CORRIGE du TP n 8 Chapitre 10 : Les messages de la lumière dans l'univers : Comment obtient on le spectre d'une source lumineuse...? (Partie 1) "La lumière est un cadeau de l'univers qui nous arrive sous forme de messages codés. C'est extraordinaire" Tranh Xuan Thuan (astrophysicien, professeur à l'université de Virginie, USA) Objectifs : - Comment peut on décrire la richesse d'une lumière dans un spectre? - A quoi peuvent ressembler les spectres lumineux de différentes sources de lumière? Ont elles toutes le même spectre? - Comment différencier un spectre d'émission d'un spectre d'absorption? - Comment prédire l'absorption d'une lumière éclairante par une matière? I) Introduction : qu'est ce qu'un spectre? - Définitions Spectre : c'est l'ensemble des lumières de couleur qui composent une lumière étudiée. Par exemple, la lumière du soleil passant par des gouttes d'eau, par temps de pluie, produisent le phénomène d'arc en ciel dans lequel on voie les lumières de couleurs (essayer de respecter l'ordre de ces dernières) : Violet / Indigo (Bleu) / Cyan (Bleu Turquoise) / Vert / Jaune / Orange / Rouge, ce sont les 7 teintes principales de l'arc en ciel... On associe généralement à ces lumières de couleurs une grandeur appelée longueur d'onde, notée λ, et dont on a vu en cours la définition lorsqu'on a parlé des ondes. Violet Bleu Cyan Vert Jaune Orange Rouge 380-430 430-450 450-500 500-550 550-600 600-640 640-780 nm 1. Compléter les cases ci-dessus du tableau avec les 7 couleurs (ou teintes) identifiées de l'arc-en-ciel correspondant aux 7 domaines de longueurs d'onde ci-dessus. On peut dès lors associer à la définition de spectre, deux adjectifs qualificatifs suivants : Spectre continu : les lumières colorées qui composent une lumière étudiée varient progressivement sans discontinuité (c'est le cas de la lumière aperçue dans le phénomène de l'arc en ciel, entre autres...), d'une longueur d'onde à l'autre (on en verra au cours de ce TP).
Spectre discret, dit "de raies" : les longueurs d'ondes des lumières colorées qui composent une lumière donnée sont en nombre fini et sont distinctes les unes des autres (on en verra au cours de ce TP). 2. De quelle nature est alors le spectre de la lumière du soleil, d'après vous? Justifier. Il semble que le spectre de la lumière solaire soit continu car on voit toutes les couleurs, sans discontinuité, on observe un dégradé progressif du violet jusqu'au rouge, ce qui correspond à l'intégralité des longueurs d'onde visibles. II)Décomposition d'une lumière pour obtenir son spectre 1) Décomposition par un prisme Expérience n 1 : Allumer la lampe (boîtier noir muni de miroirs latéreaux amovibles) située sur votre paillasse à l'aide du générateur et identifier le côté éclairant muni d'une simple fente. Prendre un prisme de plexiglas de base triangulaire équilatérale. Poser le prisme sur sa base triangulaire de façon à ce qu'une de se faces rectangulaires soit devant la fente de lumière. Observer la fente de lumière à la sortie du prisme et la projeter sur un écran (situé sur la paillasse). Ajuster l'orientation du prisme devant la fente de lumière de façon à réaliser au mieux la décomposition de la lumière blanche qu'émet la source. Appeler le professeur Faire ci-dessous un schéma de ce que l'on voit sur l'écran : Décomposition de la lumière : c'est l'opération de séparation dans l'espace des...... qui composent une lumière étudiée et qui sont toutes... avant décomposition.
