4. TP : Spectres d'émission et d'absorption

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1 B. MAHEU 02/ TP : Spectres d'émission et d'absorption 4.1. Préparation du TP Lire attentivement l'annexe (réglage du goniomètre) 4.2. Objectifs du TP Etalonner le spectromètre au moyen de lampes spectrales. Analyser les spectres d'émission de sources lumineuse et déterminer les longueurs d'onde des bandes passantes de filtres colorés. Attention : les objectifs et mesures de ce TP sont différents de ceux du TP sur le spectroscope (cf "Ondes et physique expérimentale") 4.3. Evaluation Pendant la séance : l enseignant évalue la qualité de l'étalonnage du spectromètre. Après la séance : rédiger un compte rendu incluant les mesures et les résultats clairement présentés et discutés Matériel Matériel et données disponibles pour le TP : goniomètre BOUTY pour les mesures d'angles, système dispersif constitué d'un prisme, lampes spectrales (sodium, mercure, cadmium) avec leur alimentation lampe fluorescente filtres colorés 4.5. Réglage et étalonnage du spectromètre Procéder au réglage du goniomètre et du prisme selon la méthode précisée en annexe. Collimateur D m Lunette Observer le spectre de raies d'émission de la lampe au mercure et orienter le prisme au minimum de déviation D m car c'est au minimum de déviation que le stigmatisme est le meilleur.

2 B. MAHEU 02/04-2 Recherche expérimentale du minimum de déviation : - Placer le prisme sur la plate-forme de façon à ce que l'arête choisie soit proche du centre de la plate-forme et que les faces soient parallèles aux côtés du triangle formé par les vis U 1, U 2 et U 3. - Tourner la plate-forme pour obtenir un petit angle d'incidence. - Rechercher le spectre de raie à l'œil nu ou avec la lunette. - Rechercher le minimum de déviation en augmentant progressivement l'angle d'incidence et en suivant le spectre de raies avec la lunette. - Parfaire le réglage en cherchant le minimum de déviation à l'aide des vis de réglage fin. Faire vérifier. Lorsque le minimum est obtenu, fixer la plate-forme. Pour toute la suite de l'expérience, on ne doit plus modifier la position du prisme donc ne plus toucher à la plate-forme du prisme. Procéder à l'étalonnage du spectromètre avec les lampes spectrales disponibles (Hg et Cd, dont les longueurs d'ondes λ sont données dans le tableau ci-dessous. Pour cela relever les positions angulaires θ des différentes raies observables en évaluant leur incertitude. Lors du changement éventuel de lampes (chaudes) prendre bien soin de ne pas se brûler ni de faire tomber la lampe spectrale. Ces lampes coûtent cher et ne résistent pas à la chute! Placer les points de mesure avec leurs barres d'incertitude sur un graphique (abscisse λ / ordonnée θ) puis tracer la courbe d'étalonnage = ( λ) θ f. Lampe Couleur des raies Longueur d'onde (nm) Intensité (unité arbitraire) rouge doublet jaune et et 240 vert Mercure (Hg) bleu-vert indigo violet violet rouge Cadmium (Cd) vert bleu indigo Etude de spectres Ne pas déplacer le prisme ni modifier les réglages du spectromètre afin d'utiliser la courbe d'étalonnage pour étudier les spectres suivants lampe spectrale Déterminer les longueurs d'onde des raies émises par la lampe à vapeur de sodium (doublet jaune). Incertitudes filtres colorés Avec la lampe à filament de tungstène, analyser la lumière transmise par les filtres. Les filtres sont placés entre la source et la fente d'entrée du spectromètre, sur un statif à base rectangulaire maintenus dans le faisceau par une pince. Réaliser la mesure pour au moins quatre filtres. Décrire, pour chaque filtre, les bandes absorbées et estimer les longueurs d'onde qui les délimitent (Indiquer couleur et numéro du filtre) lampe fluorescente Décrire le spectre d'émission de la lampe fluorescente (largeur et aspect, longueur d'onde des raies les plus lumineuses, longueur d'onde des raies extrêmes). Identifier un des éléments chimiques présent dans cette lampe. Sur un graphique gradué en longueur d'onde, représenter les spectres (raies et bandes) de chaque filtre et de la lampe fluorescente.

3 B. MAHEU 02/04-3 Annexe : Réglage du goniomètre BOUTY N L'appareil utilisé pour mesurer les angles est le goniomètre Bouty n (figure 1). Cet appareil sert à mesurer des angles avec une précision de 30 secondes d'angle. On rappelle que 1 correspond à 60 minutes d'angle. Le goniomètre est composé de : - une plate-forme supportant le prisme, - une lunette de visée et une lunette de lecture. L'ensemble (lunette de lecture + lunette de visée) est solidaire d'un disque gradué en minutes permettant une lecture des angles à la demi minute près, - un collimateur (fente verticale de largeur réglable et lentille) Les angles sont lus dans la lunette de lecture. Le vernier est gradué en minutes. Exemple : lire ' Figure 1 : Vue d'ensemble du goniomètre. Pour pouvoir observer des spectres au travers du prisme, il est nécessaire de s'assurer que : - l'axe optique de la lunette coïncide avec l'axe optique du prisme (il objectif faut que les rayons lumineux qui traversent le prisme entrent dans la lunette). - la lunette soit réglée à l'infini (i) d'une part parce que les rayons lumineux provenant de la lampe et traversant le collimateur puis le prisme sont parallèles entre eux pour une même raie (ceci est équivalent à dire que l'objet est à l'infini); (ii) d'autre part parce que l'image des rayons lumineux que l'on observe dans l'oculaire doit être à l'infini pour une raison de confort visuel. Pour le premier point, l'image A' des raies à travers l'objectif doit être dans le plan focal image de l'objectif. Pour le second point, A' doit être dans le plan focal objet de l'oculaire. L'œil observe donc une image A" à l'infini. Les réglages sont réalisés comme indiqué dans les paragraphes suivants 4.7. Réglage des plates-formes (pré-réglage de la coïncidence des axes optiques) A l'aide du niveau à bulle: - Rendre horizontale la plate-forme solidaire de la lunette en agissant sur les 2 vis calantes situées sous l'appareil. - Rendre horizontale la plate-forme supportant le prisme en plaçant les trois vis calantes U 1, U 2, U 3 à mi-course Réglage de la lunette à l'infini

