Document du professeur 1/7 Niveau 2 nde THEME : L UNIVERS Physique Chimie SPECTRES D ÉMISSION ET D ABSORPTION Programme : BO spécial n 4 du 29/04/10 L UNIVERS Les étoiles : l analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition. Cette analyse nécessite l utilisation de systèmes dispersifs. Les spectres d émission et Savoir qu un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les d absorption : spectres continus propriétés dépendent de la température. d origine thermique, spectres de Repérer, par sa longueur d onde dans un spectre d émission ou raies. d absorption une radiation caractéristique d une entité chimique. Raies d émission ou d absorption Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d un atome ou d un ion. d émission et d absorption et comparer ces spectres à celui de Caractérisation d une radiation la lumière blanche. par sa longueur d onde. Savoir que la longueur d onde caractérise dans l air et dans le vide une radiation monochromatique. Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l atmosphère de l étoile. Connaître la composition chimique du Soleil. Pré requis : o Décomposition de la lumière par un prisme o Composition de la lumière blanche (classe de 4 ème ) Mots-clé : o Spectre continu o Spectre de raies o Température de source o Lumière monochromatique o Lumière polychromatique Matériel : Pour un poste : o Coffret d optique Réf. : 02348 o Alimentation 6-12V Réf. : 01981 o Réseau de diffraction 600 traits Réf. : 04444 o Prisme Réf. : 04494 o Spectroscope plat gradué Réf. : 03254 o Source diode laser Réf. : 02996 o Cuve parallélépipédique Réf. : 13233 o Support à cuves Réf. : 13248 PIERRON 2011 Spectres d émission et d absorption (page 1)
Document du professeur 2/7 Pour le professeur o Fente réalisée dans du papier canson noir. o Rétroprojecteur Réf. : 08351 o Lampe spectrales au sodium Ref. : 06266 o Lampe spectrale au mercure Ref. : 04436 o Alimentation pour lampes spectrales Ref. : 00591 o Béchers (250 ml ) Réf. : 06217 o Solution de sulfate de cuivre (0,15 mol.l -1 ) Réf. : 01318980 o Solution de permanganate de potassium (0,02 mol.l -1 ) Réf. : 01699500 Remarques, astuces : o o o Le spectre de la lumière blanche obtenu par un réseau sera réalisé au bureau par le professeur mais les élèves disposeront de spectroscope plats gradués afin d observer par eux-mêmes les spectres des lumières émise par las lampes à vapeur de mercure et de sodium. Pour le spectre du sodium, avec les spectromètres employés en classe, les élèves ne voient qu une seule raie. Ils peuvent donc conclure, à raison pour eux, que la lumière émise par la lampe spectrale à vapeur de sodium est monochromatique. Ce sera au professeur de les détromper en évoquant le doublet du sodium. Concernant la réalisation des spectres de bandes (spectres d absorption), la moitié de la classe travaillera avec la solution de sulfate de cuivre (II) et l autre moitié avec la solution de permanganate de potassium. o Les écrans seront réalisés à partir de feuilles de carton blanc comme suit : PIERRON 2011 Spectres d émission et d absorption (page 2)
Document du professeur 3/7 Nom : Prénom : Classe : Date : Physique Chimie Thème : L Univers SPECTRES D ÉMISSION ET D ABSORPTION Objectifs : Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d émission et étudier l influence de la température de la source. Observer des spectres de raies Observer ou réaliser des spectres d absorption ACTIVITE 1 : Décomposition de la lumière blanche A. Décomposition par un prisme 1. Réaliser le montage ci-contre à l aide de la lanterne du coffret d optique alimentée en 12 volts, du prisme équilatéral et de l écran 2. Colorier, sur le schéma du montage, le rectangle correspondant au spectre en respectant l ordre des couleurs. 