3. Pourquoi peut on dire qu'on a obtenu le spectre de la lumière produite par la source? Oui, car la lumière blanche est bien décomposée en lumières colorées (les mêmes que celles qu'on voit dans l'arc en ciel...) 4. Cela est il comparable avec ce que l'on observe dans un arc-en-ciel? Que peut on en déduire à première vue quant à la nature de ces 2 sources de lumière? Justifier. En comparant les lumières colorées avec celles de l'arc en ciel, on peut dire que oui, donc cela semble signifier que la lumière du soleil (naturelle) et la lumière de la lampe à incandescence (artificielle) se décomposent de la même manière... Ces 2 types de sources sont donc assez similaires quant à la lumière qu'elles produisent, et ce malgré cette distinction de taille entre artificiel et naturel! 2) Décomposition par un réseau : le spectroscope à réseau Il y a d'autres moyens d'obtenir le spectre d'une source de lumière, car le prisme n'est pas très pratique : en effet, le spectre obtenu est dévié et n'est pas obtenu dans la même direction que le rayon décomposé! Il existe aussi le réseau, objet optique aux propriétés particulières. Réseau optique : c'est un instrument d'optique obtenu par un grand nombre N de traits parallèles, réalisés par gravure à la surface d'un milieu transparent. N peut varier de quelques 10 à 1000 traits/mm : ils sont invisibles à l'oeil nu car trop rapprochés. Spectroscope à réseau : c'est un instrument d'optique équipé d'un réseau qui permet l'observation directe d'un spectre d'une source de lumière donnée. Réseau optique vu au microscope On présente ci-contre le spectroscope à main, il suffit de : Mettre son oeil proche devant l'ouverture notée "réseau" Viser précisément la source de lumière qu'on veut décomposer, sans trop bouger. Visualiser, à l'intérieur de la boîte, le spectre affiché sur les graduations (voir ci-contre : échelle graduée) On va donc, maintenant, à l'aide de ce spectroscope rudimentaire, observer différentes sources de lumière pour en observer leur spectre respectif : on peut dessiner les spectres dans l'ordre qu'on voudra, le tout étant de ne pas gêner les autres groupes!
III)Spectre d'émission d'un corps Pour qualifier les spectres observés, on pourra utiliser les termes : continu, discret, "de raie", monochromatique, polychromatique, hydride 1) Différents types de sources de lumière a) Source de lumière "Au sodium" Expérience n 2 : Observer directement à l'aide d'un spectroscope à réseau le spectre d'une lampe à sodium (Na). Représenter ci contre le spectre observé (faire figurer, même approximativement, les longueurs d'onde "remarquables"). 5. Comment peut on qualifier le spectre de cette source? Justifier. Il contient une raie unique! On peut donc le qualifier de discret ou de raies, et donc, de plus, monochromatique. ~ 590 nm b) Source de lumière "Au mercure" Expérience n 3 : Procéder de la même manière que précédemment pour cette nouvelle source de lumière, la lampe à vapeur de mercure (Hg). 6. Comment peut on cette fois qualifier le spectre de cette source? C'est un spectre de raies (ou de raies) mais on peut cette fois le qualifier de polychromatique car il contient 5 raies bien visibles (et quelques unes qui le sont franchement moins). c) Lampe "moderne" : lampe fluocompacte Expérience n 4 : Procéder de la même manière que précédemment pour cette nouvelle source de lumière, la lampe fluocompacte (paillasse professeur). 7. Comment peut on cette fois qualifier le spectre de cette source? Cette fois ci, dans le spectre observé, il y a des zones continues et aussi des raies isolées, c'est donc un spectre hybride, qui a par endroits la propriété d'un spectre continu, et en d'autres endroits, la propriété d'un spectre de raies.
