Les spectres lumineux sont présents dans notre quotidien, mais ils ont des rôles différents en fonction du milieu. Découvrez dans cet article la différence entre spectres d'émission et d'absorption.

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C'est parti

La lumière, une onde et un corps 💡

effets de lumière dans la nature
Comment voit-on la lumière ?

Il existe trois types différents d’ondes :

  1. Mécanique : Les ondes magnétiques nécessitent une matière qui se déforme afin de se propager. Ce matériau a la capacité recouvrer son état initial grâce aux forces de restauration qui inversent la déformation ;
  2. Électromagnétique : Les ondes électromagnétiques quant à elles n’ont pas besoin de support pour se déplacer : elles correspondent à des oscillations périodiques de champs électriques et magnétiques qui peuvent alors se déplacer dans le vide ;
  3. Gravitationnelle : Les ondes gravitationnelles n’ont plus de support pour se déplacer puisque ce sont les déformations de la géométrie de l’espace-temps qui se propagent.

Une onde est une déformation ou une vibration qui se propage dans un milieu défini. La lumière est une onde lumineuse constituée de particules : les photons.

  • Lorsqu'une particule est plus petite qu'un atome, en particulier le noyau, on l'appelle une particule subatomique
  • Ces éléments sont analysés en physique des particules.

☀️ L'atmosphère, les nuages, le sol ou l'océan reçoivent la lumière du soleil. ils en ont rendu une partie
Lumière dans toutes les directions : on dit qu'ils diffusent la lumière.

La lune, les planètes, les comètes et tous les corps célestes du système solaire sont éclairés par le Soleil. Ils sont visibles car leur surface diffuse une partie de la lumière du soleil.

Généralités sur le spectre électromagnétique 🔊

arc en ciel sur ordinateur
Voilà ce qu'est un spectre électromagnétique

La lumière étant un rayonnement électromagnétique, il est possible de la décomposer selon ses différentes composantes en termes de fréquence, de longueur d’onde ou d’énergie des photons, particules élémentaires de la lumière. L’énergie des photons est définie selon la formule suivante, avec h la constante de Planck égale à m².kg.s-1.

La lumière que nous observons est composée de rayonnements ayant des longueurs d’onde comprises entre 350 nm et 750 nm : c’est ce qu’on appelle le spectre visible.

Quel est l'étendue des rayonnements électromagnétiques ?
Comme on peut le voir sur ce graphique, le spectre électromagnétique est très large. La longueur d'onde est inversement proportionnelle à la fréquence du rayonnement.

👀 Ces longueurs d’onde sont les seules que l’œil humain peut percevoir, à l’aide des cônes de la rétine :

  • Les rayonnements proches de 350 nm seront perçus comme violet, au-delà, on parlera d’ultraviolets (UV)
  • Les rayonnements proches de 750 nm seront perçus en rouge, au-delà, on parlera d’ondes infrarouges (IR)

Les spectres d'émission 🌈

cercle de lumière
Voici un spectre continu de lumière

Comme leur nom l'indique, les spectres d'émission sont constitués des rayonnements émis par un corps. On distingue deux sortes de spectre d'émission :

Les spectres continus

Les spectres de raie

Les spectres continus

Expérimentalement, il est possible d’obtenir un spectre continu avec tout corps à haute pression et haute température. Ces spectres sont donc d'origine thermique, et l'émission de lumière est liée à la température de la source. Ce type de spectre comporte tous les rayonnements visibles sans discontinuité du violet au rouge.

🚨 Cependant, la proportion des différents rayonnements n'est en général pas la même : un spectre d'émission continu comporte toujours une longueur d'onde correspondant à une intensité plus forte que les autres.

🔦 On retrouve ce phénomène dans les lampes et ampoules d’usage quotidien. En effet, une lampe à incandescence classique, qui produit de la lumière en chauffant un filament de tungstène à l’aide du courant électrique, présentera une plus forte intensité de radiations rouges au sein de son profil spectral. Cela explique la couleur légèrement rouge-orangée des lampes à incandescence.

Cette longueur d'onde de plus forte intensité, qui correspond à un maximum d'émission, permet de déduire la température du corps émetteur. Plus cette longueur d'onde est faible (décalé vers le violet), plus la température est élevée.

