Obtention de spectres d'émission et d'absorption

1) Déviation par le prisme d'un faisceau laser
En pénétrant dans le prisme, le rayon lumineux passe dans un milieu d'indice plus élevé donc se rapproche de la normale au premier dioptre. En sortant du prisme, le rayon lumineux passe dans un milieu d'indice plus faible donc s'écarte de la normale au second dioptre. Dans chaque cas, le rayon est dévié vers la base du prisme.
La lumière du laser n'est pas décomposée par le prisme car c'est une lumière monochromatique



2) Dispersion de la lumière blanche par un prisme

La vitesse de la lumière dans un milieu transparent dépend (légèrement ) de la couleur du rayon lumineux utilisé. Donc l'indice du milieu, ici le verre, dépend de la couleur, donc les différentes couleurs ne seront pas déviées de la même façon par le prisme : le bleu est davantage dévié que le rouge. Le prisme va décomposer la lumière blanche en toutes ses couleurs comme le font les gouttes de pluie avec la lumière du soleil pour former un arc-en-ciel.

Nous obtenons un spectre d'émission continu


3) Spectre de la lumière blanche par un réseau

Autour de la tache centrale blanche, on observe des taches latérales de plus en plus larges aux couleurs de l'arc-en-ciel. Ici, le rouge est davantage dévié que le bleu.

Nous obtenons plusieurs spectres d'émission continus



4) Etude de spectres de raies d'émission avec un réseau.

On étudie cette fois-ci la lumière produite par une lampe à vapeur de mercure (en la regardant directement à travers un spectroscope à réseau ou en la projettant sur un écran après le passage à travers un réseau). On observe cette fois des traits fins de couleurs séparés les uns des autres par des zones noires (spectre de raies d'émission) . On n'étudiera que le spectre d'ordre 1 ( ou -1) car ensuite, les spectres d'ordre 2 et 3 se chevauchent.

Vapeur de mercure
Si on recommence avec une lampe à vapeur d'hélium, on observe là aussi des traits, mais leur disposition n'est pas la même. Une affiche présentant les spectres d'autres éléments chimiques permet de le confirmer : à chaque élément chimique correspond un spectre d'émission qui permet de l'identifier (utilisation par les astronomes pour prévoir la composition des étoiles).

Vapeur d'hélium
On peut de la même façon étudier le spectre d'une lampe "éco" :

On pourrait faire exactement la même chose avec un prisme ...
5) Etude de spectres de bandes d'absorption avec un réseau
On intercale maintenant, entre la lumière blanche et le réseau une cuve contenant une solution colorée.


Permanganate de potassium

La solution de permanganate de potassium donne là encore, autour d'une tache centrale violette (les couleurs n'y sont pas séparées), des bandes colorées où les couleurs s'étalent progressivement (un spectre continu) Mais, par rapport aux couleurs de l'arc-en-ciel, il manque le jaune et le vert. En effet, avec la lumière blanche, toutes les couleurs entrent dans la solution. Mais le permanganate absorbe le jaune et le vert : la lumière qui ressort ne contient pratiquement plus que du bleu et du rouge. C'est la superposition de ces couleurs qui donne à la solution sa couleur violette.

Sulfate de cuivre

Si on recommence avec une solution bleue ( bleu-vert) de sulfate de cuivre, on constate qu'il manque le rouge.


Fluorescéine

 Et avec la fluorescéine ( la solution est jaune mais la poudre est rouge) il manque cette fois le bleu.





6) Etude de spectres de raies d'absorption avec un réseau.

Si maintenant, on intercale un gaz comme le dioxyde d'azote (obtenu par l'action de l'acide nitrique sur le cuivre) entre le faiscau de lumière blanche et le système dispersif, on obtient un pectre continu strié de raies noires appelé spectre de raies d'absorption. Il est dû au fait que les molécules absorbent certaines radiations de longueur d'onde bien précises mais pas les autres.

Le spectre de la lumière solaire qui à première vue est continu est en réalité strié de très fines raies noires. C'est un spectre de raies d'absorption. Les spectres du soleil et des étoiles sont appelés spectres de Fraunhofer en l'honneur du savant qui a découvert ces raies noires en 1805 grâce à un spectroscope de son invention.

Les raies noires sont dues aux atomes présents dans l'atmosphère du soleil et des étoiles qui absorbent certaines radiations ainsi qu'à certaines molécules présentes dans l'atmosphère terrestre (en particulier l'ozone qui absorbe dans l'UV et nous en protège).

Le nombre et la disposition des raies noires nous renseigne sur les éléments chimiques présents à l'intérieur de l'étoile. Elles permettent de classer les étoiles en différentes catégories (O, B, A, F, G, K, M) et nous renseignent sur leur nature et leur degré d'évolution (à savoir si elles sont en début ou en fin de vie). Voir à ce sujet la documentation sur les étoiles...