Chapitre VI SPECTRES DE LA LUMIERE

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1 Chapitre VI SPECTRES DE LA LUMIERE 1. Qu'est- ce que la lumière? La lumière est l ensemble des ondes électromagnétiques visibles (entre 400 et 800 nm). Décomposition de la lumière blanche La lumière solaire, celle d une lampe à incandescence sont des lumières dites blanches. Expérience : Faisceau de lumière blanche Prisme Ecran Lumière solaire, lampe à incandescence... Sur l écran : Bande colorée s étendant du violet au rouge et comportant toutes les couleurs visibles par l œil humain (les couleurs de l arc- en- ciel). Observation : Le faisceau de lumière blanche est... par un prisme (ou un réseau). A l'écran on observe une... Conclusion : La lumière blanche est constituée... On dit qu elle est... (plusieurs couleurs). Chaque couleur est appelée «...». A chaque lumière monochromatique du spectre (appelée aussi "radiation lumineuse") est associée une grandeur appelée... notée λ (Lambda). La longueur d onde s exprime en nm (nanomètre) ou en µm (micromètre). Lumière invisible Violet Indigo Bleu Vert Jaune Orange Rouge Lumière invisible Lumière visible Longueur d onde λ en nm Remarque Lorsqu'un faisceau de lumière blanche traverse un prisme : - il est dévié : c'est le phénomène de... - il est décomposé : c'est le phénomène de Les spectres d émission Tout corps porté à l incandescence (chauffé très fortement, jusqu à plusieurs milliers de C) émet une lumière visible. «L image» de cette lumière, appelée spectre, peut être visualisée sur un écran. Puisqu il s agit de lumière «émise», on parle de Spectres d émission continus Expérience :

2 Dessiner ce que vous observez sur l écran Lorsque le spectre ne présente pas de zone sans lumière, pas d interruption dans la succession des couleurs, on parle de spectre d émission Evolution du spectre de la lumière émise par le filament d'une lampe à incandescence classique lorsque la température augmente de gauche à droite. Plus la température du corps est élevée, plus il est riche en lumière... et... Le spectre de la lumière blanche émise par une lampe à incandescence est... Etoiles Bételgeuse Soleil Sirius Rigel Couleur Rouge Jaune Blanche Bleue Température de surface ( C) La couleur d un corps chaud dépend de sa Le profil spectral Aujourd'hui, la photographie donnant de simples spectres est abandonnée au profit de détecteurs électroniques qui donnent des profils spectraux. Définition : Le profil spectral est la courbe représentant l intensité de la lumière émise par ce corps en fonction de la longueur d onde pour une température donnée.

3 Exemple : on donne le profil spectral d un corps chaud à deux températures différentes. 1er exemple Spectre de la lumière émise 2ème exemple Spectre de la lumière émise - Plus le corps est chaud, plus le spectre s étend vers le violet. - En conséquence, une source de couleur bleue est plus chaude qu une source de couleur rouge. Les profils tracés pour différentes valeurs de la température présentent tous un maximum. Ce maximum croît très vite avec la température. On obtient le maximum d intensité lumineuse pour une valeur de la longueur d onde notée λ max. La valeur de λ max diminue lorsque la température T augmente K 2700 K 2400 K Violet Rouge

4 Énoncé de la loi de Wien En 1893, le physicien Wilhelm Wien ( ) a énoncé la loi traduisant la corrélation entre la valeur de λ max et la température. À la température T, la source rayonne très fortement sur la longueur d onde λ max telle que : Kelvins (K) 2, = λ max 3 T Loi de Wien mètres (m) Cette relation dite «température de couleur» montre que la longueur d onde λ max correspondant au maximum d émission lumineuse est inversement proportionnelle à la température du corps chauffé. Plus la température du corps chauffé augmente, plus la longueur d onde correspondant au maximum d émission diminue. Remarque : la loi de Wien ne s applique pas pour les lampes basses consommation (ce n est pas un corps que l on chauffe), néanmoins, on lui attribue une température de couleur qui correspond au λ max du spectre. Exercice : lumière d'étoile Le profil spectral d'une étoile est représenté ci- contre. 1) Evaluer la longueur d'onde λ max de la radiation lumineuse émise par cette étoile avec une intensité maximale. A quoi est liée la valeur de λ max? 2) En appliquant la loi de Wien, donner une estimation de la température de surface de cette étoile. Cette température est dite aussi température de Spectres d émission de raies Expérience : Spectre d'émission de raies d'une lampe à décharge contenant de l'hydrogène. Spectre d'émission de raies d'une lampe à décharge contenant du sodium (Na). Spectre d'émission de raies d'une lampe à décharge contenant du mercure (Hg). Spectre d'émission de raies du mercure (Hg).

