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Histoire de la Lumière : le spectre lumineux

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Découvrez l'histoire de la découverte des différents scpectres électromagnétiques, devenus de véritables outils d'exploration de la matière comme de l'univers.

Le spectre électromagnétique

Transcription audio.

Qu’est-ce que la lumière ? Quelle est sa nature ? Depuis l’antiquité, des philosophes, des mathématiciens, des astronomes, des physiciens ont cherché la solution à cette énigme. Une vive controverse a même opposé, pendant deux siècles et demi, les partisans de la théorie ondulatoire, pour qui la lumière est une vibration qui se propage, à ceux de la théorie corpusculaire, pour qui la lumière est un flot de particules. Finalement, la physique quantique, née au début du 20ème siècle, a concilié les deux hypothèses : selon son interaction avec la matière, la lumière peut se manifester sous forme d’ondes ou sous forme de corpuscules, les fameux photons.

Une onde est caractérisée par une longueur d’onde, un photon possède une énergie. Mais sur quelle étendue, sur quelle gamme ?

Longueur d’onde λ Energie E

Commençons par Isaac Newton. Nous sommes en 1666. Dans une chambre aux volets clos, il pratique une petite ouverture pour isoler un rayon de soleil. Dans le filet de lumière, il place un prisme de verre : par réfraction, la lumière se décompose en un arc-en-ciel de couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. En réalité l’indigo n'existe pas dans le spectre mais Newton l’a rajouté pour faire bonne mesure : le chiffre 7 est à cette époque doté de vertus magiques et mystérieuses.

7 notes 7 astres errants (selon les anciens) 7 merveilles du monde

7 couleurs, la lumière va rester cantonnée à 7 couleurs pendant tout le 18ème siècle, appelé « siècle des Lumières » car les philosophes étaient convaincus de rentrer dans un nouvel âge, illuminé par la Raison et la Science.

En 1800, l’astronome anglais William Herschel place des thermomètres dans le spectre solaire pour mesurer la température des différentes couleurs. Surprise : au-delà du rouge, là où l’œil ne voit plus rien, le thermomètre monte encore. Il vient de découvrir la première lumière invisible, l’infrarouge.

Et de l’autre côté ? Là encore la surprise est grande quand un an plus tard, en 1801, le chimiste allemand Johann Ritter expose au spectre solaire une plaque photographique recouverte de chlorure d’argent. Il constate qu’elle réagit particulièrement au delà du violet. Il existe donc une deuxième lumière invisible, l’ultraviolet.

Il manque encore une graduation, une échelle. C’est chose faite, toujours en 1801, avec le médecin anglais Thomas Young qui interprète les couleurs comme une manifestation de la longueur d'onde de la lumière. Sa célèbre expérience des franges d’interférences lui permet de mesurer les longueurs d'onde en question, qui sont de l’ordre du micron, le millième de millimètre.

Diffraction / 1 fente Franges d’interférence / 2 fentes

En 1885, le physicien allemand Heinrich Hertz cherche à vérifier expérimentalement la théorie électromagnétique de Maxwell, et à la populariser car elle est encore mal comprise. Il fait passer un courant de haute tension dans un circuit électrique à éclateurs, deux petites sphères métalliques écartées de quelques millimètres. Les charges s'accumulent dans le circuit jusqu'au jaillissement d'une étincelle. Le savant constate qu'une autre étincelle jaillit simultanément à quelques mètres de distance dans une antenne en forme de boucle. De l’énergie a été transmise d'un circuit à l’autre, sans l'aide d'un fil conducteur. Qui l’a transporté ? Hertz a la réponse : c’est une onde électromagnétique, une onde qui a les mêmes propriétés que la lumière : réflexion, réfraction, vitesse de 300.000 km par seconde. Il mesure sa longueur d’onde en déplaçant l’antenne : environ un mètre. Ainsi le spectre s’enrichit des ondes hertziennes, appelées plus tard « ondes radio » quand les premiers postes radiophoniques feront leur apparition.

