EPFL - Travaux pratiques de physique. Spectroscopie. Analyse de la lumière et mesures de longueurs d onde. Résumé

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1 Spectroscopie Analyse de la lumière et mesures de longueurs d onde Résumé L étude du spectre lumineux nous donne d importantes informations sur le corps rayonnant. Par exemple, la spectroscopie est utilisée pour classifier les étoiles et ainsi déterminer leur âge et leur composition. Dans cette expérience, nous allons apprendre à utiliser un spectroscope, observer différents spectres avec leurs raies d émission et d absorption pour finalement étudier le spectre du soleil.

2 TABLE DES MATIÈRES 1 Table des matières 1 Théorie La lumière La dispersion de la lumière : prisme et réseau de diffraction Les types de spectres et leur origine Manipulations Le spectroscope Tubes à décharge Réglage du spectroscope Etalonnement du spectroscope Observations et mesures Spectre de l hydrogène et constante de Rydberg Fluorescence de résonance et absorption résonnante Spectre solaire Plan de travail 17

3 1 Théorie 2 1 Théorie 1.1 La lumière On sait depuis la fin du siècle dernier que la lumière est formée d ondes électromagnétiques du même type que les ondes radio mais de plus hautes fréquences. Une onde électromagnétique transporte de l énergie ; elle consiste en la propagation simultanée dans l espace d un champ magnétique et d un champ électrique variables. Toutes les ondes électromagnétiques ont la même vitesse de propagation dans le vide, c est la vitesse de la lumière c = m/s. Une onde électromagnétique pure (sinusoïdale) est caractérisée par sa fréquence ν (exprimée en s 1 ou en Hz) ; la période T de l onde est donnée par T = 1. La longueur d onde λ est, par définition, la distance parcourue par ν l onde pendant une période. Dans le vide : λ = ct = c ν (1.1) La longueur d onde, contrairement à la fréquence, dépend du milieu par l intermédiaire de la vitesse. En effet, dans la matière, la vitesse des ondes électromagnétiques pures est plus petite que dans le vide ; elle dépend du milieu et de la fréquence. Pour une onde de fréquence donnée ν, on définit l indice de réfraction n du milieu par le rapport entre la vitesse dans le vide c et la vitesse v dans le milieu : n = c v Pour marquer la dépendance de l indice de réfraction n en fonction de la fréquence n de de l onde, on écrit : n(ν) = c v(ν) La valeur de l indice de réfraction n est toujours supérieure ou égale à 1. La vitesse de la lumière dans l air est proche de la vitesse dans le vide (différence 0,03%) de sorte que l habitude a été prise de repérer les différentes ondes par leur longueur d onde dans le vide (ou éventuellement dans l air). De manière restrictive, on appelle lumière toute onde électromagnétique qui provoque une sensation visuelle sur l oeil humain. La figure 1.1 montre la sensibilité relative de l oeil en vision colorée. De manière standard, on considère

4 1.1 La lumière 3 que les ondes électromagnétiques sont visibles si : 400 nm λ 780 nm (1 nm = 10 9 m) ce qui correspond à la gamme de fréquences : Hz ν Hz Fig. 1.1: sensibilité relative de l oeil humain en fonction de la fréquence en vision photonique (courbe standard). Cette courbe correspond à la sensibilité des cônes, seules cellules rétiniennes permettant le sensation des couleurs. La sensibilité est maximale pour λ = 555 nm, couleur jaune-verte. Les ondes électromagnétiques correspondant aux extrémités de la bande visible ne sont observables que si le rayonnement est assez intense. La bande des fréquences ou des longueurs d onde visibles est divisée en plusieurs parties inégales qui correspondent aux différentes couleurs perçues. Il existe classiquement 6 (ou 7) couleurs : violet, (indigo), bleu, vert, jaune, orange, rouge. Ces divisions sont assez arbitraires et l oeil est susceptible de reconnaître un certain nombre de nuances à l intérieur de chacune des couleurs principales, la gradation étant insensible de l une à l autre.

