Objectifs

• Savoir qu'une lumière blanche est un mélange de lumières colorées que l'on peut séparer (décomposer).
• Repérer une radiation par sa longueur d'onde \(\lambda\), exprimée en nanomètres (nm).
• Distinguer une lumière monochromatique d'une lumière polychromatique.
• Distinguer un spectre continu d'un spectre de raies et savoir quelles sources les produisent.
• Identifier un élément chimique grâce à son spectre de raies.

1. Décomposer la lumière : le spectre

Un prisme en verre fait la même chose que les gouttes de pluie : il dévie chaque couleur d'un angle différent. La lumière blanche ressort étalée en une bande colorée appelée spectre. On dit que le prisme décompose (ou disperse) la lumière.

Retrouve les éléments du montage :

2. La longueur d'onde, l'adresse d'une couleur

La lumière est une onde. Chaque radiation monochromatique est caractérisée par une grandeur appelée longueur d'onde, notée \(\lambda\) (lettre grecque « lambda »). Pour la lumière visible, on l'exprime en nanomètres :

L'œil humain perçoit les radiations dont la longueur d'onde dans le vide (ou dans l'air) est comprise environ entre 400 nm et 800 nm :

• vers 400 nm : le violet ;
• vers 450 à 500 nm : le bleu ;
• vers 550 nm : le vert ;
• vers 580 à 600 nm : le jaune et l'orange ;
• vers 650 à 800 nm : le rouge.

En dessous de 400 nm, on trouve les ultraviolets (UV), invisibles, responsables des coups de soleil. Au-dessus de 800 nm, les infrarouges (IR), invisibles eux aussi, que l'on ressent comme de la chaleur et qu'utilisent les télécommandes.

Exemple résolu : convertir une longueur d'onde

Une radiation a pour longueur d'onde \(\lambda = 6{,}5 \times 10^{-7}\ \text{m}\). Est-elle visible ? De quelle couleur ?

3. Le spectre continu : la lumière des corps chauds

Un corps chaud (solide, liquide ou gaz dense sous forte pression) émet de la lumière. Son spectre est une bande colorée sans interruption : c'est un spectre continu.

Exemples : le filament d'une lampe à incandescence, les braises, le métal en fusion, le Soleil.

Plus le corps est chaud, plus son spectre s'étend vers le violet (les petites longueurs d'onde) et plus la lumière émise est intense :

flowchart LR
  A[Corps tiède] --> B[Pas de lumière visible]
  B --> C[Corps chaud]
  C --> D[Rouge orangé]
  D --> E[Corps très chaud]
  E --> F[Blanc avec du bleu et du violet]

4. Le spectre de raies : la carte d'identité des éléments

Un gaz sous faible pression, excité par une décharge électrique ou par la chaleur d'une flamme, émet une lumière dont le spectre est formé de quelques raies colorées fines sur un fond noir : c'est un spectre de raies d'émission.

Chaque raie correspond à une radiation monochromatique de longueur d'onde précise. Surtout, chaque élément chimique possède son propre spectre de raies, toujours le même, comme un code-barres ou une empreinte digitale.

Sur ce schéma, les raies visibles de l'hydrogène sont à environ 410 nm, 434 nm et 486 nm (violet, bleu) et 656 nm (rouge). Le sodium donne une raie jaune intense vers 589 nm (en réalité deux raies très proches, à 589,0 nm et 589,6 nm).

Exemple résolu : quel gaz dans ce tube ?

Un tube de gaz inconnu donne quatre raies visibles : 410 nm, 434 nm, 486 nm et 656 nm. Le tableau de référence indique : hydrogène (410, 434, 486, 656 nm), sodium (589,0 et 589,6 nm), mercure (notamment 436, 546 et 578 nm). Cherche d'abord, puis vérifie.

Erreurs fréquentes

• Penser que le rouge a la plus petite longueur d'onde : c'est le violet.
• Oublier de convertir les mètres en nanomètres (\(1\ \text{nm} = 10^{-9}\ \text{m}\)).
• Croire qu'un laser donne un spectre continu : il est monochromatique.
• Attribuer un spectre de raies à un corps chaud et dense, ou un spectre continu à un gaz sous faible pression.
• Identifier un gaz avec une seule raie qui « ressemble » sans vérifier toutes les autres.

Récapitulatif

Un prisme décompose une lumière polychromatique en spectre ; une lumière monochromatique ne se décompose pas. Chaque radiation est repérée par sa longueur d'onde \(\lambda\) : le visible va d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge), avec les UV en dessous et les IR au-dessus. Un corps chaud et dense émet un spectre continu qui s'enrichit vers le violet quand sa température augmente. Un gaz sous faible pression excité émet un spectre de raies, propre à chaque élément, qui permet de l'identifier.