Spectres d'émission

Introduction

La lumière est omniprésente, mais que contient-elle exactement ? La lumière blanche du Soleil, la lumière orangée d'un lampadaire, la lumière verte d'un laser — toutes ces lumières sont-elles de même nature ? En les décomposant à l'aide d'un prisme ou d'un réseau, on obtient leur spectre, véritable « carte d'identité » lumineuse. L'étude des spectres est un outil fondamental en physique et en astronomie : elle permet d'identifier la composition chimique d'une étoile à des milliards de kilomètres.

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1. Propagation et vitesse de la lumière

1.1 Propagation rectiligne

Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. On modélise sa trajectoire par un rayon lumineux, représenté par une droite orientée dans le sens de propagation.

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1.2 Vitesse de la lumière

La vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l'air, très proche) est une constante fondamentale :

$c = 3{,}00 \times 10^8 \text{ m·s}^{-1} = 300\,000 \text{ km/s}$

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2. Lumière blanche et lumière colorée

2.1 La lumière blanche est un mélange

La lumière blanche (Soleil, ampoule à incandescence) est constituée d'un mélange continu de toutes les couleurs visibles, du violet au rouge. Un prisme la décompose en arc-en-ciel.

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2.2 Lumière monochromatique et polychromatique

Lumière monochromatique : une seule couleur (une seule longueur d'onde). Exemples : laser, lampe à vapeur de sodium.

Lumière polychromatique : plusieurs couleurs (plusieurs longueurs d'onde). La lumière blanche en est l'exemple le plus courant.

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2.3 Longueur d'onde

Chaque couleur est caractérisée par sa longueur d'onde dans le vide, notée λ (lambda), en nanomètres (nm).

Le domaine visible s'étend d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).

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3. Les spectres d'émission

3.1 Spectre continu d'origine thermique

Tout corps chauffé (solide ou liquide) émet de la lumière dont le spectre est continu : toutes les couleurs sans interruption, du violet au rouge.

Le spectre dépend de la température :

• Température modérée (≈ 800 °C) : surtout du rouge et de l'infrarouge.
• Température élevée (≈ 3 000 °C, filament) : toutes les couleurs → lumière blanche-jaunâtre.
• Très haute température (≈ 6 000 °C, Soleil) : tout le visible, maximum dans le jaune-vert.

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3.2 Spectre de raies d'émission

Un gaz à basse pression excité (par chauffage ou décharge électrique) émet un spectre de raies : seules quelques longueurs d'onde précises sont émises. Le spectre apparaît comme des lignes colorées fines sur fond noir.

Propriété fondamentale : chaque élément chimique possède un spectre de raies qui lui est propre, comme une empreinte digitale.

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3.3 Exploiter un spectre de raies

Pour identifier un élément dans une source lumineuse, on compare son spectre de raies avec les spectres de référence. Si les raies correspondent (mêmes longueurs d'onde), l'élément est présent.

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L'essentiel du chapitre

Propagation rectiligne de la lumière. Modèle du rayon lumineux.

Vitesse de la lumière : c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹ (≈ 10⁶ fois plus rapide que le son).

Lumière blanche = mélange continu de toutes les couleurs visibles. Longueur d'onde λ : 400 nm (violet) à 800 nm (rouge).

Spectre continu : corps chaud → toutes les couleurs. Plus T augmente → enrichi vers le bleu.

Spectre de raies : gaz excité à basse pression → raies fines propres à chaque élément → identification chimique.