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Conrad Röntgen étudie le courant électrique passant dans une ampoule où l’air est à faible pression. Il constate que l’ampoule produit des rayons capables de traverser les boites, les sacs, les valises... et le corps humain. Il les nomme rayons X ; rayons car ils se propagent en ligne droite comme la lumière, et X car il n’en connait pas la nature. Malgré ce doute, les rayons X sont immédiatement exploités en médecine pour la radiographie, mais restent mystérieux car aucun instrument d’optique n’est capable de les réfléchir, de les focaliser, de les disperser ou de les diffracter. Ce n’est qu’en 1912 que le physicien allemand Max von Laue réussit expérimentalement à obtenir la diffraction des rayons X par un cristal. Il s’agit donc bien d’une onde électromagnétique, mais de longueur d’onde extrêmement courte, située au delà du domaine ultra-violet.

La première radiographie : la main de Madame Röntgen Les services de radiologie se multiplient

Ce n’est pas fini, il existe un rayonnement de longueur d’onde encore plus courte. Sa découverte met en scène 4 personnages : Henri Becquerel qui découvre la radioactivité en 1896, Marie Curie qui isole le radium en 1898, Paul Villard et Ernest Rutherford qui montrent en 1900 que la radioactivité est de trois types : alpha, beta, gamma. Rutherford n’établit la nature électromagnétique des rayonnements gamma qu’en 1914 quand il observe leur diffraction par des surfaces cristallines.

Le spectre électromagnétique est quasiment complet mais il reste une frontière floue entre les ondes radio et l’infrarouge. Elle sera précisée dans les années 1940 avec l’introduction des micro-ondes. Pendant la seconde guerre mondiale, les anglais développent en effet les radars pour détecter à distance les bombardiers allemands. Les radars fonctionnent sur le principe de la réflexion des ondes électromagnétiques, les longueurs d'onde allant de 30 m à 10 centimètres, c'est-à-dire des ondes radio aux micro-ondes. Dans les années 1950, des ingénieurs américains constatent que les radars à micro-onde échauffent les objets situés à proximité. C’est ainsi qu’un dispositif militaire est à l’origine d’un mode de cuisson très pratiqué aujourd’hui.

Il aura donc fallu presque trois siècles pour découvrir le rayonnement électromagnétique dans toute son étendue, dans toutes ces lumières et dans toutes ses grandeurs. Notre œil n’en détecte qu’une infime partie. Nous sommes presqu’aveugles. Heureusement, nous avons inventé des instruments pour pallier le manque de sensibilité de nos organes. Aujourd’hui, le développement de détecteurs ultra-sensibles nous permet de capter les lumières invisibles, de les traduire, de voir leurs effets. La lumière est devenue un merveilleux outil d'exploration.

Longueur d’onde λ (m) Energie des photons (eV)

onde-radio micro-ondes infrarouge visible ultraviolet rayons X rayons γ

Exploration de l’Univers, qui émet dans toutes les longueurs d’onde. Les satellites d’astronomie nous transmettent non pas une image globale du ciel, mais une série d’images pour chaque longueur d’onde, ce qui permet de dresser une carte très précise du cosmos et des différents objets qu’il contient : nuages de poussières, étoiles visibles et invisibles, galaxies, étoiles à neutrons, trous noirs, supernovae...

Exploration de la Matière, éclairée à différentes longueurs d’onde. Elle se fait avec des instruments de plus en plus performants, comme les sources de lumière synchrotron. SOLEIL, la nouvelle source synchrotron française, est capable d’émettre toutes les lumières de l’infrarouge aux rayons X, avec une exceptionnelle brillance.

Grâce à la lumière, grâce à toutes les lumières, notre regard est devenu aujourd’hui plus perçant. Nous voyons mieux, plus loin, plus petit. Progressivement, nous prenons connaissance du monde qui nous entoure.

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Les infrarouges: rayons invisibles de longueurs d’onde supérieures à celles des rayons rouges visibles par les gens.

Les ultraviolets: 1. Rayons de longueurs d’onde inférieures à celles visibles par les gens. On dit aussi : lumière ultraviolette. 2. Rayons invisibles de longueurs d’onde plus petites que celles des rayons violets visibles par les gens.

