Radiation lumineuse et longueur d'onde

La lumière traversant une fente peut être décomposée à l’aide d’un prisme ou d’un réseau. En la projetant ensuite sur un écran, on obtient le spectre de cette lumière. 

Sur un spectre, une radiation est repérée par une grandeur appelée la longueur d’onde λ généralement exprimée en nanomètres (nm). 

Une lumière composée de plusieurs radiations lumineuses est dite polychromatique. La lumière blanche est polychromatique.

Chaque nuance colorée de son spectre correspond à une radiation monochromatique. 

Exemple

Le spectre de la lumière émise par un laser ne comporte qu’une raie colorée. Cette lumière est monochromatique.

Quelle grandeur peut-on utiliser pour caractériser une radiation lumineuse? 

En quelle unité cette grandeur est-elle habituellement exprimée ?

Pour déterminer la composition en radiations lumineuses d'une lumière, il faut la disperser, c'est à dire séparer ses différentes radiations.

Les radiations de la lumière blanche, dans le vide ou dans l’air, ont des longueurs d’onde comprises environ entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge).

Réfraction par un prisme

Un milieu permettant d’observer la dispersion de la lumière est qualifié de dispersif : son indice de réfraction dépend de la longueur d’onde de la radiation lumineuse qui le traverse. 

C’est le cas de l'eau ou du verre d’un prisme. 

Quand les diverses radiations de la lumière blanche rencontrent la première surface d’un prisme, elles ont toutes le même angle d’incidence.

De plus, on considère que l’indice de réfraction de l’air est quasiment le même pour toutes ces radiations. 

 Le verre du prisme est un milieu dispersif : son indice de réfraction n’est pas le même pour les différentes radiations de la lumière qui le traverse.

Ces radiations sont donc réfractées avec des angles différents et sont ainsi séparées les unes des autres. La seconde réfraction à la sortie du prisme accentue ce phénomène. 

Pourquoi dit-on qu’un prisme est dispersif?

Quel est le résultat de la dispersion de la lumière monochromatique par un prisme ? 

Quel est le résultat de la dispersion de la lumière polychromatique par un prisme ?

Comment expliquer la dispersion de la lumière polychromatique par un prisme ?  

Spectre continu d'origine thermique

Le spectre d'émission d'un corps chaud est un spectre continu dont l'étendue dépend de la température de la source lumineuse.

Les radiations rouges sont les premières à être émises. Le spectre se complète vers le bleu-violet au fur et à mesure que la température augmente comme le montre l'illustration ci-contre.

Plus la température de la source est élevée, plus le spectre est étendu du rouge vers le bleu-violet.

En conséquence, un source « froide » apparaît plutôt rouge alors qu'une source chaude apparaît blanche, voire bleutée.

Spectre de raies d'émission

Le spectre de la lumière émise par un gaz excité sous faible pression comporte plusieurs raies colorées. 

Il est discontinu car les raies sont séparés par des zones noires, cette lumière est polychromatique. Le spectre de cette lumière est un spectre d’émission.

Spectre d'absorption

Lorsqu’une lumière blanche traverse un gaz sous faible pression, certaines radiations sont absorbées par ce gaz. 

Le spectre de la lumière transmise par le gaz est un spectre d’absorption. 

Lumières et entités chimiques

Une entité chimique (atome, ion ou molécule) ne peut absorber que les radiations qu’elle est capable d’émettre. 

Les raies noires de son spectre d’absorption sont donc repérées aux mêmes longueurs d’onde que les raies colorées de son spectre d'émission. 

Les longueurs d’onde des radiations émises ou absorbées par une entité permettent d’identifier cette entité. 

Spectre d'une étoile

Les gaz de l’atmosphère d’une étoile absorbent certaines radiations de la lumière émise par cette étoile.

Dans le spectre de la lumière d’une étoile, les raies noires renseignent sur les entités chimiques présentes dans son atmosphère. 

L’analyse de la lumière du Soleil montre que son atmosphère est essentiellement composée d’hydrogène et d’hélium. 

Le spectre d’absorption de l’atome de Mercure est représentée ci-dessous : 

Comparer les longueurs d’onde des radiations que peut émettre une entité chimique à celles des radiations qu’elle peut absorber.  

Sur la photo -ci-contre, on distingue des étoiles de différentes couleurs. Laquelle est la plus chaude ?  

Le spectre de la lumière du Soleil comporte des raies noir sur fond coloré. 

Proposer une origine à ces raies, en rappelant les principaux constituants du Soleil. 

Est ce le phénomène de réfraction, celui de réflexion ou celui d'absorption qui explique la dispersion de la lumière blanche à la traversée d'un prisme ?

Combien de fois ce phénomène affecte t il la lumière à la traversée du prisme ? Justifier.

Pourquoi les différentes radiations qui composent la lumière blanche ne sont elles pas déviées de la même façon ?  

Un filament chauffé est photographié à deux températures différentes. 

 Sur quelle image le filament est-il le plus chaud ?

Quel filament émet le plus de radiation bleue ?

Quel filament émet le moins de radiations de courtes longueurs d'onde ?

Les lampes à décharge que l’on peut trouver dans les éclairages publics émettent des lumières qui paraissent de bleu à orangé.

Le spectre d’une de ces lampes est représenté ci-contre :

De quel type de spectre s’agit-il?

Comment qualifier la lumière émise par cette lampe ?

Identifier à l’aide du tableau des longueurs d’onde (en nm) de radiations caractéristiques, l’entité chimique responsable de l’émission lumineuse.

On réalise le montage ci dessus. On utilise une lampe à vapeur de mercure.

Quel type de lumière est émis par la lampe ?

Quel est le rôle du prisme ?

Comment s’appelle le spectre obtenu sur l ‘écran ?

On donne les spectres obtenus en prenant comme source lumineuse une lampe à filament. Dans un cas, noté 1, la lampe est alimentée normalement, dans une autre cas, noté 2, elle est sous alimentée dans le cas 3 elle est suralimentée. 

Associer chaque cas à un spectre en justifiant vos réponses. 

On donne les spectres de deux éléments, le titane et le nickel, ainsi que le spectre d'une étoile. Ces spectres ont été réalisés dans les mêmes conditions et les réglages du spectroscope étaient les mêmes.