5 1.2 La dispersion de la lumière : prisme et réseau de diffraction4 En général, une lumière est composée d une superposition de rayonnements purs de fréquences diverses. Une lumière est monochromatique si elle est formée d une seule onde pure (ou, par extension, d une superposition d ondes pures de longueurs d ondes très voisines ). La propagation de la lumière est bien décrite par la théorie des ondes électromagnétiques. Cependant, l interaction de la lumière avec la matière (émission ou absorption de lumière, effet Compton...) conduit à attribuer également une nature corpusculaire à la lumière et aux ondes électromagnétiques. Les échanges d énergie entre matière et rayonnement se font par quanta d énergie. Le rayonnement électromagnétique se comporte alors comme un ensemble de particules, les photons, se déplaçant à la vitesse de la lumière. Le photon correspond au quantum d énergie électromagnétique émise ou absorbée. L énergie d un photon est entièrement déterminée par la fréquence du rayonnement correspondant (relation déduite par Einstein) : h étant la constante de Planck (h = 6, J s). E = hν (1.2) 1.2 La dispersion de la lumière : prisme et réseau de diffraction Soit un rayon lumineux qui passe d un milieu transparent dans un autre. Les deux milieux ne sont pas les mêmes. En conséquence, la vitesse de propagation du rayon n est pas identique dans chaque milieu et donc les indices de réfraction sont différents (cf. définition de l indice). Si le rayon lumineux n est pas perpendiculaire à la surface de séparation entre les milieux, le changement de vitesse provoque un changement de la direction du rayon. C est le phénomène de la réfraction (voir ORf). Comme l indice de réfraction dépend de la fréquence, la direction d un rayon lumineux monochromatique réfracté varie en fonction de sa fréquence. Si le faisceau lumineux se compose de rayonnements de plusieurs fréquences, chaque composante sera réfractée selon un angle différent. Il y aura dispersion de la lumière.

6 1.2 La dispersion de la lumière : prisme et réseau de diffraction5 Un prisme est un milieu transparent d indice de réfraction différent de l indice du milieu extérieur et limité par deux surfaces planes non parallèles (figure 1.2). Un rayon lumineux subit deux réfractions lors de la traversée du prisme et se trouve dévié par rapport à sa direction initiale. La double réfraction augmente la dispersion d une lumière incidente non monochromatique ; il est ainsi possible, au moyen d un prisme, de séparer les différentes composantes d une lumière pour en faire l analyse. Fig. 1.2: le faisceau de rayons lumineux parallèles issu d une source polychromatique de lumière S située à l infini pénètre dans le prisme en A et ressort dévié par deux réfractions successives, l une à l entrée et l autre à la sortie du prisme. Si le spectre de la source possède une composante rouge et une composante violette, un observateur placé après le prisme voit une image rouge de la source à l infini dans la direction O S et une image violette dans la direction O S. Les images associées aux autres couleurs se situent entre ces directions extrêmes. Après le prisme, les différentes couleurs (ou longueurs d onde) émises par une source apparaissent séparées et forment le spectre lumineux de la source. En particulier le spectre d une source ponctuelle de lumière blanche, composée de l ensemble des rayonnement visibles, est une bande continue comprenant toutes les couleurs de l arcen-ciel. Il est possible d analyser le spectre d une lumière avec un appareil composé d un prisme. Toutefois, un tel appareillage est limité en précision et sensibilité pour au moins trois raisons : 1. Primo, le rayon de lumière doit traverser une épaisseur de matière. Cela induit forcément une atténuation de son intensité. Qui plus est, cette atténuation dépend de la couleur de la lumière ; dans la figure 1.2, le parcours de la lumière violette est plus long que celui de la lumière

