Lumières émises par les corps chauds 02 Les spectres lumineux

Partie 2 / Les couleurs de la lumière et de la matière
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Lumières émises par les corps chauds
02
Type d’activité :
Séance de cours
► Nous sommes entourés de diverses sources de lumière, les étoiles et les lampes utilisées dans la
vie courante : lampe à incandescence (lampes de chevet), lampe fluorescente (lampes à « économie
d’énergie » des plafonniers des maisons, « néons » des salles de classes), lampe halogène, lampe à
vapeur de sodium (éclairage public)…
▪ Pour observer les lumières émises par ces sources de lumières, on
dispose, en premier de notre œil, mais également de prismes, de
réseaux, de spectroscopes (dispositifs plus complets, comportant une
fente et un réseau, ou éventuellement un prisme)
Les spectres lumineux
▪ Newton a constaté qu’en éclairant un prisme avec
de la lumière blanche, celle-ci sortait du prisme en
étant déviée et qu’elle se décomposait en lumières
de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. Il en a déduit
que la lumière blanche est composée de toutes
ces couleurs et que le prisme a pour effet de les
séparer.
▪
La
lumière
blanche
est
une lumière
polychromatique,
c’est-à-dire
composée
de
plusieurs couleurs. Le phénomène de décomposition des couleurs par un prisme est appelé dispersion de la lumière.
▪ La figure colorée obtenue s’appelle un spectre.
▪ On distingue essentiellement deux catégories de spectres lumineux:
 Les spectres d'émissions qui sont les spectres de la lumière émise par une source lumineuse
(ces spectres nous donnent des informations sur la source lumineuse elle-même, sa nature, sa température)
 Les spectres d'absorption qui sont les spectres de la lumière ayant traversé de la matière (ces
spectres nous donnent des informations sur la matière traversée par une lumière)
▪ La discipline qui étudie les spectres lumineux est appelée spectroscopie: c’est un outil puissant pour
les astrophysiciens, qui permet d’approfondir la connaissance de l’homme sur l’Univers cosmique, grâce
aux messages lumineux qu’il reçoit de lui.
La longueur d’onde
▪ Chaque couleur du spectre (= radiation) est caractérisée par une grandeur appelée longueur d’onde
et notée  (exprimée le plus souvent en nm : 1 nm = 10-9 m)
▪ Les lumières visibles ont des longueurs d’onde comprise entre environ 400 et 800 nm
violet
bleu
vert
jaune
orange
rouge
400  425 nm
425  500 nm
500  550 nm
550  600 nm
600  650 nm
650  800 nm
Remarque
On caractérise les radiations également par leur fréquence, notée (Hz), telle que c     où
c représente la célérité de la lumière c = 3,0.108 m.s-1
Lumière émise par les corps chauds
▪ Lorsque l’on observe le filament d’une lampe à l’aide d’un spectroscope, on remarque que le spectre
continu change lorsque la température du filament change.
 Lorsque que le filament est fortement chauffé, il émet une lumière vue blanche par l’œil et dont le
spectre contient toutes les couleurs du spectre visible.
 Lorsque que le filament est faiblement chauffé, il émet une lumière vue rouge par l’œil et dont le
spectre contient principalement les couleurs rouge et orange.
► Un corps fortement chauffé émet une lumière qui dépend de la température du corps
► Observée à l’aide d’un dispositif spectroscopique, la lumière donne un spectre continu
► Plus la température du corps est élevée, et plus son spectre d’émission s’enrichit en couleurs
de petites longueurs d’ondes (couleurs bleues et violettes)
La loi de wien
▪ Comme vu précédemment, un corps chaud émet de
la lumière dont le spectre est continu, mais toutes les
radiations du spectre ne sont pas émises avec la
même intensité lumineuse.
Pour étudier plus en profondeur la lumière émise par
une source lumineuse, on ne peut pas se contenter de
l’observation de son spectre. On utilise son profil
spectral (relevé par des détecteurs électroniques).
Ce profil spectral est une courbe représentant
l’intensité de la lumière émise par la source en
fonction de la longueur d’onde.
 Le graphe suivant représente l’intensité lumineuse
des radiations émises en fonction de la longueur
d’onde pour des corps de températures différentes. On
appelle M, la longueur d’onde de la radiation émise
avec la plus grande intensité lumineuse.
 Ainsi un corps ayant une température de 4500 K (≈ 4770°C) émet une lumière dont la radiation la
plus intense a une longueur d’onde d’environ 650 nm
► En 1893, le physicien allemand Wien, a proposé une loi qui relie la température T (en kelvin K)
d’un corps chaud à la valeur de la longueur d’onde λM (en m) de la radiation la plus intense :
 M  T  2,9.10 3 m.K
Remarque
La loi de Wien donne max et non la couleur d’un corps.
Information
Le Kelvin est l’unité du système international de la température.
La température T en Kelvin est reliée à la température  en °C par la relation : T =  + 273,15
Applications
1) Calculer la longueur d’onde de la radiation lumineuse la plus intense pour les corps ayant les températures suivantes : T = 4500 K et T = 5500 K
2,9.10 3
T
2,9.10 3
Lorsque T = 4 500 K   M 
 6,4.10-7 m = 640 nm
4500
2,9.10 3
Lorsque T = 5 500 K   M 
 5,3.10-7 m = 530 nm
5500
 M  T  2,9.10 3 m.K   M 
2) Calculer la longueur d’onde de la radiation lumineuse la plus intense émise par le corps humain à
37°C ; dans quel domaine se situe cette radiation ?
 = 37°C  T = 310,15 K
M 
2,9.10 3
2,9.10 3 2,9.10 3
M 

 9,4.10-6 m = 9400 nm
T
T
310,15
Cette longueur d’onde se situe dans le domaine des infrarouges
3) Rigel est une étoile de la constellation d’Orion qui émet une lumière bleutée. La longueur d’onde correspondant au maximum d’émission est dans le domaine ultraviolet et vaut 210 nm.
T
2,9.10 3
2,9.10 3

 1,4.104 K
M
210.10 9