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LES SPECTRESMessages de la lumière

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Sommaire

• Les spectres d’émission

• Les spectres d’absorption

• Application à l’astrophysique

Glossaire Bibliographie

LES SPECTRES D’EMISSION

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Obtenir un spectre d’émission

Spectres continus d’origine thermique

Spectres de raies d’émission

Obtenir un spectre d’émission

• On obtient le spectre d’émission d’un élément en réalisant le

montage suivant :

• On utilise un corps chaud qui va émettre une lumière (filament de tungstène d’une ampoule, Soleil, mercure d’une lampe à vapeur de mercure, sodium d’une lampe à vapeur de sodium, etc.…).

• On éclaire un prisme avec cette lumière (une fente et une lentille sont utilisées pour réduire la taille du faisceau lumineux et concentrer ce faisceau sur le prisme).

• Un écran permet de recueillir le spectre et donc de l’étudier.

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Montage utilisé pour obtenir un spectre d’émission

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Exemple : lampe à vapeur de mercure

Spectres continus 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 plus lumineux et s’enrichit de couleurs verte, bleue puis violette. Les 3 spectres suivants sont les spectres d’émission d’un même corps à 3 températures différentes t1, t2, t3.

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t1

t3

t2

Spectre de raies d’émission

• Un gaz à basse pression et à température élevée émet une lumière constituée d’un nombre restreint de radiations : on obtient un spectre discontinu appelé spectre de raies d’émission.

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Spectre d’émission d’une lampe à vapeur de mercure :

Spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium :

• Un spectre de raies est caractéristique d’un élément chimique : on dit que c’est sa signature. Un spectre de raies permet d’identifier un élément chimique sans ambiguïté.

• Longueurs d’onde des raies des spectres de 2 éléments : le sodium et le mercure :

Spectre de raies d’émission (suite)

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Sodium 589,0 nm et 589,6 nm.

Mercure 404 nm ; 435 nm ; 547 nm ; 575 nm ; 580 nm ; 672 nm et 690 nm.

LES SPECTRES D’ABSORPTION

Obtenir un spectre d’absorption

Raies d’absorption caractéristiques d’un atome ou d’un ion

Bandes d’absorption de solutions colorées

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Obtenir un spectre d’absorption

• On obtient le spectre d’absorption d’un élément en réalisant le montage suivant :

• On utilise une source de lumière blanche (dont le spectre est continu)

• Cette lumière éclaire :

- la flamme d’un bec bunsen dans laquelle on place l’élément chimique à étudier (on obtient alors un spectre de raies).

- une cuve contenant une solution colorée (on obtient alors un spectre de bandes).

• Le reste du dispositif est identique à celui du montage réalisé pour le spectre d’émission (fente, lentille, prisme, écran)

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Montage réalisé pour obtenir un spectre d’absorption (1)

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Montage réalisé pour obtenir un spectre d’absorption (2)

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Raies d’absorption caractéristiques d’un atome ou d’un ion

• Lorsqu’un gaz à basse pression et basse température est traversé par de la lumière blanche, le spectre de la lumière transmise est constitué des raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c’est un spectre de raies d’absorption. Les radiations manquantes ont été absorbées par le gaz.

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Spectre d’absorption du mercure :

Raies d’absorption caractéristiques d’un atome ou d’un ion (suite)

• Un gaz ne peut absorber que les radiations qu’il serait capable d’émettre si sa température était élevée.

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Spectre d’émission d’une lampe à vapeur de sodium :

Spectre d’absorption du sodium :

Bandes d’absorption de solutions colorées

• Lorsqu’une solution colorée est traversée par de la lumière blanche, le spectre de la lumière transmise présente des bandes noires sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c’est un spectre de bandes d’absorption.

• Un spectre de bandes d’absorption est caractéristique de l’espèce dissoute.

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Spectre de bande d ’une solution colorée

APPLICATION A L’ASTROPHYSIQUE

Spectre d’une étoile

Température de surface d’une étoile

Composition chimique de l’enveloppe d’une étoile

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Spectre d’une étoile

• Les étoiles émettent de la lumière dont le spectre est continu et strié de nombreuses raies sombres.

• C’est le cas de notre Soleil. Voici son spectre, il est appelé spectre de Fraunhofer :

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Température de surface

• La lumière émise par la surface d’une étoile a un spectre continu qui dépend de la température de la surface.

• On peut ainsi faire un classement des étoiles selon leur température de surface et leur couleur.

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Température de surface et couleur d’une étoile

Température moyenne

3000°C 5500°C 8000°CPlus de

10000°C

CouleurRouge-orangé

Jaune Blanche Bleutée

Exemple d’étoile

Bételgeuse Soleil Sirius Rigel

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Composition chimique de l’enveloppe d’une étoile

• La lumière émise par la photosphère d’une étoile traverse sa chromosphère. Certaines radiations y sont absorbées. Les raies d’absorption sont spécifiques des atomes présents dans cette chromosphère.

• Si les étoiles ne comportait pas de chromosphère, le spectre de la lumière émise serait continu. La présence de raies noires dans ces spectres permet de montrer que les étoiles ont une chromosphère, et d’en déterminer la composition chimique.

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Structure d’une étoile

Détermination de la composition de l’atmosphère d’une étoile : exercice.

• Les figures ci-dessous donnent le spectre de 2 éléments, le titane et le nickel, et le spectre de la lumière émise par une étoile (tous les spectres sont réalisés dans les mêmes conditions).

Titane

Nickel

Étoile

Le spectre de la lumière émise par l’étoile montre-t-il la présence de titane dans l’atmosphère de l’étoile ? De nickel ? Justifier les réponses.

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GLOSSAIRE

• Chromosphère : atmosphère d’une étoile (retour).

• Lampe à vapeur de mercure : tube contenant de la vapeur de mercure et qui, traversé par une décharge électrique émet une vive lueur bleuâtre (retour).

• Photosphère : surface d’un étoile (retour).

• Prisme : c’est un objet en plexiglas qui permet de dévier et décomposer la lumière (retour).

• Spectre : Figure résultant de la décomposition d’une lumière.

• Spectre d’absorption : c’est le spectre de la lumière transmise quand on éclaire un corps avec de la lumière blanche (retour).

• Spectre d’émission : c’est le spectre de la lumière émise par un corps chaud (retour).

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BIBLIOGRAPHIE

• http://www.web-sciences.com

• Physique – chimie 2nde, BELIN.

• Physique – chimie 2nde, collection Durandeau – Durupthy, HACHETTE.

• Physique – chimie 2nde, collection Tomasino, NATHAN.

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