7 1.2 La dispersion de la lumière : prisme et réseau de diffraction6 rouge. 2. Secundo, le rayon lumineux incident en A doit être quasiment ponctuel, afin de mesurer précisément l angle de réfraction. Mais, réduire la taille d un rayon lumineux se fait pratiquement toujours au détriment de son intensité ou de la définition de son angle d incidence. En effet, en plaçant des écrans percés de trous sur le trajet du rayon incident, on réduit sa taille mais aussi son intensité. En plaçant une lentille convergente sur le trajet d un faisceau, on le focalise en un point, mais au prix d une divergence (voir Ole fig. 1 et 2). 3. Tertio, le rayon lumineux en O (ou en O ) est le fruit d une double réfraction dont les angles sont très difficilement mesurables individuellement. En examinant plus en détails le phénomène de réfraction, on est amené à postuler que chaque point de la matière qui réfracte est la source d une onde lumineuse sphérique (voir Orf, plus particulièrement la fig. 2 et le texte l expliquant). Toutes ces ondes ondes lumineuses sphériques interfèrent constructivement ou destructivement. Le principe de Huygens s applique aux fronts d onde (voir Ore). Ainsi, le front d onde f de la figure 1.3 est composé des crêtes d onde émises simultanément en A et B ; le front d onde g est composé des crêtes d ondes émises par les points A et B, mais avec un décalage d une période T. Fig. 1.3: Interfèrence de deux ondes lumineuses sphériques émises par les point A et B. Les crêtes d ondes sont dessinées. On voit que les ondes issues de A et B interfèrent constructivement dans les directions f, g et h. Le lieu géométrique qui relie les crêtes d ondes issues de A et B forme le front d onde.

8 1.2 La dispersion de la lumière : prisme et réseau de diffraction7 Les sources des ondes lumineuses peuvent être des trous dans des écrans interceptant un faisceau lumineux. Les trous peuvent être circulaires, ce qui donne un figure de cercles d interférence sur un écran placé parallélement au plan des trous. Si les trous sont des fentes verticales, il y a diffraction seulement selon l axe horizontal et la figure résultante est formée de lignes parallèles. En multipliant le nombre de fentes, on superpose les interférences. Cela amplifie l écart en intensité entre zones à interférences constructives et zones à interférences destructives et marque encore plus la figure de diffractions. Un écran opaque portant un ensemble de fentes régulièrement espacées et laissant passer la lumière est un réseau de diffraction (voir ORe). Par géométrie, les directions de diffractions du réseau dépendent de la longueur d onde λ selon une relation connue comme la loi de Bragg (voir ORe) : a sin θ n = nλ n est l ordre de la diffraction et peut prendre les valeurs 0,1,2,3,... (Sur la figure 1.3 ci-dessus, la direction f correspond à l ordre 0, la direction g à l ordre 1 etc.). L angle de diffraction d ordre n est noté θ n. a est la constante ou période du réseau. Elle correspond à la distance qui sépare les points émetteurs d ondes. (Distance AB dans la figure 1.3). C est la distance entre les fentes. La loi de Bragg permet de voir que, pour obtenir des angles de diffraction suffisamment grands (et donc mesurables), on voit que la constante de réseau doit être de l ordre de grandeur de la longueur d onde. Ce qui permet d estimer que la diffraction de la lumière sera observable avec des fentes séparées de 500 nm (= mm), ou encore, avec des réseaux comportant environ 2000 fentes au millimètre. Comparé au prisme, le réseau de diffraction offre des avantages pratiques tels qu une atténuation d intensité identique pour toutes les longueurs d onde composant le faisceau incident. De même, la figure observée est le résultat d une seule diffraction et non de deux réfractions comme pour le prisme.

