Obtenir un spectre d'émission

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

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

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.

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.

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.