5 Spectre obtenu avec la lampe à vapeur de sodium. La raie se situe dans le jaune- orangé. La lumière observée à l œil nu est jaune. Spectre obtenu avec la lampe à vapeur de mercure. Les raies sont respectivement violette, indigo, verte, jaune, orange et rouge. La lumière observée à l œil nu est blanche- violette. Ce spectre ne comporte pas toutes les couleurs de l arc en ciel. Il est discontinu, il ne présente que quelques raies monochromatiques séparées par des zones noires. Ce type de spectre est appelé "Spectre d'émission de..." Le spectre de raies constitue la signature d une espèce chimique et peut révéler sa présence. Chaque élément chimique possède un spectre de raies qui lui est propre. 3. Spectres d absorption 3.1. Spectre d absorption de raies Expérience : spectre d une vapeur d atomes de sodium On envoie de la lumière blanche sur une flamme dans laquelle sont pulvérisés des ions sodium et on examine le spectre de cette lumière après la traversée. Le spectre obtenu ressemble à celui de la lumière blanche, mais il est privé de deux raies très fines de lumière jaune. Les raies manquantes sont au même emplacement que les raies d émission des atomes de sodium. Une espèce chimique, lorsqu elle est éclairée par de la lumière blanche, ne peut absorber que les radiations lumineuses qu elle peut émettre. Les spectres d émission et d absorption sont complémentaires, leur superposition correspond au spectre de la lumière blanche. Chaque espèce chimique possède un spectre caractéristique (d émission ou d absorption) qui permet de l identifier Spectres d absorption de bandes Expérience : solutions de permanganate de potassium et de sulfate de cuivre (II) éclairés par de la lumière blanche.

6 Spectre d absorption de la solution de sulfate de cuivre. Spectre d absorption de la solution de permanganate de potassium. Le spectre obtenu ressemble à celui de la lumière blanche, mais avec des zones noires : il est privé de certaines bandes de couleurs (pas de rouge ni de jaune avec la solution de sulfate de cuivre et pas de vert ni de jaune avec la solution de permanganate de potassium). Les solutions colorées se comportent comme des filtres en ne laissant passer que certaines couleurs. Les couleurs manquantes correspondent aux raies absorbées par les espèces chimiques présentes dans la solution. Les gaz colorés se comportent aussi comme des filtres. Profil spectral et spectre simplifiée de la lumière émise par le Soleil. Les entités chimiques présentes dans l atmosphère du Soleil absorbent certaines radiations lumineuses. Les longueurs d onde correspondantes permettent d identifier les entités chimiques présentes dans l atmosphère du Soleil Le soleil est essentiellement composé d hydrogène (73,5 %), d hélium (25 %), d'oxygène (0,8 %) et d'autres éléments (0,7 %).

7 1STD2A CHAP 4 SPECTRES DE LA LUMIÈRE EXERCICES Exercice 1 : lumière du jour Dans le catalogue d'un fabricant, on trouve les informations ci- contre. Page 1 1. Sur le profil spectral, la grandeur représentée en ordonnée est l intensité lumineuse. Quelle est la grandeur en abscisse? 2. Comparer le profil spectral des tubes fluorescents à celui de la lumière du jour. 3. Quelles conditions sont nécessaires pour qu une lumière génère des sensations colorées proches de celles de la lumière du jour? 4. Rappeler le domaine de longueur d onde du visible. 5. Le gaz de mercure excité émet un photon de λ = 266 nm. A quel domaine de longueur d onde appartient cette lumière? Comment expliquer la différence de profil spectral entre les deux lampes fluorescentes? Exercice 2 : température d'une source chaude Lorsque la température d une source chaude augmente : Comment évolue sa couleur? Comment évolue son profil spectral? Exercice 3 : lampe à vapeur de sodium Le spectre de la lumière émise par une lampe à vapeur de sodium présente deux raies rapprochées. On les appelle doublet du sodium. Elles ont pour longueurs d onde respectives 589,0 nm et 589,6 nm. 1. Quelle est la couleur de la lumière émise par cette lampe? 2. Comment peut- on réaliser le spectre : a) D émission du sodium? b) D absorption du sodium? Exercice 4 : les néons On appelle parfois "néons" les tubes fluorescents utilisés dans les salles de classe. Ces tubes contiennent- ils du néon? Pour le savoir, on a analysé avec un spectroscope la lumière qu ils émettent ; le spectre est le suivant : On observe cinq raies dont les longueurs d'ondes sont les suivantes : 405 nm ; 436 nm ; 487 nm ; 546 nm ; 615 nm. Les raies de faibles intensités ne sont pas présentées. 1. De quel type est le spectre de la lumière émise par le «néon»? 2. Quelle information donne- t- il sur la nature du contenu du tube? 3. Quelle(s) entité(s) chimique(s) est (sont) présente(s) dans le tube? 4. Comment devrait- on appeler ces tubes? Données : longueurs d onde (en nm) des raies d émission de différents gaz.

8 1STD2A CHAP 4 SPECTRES DE LA LUMIÈRE EXERCICES Page2 Exercice 3 : lampe à vapeur de sodium Le spectre de la lumière émise par une lampe à vapeur de sodium présente deux raies rapprochées. On les appelle doublet du sodium. Elles ont pour longueurs d onde respectives 589,0 nm et 589,6 nm. 1. Quelle est la couleur de la lumière émise par cette lampe? 2. Comment peut- on réaliser le spectre : a) D émission du sodium? b) D absorption du sodium? Exercice 4 : les néons On appelle parfois "néons" les tubes fluorescents utilisés dans les salles de classe. Ces tubes contiennent- ils du néon? Pour le savoir, on a analysé avec un spectroscope la lumière qu ils émettent ; le spectre est le suivant : On observe cinq raies dont les longueurs d'ondes sont les suivantes : 405 nm ; 436 nm ; 487 nm ; 546 nm ; 615 nm. Les raies de faibles intensités ne sont pas présentées. 1. De quel type est le spectre de la lumière émise par le «néon»? 2. Quelle information donne- t- il sur la nature du contenu du tube? 3. Quelle(s) entité(s) chimique(s) est (sont) présente(s) dans le tube? 4. Comment devrait- on appeler ces tubes? Données : longueurs d onde (en nm) des raies d émission de différents gaz.

9 Exercices 7