Sciences · Physique
Spectres d’émission et d’absorption
Un spectre est la décomposition d’une lumière en ses différentes couleurs. Un corps chaud donne un spectre continu ; un gaz excité, un spectre de raies d’émission ; un gaz traversé par la lumière, des raies d’absorption.
Mis à jour le 4 min de lecture
En faisant passer une lumière à travers un prisme ou un réseau, on la décompose en ses différentes radiations : on obtient son spectre. Ce spectre est une véritable carte d’identité. Il révèle la température d’une étoile, les éléments chimiques présents dans une flamme ou dans l’atmosphère du Soleil. Les spectres sont au programme de seconde en France, puis approfondis en première avec les niveaux d’énergie des atomes.
Lumière, longueur d’onde et couleur
Une lumière monochromatique ne contient qu’une seule radiation, caractérisée par sa longueur d’onde λ (lambda) dans le vide. Une lumière polychromatique en contient plusieurs. La lumière visible s’étend d’environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge) ; certains ouvrages retiennent 380–780 nm.
| Couleur | Longueur d’onde approximative |
|---|---|
| Violet | 400 – 450 nm |
| Bleu | 450 – 490 nm |
| Vert | 490 – 570 nm |
| Jaune | 570 – 590 nm |
| Orange | 590 – 620 nm |
| Rouge | 620 – 800 nm |
En deçà du violet commence l’ultraviolet, au-delà du rouge l’infrarouge. Voir spectre électromagnétique.
Les trois types de spectres
| Type | Source | Aspect |
|---|---|---|
| Spectre continu d’origine thermique | Corps dense chaud : filament, braise, lave, surface d’une étoile | Bande continue de couleurs, sans interruption |
| Spectre de raies d’émission | Gaz chaud ou excité à basse pression : lampe à vapeur de sodium, tube néon, flamme colorée | Quelques raies colorées fines sur fond noir |
| Spectre de raies d’absorption | Lumière blanche traversant un gaz froid | Spectre continu barré de raies noires |
Le spectre continu et la température
Plus un corps est chaud, plus son spectre s’enrichit vers le bleu et le violet, et plus il émet intensément. Un métal chauffé passe du rouge sombre à l’orange, puis au blanc. Les étoiles rouges sont relativement froides (environ 3 000 K en surface), le Soleil, jaune-blanc, environ 5 800 K, les étoiles bleues dépassent 10 000 K. Voir rayonnement du corps noir.
Les raies : une signature chimique
Chaque élément chimique émet ou absorbe des radiations de longueurs d’onde précises, qui lui sont propres. Un gaz absorbe exactement les radiations qu’il est capable d’émettre : les raies noires d’absorption d’un élément sont aux mêmes positions que ses raies colorées d’émission.
En 1814, Joseph von Fraunhofer observa des centaines de raies noires dans le spectre du Soleil. Leur interprétation, à partir des années 1860, montra qu’elles sont dues aux éléments de l’atmosphère solaire. L'hélium fut identifié dans le spectre solaire en 1868, bien avant d’être isolé sur Terre. Voir spectroscopie en astronomie.
L’explication : les niveaux d’énergie
L’énergie d’un atome ne peut prendre que certaines valeurs, appelées niveaux d’énergie. Quand un atome passe d’un niveau à un autre, il émet ou absorbe un photon dont l’énergie est exactement égale à la différence entre les niveaux :
ΔE = h × ν = h × c / λ
- h : constante de Planck,
6,63 × 10⁻³⁴ J·s; - ν (nu) : fréquence de la radiation, en hertz ;
- c : vitesse de la lumière,
3,00 × 10⁸ m/s; - λ : longueur d’onde, en mètres.
Les énergies atomiques s’expriment souvent en électronvolts : 1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J.
Comme les niveaux sont propres à chaque élément, les longueurs d’onde émises ou absorbées le sont aussi. Voir structure électronique.
Expérience classique : observer des spectres
Matériel : un spectroscope à main ou un réseau de diffraction monté sur diapositive, une lampe à incandescence, une lampe fluocompacte, éventuellement des lampes spectrales (sodium, mercure) fournies par le laboratoire.
- Regarder la lampe à incandescence à travers le spectroscope : spectre continu.
- Regarder une lampe fluocompacte : un fond continu faible avec des raies brillantes, notamment dues au mercure.
- Avec une lampe à vapeur de sodium, seules les raies jaunes apparaissent.
Erreurs fréquentes
- Confondre raies d’émission et d’absorption : colorées sur fond noir pour l’émission, noires sur fond coloré pour l’absorption.
- Croire qu’un spectre continu renseigne sur la composition chimique : il renseigne surtout sur la température.
- Oublier de convertir les nanomètres en mètres :
1 nm = 10⁻⁹ m. - Penser que les raies noires sont des zones « sans lumière » au départ : elles correspondent à une lumière absorbée en chemin.
Exercice corrigé
Énoncé. Une raie de l’hydrogène a pour longueur d’onde λ = 656 nm. 1) De quelle couleur est-elle ? 2) Calculer l’énergie du photon correspondant, en joules puis en eV. (h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s ; c = 3,00 × 10⁸ m/s ; 1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J)
Corrigé.
- 656 nm se situe dans le rouge.
E = h × c / λ = (6,63 × 10⁻³⁴ × 3,00 × 10⁸) / (656 × 10⁻⁹) ≈ 3,03 × 10⁻¹⁹ J. En eV :3,03 × 10⁻¹⁹ / 1,60 × 10⁻¹⁹ ≈ 1,89 eV.
Questions fréquentes
Comment connaît-on la composition des étoiles ?
En analysant les raies d’absorption de leur spectre : chaque ensemble de raies correspond à un élément. On mesure aussi leur décalage, dû à l’effet Doppler, pour connaître leur vitesse radiale.
Pourquoi les feux d’artifice ont-ils des couleurs différentes ?
Parce qu’ils contiennent des sels de métaux qui, chauffés, émettent leurs raies caractéristiques : strontium pour le rouge, sodium pour le jaune, baryum pour le vert, cuivre pour le bleu.
Le spectre d’une DEL blanche est-il continu ?
Il paraît presque continu, mais il est formé d’un pic bleu intense (la DEL elle-même) et d’une large bande jaune produite par un luminophore. Il diffère nettement de celui du Soleil.