8. Qu'est ce qui a changé par rapport aux spectres des 2 autres lampes à vapeur de gaz? Il n'y a plus uniquement des raies distinctes les unes des autres, mais des bandes entières (donc des intervalles de longueurs d'ondes). Et, sans posséder toutes les lumières colorées de l'arc en ciel, comme pour les spectres précédents, la lampe fluocompacte nous paraît pourtant blanche... Autrement dit, la lumière blanche peut peut être obtenue en réalisant différents mélanges de lumières colorées... 9. Pourquoi peut on parler, pour toutes ces sources, de spectre d'émission? Justifier. Car toutes ces sources de lumière produisent leur propre lumière, qu'elles émettent, elles ne se contentent pas de réflechir et transmettre une lumière qu'elle auraient reçue d'ailleurs... Spectre d'émission : c'est le spectre d'une lumière qu'une source nous envoie sans rencontrer (traverser) d'autre milieu avant sa décomposition. 2) Les corps chauds Parmi les source de lumière usuelles, il faut aussi mentionner la lampe à incandescence dont le fonctionnement repose un filament de tungstène (élément de symbole W), métal qui est chauffé par le passage d'un courant électrique. Le filament est porté à incandescence et atteint une température très élevée. Expérience n 5 : Observer le spectre de la lampe à incandescence en faisant varier l'éclat de la lampe à l'aide du curseur du générateur (ATTENTION à ne pas dépasser 220 V). 10.Lorsque l'éclat augmente, comment évolue la température du filament d'après vous? Si l'intensité augmente, on peut supposer que l'énergie reçue par la lampe augmente et donc cette énergie est convertie en chaleur, qui fait monter la T du filament... 11.Comment évolue également la couleur apparente de cette source en fonction de son éclat? La couleur de la lumière éclairante va du rouge-orangé (basse intensité) au blancjaunâtre (grande intensité). 12.Son spectre est il continu? Oui, mais... 13.Les longueurs d'onde sont elles toutes de même intensité dans le spectre observé?... Certaines longueurs d'onde sont plus intenses que d'autres... Par exemple à basse intensité, le spectre de la lumière rouge-orangé, après décomposition, montre des lumières colorées violette/bleue/cyan très atténués par rapport aux jaune/orange/rouge, ce qui est cohérent, puisque c'est la couleur apparente de la lumière émise, sans décomposition...
14.Comment évolue le spectre en fonction de son éclat? Quelles sont les couleurs qui apparaissent en premier? En dernier, lorsqu'on fait augmenter l'éclat de la lampe? Quand on augmente l'intensité du courant qui traverse le filament, la lumière vire au jaune-blanchâtre et les couleurs cyan, puis bleue, puis violette qui composent son spectre réapparaissent progressivement plus intenses... : ce sont les dernières à apparaître franchement... Un corps "chaud" émet un spectre continu, dont le maximum d'intensité lumineuse dépend de la température. Plus le corps est chaud, plus le maximum d'intensité lumineuse se déplace vers les petites longueurs d'onde. III) Spectre d'absorption d'un corps 1) Spectre d'absorption d'une substance liquide Expérience n 1 : On réalise l'expérience décrite par le schéma ci contre. Protocole : 1) On remplit une cuve transparente parallélépipédique avec un liquide coloré. 2) On pose la cuve sur une fente de lumière réalisée à partir de papier Canson posé sur un rétroprojecteur. 3) On pose un réseau (pour décomposer la lumière en son spectre) sur la lentille supérieure du rétroprojecteur. 4) On projette le spectre obtenu sur l'écran de projection. Observations (pour une solution de couleur cyan de sulfate de cuivre II de formule : Cu 2+ ; SO 4 2- ) : On observe un spectre continu ne contenant que les composantes Bleue / Cyan / Verte / Jaune du spectre de référence de la lumière blanche qui éclaire la cuve : la solution a absorbé une partie du spectre de la lumière qui l'éclaire : les lumières de couleur Violette / Orange / Rouge sont absorbées, les Bleue / Cyan / Verte sont quant à elles diffusées... Observations (pour une solution de couleur magenta de permanganate de potassium de formule : K + ; MnO 4- ) : On observe un spectre continu ne contenant que les composantes bleue / Violette / Rouge du spectre de référence de la lumière blanche qui éclaire la cuve : La solution de permanganate de
