Atelier A13 :

Spectroscopie élémentaire.

Présentation

Objectifs :

Le spectroscope simplifié dont la construction et l'utilisation sont décrites ci-dessous est utilisé pour observer le rayonnement émis par diverses sources lumineuses : lampes à incandescence, lampe fluorescence, Soleil.

L'objectif est d'observer et de comparer le rayonnement de diverses sources lumineuses.

Lien avec une éclipse totale de Soleil :

L'éclipse de Soleil du 22 décembre 1870 a permis d'observer pour la première fois le spectre de la photosphère et celui de la chromosphère. Cette observation faite par Young a conduit à la compréhension de la structure de l'atmosphère solaire puis à celle des étoiles en observant les raies de Fraunhöfer en absorption et en émission au moment de l'éclipse.

Produit fini :

- montage du réseau

Pour monter le réseau dans le cache diapositive il n'est pas nécessaire (pour faire des observations à l'œil nu) de disposer d'un morceau de réseau de dimension 2,4cm x 3,6cm. Un morceau de la dimension de l'œil suffit.

On fixe le réseau à l'une des extrémités du tube en carton avec du scotch, en occultant le pourtour du réseau avec du papier noir afin d'éviter le passage de toute lumière parasite. On peut tout d'abord occulter le bout du tube en faisant une sorte de manchon avec du papier noir ; on ménage ensuite une ouverture devant laquelle on place le réseau.

- fabrication de la fente

Une solution simple consiste à fabriquer une fente à partir d'une lame de rasoir.

Couper en deux une lame de rasoir et placer face à face les deux lames en les séparant de 0,5 millimètre environ ou moins si c'est possible. Les maintenir avec du scotch sur un cache diapositive pour assurer la rigidité de l'ensemble.

Pour avoir un spectre de qualité, les bords de la fente doivent être parallèles, rectilignes et propres. C'est pour cela qu'il faut utiliser une lame de rasoir neuve.

Cette fente est fixée à l'autre extrémité du tube de carton, en prenant soin comme précédemment de ne laisser passer aucune lumière parasite sur le pourtour de la fente.

Utilisation :

- Première utilisation sans montage

Le spectre du rayonnement s'obtient en interposant un réseau sur le trajet de la lumière.

Ne pas mettre ses doigts sur le réseau, il serait irrémédiablement abîmé.

Ne jamais frotter un réseau pour le nettoyer.

Il faut toujours manipuler un réseau en le tenant par le cadre de la monture

En plaçant le réseau devant œil observons une lampe d'éclairage. Nous voyons alors de part et d'autre de la lampe un arc-en-ciel, du bleu au rouge, formé d'une série d'images colorées de la lampe. Si dans notre champ de vision, il y a d'autres sources lumineuses, leur rayonnement sera également décomposé par le réseau pour former des spectres. Ces spectres s'enchevêtrent à tel point qu'il est difficile de savoir de quelle source ils proviennent. Afin d'isoler le rayonnement d'une source on utilise un tube en carton.

- Utilisation sans fente

Considérons par exemple une lampe qui se présente sous forme tubulaire. Orientons l'instrument de telle sorte que le tube de la lampe soit parallèle au sens des traits du réseau. De part et d'autre de l'image blanche (normale) de ce tube, nous observons un spectre dont les couleurs s'étalent du bleu au rouge. Ces deux spectres sont symétriques de l'image blanche et le rouge est toujours le plus dévié. On remarque que dans chacun de ces spectres on retrouve la forme de la lampe.

Si la lampe tubulaire est suffisamment mince, on remarque que le réseau forme une succession d'images colorées du tube et que ces images se chevauchent partiellement, ce qui nuit à la qualité du spectre.

Pour améliorer la qualité du spectre il faut diminuer la dimension de la source lumineuse en plaçant une fente étroite devant le réseau.

 

- Utilisation du spectroscope simplifié

Ce spectroscope peut être utilisé pour observer le spectre de n'importe quelle source de rayonnement. Cependant n'observer jamais directement le Soleil avec ce spectroscope : il suffit de l'orienter vers le fond de ciel à côté du Soleil, même par temps nuageux.

