1 Obtention d`un spectre, prisme et réseau

ENS Lyon
Préparation à l'Agrégation de Chimie
20092010
TP Optique
Diraction par un réseau et spectroscopie
AC Lundi 22 novembre 2009
OPTIQUE 4
Diraction par un réseau et spectroscopie Ce fascicule vous présente les diérentes manip' qui seront à faire lors de la séance de TP Optique 4.
Il y a beaucoup de questions, vous aurez en sortant de TP un autre fascicule, complet, avec toutes les
réponses. Le but est que vous cherchiez par vous même les réponses an de retenir ce qui sera écrit dans
le deuxième fascicule. Pensez à utiliser des livres, vous les aurez, eux, lors de l'agreg, pas les fascicules.
Bibliographie :
Le SEXTANT : la bible pour les manip' d'optique. Sont très bien traitées la diraction, de la fente
au réseau blazé ; La spectroscopie : de l'obtention d'un spectre par le PVD à la fabrication d'un
spectroscope à réseau.
Le Grecias de BCPST2 : il y a un chapitre décrivant très bien le réseau, le pouvoir de résolution,etc.
D'autant plus que la leçon associée au réseau est de niveau BCPST2.
Le H-prépa Optique ondulatoire 2ème année MP-PC-PSI : présente les calculs des intensités diffractées ainsi qu'un TP cours sur le spectroscope à réseau.
Le livre de richard Taillet : Optique Physique.
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Obtention d'un spectre, prisme et réseau
1.1 Montage rigoureux et montage pratique
Le spectre d'une source est en fait l'image de cette source par un objet `diusant' ou diractant (le
réseau ou le prisme). On doit donc en premier lieu réaliser le même montage que celui fait pour obtenir
l'image de diraction dans les conditions de Fraunhoer lors du TP diraction et interférences.
Rappelez ce montage
Comment doit on choisir les lentilles pour observer un grandissement correct sur l'écran ?
On peut reconnaître dans ce montage les diérents éléments du spectroscope à fente :
Le collimateur
L'élément dispersif
La lunette ou le dispositif optique de projection
Quelles sont leur utilités respectives ? Comment doit on choisir les diérentes lentilles ?
On peut faire un montage plus simple (comme en diraction) avec une seule lentille. Précisez et
justiez le montage.
Où doit-on placer le réseau ? Le prisme à vision directe ?
1.2 Utilisation d'un prisme
Réalisez successivement chacun des 2 montages en utilisant un prisme à vision directe et une lampe
QI comme source lumineuse.
Comment doit-on régler le condenseur de la QI ?
Qu'est ce qu'un prisme à vision directe ?
Pourquoi l'image change-t-elle quand on retourne le PVD ?
Remplacer la lampe QI par une lampe à vapeur de mercure. Doit-on ajouter un élément au montage ? Repérer les raies et mesurer leur position sur l'écran. Tracez la loi X = f (λ). Que constatet-on ?
1.3 Utilisation d'un réseau
Remplacer le prisme par un réseau, repérer les raies et mesurer leur position sur l'écran.
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Tracez la loi X = f (λ). Que constate-t-on ?
Observez la gure obtenue avec le réseau à 100 traits par mm de la plaquette beige, qu'observe-ton ? À quoi est-ce dû ?
1.4 Comparaison prisme et réseau
prisme
réseau
2
Luminosité
Linéarité
Dispersion
Usage
Étude expérimentale d'un réseau
2.1 Passage de la fente au réseau
Observez avec une diode laser la gure de diraction d'une fente. Rappelez l'expression de la
répartition de l'intensité lumineuse.
Observez alors l'intensité diractée par les fentes doubles (fentes d'Young).
Retrouvez les contributions de la fente et du pas entre les 2 fentes.
Qu'appelle-t-on facteur de structure ? Qu'appelle-t-on facteur de forme ?
Observez alors l'intensité diractée par 3,4,6 fentes. Comment relie-t-on le nombre de minima et
de maxima secondaire au nombre de fentes ?
Généralisez alors avec la gure des 16 fentes et le réseau.
Quel lien peut-on faire avec la diraction des rayons X par un cristal ?
Redonnez la formule des réseaux en transmission. Que faut-il changer pour obtenir la formule des
réseaux en reexion ?
Que se passe-t-il quand on change la direction des fentes ? Si on remplace le trou source par une
fente source, comment faut-il orienter cette dernière ? Pourquoi ?
Avec un réseau moyen, vériez en incidence normale la formule des réseaux. En déduire une estimation de a, pas entre 2 fentes.
Combien y a-t-il d'ordres/de spectres avec un réseau ? Rappelez la notion d'ordre de diraction.
Faites tourner le réseau sur lui même (pour changer l'angle d'incidence), qu'observe-t-on pour
l'ordre 0 ? À quoi correspond-il ? Qu'observe-t-on pour les ordres suivants ? Mettre en évidence
avec un réseau assez dispersif l'existence d'un minimum de déviation.
2.2 Minimum de déviation et mesure absolue des longueurs d'onde
Rappelez la relation entre les angles d'incidence et d'émergence de l'excitation lumineuse à λ à
l'ordre k .
Quelle est alors la relation entre la déviation minimale à une longueur d'onde et un ordre donnés
et la longueur d'onde ?
Montez alors le montage de formation rigoureux d'un spectre sur le goniomètre, et mesurez les
longueurs d'ondes de la lampe au cadmium. Estimez vos barres d'erreurs.
2.3 Formule des réseaux approchée et mesure de longueur d'onde
Retrouvez à l'aide du montage approché et de la formule des réseaux en incidence normale les
longueurs d'onde de la lampe au mercure.
2.4 Ecacité dispersive : e
k
=
∂θk
∂λ i
Rappelez l'expression de l'ecacité dispersive en fonction de k, a, i.
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Spectroscopie
3.1 Construction d'un spectroscope
Dans un spectroscope industriel, l'écran est remplacé par une barrette de CCD comme Caliens (ce
que l'on va faire pour le TP), ou alors le réseau est monté sur une platine tournante, il y a ensuite une
fente de sortie puis un capteur CCD.
Fabriquez un spectroscope
Rappelez la dénition du pouvoir de résolution
Qu'appelle-t-on pouvoir de résolution intrinsèque ? Calculez le pour un réseau de 300 traits par
mm placé dans votre montage.
Mettre en évidence la limitation du pouvoir de résolution à cause de la fente d'entrée avec le réseau
(300 traits par mm) et le doublet jaune du mercure.
Quels sont les autres phénomènes limitant le pouvoir de résolution ?
Au nal, peut-on espérer résoudre le doublet du sodium ?
Pour une analyse ne des raies, quelles techniques envisager ?
3.2 Spectre d'absorption d'une solution de permanganate de potassium. Loi
de Beer Lambert
Rappelez le phénomène à l'origine de la couleur violette de la solution de permanganate de potassium. Observez le spectre.
Comment peut on remonter à la cencentration en soluté de la solution ? Quel capteur doit-on
utiliser pour faire cette mesure ? Pourquoi ?
3.3 Spectre d'émission de la lampe à hydrogène
Quel est le phénomène à l'origine du spectre de raies de l'hydrogène ?
Qu'est ce que la série de balmer ? Quelle est son importance historique ? Comment retrouve-t-on
la constante de Rydberg ?
3.4 Applications
Trouvez des applications de la spectroscopie dans diérents domaines des sciences.
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