- Qu’est-ce qu’un spectre ?
- Le spectroscope
- Spectre d’émission
- Spectre d’émission de raies
- Spectre d’émission continu
- Spectre d’absorption
Qu’est-ce qu’un spectre ?
Définition: Le spectre d’une lumière correspond à l’ensemble des lumières “pures” qu’elles contient, chacune de ces lumières “pures” étant caractérisée par sa couleur (s’il s’agit de lumière visible) et par sa longueur d’onde.
Le spectre peut être visualisé:
- le plus souvent sous forme d’une bande ou apparaissent toute les lumières colorée présentes disposées sur un axe horizontale de longueurs d’onde croissantes (par conséquents les lumières violettes sont à gauche et les rouge à droite)
- sous forme d’un graphique appelé profil spectral présentant l’intensité lumineuse (en ordonnée) en fonction de la longueur d’onde (en abscisses) mais ce type de représentation surtout utilisé en astrophysique pour analyser la lumière des étoiles
Le spectroscope
Un spectroscope est un appareil qui permet de visualiser un spectre soit par projection sur un écran soit par vision directe.
Il repose sur l’utilisation d’un système dispersif qui provoque une déviation de la lumière suivant un angle qui dépend de sa longueur d’onde, un tel système est général soit:
- un réseau qui est une surface aux stries très rapprochées exploitant le phénomène diffraction (abordé en terminale S)
- un prisme dont la matière possède un indice de réfraction dépendant de la longueur d’onde ce qui (en vertu de la loi de Descartes de la réfraction n1sin(i1)=n2sin(i2)) conduit à des déviations successives séparant les différentes lumières colorées.
Un spectroscope associe en général une série d’autres éléments d’optique à ce système dispersif tels qu’un diaphragme et des lentilles.
Spectre d’émission
Il s’agit du spectre de la lumière émise par une source, on distingue les spectres d’émission de raie et les spectres d’émission continus.
Spectre d’émission de raie
Les spectres d’émissions de raies sont, comme leur nom l’indique, constitués de raies lumineuses coïncidant chacune avec une longueur d’onde donnée. Les lumières possédant ce type de spectre sont en général obtenues par excitation électrique d’un gaz qui peut être par exemple de la vapeur de mercure ou de sodium. En appliquant une tension élevée entre deux électrodes séparées par un tel gaz on obtient une émission lumineuse (comme lors d’un éclair !) au cours de laquelle l’énergie électrique est convertie en énergie lumineuse. Pour ne pas obtenir un simple flash lumineux mais une émission continue, les tensions appliquées au électrodes sont alternatives.
Les raies qui constituent ce type de spectre sont caractéristiques de l’élément chimique qui émet la lumière: à chaque élément correspond une raie donnée (et sa longueur d’onde) ou une série de raies.
Inversement: l’observation d’une série de raies donnée permet d’identifier l’élément chimique émetteur.
Remarque
Si un spectre ne comporte qu’une seule raie colorée alors la lumière est monochromatique, s’il y a plusieurs raies alors la lumière est polychromatique.
Spectre d’émission continu
Un spectre d’émission continu est constitué d’une bande “complète” de lumières colorées qui peut correspondre à la totalité des lumières visibles où seulement à une partie. Cette “bande” de lumière couvre un intervalle complet de longueur d’onde et pas seulement des valeurs distinctes comme celles des lumières ayant un spectre d’émission de raies.
La répartitions des lumières colorées d’un tel spectre est donc continue cependant cette répartition n’est pas uniforme, certaines longueurs d’ondes sont “davantage” présentes que d’autres et les les lumières colorées correspondante présentent une intensité lumineuse plus importante.
Chaque spectre continue comprend une longueur d’onde (notée souvent λmax) pour laquelle l’intensité lumineuse est maximale et cette valeur est directement liée à la température de la source, plus la source d’émission a une température élevée et plus la valeur λmax est faible par conséquent:
Un spectre continu riche en lumière violette-bleu (donc en faible longueur d’onde) correspond donc à une lumière émise par une source de température supérieure à celle dont la lumière présente un spectre incluant davantage de longueur d’onde élevées (vers le rouge).
La relation entre température et la valeur λmax est décrite précisément par la loi de Wien abordée en première S, elle établit une relation qui permet de déduire λmax de la valeur de température de la source et inversement.
Les lumière possédant un spectre continu sont émise par des sources à haute température opérant de manière permanente une conversion d’énergie thermique en énergie lumineuse, c’est que l’on pourrait appeler des sources chaude, on peut citer par exemple, de lave en fusion, une flamme, le filament d’une lampe à incandescence, le Soleil…)
Spectre d’absorption
Un spectre d’absorption est constitué des lumières colorées du spectre visible mais comporte des ligne sombres (des raies noires) coïncidant avec certaines longueur d’onde.
Lorsqu’une lumière au spectre continu traverse un milieu matériel ( un gaz par exemple) alors les éléments chimiques de ce milieu absorbent certaines longueurs d’onde et il en résultat une lumière possédant un spectre d’absorption où chaque raie noire est causée par l’absorption d’un élément chimique se trouvant sur le trajet de la lumière.
Les différentes séries de raies noire d’un spectre d’absorption sont caractéristique d’un élément chimique: ce sont des raie associée à la même longueur d’onde que les raie colorées présentent dans le spectre d’émission de l’élément chimique.
Les lumières qu’un éléments chimique peut émettre sont aussi celles qu’il peut absorber par conséquent un spectre d’absorption, tout comme un spectre d’émission de raie permet d’identifier l’élément qui en est la source.