spectre.
Publié le 08/12/2021
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spectre. n.m. PHYSIQUE : tableau donnant, sous une forme graphique adaptée, l'ensemble
des valeurs que prend une grandeur physique en fonction d'une variable dont elle dépend, le
plus souvent une énergie ou une fréquence. Un spectre est dit continu si la grandeur étudiée
varie continûment ; il est dit de raies si elle ne prend une valeur non nulle que pour certaines
valeurs discrètes (non continues) de la variable. L'intérêt des spectres réside dans leur
spécificité, qui permet de les utiliser pour identifier le phénomène dont ils sont la signature.
Parmi l'immense variété de phénomènes donnant naissance à des spectres,
l'émission/absorption de rayonnement électromagnétique par la matière joue un rôle
privilégié.
Observation des spectres.
On caractérise un rayonnement électromagnétique par sa fréquence $, sa longueur d'onde
^, son nombre d'onde n ou son énergie E. Ces différentes grandeurs se ramènent les unes
aux autres par les relations
et E = h$, h = 6,625.10
-34
J.s étant la
constante de Planck et c = 299 792 458 m.s -1 la vitesse de la lumière dans le vide.
L'observation d'un spectre se fait à l'aide d'un spectrographe ou d'un spectroscope,
instrument permettant d'enregistrer ou d'observer la répartition de l'énergie
électromagnétique en fonction de l'une quelconque des variables précédentes (la tradition
des différentes disciplines fait qu'on utilise préférentiellement la fréquence en Hz, kHz, MHz
ou GHz pour le domaine hertzien, le nombre d'onde en cm-1 pour le domaine infrarouge, la
longueur d'onde en nm ou en Å pour le domaine visible, ultraviolet et X, et l'énergie en MeV
ou GeV pour le rayonnement (). Un spectre se présente sous forme d'un graphe où
l'intensité du signal reçu est reportée en fonction de la fréquence/longueur d'onde/nombre
d'onde/énergie. Il est dit d'émission s'il est formé de raies brillantes sur un fond sombre, et
d'absorption dans le cas contraire.
Origine des raies spectrales.
La mécanique quantique nous a permis de comprendre pourquoi les états possibles d'un
système microscopique (noyau atomique, atome, molécule) étaient des états d'énergie
bien définie, caractéristique du système considéré. Elle nous a également fait comprendre
pourquoi le passage (la transition) d'un état à un autre n'était possible que par échange
d'énergie avec l'extérieur, l'énergie échangée étant strictement égale à l'écart énergétique
entre l'état initial Ei et l'état final Ef . Dans de nombreux cas, cet échange se fait par
émission ou absorption d'un quantum d'énergie électromagnétique, le photon, dont la
fréquence est donnée par la relation d'Einstein :
.
Le mécanisme de production d'un spectre est donc le suivant : le système étudié se trouve
excité par un mécanisme extérieur (échauffement, collision, etc.), ce qui l'amène dans un
état énergétique supérieur à son état fondamental. Cet état est instable et le système
retombe dans l'état de départ avec émission d'un photon. Comme il existe de très
nombreux états excités possibles, et que les transitions de retour peuvent se faire en
plusieurs étapes, les photons émis peuvent avoir différentes fréquences, et le nombre de
photons émis à une fréquence donnée dépend de la probabilité plus ou moins grande de la
transition correspondante. Le spectre observé est donc une image de l'ensemble des états
énergétiques du système observé.
Un spectre d'absorption se produit lorsque le système étudié est interposé entre une
source de rayonnement continu, c'est-à-dire délivrant de l'énergie de façon homogène sur
tout le domaine observé, et le spectrographe. Les photons dont l'énergie est égale aux
transitions possibles du système se trouvent absorbés par celui-ci. Ils sont donc soustraits
au rayonnement continu, ce qui donne naissance à des raies sombres sur le fond continu
de la source. De telles raies d'absorption ont été observées dans le spectre du Soleil,
révélant ainsi la présence d'éléments dans l'atmosphère solaire.
Utilisation des spectres.
L'observation des raies d'un spectre apporte des renseignements non seulement sur les
éléments émetteurs, mais aussi sur les conditions régnant au niveau de la source : la
température de la source se traduit d'une part par le domaine dans lequel les transitions
sont excitées (une transition ne peut être excitée que si son énergie est inférieure ou égale
à l'énergie qu'apporte le rayonnement thermique, elle-même proportionnelle à la
température absolue de la source), d'autre part par l'élargissement des raies par effet
Doppler : en effet, plus la température est élevée, plus la vitesse désordonnée d'agitation
thermique des particules est grande. Ce sont donc des sources en mouvement par rapport
à nous qui émettent, ce qui étale leur fréquence observée (voir Doppler [effet]) autour
de la fréquence émise réellement. Le champ magnétique qui règne au niveau de la source
entraîne certains déplacements ou dédoublements de raies parfaitement mesurables (voir
Zeeman).
Les spectres, dans tous les domaines de fréquence, sont les moyens d'information les
plus performants dont nous disposons pour observer et comprendre l'Univers.
