Caractérisation de sources lumineuses 1 BUT DE LA MANIPULATION Le but de cette manipulation est de déterminer : les longueurs d onde d une lumière émise par une lampe spectrale, par utilisation d un spectroscope, l intensité lumineuse d une surface éclairée par un laser. 2 LE SPECTROSCOPE L élément essentiel d un spectroscope est le système qui disperse la lumière, c'est-à-dire qui la décompose en radiations de différentes longueurs d'onde ; dans le cas le plus simple celui-ci est un prisme. La figure 1 ci-dessous donne le schéma de principe du spectroscope : lampe mire fente Collimateur II S Prisme Collimateur I lampe Lunette Fig. 1. Schéma de principe du spectroscope. Lorsque le rayonnement provient directement d une source lumineuse, le spectre observé est appelé spectre d émission de la source. Lorsque une lumière blanche a traversé une substance absorbant sélectivement certaines radiations, le spectre observé est appelé spectre d absorption de la substance. Optique TP1 1
Optique TP1 2
LEGENDE DE LA PHOTOGRAPHIE DU SPECTROSCOPE Collimateur II Micromètre Lunette Collimateur I A : Mise au point (tirage du tube portant le micromètre éclairé) B : Réglage de l inclinaison (ne pas modifier) C : Réglage de rotation (ne pas modifier) D : Mise au point (tirage du tube portant l oculaire) E : Réglage de l inclinaison (ne pas modifier) G : Blocage de la rotation F : fente F' : réglage de la largeur de la fente G : vis micrométrique commandant la rotation de la lunette O : Bague de réglage de l oculaire Optique TP1 3
2.1 Obtention du spectre de la source à étudier La source S de lumière à étudier éclaire la fente d un collimateur I réglé pour que le faisceau lumineux qui en sort soit parallèle ou collimaté (en grisé sur la figure 1). La lumière de ce faisceau est déviée par un prisme et observée à travers une lunette. 2.2 Projection d une mire de référence Afin de pouvoir comparer les spectres émis par des sources lumineuses différentes, il est nécessaire de disposer d une échelle graduée. Celle-ci est obtenue en projetant à l infini l image virtuelle d une mire micrométrique éclairée par une lampe auxiliaire. Le collimateur II donne un faisceau de lumière parallèle incident sur la face de sortie du prisme qui, se comportant comme un miroir, le réfléchit dans la lunette (faisceau en pointillés sur la figure 1). On observe alors la superposition du spectre à étudier et de l image de la mire de référence 3 - MANIPULATION Le spectroscope a été préréglé. Ne pas toucher : - aux vis de blocage des collimateurs I et II - à la vis de réglage de la fente. - au prisme. 3.1 Observations à l œil nu Allumer la source lumineuse (ici une lampe à hélium) et la placer le plus près possible de la fente du collimateur I. Repousser la lunette pour pouvoir observer le spectre directement à l œil. Allumer la lampe éclairant l échelle micrométrique et observer, toujours à l œil nu, l image de l échelle superposée au spectre de la lumière. 3.2 Observation avec la lunette Amener la lunette dans le champ d observation. Régler l oculaire de la lunette pour observer un spectre net. Mettre au point sur l image de l échelle graduée en agissant sur la vis moletée du collimateur II. 3.3 Etalonnage en longueur d onde L étalonnage consiste à repérer les longueurs d onde des raies d un spectre étalon connu (ici celui de l hélium) par rapport aux divisions arbitraires du micromètre. Le tableau ci-après indique, en nanomètres, les principales longueurs d onde des raies de l hélium. Optique TP1 4
Lampe à hélium. 706,5 rouge faible 667,8 rouge forte 656,3 rouge *** 587,5 jaune forte 504,7 verte faible 501,5 verte forte 492,2 verte moyenne 486,1 bleue *** 471,3 bleue moyenne 447,1 violette forte 438,7 violette faible *** : Ces raies dues à une impureté (hydrogène) ne sont pas émises par toutes les lampes. Vérifier que la raie jaune de l hélium coïncide avec la division 5 de la mire afin que tout le spectre soit visible sur l échelle. Pour chaque pointé, tourner la lunette pour amener la raie étudiée au centre du champ d observation. Tracer alors, sur la feuille de papier millimétré fournie, la courbe d étalonnage du spectroscope, c est-à-dire la courbe donnant la longueur d onde en fonction des divisions d du micromètre. couleur d λ (nm) 3.4 Détermination des longueurs d onde d un spectre d émission inconnu Remplacer la lampe à hélium par la lampe de nature inconnue. A partir de la courbe d étalonnage, déterminer les longueurs d onde des raies observées. couleur intensité d λ (nm) En déduire, avec l aide des tableaux en annexe, la nature de la lampe Optique TP1 5
En admettant que la principale cause d erreur de mesure soit une erreur de pointé (de l ordre d une petite division de l échelle graduée), évaluer les incertitudes absolue et relative sur la mesure d une longueur d onde située dans le rouge et d une autre située dans le bleu. Conclure. λr = λb = λr λ = B = λr λb 3.5 Etude de spectres d absorption Eclairer la fente du spectroscope avec une lampe de bureau à incandescence. Quelle différence observe-t-on par rapport aux spectres précédents? En déduire, à l aide de la courbe d étalonnage, les longueurs d onde des limites des différentes zones observées. Interposer le filtre coloré entre la fente et la source et déterminer sa bande passante c est-à-dire l intervalle de longueur d onde des radiations traversant le filtre sans être absorbées. 4 - INTENSITE LUMINEUSE SUR UNE SURFACE On veut mesurer l intensité lumineuse sur une surface éclairée par un laser He-Ne (hélium-néon) émettant une lumière rouge de 633 nm de longueur d onde et de puissance lumineuse égale à 1 mw environ. Allumer le laser et diriger le faisceau vers un des murs de la salle. ATTENTION! NE PAS DIRIGER LE FAISCEAU LASER VERS LES YEUX DES AUTRES ETUDIANT(E)S Mesurer le diamètre φ de la tache lumineuse obtenue sur le mur : φ = Optique TP1 6
En déduire l intensité lumineuse, exprimée en W.m -2, de cette tache : I = Mesurer la distance D entre le laser et le mur : D = En déduire la valeur de l angle α, ou divergence du faisceau (fig 2). α = mur α φ laser D Fig. 2. La divergence du faisceau laser est l angle α. Optique TP1 7
ANNEXE Principales longueurs d onde des lampes spectrales utilisées dans ce T.P. Lampe à vapeur de cadmium 643,8 rouge forte 508,5 verte forte 480,0 bleue forte 467,8 bleue forte 441,4 violette faible Lampe à vapeur de sodium 589,6 jaune forte 589,0 jaune forte Lampe à vapeur de zinc Lampe à vapeur de mercure 636,2 rouge forte 518,2 verte faible 481 bleue forte 472,2 bleue forte 468,0 bleue forte 579,0 jaune forte 576,9 546,0 verte forte 435,8 violette forte 407,8 violette très faible 404,6 violette faible Optique TP1 8