Quelles sont les couleurs visibles par l'Homme ?
Toutes les couleurs visibles par l’œil humain sont représentées sur ce spectre.

Les spectres continus permettent donc de déterminer la température de leur source. C'est ainsi que la température de surface d'une étoile peut être connue. Il est possible d’observer un spectre continu par la méthode dite de la décomposition de la lumière.

🌈 En effet, la lumière blanche du soleil ou des lampes à incandescence est composée de tous les rayonnements du spectre visible, qui sont donc de longueurs d’onde différentes et de couleurs différentes : elle est qualifiée de lumière polychromatique. En projetant de la lumière blanche à travers un prisme vers un écran, on peut apercevoir le spectre de la lumière blanche, semblable à un arc en ciel.

La réfraction

La réfraction est le changement de direction que subit un rayon lumineux lorsqu'il traverse la surface de séparation entre deux milieux transparents. Un milieu transparent est caractérisé par son indice de réfraction.

L'indice de réfraction d'un milieu transparent correspond au rapport entre la célérité d'une onde se propageant dans le vide et sa célérité dans le milieu considéré.

Où :

  • n correspondant à l'indice de réfraction du milieu transparent et qui est une grandeur sans unité ;
  • c correspondant à la célérité de l'onde dans le vide. La célérité est égale à 3.108 m.s-1 ;
  • Et v correspondant à la célérité de l'onde dans le milieu transparent qui s'exprime en m.s-1.

⚡️ Un milieu est dit dispersif si la célérité d'une onde lumineuse monochromatique qui se propage dans ce milieu dépend de sa fréquence (donc de sa longueur d'onde dans le vide).

L'indice de réfraction d'un milieu dispersif dépend donc de la fréquence de l'onde qui s'y propage.

La réfraction de la lumière correspond au changement de direction du rayon lumineux lorsque celui-ci traverse une surface séparant deux milieux d'indices de réfraction différents.

  • Le rayon lumineux est dit incident avant d'avoir rencontré la surface réfractante (appelée dioptre), il est dit réfracté après avoir rencontré cette dernière.
  • Le point de rencontre du rayon incident et du dioptre est appelé point d'incidence.
  • Le plan contenant le rayon incident et la normale au dioptre, au point d'incidence est dit plan d'incidence.
  • L'angle orienté i1 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon incident est dit angle d'incidence.
  • L'angle orienté i2 pris entre la normale au point d'incidence et le rayon réfracté est dit angle de réfraction.
  • Les angles i1 et i2 sont positifs s’ils sont orientés dans le sens trigonométrique (sens inverse des aiguilles d'une montre), négatifs sinon.

On prend n1 l'indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon incident et n2 celui du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté.

👉 Ainsi :

  • Pour pouvoir énoncer la loi de la réfraction, il faut que le rayon réfracté, le rayon incident et la normale (au dioptre) soient dans un même plan qui est appelé le plan d'incidence et que le rayon incident et le rayon réfracté soient situés de part et d'autre de la normale.
  • Lorsque n> n2 (et respectivement n< n2) le rayon réfracté (et respectivement : incident) se rapproche plus rapidement du dioptre que le rayon incident (ou réfracté). Cependant, il existe un cas particulier où le rayon réfracté (ou incident) se retrouve mathématiquement sur le dioptre (sa limite) : il y a alors réflexion totale.

Les sources lumineuses

🌡️ Les spectres continus sont des spectres de source de chaleur, ce qui signifie qu'ils sont obtenus à partir d'une source (solide, liquide ou gazeuse) chauffée à une température suffisamment élevée pour émettre de la lumière. Ainsi, tout corps incandescent émet une lumière à spectre continu, comme du magma en fusion, des braises, du métal travaillé dans une forge, ou un filament chauffé par effet Joule lors du passage d'un courant électrique.

La lumière blanche est le seul spectre continu visible par l'homme. En effet, si la lumière avait une couleur, le spectre ne serait plus continu car il manque au moins une longueur d'onde.