4 B. MAHEU 02/04-4 La lunette comprend un objectif, un oculaire et le réticule R (fils horizontal et vertical croisés). La source latérale S (Figure 2) permet d'éclairer le réticule R à l'aide de la lame à faces planes et parallèles m, inclinée à 45 sur l'axe de la lunette. Dans cette position, la lame à faces parallèles agit comme un miroir. Pour que la lame soit dans cette position, il faut que le bouton D (Figure 3) soit dans la position 2. Figure 2 Figure 3 Pour positionner le réticule dans le plan focal de l'oculaire : - Régler le tirage de l'oculaire O c en tournant la bague moletée A (Figure 3) de façon à voir le réticule aussi net que possible. Le réticule est alors dans le plan focal de l'oculaire (vous regardez une image à l'infini du réticule. Cette position est la plus confortable pour l'œil car elle ne nécessite pas d'accommodation). - La couronne C (Figure 3) permet de modifier l'orientation du réticule. Pour positionner le réticule dans le plan focal de l'objectif : - Placer le prisme sur la plate-forme de façon à ce que l'arête choisie soit proche du centre de la plate-forme et que les faces soient parallèles aux cotés du triangle formé par les vis U 1, U 2 et U 3. - Faire tourner la plate-forme pour que la base du prisme soit face au collimateur. - Fixer la plate-forme. - Placer le bouton D en position 2 (position miroir de la lame à faces parallèles). - Amener la lunette perpendiculairement à l'une des faces du prisme. Si elle est correctement placée, vous devez voir dans la lunette un cercle ou une partie de cercle lumineux. Si le réticule est exactement dans le plan focal de l'objectif, les rayons issus de R forment une image à l'infini (les rayons sortent de l'objectif parallèles entre eux). Le prisme, placé dans cette position, joue le rôle d'un miroir qui renvoie les rayons lumineux issus de l'objectif. Les rayons lumineux restent parallèles entre eux. Après une nouvelle réfraction sur l'objectif, ils forment une image R' de R située dans le même plan que R (cf autocollimation TP sur les lentilles minces, l'image de la mire et la mire forment un cercle dans le plan de la diapositive). En général, le réticule n'est pas exactement dans le plan focal de l'objectif. L'image R' de R n'est alors pas dans le même plan que R. Elle apparaît floue.

5 B. MAHEU 02/ Régler le tirage de la lunette à l'aide de la vis moletée B (Figure 3) jusqu'à ce que le réticule R et son image R' soient nettes en même temps (Figure 4). Le réticule est alors dans le plan focal de l'objectif et la lunette est réglée à l'infini. Vous pouvez observer un objet à l'infini. R R' Figure Réglage simultané de l'axe optique de la lunette et du prisme Si les axes optiques de la lunette et du prisme coïncident, les traits horizontaux du réticule R et de son image R' doivent se superposer. - Pour amener les traits verticaux de R et R' en coïncidence, déplacer latéralement la lunette. - En ce qui concerne les traits horizontaux agir pour moitié sur la vis E de la lunette (Figure 3) et pour moitié sur les vis U 1, U 2 et U 3 de la plate-forme. Le premier mouvement agit sur le déplacement de l'image, le second sur le déplacement de l'objet. - Amener la lunette devant l'autre face polie du prisme et effectuer le même réglage. - Revenir à la première face et corriger le léger déréglage en agissant toujours sur les différentes vis. - Répéter l'ensemble de ces opérations jusqu'à ce que le réticule et son image coïncident pour les deux faces. L'axe optique de la lunette et du prisme coïncident Réglage du collimateur Pour que les rayons lumineux qui proviennent de la lampe à Mercure soient parallèles entre eux, on utilise un collimateur (lentille). - Brancher la lampe à Mercure. - Eclairer la fente du collimateur à l'aide de la lampe spectrale. - Amener le bouton D (Figure 3) en position 1 (on souhaite observer la lumière qui provient de la lampe à mercure et non celle qui provient de la source latérale S). - Enlever le prisme. - Agir sur le tirage du collimateur (vis moletée) jusqu'à ce que l'on observe une image nette de la fente dans la lunette. La fente est alors dans le plan focal objet du collimateur. Les rayons lumineux sont parallèles entre eux. - Régler la largeur de la fente pour qu'elle soit fine. - Viser la fente à l'aide de la lunette (amener en coïncidence le fil vertical du réticule et la fente). Rendre l'un des fils du réticule parallèle à la fente du collimateur en utilisant la vis moletée C (Figure 3).