Au cours des utilisations précédentes on a vu que le réseau produisait deux spectres, situés de part et d'autre de la source de rayonnement. Ces spectres sont appelés "spectre d'ordre 1".

Si on observe avec ce spectroscope une source lumineuse brillante, en regardant très latéralement, on pourra voir un second spectre d'intensité beaucoup plus faible. Ce spectre appelé "spectre d'ordre 2". On remarque que le bleu est toujours situé vers la source de rayonnement et le rouge à l'extérieur comme pour le spectre d'ordre 1 mais l'étalement du spectre est plus important.

Par analogie, l'image de la source de rayonnement, qui est en fait la fente, est appelée "spectre d'ordre zéro". Cette image est de couleur blanche, car son rayonnement n'a pas été dispersé par le réseau.

On remarquera éventuellement des stries horizontales sombres en travers du spectre allant du bleu au rouge : il ne s'agit pas de raies d'absorption mais de défauts produits par les bords de la fente qui ne sont pas parfaitement polis.

- Observation d'une lampe à incandescence

On observe un spectre continu comme un arc-en-ciel. Lorsque la lampe est alimentée normalement les couleurs dans le spectre vont du bleu au rouge. Ce domaine st limité par la sensibilité de notre œil mais toutes les longueurs d'onde sont émises par un corps chaud.

- Observation d'une lampe fluorescente

Les tubes fluorescents, parfois appelés "tube néon", les lampes dites à "économie" d'énergie, les lampes d'éclairage urbain montrent un spectre composé de quelques raies brillantes. La couleur de ces raies varie d'une lampe à l'autre car le spectre de raies dépend de la nature du gaz contenu dans le tube. Ces raies sont la "signature" de l'élément chimique présent. Ces raies en émission se superposent à un spectre continu de plus faible intensité.

- Observation du spectre solaire

Orientons le spectroscope vers le fond de ciel, suffisamment lumineux au voisinage du Soleil. On observe le spectre continu : un arc-en-ciel du bleu au rouge, et des raies fines sombres très nombreuses qui barrent verticalement le spectre à l'intérieur des couleurs et non pas transversalement comme celles dues au défaut de la lame et mentionnées ci-dessus.

Il s'agit des raies d'absorption dont la présence est caractéristique des éléments chimiques présents dans l'atmosphère solaire.

Réinvestissement en classe

- à l'école élémentaire

Proposition envisageable au cycle 3 :

Objectif :

Comprendre la composition de la lumière en montrant qu'une source lumineuse émet des "rayons" de différentes couleurs.

Mettre en relation avec des phénomènes naturels connus : l'arc-en-ciel, bulle de savon.

Déroulement :

Description du spectroscope.

Utilisation de l'appareil vers le Soleil d'une part et vers d'autres sources lumineuses d'autre part (ampoule blanche, spot coloré et tube fluorescent)

Constatation : dans tous les cas, la lumière est dispersée comme avec un prisme, mais suivant la source visée, le spectre s'étale différemment de l'ultraviolet à l'infrarouge. On observe des raies caractéristiques de l'objet visé.

Trace écrite : dessin du spectre et recherche documentaire sur l'application par les astronomes d'un spectrographe et des spectres obtenus.

- en collège

En classe de quatrième l'appareil sert uniquement à analyser la lumière émise par une source :

existence du spectre continu

existence des raies d'absorption

existence des raies d'émission

Qu'est-ce qu'une lumière colorée ?

Manipulation : observer sous lumière blanche intense des feuilles de papier coloré : il manque certaines couleurs, d'où la notion de couleurs complémentaires.

On dispose deux feuilles de papier coloré côte à côte en les faisant se chevaucher. Pour observer, on place la fente du spectrographe perpendiculairement à la ligne de séparation des feuilles, par exemple une feuille blanche et une feuille verte, ce qui permet d'observer les spectres de chaque feuille l'un en dessous de l'autre. On remarque que par rapport au spectre de lumière réfléchie donné par une feuille blanche, la feuille verte donne un spectre dans lequel les couleurs rouge et bleue sont très atténuées : c'est le principe de l'analyse soustractive.

