\chapter{Spectres lumineux}
\label{chap:astr}

\enlargethispage*{3em}
\section{Introduction}

\begin{exointro}{Nouveau Programme}
  On considère le spectre d'une vapeur à basse pression d'un mélange
  de gaz:

\Par

\begin{center}
  \includegraphics[width=8cm]{099_newemission2}
\end{center}

\Par

  On donne par ailleurs les spectres de divers éléments:

\Par

\begin{center}
  \includegraphics[width=8cm]{099_newemission}
\end{center}

  \begin{questions}
  \item Comment appelle-t-on ce type de spectre ?
  \item Quels éléments peut-on identifier dans le mélange?
  \end{questions}
\end{exointro}

Ce chapitre introduit la notion de spectre d'émission.

\section{Ondes lumineuses et longueur d'onde}

La \index{lumiere visible@lumière visible}lumière visible est une
onde, appelée \index{onde!électromagnétique}onde électromagnétique.
La nature des perturbations vibratoires qui lui sont associées est
totalement hors-programme, et ne sera pas abordée avant le
baccalauréat.

À chaque couleur est associé un nombre appelé longueur d'onde, exprimé
généralement en nanomètre (nm), qui caractérise la radiation. Pour la
lumière visible, la longueur d'onde est comprise entre 390~nm (violet)
et 780~nm (rouge).

\begin{defin}
  On appelle \index{radiation!monochromatique}radiation
  monochromatique une radiation composée d'une seule couleur. Une telle radiation ne peut pas être décomposée par un
  dispositif \index{dispersion}dispersif (prisme ou réseau). Elle est caractérisée par
  une \index{longueur d'onde}longueur d'onde $\lambda$.
\end{defin}



\begin{Exemple}
la lumière d'un \index{laser}laser est une radiation monochromatique.
\end{Exemple}

\begin{defin}
Une \index{radiation!polychromatique}radiation polychromatique est un
ensemble de radiations monochromatiques de longueurs d'ondes
différentes.
\end{defin}

\begin{Exemple}
la \index{lumiere blanche@lumière blanche}lumière blanche peut être décomposée en un grand nombre de
  radiations de longueurs d'onde différentes (correspondant à toutes
  les couleurs de l'arc en ciel). C'est une radiation polychromatique.
\end{Exemple}




\begin{Remarque}
notons que les radiations visibles ne correspondent qu'à une petite
  partie d'un ensemble de radiations appelées radiations
  électromagnétiques (ou encore ondes électromagnétiques).

    \begin{center}
      \includegraphics{100_05c_spectre}
      \figcaption{Appellation des ondes électromagnétiques pour différents
        domaines de longueur d'onde.}
    \end{center}
\end{Remarque}

\newpage
Les appellations très diverses des différents domaines de longueur
d'onde des ondes électromagnétiques sont justifiées seulement par des
raisons historiques ou par la nature des détecteurs à mettre en \oe
uvre.  A part la longueur d'onde, il n'y a pas de différence
fondamentale entre les divers domaines.

La longueur d'onde d'une radiation lumineuse dépend du milieu dans
lequel elle se propage. Cette longueur d'onde est pratiquement la même
dans le vide et dans l'air. En revanche, dans un milieu comme l'eau,
par exemple, elle est nettement plus courte.  Pour repérer une onde
électromagnétique, on conviendra donc de la désigner implicitement par
sa longueur d'onde dans le vide.

\section{Décomposition d'une lumière}

Les rayonnements polychromatiques sont constituées de plusieurs longueurs d'ondes. Lorsqu'il
s'agit de rayonnement visibles, on parle de lumières polychromatiques. Ces lumières sont donc
constituées de plusieurs couleurs. Par exemple, la lumière blanche est en fait la superposition de
toutes les couleurs de l'arc-en-ciel.

Il est possible de faire apparaître l'ensemble des couleurs constituant une lumière en utilisant ce
qu'on appelle un système dispersif. Les systèmes dispersifs les plus couramment utilisés sont le
prisme et le réseau.

Un prisme est un bloc en matière transparente, à base triangulaire qui permet de séparer les
différente couleurs d'un rayon lumineux car elles ne sont pas toutes déviées du même angle (ce
phénomène sera étudié plus en détail dans le chapitre précédent consacré à la réfraction des rayons
lumineux).

Un réseau est constitué de fentes parallèles régulièrement espacées très proches les unes des autres
(typiquement plusieurs centaine de fentes par millimètre).

L'ensemble des couleurs qui apparaîtrons après que la lumière a traversé un système dispersif
correspondra au spectre de cette lumière.

\begin{defin}
On appelle \textit{spectre}\index{spectre} d'une lumière l'ensemble des couleurs dont elle est constituée.
\end{defin}

Lorsqu'un rayon lumineux unique laisse apparaître plusieurs composantes colorées, on dit qu'on a
décomposé la lumière.

Lorsque la décomposition de la lumière laisse apparaître différentes couleurs qui se touchent
(comme un arc-en-ciel), on parle de spectre continu. C'est le type de spectres qu'on obtient
généralement en chauffant un solide (filament d'une ampoule à incandescence par exemple). On
parle alors de spectre thermique.

\begin{center}
\includegraphics{102_Spectre01}
\end{center}

Lorsque la décomposition laisse apparaître des bandes colorées sur un fond noir, on parle de spectre
de raies. C'est généralement le type de spectres que l'on obtient en chauffant des gaz.

\begin{center}
\includegraphics{102_Spectre02}
\end{center}

Le spectre d'une lumière peut apporter des informations sur les propriétés physiques de l'objet dont
elle est issue ou des gaz qu'elle a rencontrés sur son parcours.

