Leçon 1 : Spectres Jérôme Klingenfus Element imposé : Raies de Fraunhofer (ci dessous) Examinateur : A. Sprauer

Intro pédagogique : la leçon a un large spectre (haha) On peut observer des spectres dans le visible mais aussi des spectres en IR (fin 1ere et Terminale) voire RMN (termiale). Ces deux spectroscopies mettent en oeuvre des rayonnement non visibles. En revanche, la lecon se centre sur les spectres de raies dans le visible. Il s'agit dans un premier temps de caractériser ces raies et pour les caractériser de les obtenir. Dans un second temps, les raies sombres obtenues seront assignées et enfin le mécanisme à l'origine de ces raies sera présenté. BO seconde :

BO 1ere spé :

Introduction : Note : lorsque l'on sépare un signal selon la longueur d'onde, on obtient un spectre. Fraunhofer est un opricien qui a observé en 1814-15 la présence de raies sombres plus ou moins intenses lorsque l'on décompose la lumière du qui provient du soleil. Sans les expliquer, il va les cataloguer avec une grande précision. I) Obtenir un spectre dans le visible Pour obtenir un spectre, il est possible de séparer les longueurs d'ondes au moyen d'un système dispersif. Méthodes présentées : -séparation par un prisme -séparation par un réseau de diffraction Montage effectué :

pour le prisme, un prisme sans déviation, c'ets mieux. Pour la lentille, f'=20cm c'est bien. Notons une différence d'allure du spectre obtenu :

A gauche, dispersion par un prisme, à droite par un réseau de diffraction. La zone rouge est plus compressée pour le spectre obtenu avec le prisme.. Pourquoi ? -dispersion par diffraction : (avec a

-dispersion par réfraction : loi de cauchy : avec A et B positifs (avec n indice optique : utiliser ensuite lois de Snell descartes : relation peu simple mais non linéaire avec lambda) Il nous reste une reproduction d'une gravure reprise du dessin de Fraunhofer ci dessous :

ɥ= ɰ/a

n≃ A+ Bɰ2

Le dessin semble compresser les raies vers le rouge et dilater l'échelle vers le violet : on peut faire l'hypothèse que Fraunhofer a utilisé un prisme. C'est bel et bien le cas, d'après un article du BUP :

M. Saillard, Notes sur l’histoire de la spectroscopie, BUP n°655, p1157 http://bupdoc.udppc.asso.fr/consultation/article-bup.php?ID_fiche=8923 Au jour d'aujourd'hui, des spectromètres modernes à fibre optique nous permettent d'acquèrir rapidement un spectre de la lumière du soleil, comme celui que l'on retrouve sur wikipedia :

II) Spectres d'absorption / spectre d'émission Pour comprendre l'origine de ces raies, nous allons étudier les phénomènes d'émission et d'absorbtion dans le cas de systèmes modèles, pour, dans la partie c) assigner les raies. a) Spectre d'emission Certaines sources de lumières sont continues, comme une lampe à incandescence ou une lampe halogène.

Note : il est plus convaincant de prendre le spectre devant le jury en demandant au technicien d'apporter une lampe à incandescence !!

En revanche, certaines lampes n'ont pas ce spectre : Une lampe à vapeur de sodium, jaune, montre un spectre qui présente deux raies majoritairement. Une lampe à vapeur de mercure présente plusieurs raies : image ci-contre : Une lampe à hydrogène présente 4 raies dans le visible : Ha 656,3 nm Hb 486,1 nm Hc 434,0 nm Hd 410,1 nm (Note : la couleur est magenta : beaucoup de rouge + du bleu ) Les 3 lampes présentées sont des lampes dites 'spectrales" : elles fonctionnent en excitant un gaz et on observe ainsi le spectre d'émission atomique de ce composé, ici le sodium, le mercure et l'hydrogène. Les spectres obtenues sont spécifiques du composé. b)Spectre d'absorbtion Manipulation introductive : solution diluée de permanganate mise sur le trajet d'unExemple de l'absorbtion d'une solution de permanganate de potassium, placé dans une cuve. Le spectre de la lampe a incandescence est acquis. La solution de permanganate est violette. Elle absorbe une lumière complémentaire du violet. Lorsque l'on regarde les spectres d'absorbtion théorique des gaz que l'on vient d'utiliser dan sla pertie précédente, on remarque une troublante ressemblance :

(source : Larousse en ligne)

Il y a complémentarité entre un spectre d'émission et d'absoption. Dans l'espace, par exemple, si une source de lumière traverse un nuage de gaz, on verra un spectre d'absorbtion caractéristique de gaz, complémentaire de la lumière que ce gaz émet de manière diffuse dans toutes les directions de l'espace. c) assignation de raies de fraunhofer On a mesuré expérimentalement des spectres de raies d'émissions de plusieurs composés. Tentons de les assigner dans spectre de raies de fraunhofer. -raies D du sodium : on rtrouve le doublet D parmi les raie de fraunhofer. -raies la plus intense de Hg à 546 nm : on la retrouve (raie à 546nm sur les spectres de fraunhofer) -raies de l'hydrogène : raie C bien visible qui correspond à la raie alpha de l'hydrogène. On en déduit que la lumière du soleil a traversé une quantité notable d'hydrogène, de sodium et de mercure avant d'arriver à nous. Où ? dans l'athmosphère terrestre : non dans l'espace ? Non (très peu de molécules dans l'espace) > dans l'athmosphère du soleil !!

