Spectres lumineux

Spectres lumineux

En 1666, Newton fait passer un rayon de soleil dans un prisme et découvre que la lumière blanche cache toutes les couleurs. Comment lire un spectre ? Que nous apprend-il sur la source de lumière ?

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

distinguer rayonnement monochromatique et lumière polychromatique ;

associer une couleur visible à sa longueur d'onde (400-800 nm) ;

expliquer la dispersion de la lumière blanche par un prisme ;

distinguer un spectre continu (corps chaud) d'un spectre de raies (gaz) ;

identifier un élément chimique à partir des raies de son spectre.

Lumière blanche et lumières colorées

Lumière polychromatique La lumière blanche (celle du Soleil, d'une lampe à incandescence) est polychromatique : elle est composée d'une infinité de lumières colorées.

Lumière monochromatique Une lumière monochromatique ne contient qu'une seule couleur, elle ne peut pas être décomposée davantage. Un laser en est un bon exemple.

L'expérience de Newton (1666) Newton fait traverser un rayon de soleil par un prisme : il obtient un dégradé continu de couleurs, du violet au rouge. La lumière blanche est donc bien un mélange.

Longueur d'onde λ : la carte d'identité d'une couleur

Chaque rayonnement monochromatique est caractérisé par une grandeur appelée longueur d'onde dans le vide (ou dans l'air), notée λ (lambda).

Longueur d'onde Symbole λ (lambda) Unité mètre (m), souvent en nanomètres (nm) Conversion : 1 nm = 10^-9 m.

Pourquoi λ ?

Connaître λ suffit à identifier sans ambiguïté un rayonnement monochromatique : c'est sa carte d'identité.

Le domaine visible : 400 → 800 nm

L'œil humain ne perçoit qu'une mince tranche du spectre électromagnétique : la lumière visible.

Violet ≈ 400 nm Vert ≈ 550 nm Rouge ≈ 800 nm Au-delà du visible

En dessous de 400 nm : ultraviolets (UV). Au-dessus de 800 nm : infrarouges (IR). Notre œil ne les voit pas, mais ils existent bel et bien.

Dispersion par un prisme

Dispersion de la lumière La dispersion est la séparation des différents rayonnements monochromatiques contenus dans une lumière polychromatique.

Un prisme en verre est un milieu dispersif : son indice de réfraction n dépend de λ. Chaque couleur est déviée d'un angle légèrement différent, la lumière sort décomposée en spectre.

L'air n'est pas dispersif Dans l'air, toutes les couleurs voyagent à la même vitesse : la lumière n'y est pas décomposée.

L'arc-en-ciel : un prisme à l'échelle du ciel

Quand le Soleil éclaire un rideau de pluie, chaque goutte d'eau joue le rôle d'un mini prisme : la lumière y est réfractée, réfléchie, puis dispersée à la sortie.

Pourquoi l'ordre violet → rouge ?

Le violet est davantage dévié que le rouge par l'eau. C'est pourquoi, dans un arc-en-ciel, le rouge se trouve à l'extérieur et le violet à l'intérieur.

Le savais-tu ?

On peut observer un arc-en-ciel secondaire, plus pâle, situé au-dessus du principal, avec les couleurs inversées ! Il provient d'une double réflexion à l'intérieur de chaque goutte.

Spectre continu : corps chaud

Émission par incandescence Quand un corps est porté à haute température, il émet de la lumière. Le spectre observé est continu : on y voit toutes les couleurs sans interruption, comme dans la lumière blanche.

Exemples Le filament d'une lampe à incandescence (Joseph Swan, 1879), un morceau de fer chauffé au rouge dans une forge, la photosphère du Soleil : tous émettent un spectre continu d'origine thermique.

Plus un corps est chaud, plus son spectre s'enrichit en couleurs vers le bleu-violet.

À basse température : émission surtout dans l'infrarouge (chaleur invisible).

À très haute température : émission jusque dans l'ultraviolet (étoiles bleues).

Spectre de raies : gaz à basse pression

Spectre de raies d'émission Lorsqu'un gaz à basse pression est traversé par une décharge électrique (ou chauffé), il émet de la lumière. Son spectre est discontinu : on observe seulement de fines raies colorées sur fond noir.

Chaque raie correspond à un rayonnement monochromatique précis, caractérisé par sa longueur d'onde λ.

Spectre de raies de l'hydrogène : raies à 410, 434, 486 et 656 nm

Spectre de raies de l'hydrogène (H), quatre raies dans le visible.

Identifier un élément par ses raies

Empreinte spectrale L'ensemble des raies d'émission d'un élément chimique est caractéristique de cet élément : c'est sa signature lumineuse. Deux éléments différents n'ont jamais le même spectre de raies.

En comparant les longueurs d'onde mesurées à des spectres de référence (en tables ou en bases de données), on peut identifier les éléments présents dans une source lumineuse, même très éloignée (étoiles, nébuleuses).

Spectre du sodium : doublet jaune vers 589 nm

Spectre de raies du sodium (Na), la fameuse « raie jaune » à 589 nm (lampes des tunnels).

Application : l'astrophysique C'est en analysant la lumière des étoiles qu'on peut connaître leur composition chimique sans jamais s'en approcher.

Continu vs raies : à retenir

Spectre continu Toutes les couleurs, sans interruption

Source : corps chaud (solide, liquide, gaz dense) Renseigne sur la température Spectre de raies Fines raies colorées sur fond noir Source : gaz à basse pression excité Renseigne sur la nature des éléments Méthode rapide

Devant un spectre, demande-toi : continu ou discontinu ? Si discontinu (raies sur fond noir) → c'est un gaz, et chaque raie a une λ qui identifie un élément.

Ce qu'il faut retenir

La lumière blanche est polychromatique ; une lumière contenant une seule couleur est monochromatique.

Chaque rayonnement monochromatique est identifié par sa longueur d'onde λ (en m, souvent nm avec 1 nm = 10^-9 m ).

Le visible s'étend de 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). En dessous : UV ; au-dessus : IR.

Un prisme est un milieu dispersif ( n dépend de λ ) : il décompose la lumière. Les gouttes d'eau jouent ce rôle dans un arc-en-ciel.

Un corps chaud émet un spectre continu ; un gaz à basse pression excité émet un spectre de raies.

L'ensemble des raies est la signature d'un élément chimique : on l'utilise pour identifier les éléments, y compris dans les étoiles.