3. Quelle est la lumière colorée la plus déviée? La lumière violette 4. Quelle est la lumière colorée la moins déviée? La lumière rouge 5. Remplacer la lanterne du coffret par le laser rouge. Qu observez-vous? La lumière est déviée, elle n est pas décomposée. Le spectre n est plus formé que d une seule raie. Compléter la conclusion ci-dessous avec les mots suivants : dispersif, violet (2 fois), rouge (2 fois), bande, décomposer, spectre, blanche, polychromatique, continue, laser, monochromatique, raie colorée, longueur d onde, base - Un prisme permet de décomposer la lumière blanche émise par une lampe à incandescence et d'en obtenir le spectre : le prisme constitue un système dispersif. - Le spectre de la lumière blanche est constitué d'une bande colorée continue s étendant du violet au rouge : la lumière blanche est une lumière polychromatique. - Un prisme dévie la lumière vers sa base. Il dévie davantage le violet que le rouge. - Le spectre de la lumière du laser est constitué d une unique raie colorée sur un fond noir : la lumière émise par le laser est monochromatique. La raie colorée émise est caractérisée par un nombre : la longueur d onde qui s exprime en nanomètre (nm) PIERRON 2011 Spectres d émission et d absorption (page 3)
Document du professeur 4/7 B. Décomposition par un réseau Après avoir observé le spectre réalisé sur l écran pour toute la classe, dessiner dans le rectangle de droite du schéma ci-contre le spectre de la lumière blanche obtenu par action du réseau. Compléter la conclusion suivante avec les mots ci-après : réseau, lumière blanche, rouge, violet, spectre Un réseau permet d obtenir le spectre de la lumière blanche. Par rapport à la fente centrale, la couleur la plus déviée est le rouge et la moins déviée le violet, contrairement au prisme. ACTIVITE 2 : spectre d émission d un corps chauffé 1. La lampe à incandescence de la lanterne du coffret d optique est alimentée normalement en 12 V alternatif. La température du filament en tungstène est très élevée, la lumière obtenue est blanche. 2. Mettre en place la fente fine, puis le réseau sur la lanterne du coffret d optique. 3. Observer sur l écran, le spectre formé par le réseau. 4. Alimenter la lampe en 6 V alternatif. Le filament est alors moins chaud que précédemment. Observer l aspect du spectre. 5. Dessiner l'allure du spectre dans chaque cas sur les schémas proposés ci-dessous : - Quand le filament est très chaud : - Quand le filament est moins chaud : PIERRON 2011 Spectres d émission et d absorption (page 4)
Document du professeur 5/7 Compléter la conclusion ci-dessous avec les mots suivants : bleu-violet, température, chaud, continu, élevée, couleur, blanche, rouge au violet, rouge au jaune, rouge-orangé Un corps dense (solide - gaz sous forte pression) et chaud émet de la lumière. Le spectre d'émission du corps chaud est continu et d'autant plus riche en couleurs bleu-violet que sa température est élevée. La couleur de la lumière émise par le corps chauffé peut donc nous renseigner sur sa température. Lorsque la lumière émise est blanche, le spectre présente toutes les couleurs du rouge au violet. Lorsque la lumière émise est rouge-orangé, le spectre présente les couleurs allant du rouge au jaune Application : La couleur des étoiles À l aide de la conclusion précédente, complétez le texte ci-dessous : Bételgeuse, qui est une étoile rouge, est plus froide que Rigel qui est une étoile bleue. L analyse du spectre permet d accéder à la température de l étoile. ACTIVITE 3 : les spectres de raies d émission 1. Observer, à l aide d un spectroscope, les lumières émises par les lampes à vapeur de sodium et de mercure 2. Attribuer à chaque élément les spectres d émisssion représentés ci-dessous. Précisez la couleur de chacune des lumières observées à l œil nu. Indiquez si la lumière émise par les lampes est monochromatique ou polychromatique Spectre A Spectre B Le spectre A a été obtenu avec la lampe à vapeur de sodium. La lumière observée à l œil nu est jaune. Avec nos spectromètres, une seule raie y est visible. On dit que la lumière est monochromatique. Ce spectre est un spectre de raie d émission. PIERRON 2011 Spectres d émission et d absorption (page 5)
