Mise en pratique : Etude de spectres Introduction La nouvelle génération de spectromètre à détecteur CCD permet de réaliser n importe quel spectre en temps réel sur toute la gamme de longueur d onde. La fibre optique donne une grande souplesse d utilisation pour capter n importe quelle source de lumière. Le porte cuve et filtres, amovible sans outillage, ouvre le champ des manipulations vers l étude des filtres et de la chimie. Toutes ces avancées techniques, alliées à une grande simplicité d emploi, en font un outil incontournable et très polyvalent pour la réalisation de nombreuses manipulations de la 2 nde à la T ale. Schéma de principe de fonctionnement d un spectromètre à capteur CCD. Pendant les manipulations Pour réaliser un spectre, il suffit d ouvrir le logiciel et de pointer la fibre optique vers la source souhaitée. La sensibilité du spectromètre permet de capter très rapidement le spectre. Une fois le résultat affiché, il est possible de figer la courbe (fonction «snap shot») et de le visualiser sous forme : de courbe (graphique), de spectre coloré (spectrographe) ou de spectre de raie (voir spectre). Les résultats peuvent être enregistrés pour être conservés et ré-exploités ultérieurement. Il est possible de superposer jusqu à 7 spectres afin de les comparer simplement (uniquement en fonction graphique). Les fonctions zoom et curseur permettent de déterminer les points d intérêt et d obtenir les longueurs d ondes correspondantes. Page 1
1- Spectre d émission d une lampe spectrale Il est particulièrement intéressant pour ce type de spectre d observer le résultat sous forme de spectre de raie et de le comparer aux tables de données. La précision du spectrophotomètre permet de distinguer le doublet du mercure ayant des valeurs de longueur d ondes très proches. Les raies caractéristiques d un élément (ici le mercure) permettent de le repérer lors de l observation d un spectre. Ainsi, on peut par exemple repérer le mercure dans le spectre d une lampe fluo-compacte. Spectre d une lampe à vapeur de mercure. On retrouve les raies caractéristiques à : 405 ; 436 ; 546 ; 577 et 579 nm. La superposition des spectres du mercure et d une ampoule fluo-compacte permet de mettre en évidence la présence de cet élément dans ce type d ampoule. Superposition des spectres d une lampe à vapeur de mercure avec et sans lunette de protection pour les UV : on constate la disparition des 2 raies les plus à gauche du spectre. Page 2
2- Spectres d émission d un ion L un des tests de caractérisation les plus courants pour les ions est le test de couleur de flamme. Grâce au spectromètre, il est possible d obtenir le spectre d émission de ces ions dont les raies sont caractéristiques. A partir d une table de spectre, il est alors possible de retrouver un ion dans une solution inconnue par exemple. Spectre obtenu avec un mélange inconnu : on identifie l ion cuivre (bande dans le vert), ion sodium (raie jaune vers 590 nm), ion potassium (raie rouge sombre vers 770). 3- Comparaison de différentes sources lumineuses de type «éclairage» Comparaison rapide des spectres obtenus pour 4 types d ampoules utilisées pour l éclairage. On constate que les ampoules à incandescence et halogène ont des spectres continus alors que les ampoules fluo-compactes et LED des spectres discontinu. L œil perçoit pourtant un éclairage «blanc» quelle que soit l ampoule. Ampoule à LED Ampoule à incandescence Ampoule fluo-compacte Ampoule halogène Page 3
4- Etude des couleurs La maquette pixel permet de reconstituer les couleurs à l aide de 3 LED RVB réglables par potentiomètre (synthèse additive). L étude des spectres obtenus met en évidence la distinction entre couleur perçue et couleur spectrale. Réalisation d un pixel violet à l aide des LED bleu et rouge, et visualisation du spectre résultant. 5- Etude de filtres Pour réaliser une étude de filtres, il est possible d utiliser le porte cuve et filtres disposant d une source lumineuse intégrée. Dans ce cas, on peut par exemple réaliser un blanc pour observer les spectres en absorbance ou en transmitance. Spectre d un filtre rouge en absorbance. Spectre d un filtre vert en transmitance. Page 4
6- Spectre de chimie / loi de Beer-Lambert / cinétique La réalisation de spectre de produit chimique nécessite de disposer du porte cuve et filtre. Il se connecte simplement et rapidement au spectromètre directement avec la fibre optique et dispose d une source lumineuse basse consommation. Une fois le blanc effectué vous pouvez choisir de voir vos spectres en absorbanse ou en trasmission (un simple clic permet de passer de l un à l autre). L avantage de ce type d appareil est de pouvoir visualiser imédiatement l intégralité du spectre et de repérer les maxima de longueur d onde à l aide des curseurs. Spectre d absorbance d une solution de permanganate de potassium. Le logiciel dispose d une fonction intégrée «Beer- Lambert» permettant de tracer la courbe A = k.c et de déterminer la concentration d une solution inconnue. La fonction logicielle intégrée «cinétique» permet de suivre, en temps réel, l absorbance de deux longueurs d ondes prédéterminées en fonction du temps. Page 5
7- Détermination de longueur d onde d un laser L étude du phénomène d interférences avec les ondes lumineuses donne l occasion en TP de déterminer la longueur d onde d un laser. Il peut être intéressant de confronter cette mesure à la valeur constructeur et à la valeur obtenu en réalisant le spectre de ce laser. Spectre obtenu pour un laser vert : - donnée constructeur : 532 nm - donnée spectrale : 534 nm Spectre obtenu pour un laser rouge : - donnée constructeur : 650 nm - donnée spectrale : 654 nm 8- Mise en évidence de l atténuation d un signal transmis par fibre optique Une onde électromagnétique transporte de l énergie lorsqu elle se propage dans la fibre optique. La puissance de cette énergie diminue avec la distance. Cela s appelle l atténuation. Il est possible de montrer cette atténuation dépend non seulement de la longueur de la fibre mais aussi de la longueur d onde de la source. Ainsi, on montre l importance du choix de la source utilisée pour transmettre un signal afin de limiter les pertes par absorption. Pour cela, il est possible d utiliser un spectrophotomètre à fibre et de disposer de fibre optique de 2 longueurs différentes : - connecter le spectromètre au porte-cuve disposant d une source lumineuse, - réaliser un blanc, - passer en mode transmission (ou absorbance) - changer la fibre optique pour une de plus grande longueur - observer le spectre résultant. Dispositif expérimental. Blanc réalisé avec une fibre de 2 m et résultat obtenu avec une fibre de 4 m. Page 6
Matériel Equipement de base Spectromètre SOFI réf. 202856 Porte cuve et filtre réf. 202857 ou Spectrophotomètre SOFI réf. 202858 Complément Banc test 4 ampoules réf. 282033 Alimentation spectre JLN01 + ampoule Hg réf. 213069 Kit test de flamme réf. 105164 Maquette pixel réf. 201040 Filtres RVB réf. 203019 Pour aller plus loin La liste des manipulations présentées n est pas exhaustive : fluorescence, filtres interférentiels, spectres cannelés, atténuation d une fibre optiques, couleurs des corps chauffés et bien d autres thèmes encore peuvent être étudié avec les spectromètres à fibre optique. Page 7