\section{Spectres thermiques}

\begin{aretenir}
  Un corps chaud émet un rayonnement continu dont la couleur dépend de
  la température.
\end{aretenir}

Le spectre d'un tel objet est dit continu car toutes les longueurs
d'ondes sont représentées.  Le \index{Soleil}Soleil est une bonne
approximation de corps chaud.  Son spectre visible est celui donné par
un arc-en-ciel : celui-ci contient toutes les couleurs. Il est
continu.


%\subsection{Dépendance en température d'un spectre thermique}

Plus la température d'un corps augmente, plus l'intensité totale des
radiations émises par le corps augmente et plus le maximum d'émission
se déplace vers les courtes longueurs d'onde.  

\begin{Exemple}
à la température ambiante, les corps chauds (le livre que vous avez
  entre les mains peut être considéré comme un corps chaud) émettent
  un rayonnement continu à des longueurs d'onde qui ne correspondent
  pas à la lumière visible (on peut en revanche observer ce
  rayonnement avec des caméras infrarouges).
\end{Exemple}

\newpage

  Un morceau de fer porté à une température supérieure à
  $500^\circ$C émet un spectre continu contenant des radiations
  visibles de grande longueur d'onde. Il apparaît rougeoyant (on dit
  qu'il est porté au rouge). C'est essentiellement la température du
  corps chaud qui détermine les propriétés de ce rayonnement, et très
  peu ses autres propriétés physiques. Ainsi, les morceaux de bois (un
  matériau qui n'a rien à voir avec le fer) portés à haute température
  dans une cheminée sont également rougeoyants (les braises).

  À plus haute température encore, le spectre des radiations émises
  par un corps chaud s'enrichit de radiations de plus courtes longueur
  d'onde. Toutes les radiations du domaine visible sont alors
  représentées et il apparaît blanc. C'est le cas par exemple d'un
  filament de tungstène, porté à une température d'environ
  $\numprint{3500}\;^\circ$C dans une ampoule à incandescence.

Nous avons représenté sur la figure ci-dessous les spectres de trois
corps chauds à trois températures différentes.

\Par\Par

\begin{center}
\includegraphics{103_05c_corpsnoir01}
\figcaption{Spectres de corps chauds.}
\end{center}

\begin{Exemple}
les deux étoiles les plus brillantes de la constellation
d'Orion  sont Rigel (étoile bleue) et   Bételgeuse (étoile rouge).  Le
spectre  de Rigel est  plus  riche en  courtes longueurs d'ondes  donc
Rigel est une étoile  plus chaude que Bételgeuse.
\end{Exemple}

\begin{aretenir}
  Plus la température d'une étoile est élevée, plus la couleur perçue
  correspond à des petites longueurs d'onde.
\end{aretenir}

\section{Spectres de raies d'émission}

Les considérations de spectre thermique de la section précédente sont
valables pour des corps \emph{opaques} à toutes les longueurs d'onde.
Une gaz dilué, à basse pression, est en général transparent. Si on le
chauffe il n'émet que quelques couleurs seulement. Son spectre est
donc uniquement constitué de \index{raie}raies brillantes ou raies d'émission.  Il
est également possible de faire en sorte qu'un gaz dilué émette un
spectre d'émission en l'excitant par une décharge électrique.

Les longueurs d'ondes des radiations émises sont caractéristiques des
espèces chimiques présentes. 
\begin{center}
\includegraphics{104_05c_spectremi01}
\figcaption{Exemple de spectre d'émission.}
\end{center}
\begin{Exemple}
  le spectre des lampadaires \og oranges \fg est un
  \index{spectre!d'émission}spectre d'émission. Ces lampes contiennent
  de la vapeur de sodium chauffée, qui donne un spectre de raies
  d'émission dont la longueur d'onde est caractéristique du
  sodium. D'autres lampadaires utilisent des lampes à vapeur de
  mercure, qui elles aussi ont un spectre de raies d'émission.
\end{Exemple}
\begin{aretenir}
  Un spectre de raies nous renseigne sur la composition chimique du
  système qui l'émet: les longueurs d'onde des raies sont
  caractéristiques des espèces qui les émettent.
\end{aretenir}
Ceci est particulièrement important en Astrophysique, où la seule
manière d'analyser un corps est d'étudier la lumière qu'on en reçoit.
\begin{Remarque}
notons que la \index{spectroscopie}spectroscopie ne nous renseigne
  pas seulement sur la composition qualitative des astres.  L'étude de
  la forme précise des raies dans le spectre d'une étoile
  nous renseigne sur le profil de température dans son atmosphère,
  l'intensité de la pesanteur à sa surface, la pression des gaz, la
  valeur du champ magnétique s'il y en a, la vitesse à laquelle
  l'étoile s'approche ou s'éloigne de l'observateur, etc. Les
  informations fournies par la spectroscopie sont donc d'une grande
  richesse et d'une extrême importance pour l'Astrophysique.
\end{Remarque}
\enlargethispage*{5em}
\begin{solintro}
\vspace*{-3mm}
  \begin{questions}
    \item On appelle ces spectres des spectres de raies d'émission.
    \item On retrouve dans le spectre du mélange les raies de l'hélium
      et celles du néon. On peut donc identifier ces deux éléments
      dans le mélange.
  \end{questions}
 \vspace*{-3mm}
\end{solintro}