9 1.3 Les types de spectres et leur origine Les types de spectres et leur origine D une manière générale, on appelle spectre d émission d une source lumineuse, l ensemble des fréquences des radiations électromagnétiques émises par cette source. De même, on définit le spectre d absorption comme l ensemble des fréquences des radiations absorbées par un corps. Le spectre est dit continu si la lumière apparaît composée de toutes les radiations dans un très large intervalle de longueur d onde du domaine visible. Pour la lumière blanche, le spectre continu couvre tout le domaine visible. Incandescents, les solides et les liquides produisent un spectre continu. Le spectre est un spectre de bandes si les raies spectrales forment des groupes séparés les uns des autres, les bandes. Chaque bande ést constituée d une multitude de raies très rapprochées. Un spectre est un spectre de raies s il est composé d un certain nombre de radiations monochromatiques. Les spectres de bandes et de raies sont émis par des gaz ou des vapeurs en état d excitation ; ils sont caractéristiques des atomes et des molécules qui les produisent. Le spectre d émission continu est dû à l agitation thermique. Chaque corps émet un rayonnement électromagnétique fonction de sa température. Si la température est assez élevée (> 1000 K), l agitation thermique est suffisante pour qu une partie de ce rayonnement soit visible. Les charges liées aux atomes du corps émissif vibrent sous l effet de l agitation thermique. L ensemble de ces charges vibrantes constitue ainsi une très grande quantité de petits oscillateurs. A un instant donné, chaque oscillateur vibre à une fréquence qui lui est propre et émet (ou absorbe) de l énergie par quantum bien déterminé (hypothèse de Planck). La répartition de l énergie entre les atomes est gouvernée par des lois de nature statistique. Les quanta d énergie émis sont distribués selon ces lois statistiques. Comme ces quanta sont les corpuscules de la lumière, ils composent un spectre d émission lumineux. Et ce spectre est continu parce qu à un instant donné, la lumière émise provient de l ensemble des oscillateurs. Le spectre de raies résulte de l excitation des atomes. Dans le modèle que l on se fait de l atome, les électrons atomiques se trouvent à des niveaux d énergie bien déterminés (hypothèse de Bohr). Ils ne peuvent passer d un niveau à l autre qu en émettant ou en absorbant une quantité d énergie égale à la différence entre les deux niveaux concernés. Pour une émission, si E est l énergie de l électron sur le niveau de départ, et E son énergie sur le niveau

10 1.3 Les types de spectres et leur origine 9 d arrivée, la fréquence du rayonnement correspondant au photon émis est [cf. relation 1.2] : ν = E E (1.3) h Il est possible de calculer les niveaux d énergie électronique pour les atomes les plus simples. Le premier calcul a été effectué par Niels Bohr sur la base d un modèle spécifique créé par lui pour l atome d hydrogène. Sous l effet de la force électrique, l électron de l atome d hydrogène suit une trajectoire circulaire centrée sur le noyau atomique. Bohr a supposé que le moment cinétique de l électron est quantifié. En conséquence, l énergie de l électron l est aussi ; elle dépend du nombre quantique principal n (=1, 2,...) associé à chaque orbite par la relation : E n = Rhc n 2 (1.4) R est la constante de Rydberg de l atome d hydrogène dont la valeur théorique est : R = m ee 4 8h 3 ɛ 2 0c = m 1 (1.5) m e et e représentent respectivement la masse et la charge de l électron ; ɛ 0 est la permittivité du vide. La valeur zéro de l énergie (pour n = ), correspond à un état où l électron est complètement séparé de l atome (ionisation). Pour un électron lié, l énergie est toujours négative ; l énergie la plus basse correspond à l orbite la plus rapprochée du noyau (n = 1). Lorsque l électron est sur l orbite associée à n = 1, l atome est dans son état le plus stable, appelé état fondamental. La longueur d onde du rayonnement émis lors d une transition électronique du niveau m au niveau n s obtient par les relation 1.1, 1.3 et 1.4 : λ nm = hc E m E n = 1 R ( ) (1.6) 1 1 m 2 n 2 Les raies du spectre de l hydrogène sont classées en séries successives, chacune correspondant à une valeur n donnée pour le nombre quantique principal du niveau d arrivée. La série de Balmer, transition de m > 2 à n= 2, est la seule visible.

