Comment peut-on obtenir une décomposition de la lumière et des spectres ?

L'image obtenue par dispersion de la lumière émise par une source (lampe, étoile, etc.) s'appelle le spectre de la lumière émise par cette source.

De nombreuses forment de vie sont dépendantes de la lumière pour vivre, que ce soit pour le fonctionnement de leur organisme ou encore pour vivre.
En effet, dans les réseaux trophiques, chaque être-vivant, qu'il soit herbivore, carnivore ou omnivore, sera dépendant des végétaux

La longueur d'onde

La longueur d’onde est une grandeur physique homogène à une longueur. Elle est caractéristique d’une onde monochromatique (c’est à dire d’une seule couleur). Dans un milieu homogène, elle définit la distance séparant deux maxima (c’est à dire, deux valeurs maximales) consécutifs de l’amplitude. Il est important de savoir que la longueur d’onde dépend de la célérité. Selon le milieu qu’elle traverse, cette dernière sera plus ou moins élevée. La longueur d’onde est habituellement notée à l’aide de la lettre grecque lambda (λ). Dans le système usuel, on utilise souvent le nanomètre (nm) comme unité. Dans le système international (SI), elle se note en mètre (m). Pour rappel, 1 nm = 10-9 m

Le système international des unités

L’ensemble des unités associées aux dimensions fondamentales constitue le système international d’unités. Il s’agit du système MksA (mètre, kilogramme, seconde, Ampère), mais le Kelvin, le mole et le candela font aussi partie de ce système. Ces unités sont appelées unités légales. Elles sont universelles et connues de par le monde entier.

Il est important de savoir que toutes les autres dimensions se déduisent de ces sept dimensions fondamentales par produit ou division de ces dimensions.

Dans certains sujets d’exercices, les grandeurs ne sont pas exprimées dans le système international mais avec des grandeurs usuelles. Il est facile de les comprendre et elles sont parfois utilisées dans la vie de tous les jours, mais il est essentiel de toujours effectuer les calculs avec les grandeurs exprimées dans l’unité internationale pour éviter les erreurs.

Comment les scientifiques américains et européens font-ils pour se comprendre en ce qui concerne la température puisque l'unité utilisée dans leur pays est différentes (respectivement le degré fahrenheit et le degré celcius). Pour se comprendre, ils utilisent l'unité du système international de la température, c'est à dire le Kelvin

Superprof

Le spectre d'émission

Spectre visible

La lumière est une onde électromagnétique dont la couleur dépend de la longueur d’onde. Chaque teinte et nuance est caractérisée par son propre intervalle de longueur d’onde et il peut s’avérer délicat d’établir des limites précises des différentes couleurs d’une part et du domaine des lumières visibles d’autre part. Pour cause, il n’existe qu’une couleur possible par longueur d’onde. Les valeurs fournies varient selon les sources, les plus approximatives retiennent pour la lumière visible un intervalle allant de 400 nm à 800 nm. Les sites éducatifs de la NASA et du CNRS proposent de retenir l’intervalle [400 nm – 700 nm]

L'arc-en-ciel correspond à la décomposition de la lumière blanche du Soleil à travers un goutte d'eau qui fera office de prisme. Les couleurs composant un arc-en-ciel sont respectivement le rouge, le orange, le jaune, le vert, le bleu, le indigo et le violet

Spectre continu d'origine thermique

Le spectre continu est un spectre lumineux composé de rayonnements électromagnétiques dont les longueurs d’onde varient de manière continue : cela implique qu’il ne s’achève pas de manière brutale à ses extrémités, mais qu’à ces dernières l’intensité des radiations décroit progressivement jusqu’à être nulle. Cela suppose aussi que le spectre ne comporte pas de discontinuité et qu’il ne lui manque aucune longueur d’onde ou intervalle de longueur d’onde. Un spectre continu n’appartient pas forcément au domaine du visible, il peut appartenir à un autre intervalle de longueur d’onde comme ultraviolet ou infrarouge. Un corps chaud émet un rayonnement continu qui s'enrichit en radiations de courtes longueurs d'ondes (vers le violet) quand la température de ce corps augmente. Le spectre d'un tel rayonnement est un spectre d'émission car c'est celui d'une lumière émise par un corps. C'est aussi un spectre continu car toutes les radiations possibles d'une certaine plage de longueurs d'onde sont présentes. (exemple : lampe à filament) En d'autres termes, on peut dire que spectres continus sont des spectres d’origine thermique, car qu’ils sont obtenus à partir de sources (dans un état solide, liquide ou gazeux) portées à température suffisamment haute pour émettre de la lumière. De ce fait, une lumière à spectre continu est donc émise par tout corps incandescent, comme du magma en fusion, des braises, le métal travaillé dans une forge ou encore le filament d’une lampe chauffé par effet Joule lors du passage du courant. La lumière blanche est le seul spectre continu visible par l’homme. En effet, si la lumière a une couleur, le spectre n’est plus continu puisqu’il manque au moins une longueur d’onde.

