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![]() Aperçu |
Le mot spectre
revêt en physique plusieurs sens. Employé dans son acception la plus
large, il désigne un ensemble de radiations monochromatiques d'un type
particulier. Ainsi, dans le contexte de l'étude du rayonnement électromagnétique.
On pourra alors parler de spectre électromagnétique pour désigner toute
l'étendue de la gamme de rayonnements électromagnétiques possibles.
Cet ensemble étant couramment divisé en plusieurs parties ou domaines.
Ces domaines vont du rayonnement gamma, défini
par des énergies et des fréquences très élevées (soit par des longueurs
d'ondes très courtes), au rayonnement radio,
qui correspond à des énergies transportées par chacun de ses photons
très faibles. La lumière visible, encadrée par le rayonnement ultraviolet
(UV) et l'infrarouge (IR) correspondant pour
sa part à un domaine intermédiaire du spectre.
![]() Le mot spectre sert plus spécialement à désigner la distribution d'une caractéristique telle que l'intensité d'un rayonnement (ou d'une onde quelconque), en fonction de son énergie (ou d'une grandeur qui en dépend comme la fréquence ou la longueur d'onde). On désigne ainsi sous le nom de spectre lumineux la répartition de l'intensité d'une lumière en fonction de la longueur d'onde (ou de la fréquence) des rayonnements qu'elle contient. D'un point de vue plus concret, cela revient à définir un spectre comme l'apparence de la lumière émise par un corps lorsqu'elle est dispersée par un prisme (ou un réseau de diffraction). On reconnaîtra alors trois familles principales de spectres : les spectres continus, où les différentes couleurs observées forment un continuum; les spectres de raies, qui sont eux-mêmes de deux sortes : les spectres en absorption, où certaines radiations (signalées dans le dispositif expérimental par des raies sombres) sont absentes ou très atténuées, et les spectres en émission où, au contraire, certaines radiations (signalées dans le dispositif expérimental par des raies brillantes) sont plus intenses. L'explication des particularités des spectres se trouve dans le caractère quantique des atomes, et plus spécialement de leur enveloppe électronique.
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![]() Mise en ordre |
Les
spectres continus
Les corps solides
et les gaz très comprimés portés à haute température
(par exemple, un fer chauffé au rouge, ou les parties profondes de la
photosphère des étoiles)
sont à l'origine d'un rayonnement continu, que l'on appelle rayonnement
thermique ou rayonnement de corps noir. Ces
caractéristiques sont indépendantes de la composition chimique de la
source, et sont seulement fonction de sa température, autrement dit des
énergies impliquées. Plus un corps lumineux est chaud, et plus son spectre
continu contient de rayonnements bleus (côté le plus énergétique du
spectre), moins il est chaud, et plus sa couleur se rapprochera du rouge.
C'est ainsi que l'on peut avoir une idée de la température superficielle
des étoiles au simple constat de leur couleur. Ajoutons que le rayonnement
cosmologique*, diffusé quelque centaines de milliers d'années après
le big bang, a également un spectre de corps
noir. Son maximum de rayonnement se situe à l'heure actuelle dans le domaine
micro-ondes, ce qui correspond à une température de 3K.
![]() Outre celui du rayonnement de corps
noir, les spectres continus sont caractéristiques de plusieurs sortes
de types de rayonnements. On citera le rayonnement synchrotron
et le rayonnement Cerenkov, le rayonnement Compton
et Compton inverse, et le rayonnement free-free.
Chacun des spectres correspondant possède un profil différent, ce qui
permet en général de l'identifier.
Les spectres de raies Lorsqu'on disperse un rayonnement lumineux pour former un spectre, on constate dans de nombreux cas (notamment lorsqu'il s'agit de rayonnements astronomiques) que des radiations, correspondant à certaines longueurs d'ondes ou fréquences sont plus faible, voire absentes, et que d'autres en revanche sont très intenses. Cela se traduit sur le spectre sous forme de raies sombres (raies en absorption) ou brillantes (raies en émission) respectivement. Les conditions de température et de pression,
ainsi que la présence ou non de champs magnétiques et électriques influent
sur les caractéristiques d'un tel spectre. Certaines raies peuvent être
plus ou moins larges, plus ou moins floues, elles sont parfois dédoublées.
Mais ce qui le paramètre fondamental est la composition chimique du gaz
impliqué. La succession de ces raies forment des ensembles ou systèmes
qui sont d'abord caractéristiques des éléments
chimiques responsables de l'émission (ou de l'absorption) des radiations
concernées. Et c'est donc seulement secondairement que l'intensité de
ces raies, leur largeur, etc., informent sur les conditions physiques qui
dans lesquelles se trouvent ces éléments.
![]() Les spectre en
absorption.
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![]() Rouages |
L'origine
des raies
Les raies présentes dans les spectres s'expliquent par le caractère discontinu des phénomènes physiques lorsqu'on les considère à l'échelle microscopique, et plus spécialement à l'échelle des atomes et des molécules. C'est le domaine de la mécanique quantique, fondée sur la notion de quantum. Un quantum correspond à la plus petite valeur que peut prendre grandeur mesurée. Toutes les autres valeurs sont des multiples de ce quantum élémentaire. Par exemple, un quantum d'énergie ne peut prendre que des valeurs qui sont des multiples entiers de E = hn, où h est un terme constant (constante de Planck) et n la fréquence de l'onde qui transporte cette énergie. Il s'ensuit entre autres choses de ces principes quantiques que les atomes ne peuvent stocker ou libérer de l'énergie que sous forme discontinue. Chaque atome possède ainsi, suivant la disposition des électrons qu'il possède, une gamme d'énergie qui lui sont attribuables : ce sont ses niveaux d'énergie. Chaque niveau exprimant un état d'énergie. L'état de plus basse énergie que peut avoir l'enveloppe électronique d'un atome prend le nom d'état fondamental. Lorsqu'un électron absorbe un photon, l'énergie globale de l'atome augmente, la configuration électronique change et l'atome se trouve alors dans un état dit excité. Si l'énergie absorbée est plus importante, l'électron peut même quitter l'atome, ce qui correspond au phénomène d'ionisation. Cependant, les atomes tendent spontanément à revenir à leur état de plus faible énergie (l'état fondamental), soit en se débarrassant de l'énergie emmagasinée, par sa désexcitation (phénomène de fluorescence), soit, s'il y a eu ionisation, en récupérant l'électron qui s'est échappé (recombinaison). L'excitation, l'ionisation ou le retour
à l'état fondamental ne s'effectuent pas par des chemins uniques. Les
configurations énergétiques de l'atome peuvent correspondre transitoirement
à des niveaux d'énergie intermédiaires. Cela conduit à l'existence
à un nombre considérable (et même en théorie infini) de transitions
possibles entre les différents états. Ce sont ces transitions, qui correspondent
selon les cas à des absorptions ou à des émissions, qui expliquent l'existence
des raies spectrales.
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