11 2 Manipulations 10 Le spectre de bandes a une origine moléculaire. La présence rapprochée des atomes d une molécule provoque une décomposition des niveaux électroniques en sous- niveaux ; de plus, les atomes vibrent autour de leur position d équilibre (à une raie atomique correspond alors une série de raies moléculaires) et les molécules ont un mouvement de rotation. 2 Manipulations 2.1 Le spectroscope Le spectroscope est un appareil qui permet l observation et la mesure du spectre d une source de rayonnement électromagnétique, spécialement d une source lumineuse. L analyse du spectre d émission (ou d absorption) d une substance peut en particulier servir à son identification. Pour séparer les différentes radiations d une lumière composée, on peut utiliser la dispersion par un ou plusieurs prismes (spectroscope à prisme) ou la diffraction par un réseau optique (spectroscope à réseau, voir ORe). Fig. 2.1: schéma d un spectroscope à réseau.

12 2.2 Tubes à décharge 11 La figure 2.1 représente schématiquement un spectroscope à réseau. Il est composé des quatre parties principales suivantes : Le réseau est placé au centre de l appareil. Le collimateur C permet d obtenir un faisceau de lumière parallèle. Il comporte une fente F verticale, de largeur réglable, et une lentille convergente achromatique l. La lumière à étudier S éclaire la fente qui joue alors le rôle de source lumineuse pour la lentille l. F est placée au foyer de l de sorte que les rayons lumineux issus de F soient parallèles à la sortie de la lentille (on dit que l image de la fente par la lentille est à l infini) et tombent sous un angle constant sur le réseau. Pour observer les rayons émergeant du réseau, on utilise une lunette L à travers laquelle on examine l image de la fente à l infini. Si la lumière qui éclaire la fente est composée de plusieurs radiations monochromatiques de fréquences différentes, on observe dans la lunette autant d images de la fente qu il y a de fréquences différentes. Les images sont diversement colorées et l ensemble constitue le spectre de la source lumineuse. Cet ensemble d images colorées est répété pour chaque ordre de la diffraction (cf. n dans la loi de Bragg). La lunette est un système optique formé de deux lentilles. L objectif donne une image réelle du spectre dans son plan focal. L oculaire, par un effet de loupe, permet d observer, agrandie, cette image. L oculaire est mobile et peut s adapter à la vue de l observateur. Une croix très fine est visible dans l oculaire. La lunette est solidaire d un goniomètre, ce qui permet de lire à l aide d un vernier l angle que fait la raie étudiée par rapport à une direction de référence. La longueur d onde de la lumière et la position d une raie sur le goniomètre sont liées par une relation caractéristique d un spectroscope donné, représentée par une courbe d étalonnement. 2.2 Tubes à décharge Pour mettre en excitation les atomes d une substance et lui faire émettre ainsi un rayonnement caractéristique, nous utiliserons la méthode des décharges électriques dans un gaz formé de la substance étudiée. Pour produire les spectres d émission de substances gazeuses à l état normal, on emploie des tubes remplis des gaz désirés sous pression réduite (tubes de Geissler),

13 2.3 Réglage du spectroscope 12 Fig. 2.2: production de décharges condensées dans un gaz entre deux électrodes. et comportant deux électrodes entre lesquelles on applique au moyen d un transformateur et d un condensateur une différence de potentiel élevée (figure 2.2). Les particules chargées présentes dans le tube sont accélérées par le champ électrique et transmettent leur énergie aux atomes, les excitant par chocs successifs. 2.3 Réglage du spectroscope Attention : Prenez soin de desserrer les vis de blocage avant toutes opérations de réglages et de mesures. La focalisation et l alignement du spectroscope se font sans le réseau de diffraction. Le réseau de diffraction est fragile. Maniez-le avec soin et précaution! Examinez le spectroscope mis à disposition et reconnaissez-en les différentes parties et les différents réglages : largeur de la fente, position de la lunette (horizontale et verticale), oculaire et croix, échelle. Étudiez l emploi du goniomètre et de son vernier. Utilisez la lampe à hélium pour focaliser, aligner et étalonner le spectroscope. D abord, réglez l oculaire de la lunette afin d obtenir une image nette de la croix ; veillez à ce qu un axe de la croix soit bien vertical.

