Les spectres lumineux Cours

Sommaire

ILa propagation de la lumièreALe modèle du rayon lumineuxBLa vitesse de la lumièreIIL'analyse de la lumièreALa décomposition de la lumièreBLa longueur d'ondeCLes différents types de lumièreIIILes spectres d'émissionsADéfinitionBLes spectres continus d'origine thermiqueCLes spectres de raies d'émission
I

La propagation de la lumière

A

Le modèle du rayon lumineux

La lumière se propage de façon rectiligne (en ligne droite). Pour modéliser son trajet, on représente un rayon lumineux.

La lumière se propageant de manière rectiligne, les deux trous des feuilles percées doivent être alignés pour que la lumière atteigne l'écran.

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Modèle du rayon lumineux

Le modèle du rayon lumineux illustre le principe de propagation rectiligne de la lumière. Le rayon est représenté par un trait et une flèche qui indique le sens de propagation de la lumière.

Une source laser émet un faisceau lumineux très fin, que l'on représente par un rayon lumineux se propageant de manière rectiligne.

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En réalité on ne peut pas isoler un rayon lumineux. Une source lumineuse émet un faisceau, composé d'une infinité de rayons lumineux.

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La lumière ne se voit pas, on ne voit que la source de lumière et l'objet éclairé. Pour mettre en évidence un faisceau lumineux, on place sur son parcours des particules (fumée, brouillard, etc.) qui, en diffusant la lumière, rendront sa propagation visible.

Pour visualiser un faisceau lumineux, on disperse de la fumée sur son chemin.

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B

La vitesse de la lumière

La vitesse de propagation, ou célérité, de la lumière est notée c et dépend du milieu qu'elle traverse. Elle est maximale dans le vide pour lequel c = 3,00 \cdot 10^8 \text{ m} \cdot \text{s}^{-1} et on utilise cette même valeur dans l'air bien qu'elle y soit légèrement plus faible.

La vitesse du son est de 340 m \cdot s−1, ainsi la lumière se propage environ un million de fois plus vite que le son, ce qui explique par exemple le décalage entre l'éclair et le tonnerre lorsque la foudre éclate.

II

L'analyse de la lumière

A

La décomposition de la lumière

Le phénomène de dispersion permet de décomposer une lumière et ainsi de l'analyser, c'est-à-dire observer les différentes radiations qui la constituent.

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Spectre

Le spectre est la figure obtenue après décomposition d'une lumière.

Le spectre de la lumière émise par le Soleil contient toutes les radiations visibles que celui-ci émet et est visible lors d'un arc-en-ciel (les gouttes d'eau en suspension ayant décomposé la lumière solaire).

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B

La longueur d'onde

Longueur d'onde

La longueur d'onde, notée \lambda  et exprimée en mètres (m), est une des grandeurs qui permettent de caractériser une radiation lumineuse.

Les radiations visibles ont une longueur d'onde comprise entre 400 nm (pour le violet) et 800 nm (pour le rouge) environ.

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La longueur d'onde d'une radiation dépend du milieu. Lorsque rien n'est précisé, il s'agit des longueurs d'onde dans le vide ou dans l'air, qui sont quasiment égales.

C

Les différents types de lumière

On distingue plusieurs types de lumière :

 

  • Selon le nombre de radiations qui les composent :
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  • Selon la couleur de la lumière, qui résulte de l'addition des radiations colorées qui la composent (synthèse additive) :
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III

Les spectres d'émissions

A

Définition

Spectre d'émission

Le spectre d'émission d'une source est la figure qui contient l'ensemble des radiations que cette source émet. On l'obtient en décomposant la lumière émise par une source à l'aide d'un système dispersif (prisme ou réseau).

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B

Les spectres continus d'origine thermique

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

Un morceau de charbon, des braises, un filament d'une lampe à incandescence, la lave en fusion, une barre de fer sont des corps qui, une fois chauds, émettent une lumière dont le spectre est continu.

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La couleur de la lumière émise par un corps chaud ne dépend pas de sa composition mais de sa température de surface : lorsqu'elle s'élève, le spectre continu d'émission devient de plus en plus lumineux et s'enrichit vers le violet.

Lorsque l'on augmente sa température, la lumière émise par le filament d'une lampe à incandescence passe par les couleurs suivantes :

  • Filament rouge : le spectre de la lumière émise ne contient pas de radiations de longueurs d'onde inférieures à 600 nm.
  • Filament jaune : jaune et vert apparaissent dans le spectre.
  • Filament blanc : le spectre de la lumière visible contient toutes les radiations de longueurs d'onde comprises entre 400 et 800 nm.
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C

Les spectres de raies d'émission

Un gaz chaud à basse pression émet de la lumière dont le spectre n'est pas continu : on obtient un spectre de raies d'émission. À chaque raie correspond une radiation monochromatique de longueur d'onde bien déterminée.

La détermination des longueurs d'onde des raies d'émission permet d'identifier une entité chimique (atome ou ion) : c'est la signature de cette entité chimique.

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