Spectre continu, spectres de raies d’émission

et de raies d’absorption

par Franck DUPIN

Aide technique principal de laboratoire

Lycée Galilée - 76520 Franqueville Saint Pierre

Résumé 

La lumière émise par le filament d’une lampe est composée d’une infinité de raies spectrales dont les longueurs d’onde sont très voisines formant un spectre continu observable sur un écran.

En remplaçant la source de lumière précédente par une lampe spectrale contenant un gaz porté à haute température sous une faible pression ou par un bec Bunsen et l’élément correspondant à ce gaz (ex : lampe à vapeur de sodium et cristaux de chlorure de sodium), on obtient alors un spectre de raies appelé spectre de raies d’émission.

Si l’on interpose un gaz à basse pression et à température ambiante entre la source de rayonnement continu et l’écran, ce gaz absorbe les radiations qu’il est capable d’émettre produisant ainsi dans le spectre des raies noires appelées raies d’absorption.

Rappel 

· Pour réaliser un spectre continu net et lumineux de la lumière blanche (Figure N°1), on utilise une source de lumière munie d’une ampoule halogène 12V-150W et une lentille convergente de 0,30 m ou 0 ,33 m de distance focale permettant d’obtenir une image très nette et très lumineuse comportant peu d’aberrations chromatiques ou géométriques.

· Après avoir placé le condenseur de façon à former l’image du filament sur la lentille, puis la fente ouverte au maximum, déplacer la lentille de manière à former une image bien nette de la fente sur un écran en verre dépoli et placer ensuite le prisme (voir remarques en fin de document). De cette préparation dépendront les résultats des expériences suivantes, en effet plus le spectre de départ sera net, plus les raies d’émission et d’absorption seront visibles.

Fente

Figure N°1

Spectre d’émission du sodium 

· Réduire l’ouverture de la fente à 0,4mm et remplacer comme le montre la figure N°2, la lampe halogène part un bec Bunsen réglé flamme chaude (virole complètement ouverte). Il est souhaitable de protéger le dispositif en intercalent une plaque de verre entre le bec Bunsen (pas trop près de celui-ci) et les éléments optiques. Après s’être équipé d’un gant anti-chaleur, introduire à l’aide d’une pince métallique une pastille de sel pour adoucisseur d’eau dans la flamme du bec Bunsen. Celle-ci devient jaune et l’on peut observer sur l’écran une raie d’émission jaune constituée en réalité de deux raies très proches l’une de l’autre mais indissociables avec le dispositif utilisé.

Plaque de verre

Figure N°2

Spectre d’absorption du sodium 

· En combinant le montage N°1 et le montage N°2, il devient possible d’observer le spectre d’absorption du sodium. Pour cela, il est nécessaire de réduire la tension d’alimentation de la lampe halogène de 12V à 6V de manière à avoir une intensité lumineuse proche de celle de la flamme du bec Bunsen une fois le morceau de sel introduit. Le réglage de l’ouverture de la fente reste inchangé (0,4mm). Une deuxième plaque de verre sera placée juste après la lampe de manière à la protéger. La pastille de sel étant introduite dans la flamme du bec Bunsen comme auparavant, il apparaît alors dans le spectre continu de la lumière blanche une raie très fine noire correspondant à la raie d’émission obtenue dans l’expérience précédente. Cette expérience est appelée « renversement des raies du sodium » de Kirchhoff (Figure N°3).

Plaque de verre

Figure N°3

Spectre d’absorption du dioxyde d’azote 

· Reprendre le montage de la figure N°1. La préparation du dioxyde d’azote se fera sous hotte avec port de lunettes et de gants. Dans un tube à essais (16 mm x 160 mm), introduire un petit morceau de copeau de cuivre, puis environ 5mL de solution d’acide nitrique concentré. Lorsque tout le cuivre sera oxydé par l’acide nitrique, et seulement à ce moment là pour éviter tout risque de pression à l’intérieur du tube, boucher le tube à essais à l’aide d’un bouchon caoutchouc N°1. Placer ensuite ce tube juste après la fente (Figure N°4). Il est alors possible d’observer de façon très nette un nombre important de raies noires dans le spectre surtout au niveau des radiations de couleur bleues et vertes, avec une disparition partielle de la radiation violette. Pour bien montrer que ces raies d’absorption sont effectivement dues au dioxyde d’azote, il suffit de remplacer le tube contenant ces vapeurs par un tube vide de même dimension et de constater qu’aucun changement n’apparaît dans le spectre continu.

Remarques

· En ce qui concerne l’expérience relative au dioxyde d’azote, ne pas oublier que c’est un gaz dangereux et par conséquent le nettoyage du tube se fera impérativement sous une hotte.

· Pour ce qui est des deux expériences utilisant une pastille de sel, l’utilisation d’un bec Bunsen est préférable à celle d’un bec Méker qui, chauffant trop, fait fondre la pastille ce qui peut entraîner l’obstruction partielle de la cheminée et produire à ce moment là une flamme qui ne permet pas une bonne observation du phénomène.

· Le prisme simple figurant sur les dessins peut être remplacé avantageusement par un prisme à vision directe ou un réseau.

· Lors de l’utilisation des lampes spectrales, les spectres de raies obtenus seront bien plus lumineux si l’on remplace l’écran blanc par un écran constitué d’un verre dépoli.

Bibliographie

J. Berty, A. Escaut, P. Marchand, L. Martin et A. Oustry : Physique pratique tome III Optique – Editions Vuibert