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Obtenir un spectre d'émission

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Objectifs

Obtenir expérimentalement le spectre d’une source lumineuse et l’interpréter à partir du diagramme de niveaux d’énergie des entités qui la constituent.

Points clés
  • On obtient le spectre d’émission de la lampe à l’aide d’un prisme qui servira à disperser les différentes raies colorées émises par la lampe.
  • La mise sous tension de la lampe à vapeur de mercure fait passer les atomes d’un niveau haut en énergie vers un niveau plus bas en émettant un photon. Ce photon correspond à une radiation lumineuse.
Pour bien comprendre
  • Le photon
  • Énergie d’un photon
  • Spectre de raies d'émission et d’absorption
  • Quantification des niveaux d’énergie des atomes
1. Rappel sur les spectres d'émission

Lorsqu’on soumet les atomes contenus dans une lampe à des décharges électriques, les atomes vont s’exciter en se positionnant dans des niveaux d’énergie supérieurs à l’état fondamental.

Peu de temps après, ils vont revenir sur le niveau le plus bas en perdant de l’énergie, ce qui se matérialise sous la forme de photons émis.


Émission d’un photon
Remarque
Si l’atome permet plusieurs transitions différentes entre 3 états d’énergie ou plus, il y aura plusieurs longueurs d’onde différentes émises qui constitueront le spectre de raies brillantes.
Exemple
Si un atome passe d’un état E3 à un état E1, 3 photons de 3 longueurs différentes sont émis.
Ces longueurs d’onde proviennent de :
  • la transition d’un état d’énergie E2 vers un état d’énergie E1 ;
  • la transition d’un état d’énergie E3 vers un état d’énergie E1 ;
  • la transition d’un état d’énergie E3 vers un état d’énergie E2.
2. L'obtention d'un spectre d'émission
a. Matériel

Le matériel nécessaire à la réalisation de cette expérience est le suivant.

  • Une lampe à vapeur de mercure
  • Un prisme
  • Un écran
  • Une fente
  • Une lentille convergente
  • Un banc d’optique
b. Montage expérimental

Le protocole pour obtenir le spectre d’émission est le suivant.

  1. Mettre sous tension la lampe.
    Brancher la lampe à vapeur de mercure au secteur.
  2. Focaliser les rayons.
    On place ensuite sur le banc d’optique une fente suivie d’une lentille convergente pour focaliser les rayons émis par la lampe.
  3. Réaliser la dispersion du spectre obtenu.
    On positionne sur le trajet lumineux le prisme, qui est un élément dispersif. Il va servir à séparer les radiations émises pour obtenir le spectre d’émission de cette lampe.
  4. Récupérer le spectre.
    On place un écran pour récupérer le spectre d’émission de cette lampe.

Le montage de l’expérience est le suivant.


Schéma de l’expérience

Voici le spectre d’émission obtenu.


Spectre d’émission
3. Les interprétations
a. Explications

La lampe à vapeur de mercure est une lampe spectrale constituée d’atomes de mercure sous forme de gaz.

Sa mise sous tension provoque des chocs entre les atomes. Les électrons de ces derniers passent alors sur des états excités.

Rapidement (typiquement 10−8 s), ils vont se désexciter puis émettre des photons qui correspondent aux diverses transitions possibles.

Certaines longueurs d’onde seront alors émises, ce qui constitue un spectre de raies brillantes.

Le spectre d’un atome est ainsi sa carte d’identité, il permet de l’identifier.

b. Conclusion

On observe sur l’écran 4 raies colorées qui se détachent sur un fond sombre : il s’agit bien d’un spectre d’émission.

La lampe à vapeur de mercure est donc une lampe polychromatique.

Remarque
Ces raies colorées constituent la partie visible des raies émises par les atomes de mercure. Il existe d’autres raies lumineuses émises par cette lampe mais qui n’appartiennent pas au domaine du visible.

Chaque raie colorée correspond à une radiation monochromatique et à une transition énergétique d’un niveau haut en énergie vers un niveau plus bas.


Diagramme d’énergie de l’atome de mercure

Par exemple, la transition du niveau E4 vers le niveau E3 correspond à l’émission d’un photon d’énergie |E4 − E3| associée à la longueur d’onde .

Comme l’énergie est en électronvolt (eV), il faut la convertir en Joule en la multipliant par 1,6 × 10−19.

On obtient alors :


λ = 439 nm.

C’est la deuxième raie (violette) du spectre d’émission de la lampe de mercure.

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