Application : la Lune

Observer le spectre de la lumière solaire puis celui de la Lune. Ils sont identiques : la Lune réfléchit la lumière du Soleil. (à condition d'y inclure la présence des raies)

- au lycée

Classe de seconde

En décrivant l'instrument on montre que la lumière est diffractée : donc la lumière est une onde.

Fente seule : visualisation des phénomènes de diffraction.

Si la fente est suffisamment étroite il y a apparition des franges de diffraction (raies alternativement sombres et claires) ; plus la fente est étroite plus le nombre de franges est élevé.

Il y a perturbation par la fente de la propagation de la lumière.

La limite du modèle "propagation rectiligne" depuis la classe de quatrième est atteinte ; il faut choisir nouveau modèle.

Option de Sciences Expérimentales en première

Existence du spectre de raies ou de bandes moléculaires et relation avec la structure de l'atome (carte d'identité des éléments). Voir le spectre de la chlorophylle en SVT.

Relation entre le spectre de raies et la détermination de la composition chimique de la matière absorbante

SVT Tronc commun 1S :

suggestion de parcours

1° Rappel de la composition de la lumière solaire

2° Avec une lampe à incandescence forte où encore mieux en pleine lumière solaire éclairer des feuilles vertes de végétaux en les plaçant sur une feuille de papier blanc. Observer avec le spectroscope la limite végétal-papier afin d'observer le spectre de la lumière réfléchie par le végétal qui est privé de violet, bleu et rouge.

Conclusion : le végétal ne réfléchit pas toutes les couleurs ; certaines sont retenues par le végétal : comment ?

3° L'observation du spectre solaire au travers d'un tube à essai contenant une solution brute de chlorophylle permet de mettre en évidence l'absorption chlorophyllienne. La solution brute ne doit pas être trop concentrée : couleur vert salade laitue.

Si le niveau supérieur de la chlorophylle dans le tube à essai arrive à la moitié de la hauteur de la fente on observe simultanément le spectre solaire et le spectre de la chlorophylle pour une comparaison directe.

4°Pour une observation par toute la classe :

La même expérience peut être faite avec une boîte de Pétri contenant la solution et placée sur le rétroprojecteur au-dessus d'une fente de 5 mm faite avec deux feuilles de papier noir. Pour cette expérience il faut utiliser un rétroprojecteur classique non portable. Le réseau est placé sous la tête de projection du rétroprojecteur. Faire au préalable le centrage du réseau sur l'écran sans la cuve en ajustant la position de la fente.

En projection sur l'écran on observe le spectre de la lampe et le spectre d'absorption de la chlorophylle l'un en dessous de l'autre avec absorption du violet, bleu et rouge par la chlorophylle.

5° La fluorescence de la chlorophylle

La fluorescence de la chlorophylle correspond à la désexcitation de la chlorophylle : essayer d'observer avec le spectroscope l'émission correspondante dans le rouge.

Exploitation précise difficile étant donné que les niveaux d'énergie n'ont pas encore été étudiés en physique.

Terminale S

Dans le cadre du chapitre sur l'évolution de l'Univers :

L'observation du spectre solaire montre la présence d'éléments tels que le fer, le sodium et le magnésium : éléments qui ont été fabriqués par une précédente génération d'étoiles.

Terminale S :

partie spectro du tronc commun

Ce spectroscope permet de montrer les différents types de spectres : spectre continu, spectre de raies en émission en absorption en observant diverses lampes spectrales et le Soleil.

D'où les applications : analyse des constituants chimiques de la matière ; détermination de la composition chimique des étoiles : la lumière messagère des astres.

Pour en savoir plus :

- où trouver le matériel :


- un réseau : on peut se procurer une feuille de réseaux dans la pochette FCR "Filtres colorés et réseaux" du CLEA
- un tube en carton d'une longueur de 60 cm environ, diamètre 5 cm environ un tel tube peut se trouver auprès des commerçants qui vendent du tissu et des posters.
- du papier noir
- du scotch
- une lame de rasoir (modèle classique), neuve
- un cache-diapositive (facultatif)

Éléments bibliographiques

Voir atelier A12