Le spectre visible de la lumière et les ondes invisibles

light chart

Comme tu le vois sur l’illustration ci-dessus, la lumière visible n’est qu’une petite partie de l’ensemble de tous les rayons et ondes qui arrivent sur la Terre. Tu te demandes peut-être pourquoi les gens ne voient que cette partie « visible » et pas les autres rayons et ondes. Regarde bien le tableau et graphique ci-dessus. Il indique l’énergie des rayons et ondes qui arrivent sur la Terre. Tu vois que seuls les rayons de la lumière visibles arrivent avec beaucoup d’énergie sur la Terre (la bosse verte). Les rayons ultraviolets et les infrarouges n’arrivent pas avec beaucoup d’énergie sur la Terre et donc ils ne stimulent pas les bâtonnets et les cônes des yeux des gens. Mais certains insectes et autres animaux ont des yeux capables de les détecter.

En savoir plus sur la: Voir les couleurs

Voir la citation, détails bibliographiques:.

  • Article: Le spectre de la lumière
  • Auteur: CJ Kazilek, Kim Cooper
  • Traducteur: Dany Pierard-Deviche
  • Éditeur: Arizona State University School of Life Sciences Ask A Biologist
  • Nom du site: ASU - Ask A Biologist
  • Date publiée: May 31, 2017
  • Date d'accès: January 3, 2024
  • Lien: https://askabiologist.asu.edu/le-spectre-de-la-lumi%C3%A8re

CJ Kazilek, Kim Cooper. (2017, May 31). Le spectre de la lumière, (Dany Pierard-Deviche, Trans.). ASU - Ask A Biologist. Retrieved January 3, 2024 from https://askabiologist.asu.edu/le-spectre-de-la-lumi%C3%A8re

Chicago Manual of Style

CJ Kazilek, Kim Cooper. "Le spectre de la lumière", Translated by Dany Pierard-Deviche. ASU - Ask A Biologist. 31 May, 2017. https://askabiologist.asu.edu/le-spectre-de-la-lumi%C3%A8re

MLA 2017 Style

CJ Kazilek, Kim Cooper. "Le spectre de la lumière", Trans. Dany Pierard-Deviche. ASU - Ask A Biologist. 31 May 2017. ASU - Ask A Biologist, Web. 3 Jan 2024. https://askabiologist.asu.edu/le-spectre-de-la-lumi%C3%A8re

spectre de la lumière date

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spectre de la lumière date

La lumière, toute une histoire…

L’année 2015 a été proclamée année internationale de la lumière. L’occasion de revenir sur l’histoire de ces théories et découvertes scientifiques qui ont déchaîné les passions pendant presque 25 siècles…

Mélange de couleur par l'addition des couleurs primaires

L’antiquité

C’est au 3 e siècle avant notre ère que les grecs s’intéressent véritablement aux questions liées à la lumière et à la vision. La science de l’optique va voir le jour avec le Traité d’optique  d’ Euclide .

Cependant, avant l’ère hellénistique à proprement parler, on trouve chez les Présocratiques Platon et Aristote, des tentatives de théorisation des phénomènes lumineux. Jusqu’à Aristote, la nature de la lumière est conforme à la représentation poétique d’Homère. Elle apparaît comme un type de feu particulier dont la spécificité est, pour Héraclite et Empédocle, d’être continu. Chez les atomistes, il est conçu comme un amas de corpuscules en mouvement. Platon reprend cette description dans le Timée où la lumière est un feu constitué par des traînées de tétraèdres imperceptibles pour les yeux et se déplaçant à grande vitesse. Pour Empédocle, Démocrite ou Platon, la lumière émerge des sources incandescentes mais également des yeux.

Contrairement à cette conception de la lumière matérielle qui se propage avec une vitesse finie, la lumière chez Aristote est instantanée. Il n’est plus question ici d’ensembles de corpuscules projetés par les sources lumineuses. Elle se définit comme l’expression d’une modification du milieu qui abrite la source émettrice et le sujet observant. Aristote a une vision dynamique de la lumière.

À l’ère hellénistique et au début de l’époque alexandrine, les deux grands textes de références sur la lumière et la vision sont : le Traité d’optique d’Euclide et l ‘Optique de Claude Ptolémée. Pour ces auteurs, la lumière ne peut avoir d’existence propre et indépendante. Elle est liée à la vision de l’observateur et se définit géométriquement comme des rayons rectilignes émis par l’œil. Cette représentation est dans la continuité des thèses de Platon et va perdurer pendant à peu près toute l’époque médiévale.