Les spectres de raie

🌟 Dans ce cas, la lumière considérée est monochromatique. Les spectres sont constitués uniquement de quelques raies correspondant à un nombre limité de longueurs d'onde. Ils sont obtenus par excitation électrique de certains gaz. En effet, un atome n’est pas fixé dans un état d’énergie. Sa structure électronique peut être altérée par les rayonnements de l’environnement, eux même constitués de photons : c’est ce que l’on appelle les transitions électroniques.

Ces photons contiennent un quantum d’énergie E. Cette énergie peut, si elle est suffisante, rompre la liaison d’un électron sur une couche électronique interne de nombre quantique n, qui passe alors vers un état d’énergie supérieur en absorbant : l’atome est alors excité. Un électron d’une couche périphérique p peut également passer vers une couche plus profonde n, et donc vers un état d’énergie inférieur en émettant un rayonnement de fluorescence : l’atome se désexcite et retourne à son état fondamental. L’énergie du photon produit ou absorbé est strictement égale à la différence entre les deux états d’énergie de l’électron considéré.

A quoi ressemble un spectre de raie ?
Le spectre d’émission du fer (Fe, en haut) comporte de nombreuses raies. Au contraire, celui de l’hydrogène (H, en bas) n’en comporte que peu.

Il est alors possible de déterminer la longueur d’onde du rayon émis ou absorbé selon la formule suivante :

Où :

  • ∆E est la différence entre les deux états d’énergie (de départ et d’arrivée) (J)
  • ν est la fréquence du rayonnement (Hz)
  • λ est la longueur d’onde du rayonnement (m)
  • h est la constant de Planck : h ≈ 6,62 x 10-34s-1
  • c correspond à la célérité de la lumière : c ≈ 3,00 x 108s-1

Cependant, cette énergie est bien souvent donnée en électronvolt (eV). Il faut alors la convertir, sachant que 1 eV = 1,602 x 10-19 J. Chaque composé chimique possède son propre spectre de raie qui le caractérise et permet de l'identifier.

Les spectres d’absorption 🧽

machine à gaz bleue en train d'être allumée
Le composé chimique du gaz présente des caractéristiques pour la lumière

💨 Un spectre d'absorption est obtenu lorsque qu'une lumière blanche ayant un spectre continu traverse un corps gazeux. Selon la composition chimique du gaz, le spectre initialement continu présente alors des raies noires correspondant aux longueurs d’onde absorbées.

Cela s’explique par le fait que les photons contenus dans le rayonnement peuvent être absorbés par l’atome, dans l’éventualité où ils contiennent la quantité d’énergie nécessaire à ce que l’électron de l’atome considéré puisse passer à un niveau d’énergie supérieur. Ce photon disparaissant du rayonnement, il laisse alors une raie noire sur le spectre d’absorption initialement continu.

Le Soleil est-il une véritable lumière blanche.
Le spectre du Soleil est constituée de multiples raies noires, appelées raies de Fraunhofer d’après le scientifique qui les a découvert au début du XIXe siècle. Toutes ces raies ont une désignation particulière, correspondant à un élément chimique : la raie A, par exemple, correspond au dioxygène O2, alors que la raie D correspond au sodium Na.

Les longueurs d'ondes absorbées par une substance correspondent aussi aux longueurs d'ondes des rayonnements figurant dans son spectre de raie d'émission. Les raies noires figurant dans un spectre d'absorption permettent donc d'identifier les substances qui ont été traversées par la lumière. L'analyse d'un spectre de raie permet par exemple d'identifier les substances présentes dans l'atmosphère d'une étoile.

🌤️ Le soleil, par exemple, renvoie une « lumière blanche » mais présente un spectre de raies d’absorption, au lieu d’un spectre continu simple attendu. Cela peut s’expliquer par la présence d’une atmosphère autour du Soleil. Cette atmosphère contenant différentes espèces chimiques, qui vont absorber différentes longueurs d’onde.

Le spectre observé sur Terre est donc un spectre de raies d’absorption. En prenant en compte la complémentarité entre spectres d’émission et spectre d’absorption, il est possible de déterminer les espèces chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil. Cette technique a permis de déterminer la présence de fer, d’hydrogène, de magnésium, de sodium et de calcium dans l’atmosphère du Soleil : c’est donc un puissant outil d’analyse en astrophysique.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir. Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).