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Les spectres d’émission et d’absorption

Par Yann le 01/08/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Optique > Les Spectres d’Émission et d’Absorption

Généralités sur le spectre électromagnétique

La lumière étant un rayonnement électromagnétique, il est possible de la décomposer selon ses différentes composantes en termes de fréquence, de longueur d’onde ou d’énergie des photons, particules élémentaires de la lumière.

L’énergie des photons est définie selon la formule suivante, avec h la constante de Planck égale à m².kg.s-1.

    \[E=hf=h\times\frac{c}{\lambda}\]

Quel est l'étendue des rayonnements électromagnétiques ? Comme on peut le voir sur ce graphique, le spectre électromagnétique est très large. La longueur d’onde est inversement proportionnelle à la fréquence du rayonnement.

La lumière que nous observons est composée de rayonnements ayant des longueurs d’onde comprises entre 350 nm et 750 nm : c’est ce qu’on appelle le spectre visible.

Ces longueurs d’onde sont les seules que l’œil humain peut percevoir, à l’aide des cônes de la rétine. Les rayonnements proches de 350 nm seront perçus comme violet, au-delà, on parlera d’ultraviolets (UV). Les rayonnements proches de 750 nm seront perçus en rouge, au-delà, on parlera d’ondes infrarouges (IR).

Quelles sont les couleurs visibles par l'Homme ? Toutes les couleurs visibles par l’œil humain sont représentées sur ce spectre.

Les spectres d’émission

Comme leur nom l’indique, les spectres d’émission sont constitués des rayonnements émis par un corps. On distingue deux sortes de spectre d’émission : les spectres continus, et les spectres de raie.

Les spectres continus

Expérimentalement, il est possible d’obtenir un spectre continu avec tout corps à haute pression et haute température. Ces spectres sont donc d’origine thermique, et l’émission de lumière est liée à la température de la source.

Ce type de spectre comporte tous les rayonnements visibles sans discontinuité du violet au rouge.

Cependant, la proportion des différents rayonnements n’est en général pas la même : un spectre d’émission continu comporte toujours une longueur d’onde correspondant à une intensité plus forte que les autres. On retrouve ce phénomène dans les lampes et ampoules d’usage quotidien. En effet, une lampe à incandescence classique, qui produit de la lumière en chauffant un filament de tungstène à l’aide du courant électrique, présentera une plus forte intensité de radiations rouges au sein de son profil spectral.

Cela explique la couleur légèrement rouge-orangée des lampes à incandescence.

Cette longueur d’onde de plus forte intensité, qui correspond à un maximum d’émission, permet de déduire la température du corps émetteur. Plus cette longueur d’onde est faible (décalé vers le violet), plus la température est élevée.

Les spectres continus permettent donc de déterminer la température de leur source. C’est ainsi que la température de surface d’une étoile peut être connue.

Il est possible d’observer un spectre continu par la méthode dite de la décomposition de la lumière. En effet, la lumière blanche du Soleil ou des lampes à incandescence est composée de tous les rayonnements du spectre visible, qui sont donc de longueurs d’onde différentes et de couleurs différentes : elle est qualifiée de lumière polychromatique.

En projetant de la lumière blanche à travers un prisme vers un écran, on peut apercevoir le spectre de la lumière blanche, semblable à un arc en ciel.

comment peut-on observer le spectre continu de la lumière En traversant la surface en verre, la lumière subit une dispersion chromatique à cause de la différence d’indice de réfraction entre l’air et le verre, et à cause de l’angulation du prisme. Cela produit l’image représentée ci-dessous, que l’on peut retrouver par exemple sur la pochette de l’album « The dark side of the moon » du groupe de rock britannique Pink Floyd.

Les spectres de raie

Dans ce cas, la lumière considérée est monochromatique. Les spectres sont constitués uniquement de quelques raies correspondant à un nombre limité de longueurs d’onde. Ils sont obtenus par excitation électrique de certains gaz.

En effet, un atome n’est pas fixé dans un état d’énergie. Sa structure électronique peut être altérée par les rayonnements de l’environnement, eux même constitués de photons : c’est ce que l’on appelle les transitions électroniques.

