Lumière visible, spectres d'émission et d'absorption
Optique et lumière
Lumière visible, spectres d'émission et d'absorption
Introduction
La lumière est un phénomène fondamental de la physique. Elle nous permet de voir le monde, mais elle est aussi un outil puissant d'analyse : en décomposant la lumière émise par une source, on obtient un spectre qui fournit des informations sur la composition chimique de cette source. L'étude des spectres — la spectroscopie — a révolutionné l'astronomie et la chimie.
La lumière visible
Nature de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique. Elle se propage dans le vide à la vitesse :
$$c = 3{,}00 \times 10^8 \text{ m/s}$$
La lumière visible ne représente qu'une petite partie du spectre électromagnétique complet, qui comprend aussi les ondes radio, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.
Longueur d'onde
Chaque radiation lumineuse est caractérisée par sa longueur d'onde $\lambda$ (lettre grecque « lambda »), mesurée en nanomètres (nm) :
$$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$
Le domaine visible s'étend de $\lambda \approx 400$ nm (violet) à $\lambda \approx 800$ nm (rouge) :
| Couleur | Longueur d'onde (nm) |
|---|---|
| Violet | 400 – 450 |
| Bleu | 450 – 500 |
| Vert | 500 – 570 |
| Jaune | 570 – 590 |
| Orange | 590 – 620 |
| Rouge | 620 – 800 |
Relation fréquence – longueur d'onde
La fréquence $f$ et la longueur d'onde $\lambda$ sont liées par :
$$\boxed{c = \lambda \times f}$$
avec $c$ en m/s, $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$0 en m et $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$1 en Hz.
Exemple : pour une radiation rouge de $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$2 nm : $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$3 Hz.
Décomposition de la lumière blanche
La lumière blanche
La lumière blanche (émise par le Soleil, une lampe à incandescence…) est un mélange de toutes les radiations visibles. Elle n'est pas « simple » : elle contient toutes les longueurs d'onde du domaine visible.
Dispersion par un prisme
Lorsqu'un faisceau de lumière blanche traverse un prisme en verre, chaque radiation est déviée d'un angle différent :
- Le violet (courte $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$4) est plus dévié que le rouge (grande $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$5).
- On observe un étalement des couleurs : c'est la dispersion de la lumière.
Le spectre obtenu sur un écran est un arc-en-ciel continu allant du violet au rouge. Ce phénomène explique aussi la formation de l'arc-en-ciel naturel (dispersion par les gouttes d'eau).
Dispersion par un réseau
Un réseau de diffraction (surface comportant de nombreuses fentes parallèles) produit également la dispersion de la lumière. C'est le dispositif utilisé dans la plupart des spectroscopes modernes.
Les spectres d'émission
Spectre continu d'émission
Un corps chaud (solide, liquide ou gaz dense) émet un spectre continu : toutes les longueurs d'onde sont présentes, sans interruption.
- La température du corps détermine les couleurs prédominantes : plus le corps est chaud, plus le spectre s'enrichit vers le bleu-violet.
- Exemples : filament d'une lampe à incandescence, Soleil, lave en fusion.
Le Soleil, de température de surface $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$6 K, émet un maximum d'intensité dans le jaune-vert ($$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$7 nm).
Spectre de raies d'émission
Un gaz à basse pression, excité par une décharge électrique ou un chauffage, émet un spectre de raies : seules certaines longueurs d'onde bien précises sont émises, apparaissant sous forme de raies colorées sur un fond noir.
Caractéristiques essentielles :
- Chaque élément chimique possède un spectre de raies unique, comme une empreinte digitale.
- Les raies sont toujours aux mêmes longueurs d'onde pour un élément donné, quelles que soient les conditions d'excitation.
Exemples de spectres :
- Hydrogène : raies rouge ($$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$8 nm, raie $$1 \text{ nm} = 10^{-9} \text{ m}$$9), bleu-vert ($$\boxed{c = \lambda \times f}$$0 nm, $$\boxed{c = \lambda \times f}$$1), violet ($$\boxed{c = \lambda \times f}$$2 nm, $$\boxed{c = \lambda \times f}$$3)…
- Sodium : doublet jaune caractéristique ($$\boxed{c = \lambda \times f}$$4 nm) — c'est la couleur des lampadaires au sodium.
- Néon : nombreuses raies dans le rouge-orangé — utilisé dans les enseignes lumineuses.
Les spectres d'absorption
Principe
Lorsqu'une lumière blanche traverse un gaz froid (à basse pression), certaines radiations sont absorbées par les atomes du gaz. On obtient un spectre continu (celui de la lumière blanche) marqué de raies noires : c'est le spectre de raies d'absorption.
Lien avec le spectre d'émission
Résultat fondamental : les raies d'absorption d'un élément se trouvent exactement aux mêmes longueurs d'onde que ses raies d'émission.
$$\lambda_{\text{absorption}} = \lambda_{\text{émission}}$$
Un atome absorbe exactement les mêmes radiations qu'il est capable d'émettre.
Application : spectre du Soleil
Le spectre du Soleil (spectre de Fraunhofer) est un spectre continu (émis par la photosphère chaude) traversé de raies noires (absorption par les gaz plus froids de l'atmosphère solaire).
En identifiant les longueurs d'onde des raies d'absorption, on détermine la composition chimique de l'atmosphère solaire : hydrogène, hélium, sodium, calcium, fer…
C'est ainsi que l'hélium a été découvert dans le spectre du Soleil avant d'être identifié sur Terre (1868, J. N. Lockyer).
Identification d'un élément par spectroscopie
Méthode
Pour identifier un élément inconnu :
1. On éclaire l'échantillon (gaz) ou on l'excite par décharge électrique.
2. On observe son spectre d'émission (ou d'absorption).
3. On compare les longueurs d'onde des raies observées avec les spectres de référence des éléments connus.
Si les raies coïncident → l'élément est identifié.
Applications
- Astronomie : composition des étoiles et des nébuleuses.
- Chimie analytique : identification de substances inconnues.
- Médecine légale : analyse d'échantillons traces.
- Contrôle industriel : vérification de la pureté de matériaux.
Lumière monochromatique et polychromatique
- Lumière monochromatique : contient une seule longueur d'onde (ex : laser He-Ne, $$\boxed{c = \lambda \times f}$$5 nm). Spectre : une seule raie.
- Lumière polychromatique : contient plusieurs longueurs d'onde. Spectre : plusieurs raies ou un continuum.
La lumière blanche est polychromatique (spectre continu). La lumière émise par un laser est (quasi) monochromatique.
À retenir
- La lumière visible correspond aux longueurs d'onde $$\boxed{c = \lambda \times f}$$6, du violet au rouge.
- La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations visibles ; un prisme la disperse en un spectre continu.
- Un corps chaud émet un spectre continu ; un gaz excité à basse pression émet un spectre de raies d'émission (raies colorées sur fond noir).
- Un gaz froid traversé par la lumière blanche produit un spectre de raies d'absorption (raies noires sur fond continu).
- Les raies d'absorption et d'émission d'un élément ont les mêmes longueurs d'onde : c'est la signature de l'élément.
- La spectroscopie permet d'identifier la composition chimique d'une source lumineuse, y compris les étoiles.