimiques que la lumière a traversé avant d'être
analysée et permettent donc d’en déterminer la nature.
Intensité de l
lumière
a
Longueur
d'onde
λ
M
AX
Rouge Bleu
λ
m
T = constante