# Dispersion de la lumière blanche

C’est important de se rappeler que la lumière est une onde électromagnétique et qu’elle se propage de façon rectiligne, c’est-à-dire en ligne droite, et dans tout milieu qui n’est pas opaque. Même si l’on dit souvent “vitesse de la lumière” nous devons dire “célérité de la lumière” étant donnée que la lumière est une onde. Comme pour les ondes sonores, la célérité de la lumière dépend aussi de son milieu de propagation. Cette célérité `\textbf{c}` atteint sa valeur maximale dans le vide ou `c=3,0\cdot 10^{8}\; m\cdot s^{-1}`. Dans le chapitre suivant nous allons parler de la variation de la célérité de la lumière dans d’autres milieu, et ses conséquences.

Nous avons déjà vu au collège que la lumière blanche est composée de lumières colorées. En affinant cette description on dit que la lumière blanche est composée d’un ensemble de radiations monochromatiques (mono=une seule ; chroma=couleur, donc radiation monochromatique est lumière d’une seule couleur). On peut mettre en évidence cette propriété de la lumière blanche grâce à un prisme. Un prisme dévie les rayons lumineux : les différentes radiations monochromatiques dont elle est formée sont déviées différemment.

C’est Isaac Newton qui est la première personne à effectuer une étude scientifique de ce phénomène de dispersion.

A toute radiation monochromatique est associée une longueur d’onde précise. Cette longueur d’onde est généralement notée `\lambda` (lambda). Une longueur d’onde lumineuse s’exprime souvent en nanomètre (`nm`) ou en micromètre (`\micro m`). La décomposition de la lumière en ses différentes radiations s’appelle un spectre lumineux. L’œil humain n’est sensible qu’à la radiation comprise entre `\sim 400 \; nm \text{(lumière bleue violette) et }\sim 800 nm \text{ (lumière rouge)}`, ce qui rend cette portion du spectre électromagnétique visible. Des longueurs d’onde inférieures à `400 \; nm` s’appellent la radiation ultraviolette (UV), tandis que les longueurs d’onde supérieure à `800\; nm` s’appellent la radiation infrarouge (IR).

# Spectres lumineux

L’appareil utilisé pour cette décomposition s’appelle un spectroscope. Cette décomposition peut se faire en faisant passer la lumière par un, ou plusieurs, prismes ; ou par ailleurs, en utilisant un réseau (= lattice, network) (un support plan comportant un très grands nombre de traits très fins, parallèle, équidistant et très rapprochés).

# Différents catégories de spectres lumineux

Nous parlons principalement de deux catégories de spectres :

• Spectres continus : Une bande colorée dont les couleurs varient progressivement. Par exemple, le spectre de la lumière blanche.

• Spectres discontinus : C’est quand il n’y a pas une variation progressive des couleurs. Cela se manifeste sous la forme de quelques raies colorées sur un fond noir (spectres de raies) ou sous la forme des bandes ou des raies noires sur un fond continu.

Nous allons néanmoins faire la distinction entre deux types de spectres : spectre d’émission, et spectres d’absorption.

# Spectres d’émission

# Spectres d’origine thermique

Ce sont des spectres de la lumière émise par un corps chauffé. Ce corps peut être solide, liquide ou un gaz fortement comprimé. Ces spectres sont

• Les spectres d’origine thermique sont des spectres continus.

• Lorsque la température augmente, un spectre d’origine thermique s’enrichit vers le violet, c’est-à-dire vers les radiations de courtes longueurs d’onde(= short wavelength radiation).

# Spectres de raies

• Les spectres de raies s’obtiennent grâce à des lampes spectrales ou des tubes à décharges.

• Pour chaque élément le spectre de raies de la lumière émise par la source est caractéristique (c’est à dire unique).

Les raies présentes dans le spectre d’un élément correspondent toujours à la même longueur d’onde. Par conséquent chaque élément produit un spectre de raies qui lui est propre. Un spectre de raies constitue la signature d’un élément et révèle sa présence.

La science de spectroscopie est l’exploitation de ce fait, c’est à dire l’exploitation et l’études des spectres des objets afin de se renseigner sur la nature et la constitution des objets, et détermination des éléments présents.

# Spectres d’absorption

Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui traverse une substance.

Donc le spectre d’absorption montre la partie du spectre de la lumière blanche absorbée par l’élément, alors que le spectre d’émission montre la partie du spectre de la lumière blanche émise par l’élément.

Or, pour un élément les raies d’émission et les raies d’absorption ont les mêmes longueurs d’onde, et du coup le spectre d’émission et le spectre d’absorption d’un élément sont complémentaires (la superposition des deux produit le spectre continu de la lumière blanche).

Les schémas de la méthode expérimental d’obtention de chacun des spectres :

Résumé des trois types de spectres :

# Application : Spectroscopie & Astrophysique

La spectroscopie est l’étude de la lumière émise par une matière. Une des applications principales de cette science est dans l’astrophysique, pour la détection de la composition des étoiles.

Une étoile peut être assimilée à une boule de gaz très chaud, sous haute pression. La lumière émise par sa surface, la photosphère, donne le fond continu d’origine thermique du spectre de l’étoile. La couleur de l’étoile, comme celle du filament d’une lampe, renseigne sur sa température de surface.

Avant de nous parvenir, la lumière émise par la surface chaude d’une étoile traverse l’atmosphère qui l’entoure. On peut analyser cette lumière pour obtenir son spectre, et son profil spectral (la courbe qui représente l’intensité lumineuse des radiations émises par cette étoile en fonction des longueurs d’ondes de ces radiations).

Parmi les radiations de la lumière émise, certaines sont absorbées par les entités chimiques présentes dans l’atmosphère. Le spectre obtenu est donc, un spectre d’absorption avec des raies noires qui correspondent aux longueurs d’onde absorbées par des entités chimiques de son atmosphère. Ce spectre nous renseigne donc sur la composition chimique de son atmosphère.

# Exercices Résolus