Spectre de raies

À température élevée, les atomes isolés et les ions monoatomiques en phase gazeuse peuvent émettre de la lumière dont le spectre n'est pas continu. Ce type de spectre est appelé spectre de raies d'émission. On peut notamment parler de l'exemple de la lampe à vapeur.

Le spectre d'absorption

On appelle spectre d'absorption le spectre d'une lumière ayant traversé un milieu qui l'a privé d'une partie du rayonnement initial, notamment un corps gazeux. Selon la composition chimique du gaz, le spectre initialement continu présente alors des raies noires correspondant aux longueurs d’onde absorbées, on peut notamment parler du cas du Soleil. En effet, dans le cas où la lumière traverse un gaz, 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. Ainsi, lorsque le photon disparaît du rayonnement, il laisse alors une raie noire sur le spectre d’absorption initialement continu. C'est pour cela que l’analyse d’un spectre de raie permet d’identifier les substances présentes dans l’atmosphère d’une étoile.

C'est effectivement par cette méthode que l'on a déterminé que l'on trouve, dans la couche de l'atmosphère du Soleil au dessus de la photosphère des ions calcium excités Ca+, des atomes excités de fer Fe I, de magnésium Mg I et de sodium Na I ainsi que la molécule CH

Solutions colorées

Spectre de bandes : la traversée des solutions colorée par de la lumière blanche conduit à la lumière colorée dont le spectre, par comparaison au spectre de la lumière blanche, montre l'absence d'une plage de radiations. Il s'agit d'un spectre de bandes d'absorption. (exemple : sodium) Dans ce cas, le spectre obtenu correspond à l'apparition de bandes sur le spectre de la lumière continu.

Gaz d'atomes ou d'ions monoatomiques : spectre de raies

Un atome ou un ion monoatomique en phase gazeuse ne peut absorber que les radiations qu'il est capable d'émettre. (exemple : sodium). Dans ce cas, le spectre obtenu correspond à l'apparition de raies colorées sur fond noir

Astrophysique

Le spectre d'émission de la lumière solaire, entrecoupée de raies d'absorptions, permet de connaître la  composition chimique de l'enveloppe gazeuse du soleil (qu'on appelle la photosphère). En effet, la lumière du Soleil doit traverser deux couches de gaz : tout d’abord celle qui entoure le soleil (la chromosphère), puis celle qui entoure la terre (l’atmosphère terrestre). Ces gaz absorbent certaines longueurs d’onde et font apparaître dans le spectre de la lumière solaire des raies noires : il ne s’agit plus d’un spectre continu, mais d’un spectre d’absorption. On peut alors observer un certain nombre de discontinuités sombres que l'on peut également appeler raies de Fraunhofer. Il faut savoir que chacune de ces raies correspondent à l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et un atome ou une molécule présents dans un état gazeux dans l’atmosphère terrestre. Ces raies ont été étudiées par plusieurs scientifiques après leur découverte, ce qui a permit d’avoir les désignations précises pour toutes les longueurs d’onde absorbées.

Réfracter la lumière

Définition : La réfraction de la lumière correspond au changement de direction du rayon lumineux lorsque celui-ci traverse une surface séparant deux milieux d’indices de réfraction différents.

La loi de Snell-Descartes de la réfraction correspond à une loi permettant d'exprimer le changement de direction d'un faisceau lumineux lors de la traversée d'une paroi qui sépare deux milieux différents. Il faut d'abord savoir que chaque milieu est caractérisé par sa capacité à « ralentir » la lumière. De plus, elle lie les indices de réfraction (n1 et n2), l'angle d'incidence (i1) et l'angle de réfraction (i2) et s'exprime par la relation suivante : [ n _ { 1 } times sin left( i _ { 1 } right ) = n _ { 2 } times sin left( i _ { 2 } right)] On modélise cette caractéristique par son indice de réfraction n qui s'exprime sous la forme : [ n = frac { c } { v } ] Où v est la vitesse de la lumière dans ce milieu et c est la vitesse de la lumière dans le vide (souvent arrondie à 3.108 m.s-1 Il est important de savoir que :

  • Le rayon lumineux est dit incident avant d'avoir rencontré la surface réfractante (appelée dioptre), il est dit réfracté après avoir rencontré cette dernière.
  • Le point de rencontre du rayon incident et du dioptre est appelé point d'incidence.
  • Le plan contenant le rayon incident et la normale au dioptre, au point d'incidence est dit plan d'incidence.
  • L'angle orienté i1 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon incident est dit angle d'incidence.
  • L'angle orienté i2 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon réfracté est dit angle de réfraction.
  • Les angles i1 et i2 sont positifs si ils sont orientés dans le sens trigonométrique (sens inverse des aiguilles d'une montre), négatifs sinon.

