U2: LA LUMIERE EMISE PAR LES OBJETS

1. COMMENT DECOMPOSER LA LUMIERE ?

Newton, dès 1766, réussit à décomposer la lumière solaire avec un prisme :

La lumière émise par une lampe à incandescence est déviée par le prisme. Sur l’écran, on observe des couleurs variant

progressivement du violet au rouge : cette figure colorée est appelée spectre.

Un prisme ( ou un réseau ou un spectroscope) permet de décomposer la lumière et d’en obtenir un spectre.

2. LONGUEUR D’ONDE ?

Une lumière monochromatique est appelée une radiation. Elle est caractérisée par une grandeur appelée longueur d’onde, notée λλλλ

(lettre grecque lambda) et qui s’exprime en mètres.

Les radiations visibles par l’œil humain correspondent aux radiations dont les longueurs d’onde vont de 400 à 800 nm

Remarque sur les conversions : 1nm = 10-9

m = 0,000 000 001 m

Couleur violet bleu vert jaune orange rouge

Longueur d’onde λ en

nm 400-425 425-491 491-575 575-585 585-647 647-800

La lumière émise par le Soleil et les lampes à incandescence contient des radiations qui ne sont pas visibles par l’œil humain :

rayons X, ultraviolets, infra-rouge

3LA LUMIERE DEPEND-ELLE DE LA SOURCE QUI L’EMET ?

Lorsqu’on observe directement la lumière émise par une source à travers un système dispersif, on obtient un spectre d’émission. Un

tel spectre peut être continu ou présenter des raies.

1. La lumière émise par un corps chaud.

Placer la légende sur le schéma :

lumière blanche, écran, prisme, spectre.

Corps très chaud

solide, liquide ou gaz sous très haute pression

Ex : Lampe à incandescence, Soleil

Spectre continu d’émission

d’origine thermique

Un corps chaud (solide, liquide ou gaz sous haute pression) émet une lumière dont le spectre est continu. Ce spectre change avec

la température.

Lorsque la température s’élève, le spectre continu d’émission devient de

plus en plus lumineux et s’enrichit de couleurs verte, bleue et violette.

On parle spectre thermique puisqu’il dépend de la température d’émission.

Ex n° 6 p 75

2. La lumière émise par un gaz.

Le spectre de la lumière émise est constitué de quelques raies fines colorées se détachant sur un fond noir. Il est constitué d’un

nombre limité de radiations.

Un gaz à basse pression et à température élevée émet une lumière constituée d’un nombre restreint de radiations : on obtient un

spectre de raies d’émission.

Les couleurs et positions des raies dans les spectres sont caractéristiques des atomes du gaz (sodium, mercure) qui émettent ces

radiations.

A chaque raie correspond une radiation monochromatique de longueur d’onde dans le vide bien déterminée.

Un spectre de raies d’émission permet d’identifier une entité chimique (atome ou ion) : c’est la signature de cette entité chimique.

Ex n°7 p 74

4. QUE DEVIENT LA LUMIERE QUI TRAVERSE LA MATIERE ?

Lorsqu’on interpose une substance entre une source à spectre continu et un système

dispersif, cette substance ne laisse pas passer toutes les radiations lumineuses : le spectre

obtenu est le spectre d’absorption de cette substance.

1. La lumière qui traverse une solution.

Lorsque la lumière traverse une substance colorée, une partie est absorbée par la substance , une autre partie est transmise et arrive

jusqu’à nos yeux.

Le spectre de la lumière qui a traversé une substance colorée présente une bande noire, qui

correspond aux radiations que la solution a absorbées : on dit qu’on observe le spectre d’absorption

de la substance.

Gaz à basse pression :

Ex : lampe à vapeur

de mercure

Spectre de raies d’émission

( spectre discontinu)

Soumis à une décharge ou porté à température élevée

Lumière blanche

Substance

colorée

Spectre de bandes d’absorption

Un spectre de bandes d’absorption est caractéristique des substances colorées et permet de les identifier.

2. La lumière qui traverse un gaz.

Lorsque la lumière traverse un gaz à basse pression, les atomes ou les ions de ce gaz absorbent certaines radiations bien précises.

Lorsqu’un gaz à basse pression est traversé par de la lumière blanche, le spectre de la lumière transmise est constitué de raies

noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c’est un spectre de raies d’absorption.