14 2.4 Etalonnement du spectroscope 13 Focalisez l objectif de la lunette à l infini, en focalisant sur un objet très lointain. Controllez que la fente du collimateur soit partiellement ouverte. Alignez l axe de la lunette directement à l opposé du collimateur. Ajustez la focalisation du collimateur pour obtenir une image nette de la fente quand elle est observée au travers de la lunette. Si nécessaire, ajustez l angle de rotation de la lunette. Serrez doucement la vis de blocage de la rotation de la lunette. Utilisez la mollette d ajustage fin pour aligner l axe vertical de la croix avec le bord fixe de la fente. Les angles de diffraction seront toujours mesurés en faisant coïncider la croix avec le bord fixe de la fente. Quand la focalisation et l alignement sont terminés, prenez note de l angle lu sur le vernier du goniomètre ; c est l angle de référence contre lequel vous allez mesurer les angles de diffraction. Dès cette étape atteinte, faites attention à ne plus déplacer la base du spectroscope. Placez perpendiculairement à la ligne collimateur lunette le réseau de diffraction sur son support. Par symétrie, les images de diffraction existent à gauche et à droite de l axe du collimateur. En déplaçant la lunette sur sa droite, observez une raie bien visible. Mesurez l angle diffraction. En déplaçant la lunette vers la gauche cette fois- ci, observez l image symétrique de cette raie. La valeur absolue de la différence de chacun de ces angles avec l angle de référence doit être la même. Si ce n est pas le cas, tournez le réseau de diffraction et re-mesurez les raies à gauche et à droite jusqu à obtenir l égalité à une minute d angle près. 2.4 Etalonnement du spectroscope L étalonnement du spectroscope consiste en l établissement d une correspondance entre les longueurs d onde et l angle relevé sur le goniomètre. Un spectroscope convenablement étalonné permet de mesurer précisément la longueur d onde et d identifier des rayonnements lumineux. On établira la courbe d étalonnement sur un graphique comportant en abscisse l échelle du spectroscope (en unités arbitraires, car sans importance) et en ordonnée la longueur d onde ; on y reportera les raies de l hélium, décrites dans le tableau ci-dessous. Les raies de l hélium présentent l avantage d être aisément identifiables et réparties régulièrement dans tout le spectre visible. La courbe d étalonnement est correcte si elle est régulière et ne présente pas

15 2.4 Etalonnement du spectroscope 14 de variation brusque de courbure. Quelle est la forme de cette courbe d étalonnement? Est-ce une droite? Expliquez la forme de cette courbe. L incertitude sur la position observée des raies est due d une part à la précision de l observateur et d autre part à la largeur de l image de la fente. Il faut remarquer que, pour certaines raies très peu lumineuses, il est nécessaire d ouvrir la fente pour augmenter l intensité lumineuse. L élargissement de la fente se fait au détriment de la précision de la mesure de l angle ; il s agit là d un bel exemple d un compromis entre sensibilité et précision. Longueurs d onde des raies principales de l hydrogène, de l hélium et du sodium Longeur d onde Elément Couleur dans l air (nm) Remarques H α rouge Début de la série de Balmer. H β bleu-vert La molécule H 2 donne en plus un large spectre de bande. H γ indigo H δ violet difficile à observer Fin de la série de Balmer. He 1 rouge He 2 rouge He 3 jaune He 4 vert Précédée d une raie verte faible. He 5 bleu-vert He 6 bleu He 7 indigo He 8 indigo Faible ; autres raies violettes : très faible ; dans l UV, très faible et intense. He 9 violet Na jaune Doublet.