Le spectre de raies de Fraunhofer nous permet de savoir ce qui compose l'athmosphère du soleil. Conclusion intermédiaire : Nous avons ainsi compris l'origine de ces raies mais nous n'avons pas encore compris le mécanisme

derrière la formation de ces raies. III) Mecanismes à l'origine des raies Début XXe siècle, modèle de Bohr : cas de l'hydrogène : modèle planétaire Comment passer d'une orbite à une autre ? Gain d'énergie exactement défini. Cette énergie est obtenue sous la forme d'un photon.

Relation de planck einstein : Pour passer par exemple du niveau 2 au niveau 3, quelle est la longueur d'onde du photon nécssaire ?

Les niveaux d'énergie sont tous quantifiés : en eV

Il est donc possible de calculer quelle est l'énergie neessaire pour transférer l'électro du niveau 2 au niveau 3 :

le résultat obtenu est en électron-volt !

Conversion eV vers Joule : multiplier par (on obtient une énergie en J, nombre beaucoup moins simple à manipuler : on comprend l'intéret d'utiliser les eV pour des énergies atomiques) Application numérique : : on retrouve la logueur d'onde de la raie `a de l'hydrogène. Si l'o fait l'applicatio numérique pour le pasage du iveau 2 vers le niveau 4 o retrouve :

(raie b de l'hydrogène.) O a aisi retrouvé les valeurs des raies de l'hydrogène : Ha 656,3 nm Hb 486,1 nm Hc 434,0 nm Hd 410,1 nm Pourquoi niveau de départ / d'arrivée n°2 pour les raies de Balmer dans le visibles ?? Dautres series de raies existent pour l'hydrogène mais elles sont das l'UV (série de Lyman ), dans l'IR (serie de Paschen) ou bien plus loin en longueur d'ondes.. diagrammes energétiques interactifs : http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/divers/raiehydro.html Petite conlusion de la partie III : -on a retrouvé théoriquement la valeur de la longueur d'onde à laquelle on retrouve les raies d'absiorption de l'hydrogène. -on comprend égaleemnt la forme du spectre sous la forme de raie très fines :

ΔE= hcɰ

En=− 13,6n2

ΔE2→3= E3− E2= − 13,6 .(13² −

122)

1,602.10− 19

h= 6,63.10− 34J .sc= 3,00.10m. s− 1ɰ2→3= ...= 657nm

ɰ2→4= 486nm

la quantité d'énergie écessaire pour la transition est quantifiée. Conclusion générale : Pour obtenir son spectre de raies, Fraunhofer a du utiliser un outil dispersif, nous avons prouvé qu'il s'agissait d'un prisme. Ce spectre de raies est un spectre d'absorbtion. En partant de l'observation que les spectres d'émission et d'absorbtion sont complémentaire, il est possible, en étudiant des spectres d'émission d'attribuer les raies. Attribuer ces raies a été une obscession de bien des scientifiques qui n'ont été explicables qu'avec des théories quantiques : ainsi, dans le cas simple de l'hydrogène, il est même possible de retrouver numériquement les valeurs. Note : Il aurait également été possible d'expliquer la forme générale du spectre solaire, à l'exclusion des raies observé : corps noir avec un lambda max dans le vert.

Questions / Remarques : Pouvez-vous justifier votre premier montage, notament la place des lentilles ? Dans le cas de Fraunhofer, les rayons viennent du soleil et sont tous parallèles. On peut faire de même et créer un dispositif qui crée des rayons parallèles. Ou sinon, on peut concentrer la lumière sur la fente, et faire converger les rayons sur l'écran avec une lentille placer après le prisme ou le réseau. L'ordre des couleurs est inversée entre le prisme et le réseau de diffraction, pourquoi ? Ce n'est pas le même mécanisme de dispersion de la lumière Pourquoi a-t-on une raie blanche au milieu de la figure de diffraction ? Au millieu de la figure de diffraction, les interférences sont constructives pour toutes les longueurs d'ondes. (endroit où les différences de marches pour toutes les longueurs d'odes sont égales à un multiple de la longeur d'onde) Das un collège ave peu de moyens, qu'utilisez-vous ? Un apparaeil de diapo avec une diapo opaque munie d'une raie fine : la décomposition de la lumière se fait au tableau. Qui est frauhofer ? Un opticien Remarque : physique quantique est née entre autres parce que l'on ne sait pas interprêter ces raies. Comment expliquer la notion d'electronvolt ? C'est l'énergie aquise par un électron accéléré par une ddp de 1V. Comment voyez-vous l'integration d'une visite ? quand la placer ? Avant, après, pendant ? Pendant la séquence, voire même avant (peut servir de situation déclenchante) Vers quelle longueur d'onde maximum emet le soleil ? Dans le vert. Quelle est la température du soleil ? 6500K on peut la retrouver au moyen de la loi de Wien.