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Lycée · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)

Signaux lumineux et spectres

Dispersion de la lumière, spectres d'émission et d'absorption — programme de 2nde (lycée général)

À propos de cette page
Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Signaux lumineux et spectres » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : La lumière blanche et sa nature, Dispersion de la lumière par un prisme, Longueur d'onde et couleur, Les sources lumineuses et leurs spectres. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en physique-chimie (2nde).
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La lumière blanche et sa nature

La lumière blanche, comme celle émise par le Soleil ou une lampe à incandescence, est une lumière polychromatique : elle est composée d'une infinité de radiations colorées.

Définition. Une lumière monochromatique est une lumière d'une seule couleur (une seule longueur d'onde). Une lumière polychromatique contient plusieurs longueurs d'onde.

Exemples de sources de lumière blanche :

  • Le Soleil
  • Une lampe à incandescence
  • Une lampe halogène
Exemple. Un laser rouge n'émet qu'une seule radiation (lumière monochromatique). Le Soleil émet une lumière polychromatique visible comme blanche à l'œil.
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Dispersion de la lumière par un prisme

Lorsqu'un faisceau de lumière blanche traverse un prisme en verre, il est dispersé : les différentes radiations colorées sont déviées d'angles différents, ce qui les sépare.

Définition. La dispersion est la séparation des composantes colorées d'une lumière polychromatique lors de sa traversée d'un milieu dispersif (prisme, réseau, goutte d'eau).

On observe ainsi un arc-en-ciel de couleurs appelé spectre de la lumière blanche :

  • Le violet est le plus dévié
  • Le rouge est le moins dévié
  • Ordre : violet – indigo – bleu – vert – jaune – orangé – rouge
Astuce. Mémorisez l'ordre des couleurs avec : « Violet Indigo Bleu Vert Jaune Orangé Rouge ».

Caption : la lumière blanche entre dans le prisme et ressort décomposée en un spectre continu de couleurs.

Le même phénomène se produit avec les gouttes de pluie pour former un arc-en-ciel.

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Longueur d'onde et couleur

Chaque couleur de la lumière visible est caractérisée par sa longueur d'onde $\lambda$ (lambda), exprimée en nanomètres (nm) avec $1\,\text{nm} = 10^{-9}\,\text{m}$.

Définition. La longueur d'onde $\lambda$ est la distance parcourue par la lumière pendant une période. Dans le vide, $\lambda = \frac{c}{f}$ où $c = 3{,}0 \times 10^8\,\text{m/s}$ et $f$ est la fréquence (en Hz).
Couleur$\lambda$ (nm)
Violet400 – 440
Bleu440 – 490
Vert490 – 570
Jaune570 – 590
Orangé590 – 620
Rouge620 – 800
Attention ! La longueur d'onde dépend du milieu. Les couleurs ci-dessus correspondent à $\lambda$ dans le vide (ou l'air). Dans un autre milieu, $\lambda = \lambda_0 / n$ où $n$ est l'indice de réfraction, mais la fréquence reste constante.

Caption : longueurs d'onde caractéristiques (valeur médiane) pour chaque couleur du spectre visible.

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Les sources lumineuses et leurs spectres

Toute source lumineuse émet un spectre qui lui est propre. On distingue deux grandes familles :

  • Sources à spectre continu : corps chauffés (Soleil, lampe à incandescence). Le spectre montre toutes les couleurs sans interruption.
  • Sources à spectre de raies : vapeurs atomiques ou moléculaires portées à haute température (lampes à vapeur de sodium, de mercure, tubes néon…). Le spectre ne montre que des raies colorées discrètes sur fond noir.
Exemple. Une lampe à vapeur de sodium émet principalement deux raies jaunes très proches ($\lambda \approx 589\,\text{nm}$), appelées doublet du sodium. C'est la lumière jaune-orangé caractéristique des anciens lampadaires de rue.
Astuce. Le spectre d'une source est sa « carte d'identité » : chaque élément chimique produit un ensemble de raies unique.
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Spectre d'émission : continu et de raies

Un spectre d'émission est obtenu en analysant la lumière directement émise par une source.

Spectre d'émission continu. Fond coloré sans interruption, obtenu avec un corps chauffé (solide, liquide ou gaz à haute pression). Toutes les longueurs d'onde du visible sont présentes.
Spectre d'émission de raies. Raies colorées brillantes sur fond noir, caractéristiques des atomes à l'état gazeux. Chaque élément chimique a son propre jeu de raies (longueurs d'onde précises).

Comment observer un spectre d'émission en laboratoire :

  1. Placer une source (tube spectral ou lampe)
  2. Faire passer la lumière dans une fente puis un prisme ou un réseau de diffraction
  3. Observer ou photographier le spectre projeté sur un écran

Caption : raies d'émission visibles de l'hydrogène (série de Balmer) — chaque pic correspond à une transition électronique.

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Spectre d'absorption

Lorsqu'une lumière blanche traverse un gaz à basse pression, ce gaz absorbe certaines radiations précises : celles qui correspondent exactement aux raies qu'il émettrait s'il était chauffé.

Spectre d'absorption. Spectre continu présentant des raies sombres (raies noires) aux longueurs d'onde absorbées par le milieu traversé. Ces longueurs d'onde correspondent aux raies d'émission du même élément.
Attention ! Les raies d'absorption d'un élément sont aux mêmes longueurs d'onde que ses raies d'émission. C'est la clé de l'identification.

Application fondamentale : le spectre solaire contient des raies sombres, appelées raies de Fraunhofer, dues à l'absorption par les gaz de l'atmosphère solaire. Elles permettent de connaître la composition chimique du Soleil.

Exemple. La raie sombre à $589\,\text{nm}$ dans le spectre solaire révèle la présence de sodium dans l'atmosphère solaire.
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Identification d'une espèce chimique par spectrométrie

La spectrométrie est la technique qui consiste à analyser le spectre d'une source pour identifier les espèces chimiques présentes.

Principe d'identification :

  1. On mesure les longueurs d'onde des raies (d'émission ou d'absorption) de l'échantillon.
  2. On compare avec des spectres de référence (tables ou bases de données).
  3. Si les raies coïncident, on identifie l'élément.
Méthode. Un élément chimique est identifié lorsque les longueurs d'onde de toutes ses raies caractéristiques sont retrouvées dans le spectre de l'échantillon.
Astuce. En astronomie, cette méthode permet de déterminer la composition des étoiles, des nébuleuses et même des exoplanètes à des millions d'années-lumière.
Exemple. Pour vérifier la présence de mercure dans une lampe inconnue, on compare son spectre avec le spectre de référence du mercure (raies à 405, 436, 546, 577-579 nm). Si ces raies apparaissent, c'est bien du mercure.
À retenir
  • La lumière blanche est polychromatique ; un prisme la disperse en un spectre continu.
  • Chaque couleur correspond à une longueur d'onde $\lambda$ (visible : 400–800 nm).
  • Un spectre d'émission continu est produit par un corps chauffé ; un spectre de raies est produit par un gaz atomique.
  • Un spectre d'absorption est un spectre continu avec des raies sombres aux longueurs d'onde absorbées.
  • Les raies d'un élément sont identiques en émission et en absorption : elles permettent d'identifier les espèces chimiques.
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