TP 6 Spectroscope à prisme

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1 E.T.S.L Classe Prépa BTS TP 6 Spectroscope à prisme I) Objectif : - Déterminer les longueurs d onde des différentes radiations qui constituent une lumière polychromatique, au moyen d un spectroscope à prisme et de plusieurs lampes spectrales. - Utiliser un spectroscope à prisme. - Construire une courbe d étalonnage qui permettra de déterminer la nature d une lampe inconnue. II) Description de l appareil : II-1) Qu est-ce qu un spectroscope? Un spectroscope à prisme est un appareil qui permet de séparer les différentes radiations qui constituent le rayonnement d une source lumineuse et d en mesurer les longueurs d onde. Le principe de l appareil repose sur la déviation par un prisme d une radiation lumineuse en fonction de sa longueur d onde (phénomène de dispersion), et sur la théorie de l émission d une onde par un atome. II-2) Schéma de la plate-forme sans lunette micrométrique : 30

2 II-3) Schéma de principe : - Source S : lampe spectrale est une ampoule de verre dans laquelle on a fait le vide. Elle comprend deux filaments situés aux extrémités d un tube dans lequel on a placé sous faible pression, un gaz rare et un peu de métal vaporisé (Na, Hg, Cd par exemple). - Collimateur : il est constitué d un diaphragme (fente f) réglable en largeur, qui joue le rôle de source secondaire, et d une lentille convergente (L). La fente doit être située dans le plan focal objet de la lentille pour produire un faisceau de rayons parallèles émergents. - Prisme : généralement en verre et possédant un angle de 60, il représente le système dispersif. - Lunette : elle est constituée par deux lentilles convergentes, dont (L1) est l objectif et (L2) l oculaire. Les images des différentes radiations dispersées par le prisme se forment dans le plan focal image de (L1). Elles constituent le spectre. Ce spectre est observé à travers l oculaire (L2), qui est positionné de façon que son plan focal objet (P) soit confondu avec le plan focal image de (L1). La lunette est ainsi réglée sur l infini, ce qui à pour but de diminuer la fatigue oculaire lors d observations prolongées. III) Expérimentation : Matériel : - Un spectroscope à prisme. - Un jeu de lampes spectrales (Na, Hg, He). - Une lampe spectrale inconnue. 31

3 III-1 Procédures de réglage de l appareil III-1-a) Mise au point de la lunette sur l infini Mettre au point la netteté du réticule (croix) par déplacement axial de l oculaire si nécessaire. Pour cela il est conseillé de diriger la lunette vers une surface claire. Diriger la lunette vers un objet éloigné d une dizaine de mètres au minimum, agir sur la crémaillère (molette de droite le long de la lunette) pour mettre au point sur l objet choisi. Vous devez voir nettement le réticule et l objet. III-1-b) Réglage du collimateur : Placer et allumer la lampe à vapeur de sodium. Aligner la lunette et le collimateur. Orienter la fente verticalement, si nécessaire, et agir sur la crémaillère (molette sur le côté du collimateur) de manière à observer une image très nette de la fente à travers la lunette. Diminuer au maximum la largeur de la fente (attention à la diffraction!) grâce à la petite vis située à l extrémité du collimateur. Superposer le trait vertical du réticule de la lunette sur l image de la fente. Relever la valeur de l angle θ 0 sur le cercle gradué au moyen du vernier solidaire de la lunette (se reporter à l annexe 1 pour le principe de lecture sur le vernier). III-1-c) Positionnement du prisme : Ce réglage à pour but d obtenir le minimum de déviation pour la double radiation jaune du sodium (plus communément appelé doublet jaune du sodium) : Mettre la plate-forme supportant le prisme et la faire tourner de façon que la face de sortie du prisme soit perpendiculaire à l axe du collimateur. Faire tourner la lunette de façon à amener son axe perpendiculairement à la face d entrée du prisme : vous devez alors observer le spectre de raies d émission (dans le cas du sodium vous devez observer le doublet de raies jaunes). Rechercher la position de déviation minimale D m de ces raies jaunes en faisant tourner légèrement la plate-forme du prisme. Vous devez observer que les raies changent de sens de déplacement lors de la rotation du prisme. À la limite de ce changement de sens : arrêter de tourner la plate-forme et bloquer là grâce à la vis située sur son côté. La plate-forme devra rester bloquée durant tout le reste de la manipulation. Amener le trait vertical du réticule sur les deux raies jaunes, et relever les valeurs des angles correspondants θ 1 et θ 2. Prendre une valeur moyenne si la différentiation des raies est délicate θ moy. (Se reporter à l annexe 1 pour le principe de lecture sur le vernier). 32