Un atome ou un ion ne peut absorber que les radiations qu’il est capable d’émettre.

Les raies d’absorption, comme celles d’émission, permettent d’identifier les atomes ou ions présents dans un gaz.

5. QUE NOUS APPREND LA LUMIERE PROVENANT DES ETOILES ?

L’analyse au spectroscope de la lumière émise par une étoile montre la présence d’un fond

continu coupé par de très nombreuses raies sombres, appelées raies de Fraunhofer. Le spectre

du Soleil en compte environ 20 000 !

D’une étoile à l’autre, le spectre diffère par la couleur dominante du fond continu et par

la position ou l’intensité des raies sombres. Ces distinctions permettent aux astronomes de

classer les étoiles.

Le spectre d’une étoile est un spectre de raies d’absorption

1- Spectre d’une étoile et température de surface

Betelgeuse Soleil Sirius Rigel

Spectre de raies d’absorption

Gaz

Lumière blanche

Une étoile est une énorme

boule de gaz très chaud et très

condensé qui émet de la

lumière au niveau de la

surface (ou photosphère). La

lumière émise a un spectre

continu dont la couleur dominante nous renseigne sur la température à la surface de l’astre.

2- Spectre d’une étoile et composition chimique

La lumière, en quittant la photosphère où elle est émise, traverse la chromosphère; cette chromosphère est une sorte d’atmosphère

composée de gaz sous faible pression. Les raies sombres observées dans le spectre correspondent aux radiations absorbées par les

gaz présents dans la chromosphère. Le spectre de raies d’absorption de l’étoile nous renseigne donc sur la composition chimique de

son atmosphère.

NB : certaines raies d’absorption proviennent de l’atmosphère terrestre que la lumière des étoiles traverse avant d’être analysée par

les spectroscopes. Ces raies parasites sont appelées raies telluriques.

Remarque : Les physiciens ont établi une relation entre λmax et la température à la surface du soleil

λmax *T = 2.9 *10-3

m.K

Soleil λmax=480 nm

Couleur rouge jaune Blanche Bleue

Température de

surface

3 000°C 6 000°C 11 000°C 20 000°C

Classe

spectrale

O B A F G K M

Température

de surface

(°C)

50 000 25 000 11 000 7 500 6 000 5 000 3 500

Principales

raies

He, He+ ; H H, He, Mg

+ H, Ca

2+ H, métaux Ca, Fe,

métaux

métaux Ca, Ca2+

, TiO

Exercice Un bouquet d'étoiles Certaines étoiles paraissent colorées dans le ciel nocturne. Le document ci-dessous représente les spectres de trois étoiles notées A, B et C. L'étoile A est blanche, l'étoile B est bleue et l'étoile C est rouge.

1. Classer ces étoiles par ordre de température croissante. 2. Comment évoluent les spectres de l'étoile la plus froide à la plus chaude ? 3. Associer les spectres à chacune des étoiles.

Exercice Un bouquet d'étoiles Certaines étoiles paraissent colorées dans le ciel nocturne. Le document ci-dessous représente les spectres de trois étoiles notées A, B et C. L'étoile A est blanche, l'étoile B est bleue et l'étoile C est rouge.

1. Classer ces étoiles par ordre de température croissante. 2. Comment évoluent les spectres de l'étoile la plus froide à la plus chaude ? 3. Associer les spectres à chacune des étoiles.

Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.

Reconnaître Les spectres d’émission des spectres d’absorption : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies. Repérer, tracer les Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un ion. Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique. Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche. Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.

Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.

Connaître la composition chimique du Soleil.

Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.

Reconnaître Les spectres d’émission des spectres d’absorption : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies. Repérer, tracer les Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un ion. Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique. Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche. Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.

Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.

Connaître la composition chimique du Soleil.

Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.

Reconnaître Les spectres d’émission des spectres d’absorption : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies. Repérer, tracer les Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un ion. Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique. Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche. Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.

Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.

Connaître la composition chimique du Soleil.

Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.

Reconnaître Les spectres d’émission des spectres d’absorption : spectres continus d’origine thermique, spectres de raies. Repérer, tracer les Raies d’émission ou d’absorption d’un atome ou d’un ion. Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique. Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche. Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.

Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.

Connaître la composition chimique du Soleil.