Présentation

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.

Qu'est-ce qu'un spectre continu ?
Une idée est née.
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Reconnaître un spectre continu visible

Dans le domaine du visible (qui couvre un intervalle de longueurs d'onde allant de 400 nm à 800 nm), un spectre continu est constitué d'un dégradé de couleurs qui est dénué de raies ou de bandes sombres (voir schéma ci dessous).

Il peut s'achever par les couleurs de longueur d'onde extrêmes donc soit le violet ou le rouge (dans ce cas, il se prolonge dans l'infrarouge ou l'ultraviolet) ou par une atténuation progressive de l'intensité lumineuse jusqu'à sa disparition.

Spectre continu de lumière blanche dans le visible
Exemple de spectre continu complet de la lumière blanche dans le domaine du visible

Tout au long du spectre de la lumière visible, la valeur de la longueur d’onde correspondant à une couleur donnée augmente progressivement du violet au rouge.

La lumière blanche se compose d'une somme des couleurs principales suivantes :

  • violet,
  • indigo,
  • bleu,
  • vert,
  • jaune,
  • orange,
  • rouge.

Lorsqu'on parle d'une couleur principale, il s'agit d'un intervalle du spectre continu et non pas d'une longueur d'onde unique.

Sources lumineuses à spectre continu

Les spectres continus sont des spectres d'origine thermique, cela signifie 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.

Une lumière à spectre continu est donc émise par tout corps incandescent, tel que du magma en fusion, des braises, le métal travaillé dans une forge ou 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.

Influence de la température

Chaque spectre continu est caractérisé par un maximum d'intensité situé à une longueur d'onde particulière.

La position dans le spectre de ce maximum définit la couleur avec laquelle la source nous apparaît. Si le maximum correspond à une faible longueur d'onde de la lumière visible, alors la source est perçue comme ayant une couleur violette-bleue.

En revanche, s'il se situe à des longueurs d'onde élevées dans le visible, alors la source semble rougeâtre.

La longueur d'onde du maximum d'intensité dépend directement de la température de la source : plus celle-ci a une température élevée et plus cette longueur d'onde est faible.

Ainsi, lorsqu'un corps est chauffé, l'incandescence correspond d'abord à l'émission d'une lumière rouge de longueur d'onde élevée et cette longueur diminue lorsque la température augmente.

Inversement, il est possible de calculer la température d'un corps qui émet de la lumière à partir de son spectre, ce qui est utilisé couramment en astronomie pour la caractérisation et repérage des étoiles.

La loi de Wien

La loi de Wien tire son nom d'un physicien allemand du XVIIIe siècle, Wilhelm Wien, qui démontra une liaison entre le rayonnement d'un corps noir et la longueur d'onde. Cela lui valu d'être récompensé en 1911 par le prix Nobel de physique.

Cette loi est la suivante :

    \[\lambda_{max}=\frac{2898}{T}\]

avec :

  • λmax longueur d'onde maximale émise par le corps en micro-mètres (µm)
  • T température en Kelvin (K)

Pour plus d'informations, vous pouvez consulter notre article sur la loi de Wien disponible ici.

Quelle est l'influence de la température sur le spectre lumineux ?
La température monte !

Montage expérimental

Un spectre continu peut être observé par la méthode dite de la décomposition de la lumière. Il est indispensable d'utiliser une lampe à incandescence comme source lumineuse.

Après celle-ci, une fente permet de réduire l'étendue de la source et d'éviter le chevauchement dans l'espace des lumières dispersées.

Ensuite, une lentille convergente permet de focaliser la lumière issue de la fente et de la diriger vers un système dispersif qui peut être soit un prisme soit un réseau de diffraction.

Ce dernier permet de décomposer dans l'espace les longueurs d'onde différentes provenant de la source de façon à avoir une projeter les différentes couleurs sur un plan sans qu'elles se chevauchent. Enfin, le spectre peut être observé sur un écran blanc ou un mur comme sur l'image ci-dessous.

Diffraction de la lumière blanche sur un réseau
Double spectre continu obtenu lorsque la décomposition à l’aide d’un réseau

Un spectre continu observé ainsi contient une transition continue de couleurs. Il y a autant de teintes de couleurs que ce que notre œil peut en distinguer, soit près de 2 millions !

On remarque que le spectre continu rassemble à un arc-en-ciel, le phénomène optique qui se produit également grâce à l'effet de réfraction optique. La lumière du soleil est réfractée par les gouttelettes d'eau suspendues dans l'air, ainsi la lumière est décomposée de même façon que lorsqu'on utilise un prisme.

Cas de la lumière du Soleil

Le soleil est effectivement une source chaude. En effet, la température à la surface du soleil est de plusieurs milliers de degrés, avoisinant les 6000 °C et la lumière qu'émet cette surface a bien un spectre continu.

Néanmoins, avant de nous parvenir, cette lumière 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.

Le spectre continu émis par le soleil devient discontinu après avoir traversé l'atmosphère terrestre et la chromosphère
Le spectre de la lumière du soleil est constitué de multiples raies noires, correspondant à l'absorption des éléments chimiques présents dans l'atmosphère terrestre et la chromosphère

L'image ci-dessus démontre un spectre d'absorption mesuré au niveau de la mer dans la plage des longueurs d'onde visibles.

Les discontinuités sombres y presentes sont également appelées les raies de Fraunhofer et correspondent chacune 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.

Par exemple, les séries F, C, G' et h correspondent aux différentes transitions électroniques dans l'atome d'hydrogène.

Remarque : si l'on décompose la lumière à l'aide d'un prisme ou d'un réseau, les raies d'absorption sont si fines qu'il n'est pas possible de les voir.

Quel est le spectre du Soleil ?
"I'm a poor lonesome cowboy. I'm a long long way from home"

Dans le cas d'un spectre solaire et de l'absorption atmosphérique, on parle également des bandes d'absorption, représentant non pas une longueur d'onde (ou énergie de transition) unique mais une série de longueurs d'onde ou un intervalle continu couvrant une certaine plage spectrale selon le type de molécule participant au processus d'absorption.

Les bandes d'absorption existent car les molécules et les atomes ne peuvent absorber qu'une certaine quantité d'énergie. Une fois cette énergie absorbée, la molécule ou l'atome en question passe de son état initial à son état final. C'est cette transition entre les deux état qui crée la bande d'absorption au sein du spectre.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).