Vers l’an mille, Alhazen , savant perse, rédige le Traité d’optique qui sera traduit en latin deux siècles plus tard. Ses travaux précèdent certaines découvertes des scientifiques européens de la Renaissance. Il a, notamment, prouvé que tous les objets reflètent la lumière et que les rayons lumineux frappent l’œil de l’observateur.

La Renaissance et l’époque moderne

À la fin du 16 e siècle, le développement de l’optique dans les domaines pratiques bat son plein avec la mise en évidence des propriétés des lentilles et par extension la découverte du télescope. Les interrogations autour de la nature de la lumière réapparaissent et les savants se demandent si la lumière est un corps ou la manifestation du mouvement d’un corps. C’est Descartes  qui relance le sujet autour de la nature de la lumière et s’interroge sur le rôle du milieu qu’elle traverse. Les lois de Snell-Descartes marquent en 1625 une avancée considérable dans le développement de l’optique. Descartes, contrairement à Galilée considère que la propagation de la lumière est instantanée. Il faudra attendre les travaux de Rømer en 1676 pour parvenir à une première approche de la vitesse de la lumière. En 1676, Christian Huygens , dans son Traité de la Lumière , montre que les lois de Snell-Descartes ne peuvent être validées que si l’on considère la lumière comme une onde qui se propage de manière rectiligne. Il s’oppose à la théorie de Newton qui, lui, préfère la conception corpusculaire et détermine la nature de la lumière comme un ensemble de grains en mouvement. Fort de ces succès de l’époque, Isaac Newton emporte la victoire de cette bataille scientifique en publiant Opticks en 1704. À l’aide du prisme, Newton parvient à décomposer la lumière et fait apparaître le spectre de la lumière blanche. Les sept couleurs qu’il met ainsi en évidence sont, selon lui, liées à la taille des grains de lumière qui les constituent. Sa théorie corpusculaire vient éclipser la conception ondulatoire de Huygens qui sera abandonnée jusqu’au début du 19 e .

Les 19 e et 20 e  siècles

Àpartir des années 1800, les physiciens Thomas Young et Augustin Fresnel reprennent et expérimentent la théorie ondulatoire de Huygens. Le développement de la spectroscopie  permet d’étendre les recherches sur la relation entre rayonnement et matière sur un plus large champ que celui du visible. On conclut, ainsi, par une série d’expériences sur les effets thermiques des corps et sur les actions chimiques des sels d’argent, à l’existence d’ondes invisibles : l’infrarouge et l’ultraviolet. En 1864, James Clerk Maxwell  établit à travers ses équations – les équations de Maxwell- la relation entre champ électrique et champ magnétique. La vitesse des ondes qu’il mesure alors est étonnamment proche de celle de la lumière… La conclusion de Maxwell sera donc que la lumière est une onde électromagnétique qui appartient au  spectre électromagnétique et n’en est qu’une partie, la partie visible. Elle se déplace à une vitesse finie d’environ 300 000 km/s.

Image du spectre électromagnétique

Cependant, pour l’époque, il est absolument nécessaire de considérer la propagation d’une onde dans un milieu. Pour la lumière, c’est l’éther qui apporte cette solution. L’éther devient alors un référentiel absolu pour mesurer la vitesse des objets en mouvement. De 1881 à 1887, Michelson et Morley tentent une série d’expériences pour mesurer la vitesse de la terre par rapport à l’éther. Tous les résultats viennent contredire les effets attendus. Devant les résultats contradictoires avec les théories de l’époque, les physiciens commencent à douter de l’existence véritable de l’éther. À la fin du 19e, Lorentz et Poincaré vont établir les formules mathématiques permettant de retrouver les résultats expérimentaux de Michelson et Morley. La vitesse de la lumière est alors définie comme identique dans toutes les directions et ne pouvant être dépassée. La communauté scientifique commence à avoir l’intuition d’une nouvelle mécanique. En 1905, année miraculeuse de la physique, Einstein dans son article « Sur l’électrodynamique des corps en mouvement » remet en question l’existence de l’éther. Il réfute cette notion de référentiel absolu qui s’oppose aux théories mécaniques classiques de Newton où tous les référentiels se valent. Einstein pose l’idée que la lumière se propage dans la vide de manière constante et ce quelque soit le référentiel. Pour le démontrer, il doit instaurer une nouvelle théorie qui vient répondre à toutes les questions laissées en suspens. C’est ainsi qu’il formalise une nouvelle théorie de l’espace et du temps : la théorie de la relativité restreinte où seule la vitesse de la lumière devient le référentiel absolu.