16 2.5 Observations et mesures Observations et mesures D autres gaz et d autres métaux que ceux indiqués dans le tableau sont à disposition. Observez les différents spectres émis. Remarquez en particulier la complexité de certains spectres qui semblent couvrir tout le domaine visible ; les spectres de bandes ont en général de très belles couleurs. Utilisez la courbe d étalonnement pour déterminer la longueur d onde de raies judicieusement sélectionnées parmi toutes les lampes à disposition et comparez les valeurs obtenues avec les valeurs des tables. N oubliez pas d estimer, à partir de l incertitude sur le positionnement des raies, l erreur sur la longueur d onde à l aide de la courbe d étalonnement. Certaines raies sont difficiles à observer. Il faut faire l obscurité la plus complète, régler au minimum l intensité de l éclairage de l échelle ou même la supprimer temporairement et si nécessaire élargir un peu la fente. Comparez les spectres des lampes à Hg, Cd et Hg-Cd. Vérifiez que, dans ce dernier cas, on a superposition des spectres des lampes à Hg et à Cd. Cette observation est à la base de la spectroscopie couramment utilisée dans les laboratoires de chimie ou de pharmacie : il est possible d identifier les constituants d un échantillon grâce à l analyse spectrale. 2.6 Spectre de l hydrogène et constante de Rydberg Installez la lampe à hydrogène en prenant soin de ne pas modifier le réglage du spectroscope. Les raies visibles correspondent à la série de Balmer. Dessinez un schéma des différents niveaux énergétiques de l électron de l atome d hydrogène à partir de la relation 1.4 et représentez les transitions correspondant aux longueurs d onde de la série de Balmer (n= 2 et m> 2). Calculez la constante de Rydberg au moyen de la relation 1.6 et de quelques longueurs d onde mesurées pour l hydrogène ; comparez le résultat avec la valeur numérique de R donnée par la formule 1.5. Vérifiez que la relation 1.6 traduit bien le spectre des longueurs d onde mesurées. Attention : la durée de vie de la lampe à hydrogène est très brève car les électrodes s usent rapidement. Ne l utilisez que le temps minimum nécessaire.

17 2.7 Fluorescence de résonance et absorption résonnante Fluorescence de résonance et absorption résonnante Une ampoule scellée contenant du sodium est placée dans un four électrique. En chauffant à 250 C environ, l ampoule se trouve remplie de vapeur de sodium. 1. En éclairant cette vapeur avec la lumière provenant du tube à décharge au sodium, on observe que cette lumière est absorbée et réémise dans toutes les directions par le phénomène atomique de fluorescence résonnante. Eclairez d abord avec la lumière du néon puis celle du sodium pour bien voir la différence. 2. En observant dans le spectroscope de la lumière blanche ayant passé à travers la vapeur de Na, on remarque dans le spectre continu l absence de la raie jaune du sodium : c est une raie d absorption. Expliquez pourquoi la réémission ne compense pas l absorption. Par un bon réglage du spectroscope, on peut mettre en évidence le fait que cette raie est un doublet, i.e., deux raies très rapprochées. Un seul four étant à disposition, cette partie de la manipulation se fera sous la direction de l assistant qui donnera des informations théoriques complémentaires. 2.8 Spectre solaire Toujours sous la direction de l assistant, et si les conditions météorologiques le permettent, on observera dans un spectroscope la lumière du soleil. On se contentera de pointer le spectroscope sur un coin lumineux du ciel. Les raies d absorption (raies de Fraunhofer) sont caractéristiques de l atmosphère solaire. Ainsi, on est renseigné sur la composition chimique d une étoile non par la lumière qu elle émet, mais par celle qu elle n émet pas.

18 3 Plan de travail 17 3 Plan de travail 1. Etude et réglage du spectroscope (2.1 à 2.3). 2. Etalonnement du spectroscope (2.4). 3. Observation de spectres et détermination de différentes longueurs d onde (1.3 et 2.5). 4. Calcul de la constante de Rydberg (1.3 et 2.6).