4 - III-2 - Calcul de déviation D pour différentes lampes III-2-1) Etude du spectre d émission de la lampe à vapeur de mercure Remplacer la lampe à vapeur de sodium par la lampe à vapeur de mercure (Hg) (faire très attention lors de l échange des lampes : celle qui vient d être utilisée est extrêmement brûlante : à enlever avec délicatesse avec un gant spécial et à reposer avec extrême délicatesse dans son râtelier). Observer le spectre d émission de la nouvelle lampe. Pour chaque raie, positionner le réticule sur la raie, relever la valeur de l angle de positionnement de la lunette "! lue grâce au vernier et calculer la déviation D subie par cette radiation lumineuse : D = θ λ - θ 0 (D est donc toujours positif!!) Remarque : il faudra bien faire attention lors du calcul de D de transformer toutes vos mesures qui sont en degré et minute d angles (divisions sexagésimales) en degré décimal (divisions décimales). On rappelle que 1 degré d angle correspond à 60 minutes d angles. Exemple de calcul :!" =128,5 24' 24 représente $ & 24x1!# soit 0,4 % 60 " d où!" = 128,5 24' = 128,5 + 0,4 = 128,9 O En fonction de la couleur de chaque raie observée et du tableau de l'annexe 2, estimer à quelle longueur d'onde λ correspond chaque raie. Placer tous vos résultats dans un tableau du type : couleur "! ( ) "! ( ) D ( )! estimée (nm) III-2-2) Etude du spectre d émission de la lampe à vapeur d hélium Remplacer la lampe à vapeur de mercure par la lampe à vapeur d hélium (He) recommencer les mêmes opérations que précédemment. III-2-3) Etude du spectre d émission de la lampe inconnue (X) Remplacer la lampe à vapeur d hélium par la lampe inconnue. Pour chaque raie, positionner le réticule sur la raie, relever la valeur de l angle de positionnement de la lunette "! lue grâce au vernier et calculer la déviation D subie par cette radiation lumineuse. Noter les résultats dans un tableau du type : couleur! " ( )! " ( ) D ( ) 33

5 III-3 - Exploitation : III-3-1) Courbe d étalonnage : Pour chacune des lampes utilisées sauf la lampe inconnue, vous devez reporter sur un graphe les points de coordonnées (D ;! ) (où λ est la longueur d onde de radiation correspondante à l angle de déviation D). Tracer la courbe d étalonnage du spectroscope D = f(λ). Faire en sorte que la courbe passe par un maximum de points si ceux-ci sont un peu éparpillés. III-3-2) Evaluation de la longueur d onde des radiations émises par une lampe inconnue : Reporter les valeurs D mesurées avec la lampe inconnue sur la courbe d étalonnage et en déduire par report graphique les longueurs d onde des raies émises par cette lampe. En fonction des valeurs trouvées et du tableau de l annexe 2, proposer une identification de la lampe inconnue. 34

6 ANNEXE 1 Principe de lecture pour la mesure d un angle Au moyen d un vernier Le zéro du vernier mobile (divisé en 30 parties égales) indique sur le disque fixe la valeur de l angle en degré et en demi-degré. La coïncidence entre un trait de la graduation du disque et un trait de la graduation du vernier correspond au nombre de minutes d angle qu il faut ajouter à la valeur déterminée précédemment. Une division du vernier correspond à 1 minute d angle. exemple Le zéro du vernier a dépassé la demi-division entre la graduation 70 et 71, on lira donc 70,5 ou La 3 ième graduation du vernier est en regard d un trait de graduation du disque, il faut par conséquent ajouter 3 à la valeur précédente. Le résultat de la lecture est :

7 ANNEXE 2 Lampes spectrales : longueurs d onde des principales raies (domaine du visible) λ (nm) Sodium Na Hélium He Mercure Hg Couleur Intensité relative 388,90 X Limite U.V faible 404,70 X violet moyenne 407,80 X violet faible 435,80 X indigo assez-forte 440,40 X 447,15 X 449,80 X 454,20 X 454,50 X 471,31 X 491,60 X vert-bleu faible 492,19 X 496,00 X 497,90 X doublet 498,30 X vert très faible 501,57 X 546,07 X vert très forte 568,80 X jaune-vert 577,00 X jaune très forte 579,10 X jaune très forte 587,56 X 588,995 raie D 1 X doublet 589,592 raie D 2 X jaune très forte 598,80 X assez-forte 615,40 X doublet 616,10 X jaune-orangé faible 623,44 X 625,40 667,81 X 690,75 X 706,52 X λ (nm) Hydrogène H Cadmium Cd couleur (δ) 410,174 X (γ) 434,047 X 468 X Violette 480 X bleue (β) 486,133 raie F X 509 X verte 644 X rouge (α) 656,279 raie C X 36