Publié le 14/12/2015 - CC BY-SA 4.0

Sélection de références

spectre de la lumière date

Histoire de l'optique ondulatoire : de Fresnel à Maxwell

André Chappert Belin, 2007

À la Bpi, niveau 3, 535 CHA

spectre de la lumière date

Une histoire de la lumière : de Platon au photon

Bernard Maitte Éditions du Seuil, 2015

À la Bpi, niveau 2, 535(091) MAI

Une histoire de la lumière : la spectroscopie

Une histoire de la lumière : la spectroscopie

Stéphane Le Gars Vuibert ; ADAPT, 2012

À la Bpi, niveau 2, 535(091) LEG

La lumière montre ses deux visages sur un même cliché

La Lumière montre ses deux visages sur un même cliché

La lumière se comporte à la fois comme une particule et comme une onde. Depuis Einstein, les scientifiques tentent d’observer ces deux aspects simultanément. Pour la première fois, des chercheurs de l’EPFL ont réussi à prendre un instantané de ce double comportement.

lien externe

Le photon, particule ou onde  ?

Une conférence d’Alain Aspect, physicien français, connu notamment pour avoir conduit le premier test concluant portant sur un des paradoxes fondamentaux de la mécanique quantique, le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen. La notion de particule de lumière – le photon – introduite par Einstein en 1905, est difficile à concilier avec le modèle ondulatoire de la lumière, fermement établi au 19e siècle par Young, Fresnel, Maxwell, et bien d’autres… La dualité onde-particule de Louis de Broglie reste aujourd’hui « un grand mystère », comme a pu l’écrire le grand physicien Richard Feynman.

spectre de la lumière date

Les mécanos de la Générale : Einstein, 100 ans de relativité générale

Cycle de conférences à la Bibliothèque nationale de France. En novembre 1915, Einstein publie sa relativité générale. La révolution qu’elle implique se fera attendre un demi-siècle. Basée sur une mathématique complexe, obscure pour beaucoup, elle prend la place de la théorie de la gravitation de Newton dont elle remet en cause la plupart des concepts.

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  • La lumière

Le spectre électromagnétique

Une carte de la lumière visible et invisible.

Notre compréhension de la nature de la lumière fait un bond de géant dans la seconde moitié des années 1800 avec l'aide du physicien écossais James Clerk Maxwell.

Maxwell s'intéresse à une foule de problèmes scientifiques dont l'électricité et le magnétisme. Il commence à publier des articles sur ces sujets en 1855, et synthétisera l'ensemble en 1873 dans son livre intitulé Treatise on Electricity and Magnetism (ou Traité sur l'Électricité et le Magnétisme, en français), un classique en la matière.

En 1863, Maxwell découvre qu'en manipulant ses équations sur l'électricité et le magnétisme, il est capable d'extraire une valeur qui correspond à la vitesse de propagation de la lumière. Surpris par un tel résultat, il commence alors à soupçonner que lumière, électricité et magnétisme ne font qu'un.

Poursuivant sur sa lancée, il développe davantage ses équations sur l'électricité et le magnétisme et aboutit à la conclusion que la lumière doit être une onde, comme l'avait démontré Thomas Young plus de cinquante ans auparavant, mais une onde électromagnétique, c'est-à-dire possédant une composante électrique et magnétique, ce qui est en soit une découverte capitale.