On prend n1 l'indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon incident et n2 celui du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté. Pour pouvoir énoncer la loi de la réfraction, il faut que le rayon réfracté, le rayon incident et la normale (au dioptre) soient dans un même plan qui est appelé le plan d'incidence et que le rayon incident et le rayon réfracté soient situés de part et d'autre de la normale. Lorsque n> n2 (et respectivement n< n2) le rayon réfracté (et respectivement : incident) se rapproche plus rapidement du dioptre que le rayon incident (ou réfracté). Cependant, il existe un cas particulier où le rayon réfracté (ou incident) se retrouve mathématiquement sur le dioptre (sa limite) : il y a alors réflexion totale.

Vérifier la loi mathématiquement avant de l'utiliser

Il faut d'abord connaître la longueur des rayons réfléchis. On utilise alors le théorème de Pythagore pour connaître la longueur de l’hypoténuse et donc la longueur des rayons : [ begin{cases} AI ^ { 2 } = left( x - x _ { A } right) ^ { 2 } + left( y - y _ { A } right) ^ { 2 }\ BI ^ { 2 } = left( x - x _ { B } right) ^ { 2 } + left( y - y _ { B } right) ^ { 2 } end{cases} ]

Rappel : D'après le théorème de Pythagore, le carré de la longueur de l’hypoténuse est égale à la somme des carrés des côtés adjacents à cette dernière.

Il faut ensuite poser les conditions de l'expérimentation :

  • Dans le milieu 1, l'onde se déplace à la vitesse c (vitesse de la lumière)
  • Dans le milieu 2, l'onde se déplace à la vitesse v avec : [ v = frac { d } { t } ]

Il faut, dans un second temps, établir les temps de déplacement des ondes lumineuses avec :

  • t1 le temps de parcours dans l'air [ t _ { 1 } = frac { AI } { c } ]
  • t2 le temps de parcours dans le milieu 2 [ t _ { 2 } = frac { BI } { v } ]
  • tAB le temps de parcours dans l'air mis l'onde pour aller de A à B

On a donc : [ t _ { AB } = frac { AI } { c } + frac { BI } { v } ] On doit maintenant déterminer l'abscisse x de telle sorte que tAB soit minimal. On cherche donc à obtenir : [ frac{ text { d } t _ { AB } } { text { d } x } = 0 ] [ frac { text { d } t _ { AB } } { text { d } x } =frac { 1 } { c } times frac { AM } { AI } + frac { 1 } { v } times frac { - BN } { BI } ] [ frac { text { d } t _ { AB } } { text { d } x } = frac { 1 } { c } times sin left( i _ { 1 } right) - frac { 1 } { v } times sin left( i _ { 2 } right) ] Or, pour obtenir ce que l'on cherche, il faut que : [ begin{cases} frac { text { d } t _ { AB } } { text { d } x } =0 \ frac { 1 } { c } times sin left( i _ { 1 } right) = frac { 1 } { v } times sin left( i _ { 2 } right) end{cases} ] Ainsi, la formule de Snell-Descarte pour la réfraction est démontrée ! [ sin left( i _ { 1 } right) = n times sin left( i _ { 2 } right) ]

Vous avez aimé l’article ?

Aucune information ? Sérieusement ?Ok, nous tacherons de faire mieux pour le prochainLa moyenne, ouf ! Pas mieux ?Merci. Posez vos questions dans les commentaires.Un plaisir de vous aider ! :) (5,00/ 5 pour 1 votes)
Loading...

Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !

Vous avez aimé
cette ressource ?

Bravo !

Téléchargez-là au format pdf en ajoutant simplement votre e-mail !

{{ downloadEmailSaved }}

Votre email est invalide
avatar
chiwawa12
chiwawa12
Invité
16 Jan.

Je n’ai pas compris comment différencier « raies de couleurs sur un fond noir » et « raies colorées sur fond noir ».[/size][size=12px].Sinon j’aime bien comment c’est présenté.:)

mimi781
mimi781
Invité
27 Fév.

Merci pour ton cours c’est bien expliqué mais je pense que tu t’es trompé pour le II)2. car pour le spectre de raies d’ absorption, ce sont des raies sombres sur un fond coloré et pas « des raies de couleurs sur un fond noir ».