Document du professeur 6/7 Le spectre B a été obtenu avec la lampe à vapeur de mercure. La lumière observée à l œil nu est blanche-violette. Avec nos spectromètres, on y distingue un petit nombre de raies colorées qui se détachent sur un fond noir. On dit que la lumière est polychromatique. Ce spectre est un spectre de raies d émission. 3. Sur l axe ci-dessous, placer la raie spectrale émise par le sodium sachant que sa longueur d onde vaut λ = 589 nm (en réalité le sodium émet deux raies spectrales très proches mais le spectroscope utilisé ne permet pas de les séparer) La raie se situe dans le jaune-orangé, la longueur d onde est une grandeur plus objective que la couleur. nm 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 4. Sur l axe ci-dessous, placer les raies spectrales émises par le mercure sachant que leurs longueurs d onde valent : λ 1 = 436 nm ; λ 2 = 546 nm ; λ 3 = 576 nm ; λ 4 = 623 nm ; λ 5 = 690 nm Les raies sont respectivement violette, indigo, verte, jaune, orange et rouge. nm 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 ACTIVITE 4 : les spectres d absorption 1. À l aide du matériel déjà utilisé à l activité 1, réaliser le montage cicontre en intercalant une cuve parallélépipédique contenant une soution soit de permangante de potassium, soit et de sulfate de cuivre (II) entre le prisme et l écran. 2. Observer le spectre obtenu et attribuer à chaque solution son spectre d absorption dans les deux cidessous. Spectre C Spectre D Le spectre C est le spectre d absorption de la solution de sulfate de cuivre. On y note l absence d une bande large dans le rouge orangé. Le spectre D est le spectre d absorption de la solution de permanganate de potassium. On y note l absence d une large bande dans le vert. Le spectre d absorption caractérise l espèce qui interagit avec la lumière. PIERRON 2011 Spectres d émission et d absorption (page 6)
Document du professeur 7/7 3. Pourquoi appelle-t-on ces spectres des spectres d absorption? Ces spectres présentent des «manques» car une partie de la lumière a été absorbée par la solution et réémise affaiblie dans toutes les directions, ce qui provoque ces bandes sur l écran : ce sont des spectres d absorption. 4. À partir du spectre de la solution utilisée, justifier sa couleur. La couleur de la solution est la couleur complémentaire de celle absorbée. La couleur bleue de la solution de sulfate de cuivre (II) est liée à son absorption dans le rouge. La couleur rose violacé de la solution de permanganate de potassium est liée à son absorption dans le vert. 5. On donne ci-dessous les spectres d absorption des éléments sodium et mercure. En justifiant votre choix, attribuer le bon spectre au bon élément. Spectre E Spectre F Si le spectre d absorption caractérise une espèce en interaction avec la lumière, le spectre E est celui du sodium et le spectre F celui du mercure car les raies noires du spectre d absorption doivent correspondre aux raies lumineuses du spectre d émission. 6. Application On donne ci-contre deux spectres mettant en œuvre la vapeur d hydrogène a. Comment distinguer un spectre de raies d émission d un spectre de raies d absorption? Un spectre de raies d émission présente des raies lumineuses se détachant sur un fond sombre, alors qu un spectre de raies d absorption présente un fond coloré sur lequel se détachent des raies sombres. b. Comment un spectre caractérise-t-il un élément chimique? Pour une même espèce, les deux spectres sont complémentaires. Par son spectre de raies, qu il soit d émission ou d absorption. 7. Conclusion Compléter la phrase ci-dessous : Un élément chimique émet les radiations lumineuses qu il est par ailleurs capable d absorber. Ces radiations sont caractéristiques de cet élément. Remarque : une application de cela est la connaissance de la chromosphère des étoiles qui sera étudiée dans le TP suivant. PIERRON 2011 Spectres d émission et d absorption (page 7)