Fiche de physique - chimie
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Spectre lumineux

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Pré requis
Dans ce chapitre nous ferons appel essentiellement à tes connaissances sur les ordres de grandeur et les longueurs d'onde.

Enjeu
Il faut être capable à l'issu de ce chapitre de comprendre les spectres d'émission et les spectres d'absorption.

I Couleur et spectre de la lumière blanche

1. Radiation monochromatique

Vocabulaire: monochromatique veut dire " une seule couleur ".

On appelle radiation monochromatique un rayon de couleur précise, qui n'est pas dispersé par le prisme.

Exemples :
la lumière du laser Helium - Neon est une lumière monochromatique ;
la lumière du Soleil est une lumière polychromatique

2. longueur d'onde associée à une radiation monochromatique

On associe à chaque radiation monochromatique une grandeur appelée longueur d'onde dans le vide. On la note lambda (lambda) et elle s'exprime en mètres.

Exemple : la lumière rouge du laser Hélium - Néon correspond à une longueur d'onde précise de
lambda = 632 nm = 6,32.10-7 m.

3. Le spectre

Le spectre d'une source lumineuse est sa composition en différentes radiations monochromatiques (i.e. en différentes couleurs). C'est ce que l'on obtient sur un écran après dispersion par le prisme.

Le spectre représente les radiations monochromatiques en fonction de leur longueur d'onde.

Spectre lumineux, cours phyisque seconde : image 1


Remarque : Le prisme n'est pas le seul système permettant de disperser les couleurs d'une lumière polychromatique

4. Partie visible et invisible du spectre de la lumière blanche

L'oeil humain est sensible à la lumière visible, celle dont les radiations ont des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 800 nm. Pour des longueurs d'onde inférieures à 400 nm, on parle de radiations ultraviolettes (elles sont responsables des coups de soleil). Pour des longueurs d'onde supérieures à 800 nm, on parle de radiations infrarouges (elles donnent la sensation de chaleur au Soleil). Au delà du domaine infrarouge et du domaine ultraviolet, il existe encore d'autres domaines de longueurs d'onde invisibles à l'oeil.

Spectre lumineux, cours phyisque seconde : image 2


II Spectre d'émission et spectre d'absorption

1. Spectre d'émission


Spectre continu Les spectres continus sont issus de corps incandescents (i.e. qui sont tellement chauffés qu'ils émettent de la lumière visible).

Exemples : braises, fer porté au rouge, filament d'une lampe à incandescence,...

Un corps chauffé émet un rayonnement thermique contenant toutes les longueurs d'onde possibles.

Son spectre dépend uniquement de sa température, et pas de sa nature. Plus le corps est chaud, plus son spectre s'enrichit en couleurs bleues et violettes.

Spectre de raies Les spectres de raies sont issus de gaz excités (par des décharges électriques, par exemple) : un gaz chaud, à basse pression, émet un rayonnement uniquement pour certaines longueurs d'onde bien spécifiques. Le spectre de raies est caractéristique de l'élément chimique contenu dans l'ampoule de gaz.

Exemples : lampe au néon, lampe à vapeur de mercure, lampe à vapeur de sodium

2. Spectre d'absorption

Un gaz froid, à basse pression, s'il est situé entre l'observateur et une source de rayonnement continu, absorbe certaines longueurs d'onde uniquement. On observe alors un spectre de raies d'absorption. Les objets transparents colorés (filtres, solutions,...) absorbent de grandes zones de couleurs. On observe alors un spectre de bandes d'absorption.

3. Comparaison des deux

Exemple : spectre de raies d'émission et spectre de raies d'absorption du sodium.
ces deux spectres sont complémentaires. Une espèce chimique ne peut absorber une longueur d'onde que si celle-ci est présente dans son spectre d'émission. Ce phénomène est parfois appelé inversion des raies.

II. l'astrophysique

Avant de nous parvenir, la lumière émise par la surface chaude d'une étoile (spectre thermique continu) traverse l' "atmosphère" de l'étoile, qui l'entoure. On peut analyser cette lumière pour obtenir son spectre.

1. Eléments présents dans l'atmosphère

Les éléments chimiques présents dans l'atmosphère de l'étoile absorbent certaines radiations lumineuses. Cela se traduit par des raies sombres dans le spectre de l'étoile.

Sur le profil spectral, on observe donc des minima d'intensité lumineuse pour les longueurs d'onde correspondantes. Ces raies d'absorption sont caractéristiques des éléments présents dans l' "atmosphère de l'étoile".

On peut donc identifier les éléments présents dans l' "atmosphère de l'étoile" à partir des raies d'absorption du spectre. Les étoiles ont été réparties en classes spectrales en fonction des raies d'absorption présentes dans leur spectre. On sait maintenant que les classes spectrales correspondent à des stades de l'évolution des étoiles.

2. Température à la surface de l'étoile

Nous avons vu qu'un corps chaud émet un spectre thermique continu, qui ne dépend que de la température de l'objet, et pas de sa nature.

Ainsi, une étoile, qui est une boule de gaz très chaud, émet un spectre thermique. L'allure globale du profil spectral dépend de la température de surface de l'étoile.

La longueur d'onde du maximum d'intensité lumineuse, notée lambdamax, est d'autant plus petite que la température de surface de l'étoile est élevée.

Ainsi, la couleur apparente de l'étoile nous indique sa température de surface : une étoile bleue est plus chaude qu'une étoile rouge
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