Ces photons contiennent un quantum d’énergie E. Cette énergie peut, si elle est suffisante, rompre la liaison d’un électron sur une couche électronique interne de nombre quantique n, qui passe alors vers un état d’énergie supérieur en absorbant : l’atome est alors excité. Un électron d’une couche périphérique p peut également passer vers une couche plus profonde n, et donc vers un état d’énergie inférieur en émettant un rayonnement de fluorescence : l’atome se désexcite et retourne à son état fondamental.

L’énergie du photon produit ou absorbé est strictement égale à la différence entre les deux états d’énergie de l’électron considéré. Il est alors possible de déterminer la longueur d’onde du rayon émis ou absorbé selon la formule suivante :

    \[\triangle E=h\times \nu=\frac{h\times c}{\lambda}\]

Ou :

  • ∆E est la différence entre les deux états d’énergie (de départ et d’arrivée) (J)
  • ν est la fréquence du rayonnement (Hz)
  • λ est la longueur d’onde du rayonnement (m)
  • h est la constant de Planck : h ≈ 6,62 x 10-34s-1
  • c correspond à la célérité de la lumière : c ≈ 3,00 x 108s-1

Cependant, cette énergie est bien souvent donnée en électronvolt (eV). Il faut alors la convertir, sachant que 1 eV = 1,602 x 10-19 J.

Chaque composé chimique possède son propre spectre de raie qui le caractérise et permet de l’identifier.

A quoi ressemble un spectre de raie ? Le spectre d’émission du fer (Fe, en haut) comporte de nombreuses raies. Au contraire, celui de l’hydrogène (H, en bas) n’en comporte que peu.

Les spectres d’absorption

Un spectre d’absorption est obtenu lorsque qu’une lumière blanche ayant un spectre continu traverse un corps gazeux.

Selon la composition chimique du gaz, le spectre initialement continu présente alors des raies noires correspondant aux longueurs d’onde absorbées.

Cela s’explique par le fait que les photons contenus dans le rayonnement peuvent être absorbés par l’atome, dans l’éventualité où ils contiennent la quantité d’énergie nécessaire à ce que l’électron de l’atome considéré puisse passer à un niveau d’énergie supérieur. Ce photon disparaissant du rayonnement, il laisse alors une raie noire sur le spectre d’absorption initialement continu.

Quel est le lien entre absorption et émission ? Il existe une relation de complémentarité entre les deux spectres. Les raies d’absorption et d’émission d’une même espèce chimique ont la même longueur d’onde : l’atome est donc capable d’absorber les longueurs d’onde qu’il peut émettre.

Les longueurs d’ondes absorbées par une substance correspondent aussi aux longueurs d’ondes des rayonnements figurant dans son spectre de raie d’émission. Les raies noires figurant dans un spectre d’absorption permettent donc d’identifier les substances qui ont été traversées par la lumière.

L’analyse d’un spectre de raie permet par exemple d’identifier les substances présentes dans l’atmosphère d’une étoile.

Le Soleil, par exemple, renvoie une « lumière blanche » mais présente un spectre de raies d’absorption, au lieu d’un spectre continu simple attendu. Cela peut s’expliquer par la présence d’une atmosphère autour du Soleil.

Cette atmosphère contenant différentes espèces chimiques, qui vont absorber différentes longueurs d’onde. Le spectre observé sur Terre est donc un spectre de raies d’absorption.

En prenant en compte la complémentarité entre spectres d’émission et spectre d’absorption, il est possible de déterminer les espèces chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil. Cette technique a permis de déterminer la présence de fer, d’hydrogène, de magnésium, de sodium et de calcium dans l’atmosphère du Soleil : c’est donc un puissant outil d’analyse en astrophysique.

Le Soleil est-il une véritable lumière blanche. Le spectre du Soleil est constituée de multiples raies noires, appelées raies de Fraunhofer d’après le scientifique qui les a découvert au début du XIXe siècle. Toutes ces raies ont une désignation particulière, correspondant à un élément chimique : la raie A, par exemple, correspond au dioxygène O2, alors que la raie D correspond au sodium Na.

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Célérier
Invité

C’est très simple , retraité (77ans) , licencié en physique (1963) , ayant perdu mes vieux cours je me suis reposé certaines questions de fond (de physique ) dont je n’ai plus la réponse. Internet est passé par la …Voila Je me souviens du cours d’optique à la Sorbonne c’était passionnant.

jean Dujardin
Invité

j’aime la physique. 🙂