potassium a absorbé une partie du spectre de la lumière qui l'éclaire : les lumières de couleur Cyan / Verte / Jaune et Orange sont absorbées, les Violette / Bleue / Rouge sont quant à elles diffusées... 1. De quelle couleur voit on chacune de ces 2 solutions aqueuses lorsqu'elles sont éclairées par une lumière quasi blanche? Respectivement cyan et magenta... 2. En se remémorant le spectre de la lumière blanche et au vu des spectres observés après passage de la lumière blanche dans ces solutions, que semble t-il se passer dans les 2 cas? Il y a absorption de certaines lumières de couleur qui composent le spectre initial de la lumière éclairante blanche... Certaines sont à l'inverse diffusées : ce sont ces lumières qui sont encore présentes dans le spectre de la lumière sortant des liquides. 2) Spectre d'absorption d'une substance gazeuse Expérience n 2 : Une video nous montre le spectre d'une lumière blanche ayant traversé des vapeurs de sodium, créées par du chlorure de sodium brûlant dans une flamme de Bec Bunsen. Le protocole expérimental est délicat à mettre en place et s'apparente au schéma cidessous : 3. Retranscrire l'allure du spectre visionné dans la vidéo. 4. Comparer ce spectre au spectre d'émission du sodium, que constate t'on? Le spectre d'émission de la lampe à vapeur de sodium (1 seule raie orange, sur fond noir) et le spectre d'absorption du sodium sont complémentaires : si on regroupe le spectre d'émission et d'absorption du sodium, on retrouve le spectre compet de la lumière blanche... Autrement dit, ce que le sodium est capable d'émettre si on excite ses atomes
dans une lampe : 1 raie orange est aussi ce qu'une vapeur de sodium est capable d'absorber si on l'éclaire avec une lumière blanche. 5. Retrouve le même comportement que pour les solutions aqueuses? Qu'est ce qui a changé ici? Oui, il semble que la lumière sortant du gaz soit "privée" de la raie caractéristique du sodium : elle a été absorbée... tout comme certaines longueurs d'onde ont été absorbées par les liquides colorés précédemment testés. Spectre d'absorption : c'est un spectre d'une lumière ayant traversé un milieu qui absorbe une partie du spectre de la lumière éclairante initiale. Les longueurs d'onde diffusées sont les seules restantes qu'on trouve dans ce spectre d'absorption. On va maintenant vérifier ce phénomène d'absorption de lumière pour les solides, plus particulièrement pour des objets appelés filtres, notamment utilisés en : scénographie (spots de lumières...), photographie... 3) Spectre d'absorption d'un solide Expérience n 3 : On réitère la même expérience que pour l'absorption par les 2 solutions aqueuses, mais on remplace la boite de Pétri par un filtre de couleur (rouge, vert ou bleu). a) Filtre rouge Prédiction d'observation : On s'attend à ce que la lumière rouge apparente corresponde à du rouge dans son spectre, une fois décomposée... mais peut être qu'une lumière rouge peut être composée à partir d'autres lumières colorées? 6. Observe t-on donc finalement un spectre conforme à nos prédictions? Le même raisonnement est il toujours valide pour les 2 autres filtres? Prédire les couleurs présentes dans les spectres de lumière après absorption par des filtres bleu et vert. Oui, le spectre est conforme à celui attendu : un objet solide réalise donc aussi une absorption... : il absorbe toutes les lumières de couleur de la lumière blanche sauf la rouge qu'il diffuse... Il a filtré (d'où son nom) toutes les autres... Pour le filtre Bleu : ce filtre absorbe toutes les lumières de couleurs sauf la Bleue. Pour le filtre Vert : il absorbe toutes les lumières de couleurs sauf la Verte. Remarque : en physique, on appelle Rouge, Vert, Bleu, les couleurs primaires, car elles ne sont pas décomposables en d'autres couleurs, et à partir de ces 3 lumières de couleur, on peut reproduire, en les associant, toutes les autres lumières de couleur (Voir Simulateur, en lien sur la page Wifeo).