Photo en noir et blanc d'un homme assis de profil regardant au loin

De plus, il n'y a aucune raison, selon lui, pour qu'il n'existe pas d'ondes électromagnétiques invisibles au-delà du spectre de la lumière visible et de l'ultraviolet. Par malheur, Maxwell ne vivra pas assez longtemps pour vérifier si sa prévision s'avère exacte car il meurt en 1879, peu de temps après avoir élaboré sa théorie.

En 1888, ce sera pourtant la consécration pour lui : le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz parvient en effet à démontrer que l'électricité peut être transmise par ondes électromagnétiques, que celles-ci voyagent à la vitesse de la lumière et que leur longueur d'onde est un million de fois plus grande que celles de la lumière visible et de l'ultraviolet.

Hertz donne à ces nouvelles ondes le nom « d'ondes radio ». Elles joueront plus tard, on s'en doute bien, un rôle de premier plan dans le développement du télégraphe et de la radio.

Portrait en noir et blanc d'un homme portant une barbe courte et regardant vers la droite

Aujourd'hui, le spectre électromagnétique est connu pour s'étendre bien au-delà des couleurs de l'arc-en-ciel. Voici à quoi il ressemble :

Le spectre électromagnétique est continu mais les scientifiques l'ont divisé de façon artificielle pour des raisons de commodité. Les divisions ont surtout été établies à l'aide des techniques utilisées pour détecter les différentes longueurs d'onde. Par exemple, les limites du domaine de la lumière visible sont définies par ce que nos yeux peuvent détecter.

Graphique du spectre électromagnétique représenté par un trait ondulé sur des bandes de gradation horizontale au fond bleu. Le trait est très rapproché à gauche et plus espacé à droite.

La portion du spectre électromagnétique que nous pouvons percevoir avec nos yeux est infime par rapport à son étendue totale. Si on faisait correspondre le spectre électromagnétique à une fenêtre de 30 millions de kilomètres de long, il ne faudrait ouvrir la fenêtre que de 3 centimètres pour laisser passer la lumière visible.

Bien que les ondes radio, infrarouges, ultraviolettes, X et gamma soient toutes des « couleurs » invisibles, ce sont toutes, comme les ondes visibles, de la lumière.

Activité : Le spectre électromagnétique

La lumière émet à plusieurs fréquences et la majorité de ces dernières sont invisibles à l’œil nu. Cette activité va vous permettre de visualiser, à l’aide d’exemples concrets, la lumière visible et invisible.

L’image principale est une représentation du spectre électromagnétique. Vous n’avez qu’à cliquer directement sur les points rouges qui se retrouvent sur le spectre pour voir les images ou une représentation de ce qui correspond à la fréquence choisie.

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  • Physique-Chimie
  • Cours : Les spectres lumineux

Les spectres lumineux Cours

Analyser une lumière consiste à réaliser son spectre, grâce au phénomène de dispersion qui permet d'observer les radiations qui la composent. L'étude des spectres d'émission et d'absorption permet de déterminer certaines propriétés comme la composition, la température ou la couleur de la source ou du filtre. Ceci est particulièrement utile en astrophysique pour l'étude des étoiles, la lumière qu'elles émettent étant la principale source d'informations dont nous disposons.

L'analyse de la lumière

Le phénomène de dispersion permet de former le spectre d'une lumière et ainsi de l'analyser, c'est-à-dire observer les radiations qui la composent.

Dispersion de la lumière blanche par un prisme

Dispersion de la lumière blanche par un prisme

Chaque radiation lumineuse est associée à une longueur d'onde \lambda qui permet de la caractériser. Les radiations visibles ont une longueur d'onde comprise entre 400 nm (pour le violet) et 800 nm (pour le rouge) environ.

Les différents domaines des ondes électromagnétiques

Les différents domaines des ondes électromagnétiques

Les spectres d'émission, spectre d'émission.

Un spectre d'émission est la figure que l'on obtient en décomposant la lumière émise par une source à l'aide d'un système dispersif (prisme ou réseau).

Montage permettant l'obtention d'un spectre d'émission

Montage permettant l'obtention d'un spectre d'émission

Le spectre d'émission contient donc l'ensemble des radiations émises par une source.

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.

Spectre continu

Spectre continu

La couleur de la lumière émise par un corps chauffé 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.

Lorsqu'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 (a).
  • Filament jaune : jaune et vert apparaissent dans le spectre (b).
  • Filament blanc : le spectre de la lumière visible contient toutes les radiations de longueurs d'onde comprises entre 400 et 800 nm (c).

Spectre de la lumière émise par le filament d'une lampe à incandescence en fonction de sa température

Spectre de la lumière émise par le filament d'une lampe à incandescence en fonction de sa température

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.

Spectres de raies d'émission des éléments mercure et cadmium

Spectres de raies d'émission des éléments mercure et cadmium

Les spectres d'absorption, spectre d'absorption.

Un spectre d'absorption est la figure que l'on obtient en décomposant la lumière ayant traversé un corps, celui-ci étant éclairé par une lumière blanche.

Montage permettant l'obtention d'un spectre d'absorption

Montage permettant l'obtention d'un spectre d'absorption

Les spectres de bandes d'absorption.

Lorsqu'un filtre ou une solution colorée est traversé par de la lumière blanche, le spectre de la lumière obtenue présente des bandes noires sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c'est un spectre de bandes d'absorption.

Un spectre de bandes d'absorption est caractéristique de la substance colorée présente dans le filtre ou la solution.

La couleur du filtre ou de la solution résulte de la présence des radiations qui ne sont pas absorbées.

Le spectre de la lumière qui a traversé une solution magenta de permanganate de potassium contient principalement les radiations bleue et rouge. La solution a absorbé la composante verte de la lumière blanche incidente.

Spectre de bandes d'absorption de la lumière transmise par une solution de permanganate de potassium

Spectre de bandes d'absorption de la lumière transmise par une solution de permanganate de potassium

Les spectres de raies d'absorption.

Lorsqu'un gaz à basse pression et à basse température est traversé par de la lumière blanche, le spectre de la lumière transmise est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche : c'est un spectre de raies d'absorption.

Le gaz absorbe les mêmes radiations que celles qu'il est capable d'émettre.

Spectres de raies d'absorption des éléments mercure et cadmium

Spectres de raies d'absorption des éléments mercure et cadmium

Application à l'univers, le spectre de la lumière émise par les étoiles.

Une étoile peut être considérée comme une boule de gaz sous haute pression, dont la température varie de plusieurs centaines de millions de degrés, au centre, à quelques milliers de degrés en surface.

La plupart des étoiles comportent une atmosphère constituée de gaz sous basse pression (appelée chromosphère).

Les étoiles émettent donc une lumière dont le spectre est continu et strié de nombreuses raies noires.

Structure simplifiée d'une étoile

Structure simplifiée d'une étoile

Exemple de spectre d'une étoile

Exemple de spectre d'une étoile

La température de surface des étoiles.

Comme pour tous les corps chauds, la couleur d'une étoile et le fond continu de son spectre lumineux nous renseignent sur sa température de surface : plus celle-ci est importante, plus le spectre s'enrichit vers le violet.

Influence de la température de surface des étoiles sur le spectre de la lumière qu'elles émettent

Influence de la température de surface des étoiles sur le spectre de la lumière qu'elles émettent

La composition chimique de l'atmosphère des étoiles.

Lorsque la lumière émise par la surface de l'étoile traverse son atmosphère, les gaz sous basse pression qu'elle contient absorbent leurs raies caractéristiques. Les raies d'absorption du spectre lumineux d'une étoile renseignent donc sur les atomes ou les ions présents dans son atmosphère.

L'étoile dont le spectre lumineux est ci-dessous contient l'élément hydrogène et au moins un autre élément mais pas de fer.

Détermination de la composition de la chromosphère d'une étoile

Détermination de la composition de la chromosphère d'une étoile

Le cas du soleil.

En 1814, le physicien allemand Joseph von Fraunhofer observe dans le spectre du Soleil plus de 20 000 raies répertoriées dues aux gaz présents dans sa chromosphère. Leur analyse a permis de connaître la composition chimique détaillée et précise du Soleil : les deux éléments les plus abondants sont l'hydrogène (78,4%) et l'hélium (19,6%).

Bien que le cœur du Soleil atteigne une température de l'ordre du million de degrés Celsius, sa couleur jaune nous indique que la température de sa surface est d'environ 5500°C.

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