Complétez votre recherche en consultant :
Les corrélats
astres - La classification des étoiles - Le diagramme de Hertzsprung-Russell
atome - Les électrons - Émission de rayonnement et spectroscopie
chromatisme - 1.BIOLOGIE
corps noir
couleur - L'explication du phénomène
couleur - La perception de la couleur
décalage spectral
Doppler (effet)
électromagnétisme
fréquence
image - 2.PHYSIQUE
onde
photon
quanta (théorie des)
radioactivité - Les émissions du rayonnement nucléaire
radioastronomie
radioastronomie - Les mécanismes du rayonnement radio - Raies atomiques et
raies moléculaires
rayonnement - Classification des rayonnements
rayonnement - Le rayonnement thermique - Les corps noirs
Soleil - Le Soleil, tel qu'il est observé - Le spectre solaire
spectroscope
ultraviolet
Zeeman Pieter
Les livres
spectre, page 4864, volume 9
spectre - spectres d'émission et d'absorption dans le visible, page 4864, volume 9
spectre. n.m. PHYSIQUE : tableau donnant, sous une forme graphique adaptée, l'ensemble
des valeurs que prend une grandeur physique en fonction d'une variable dont elle dépend, le
plus souvent une énergie ou une fréquence. Un spectre est dit continu si la grandeur étudiée
varie continûment ; il est dit de raies si elle ne prend une valeur non nulle que pour certaines
valeurs discrètes (non continues) de la variable. L'intérêt des spectres réside dans leur
spécificité, qui permet de les utiliser pour identifier le phénomène dont ils sont la signature.
Parmi l'immense variété de phénomènes donnant naissance à des spectres,
l'émission/absorption de rayonnement électromagnétique par la matière joue un rôle
privilégié.
Observation des spectres.
On caractérise un rayonnement électromagnétique par sa fréquence $, sa longueur d'onde
^, son nombre d'onde n ou son énergie E. Ces différentes grandeurs se ramènent les unes
aux autres par les relations
et E = h$, h = 6,625.10
-34
J.s étant la
constante de Planck et c = 299 792 458 m.s -1 la vitesse de la lumière dans le vide.
L'observation d'un spectre se fait à l'aide d'un spectrographe ou d'un spectroscope,
instrument permettant d'enregistrer ou d'observer la répartition de l'énergie
électromagnétique en fonction de l'une quelconque des variables précédentes (la tradition
des différentes disciplines fait qu'on utilise préférentiellement la fréquence en Hz, kHz, MHz
ou GHz pour le domaine hertzien, le nombre d'onde en cm-1 pour le domaine infrarouge, la
longueur d'onde en nm ou en Å pour le domaine visible, ultraviolet et X, et l'énergie en MeV
ou GeV pour le rayonnement (). Un spectre se présente sous forme d'un graphe où
l'intensité du signal reçu est reportée en fonction de la fréquence/longueur d'onde/nombre
d'onde/énergie. Il est dit d'émission s'il est formé de raies brillantes sur un fond sombre, et
d'absorption dans le cas contraire.
Origine des raies spectrales.
La mécanique quantique nous a permis de comprendre pourquoi les états possibles d'un
système microscopique (noyau atomique, atome, molécule) étaient des états d'énergie
bien définie, caractéristique du système considéré. Elle nous a également fait comprendre
pourquoi le passage (la transition) d'un état à un autre n'était possible que par échange
d'énergie avec l'extérieur, l'énergie échangée étant strictement égale à l'écart énergétique
entre l'état initial Ei et l'état final Ef . Dans de nombreux cas, cet échange se fait par
émission ou absorption d'un quantum d'énergie électromagnétique, le photon, dont la
fréquence est donnée par la relation d'Einstein :
.
Le mécanisme de production d'un spectre est donc le suivant : le système étudié se trouve
excité par un mécanisme extérieur (échauffement, collision, etc.), ce qui l'amène dans un
état énergétique supérieur à son état fondamental. Cet état est instable et le système
retombe dans l'état de départ avec émission d'un photon. Comme il existe de très
nombreux états excités possibles, et que les transitions de retour peuvent se faire en
plusieurs étapes, les photons émis peuvent avoir différentes fréquences, et le nombre de
photons émis à une fréquence donnée dépend de la probabilité plus ou moins grande de la
transition correspondante. Le spectre observé est donc une image de l'ensemble des états
énergétiques du système observé.
Un spectre d'absorption se produit lorsque le système étudié est interposé entre une
source de rayonnement continu, c'est-à-dire délivrant de l'énergie de façon homogène sur
tout le domaine observé, et le spectrographe. Les photons dont l'énergie est égale aux
transitions possibles du système se trouvent absorbés par celui-ci. Ils sont donc soustraits
au rayonnement continu, ce qui donne naissance à des raies sombres sur le fond continu
de la source. De telles raies d'absorption ont été observées dans le spectre du Soleil,
révélant ainsi la présence d'éléments dans l'atmosphère solaire.
Utilisation des spectres.
L'observation des raies d'un spectre apporte des renseignements non seulement sur les
éléments émetteurs, mais aussi sur les conditions régnant au niveau de la source : la
température de la source se traduit d'une part par le domaine dans lequel les transitions
sont excitées (une transition ne peut être excitée que si son énergie est inférieure ou égale
à l'énergie qu'apporte le rayonnement thermique, elle-même proportionnelle à la
température absolue de la source), d'autre part par l'élargissement des raies par effet
Doppler : en effet, plus la température est élevée, plus la vitesse désordonnée d'agitation
thermique des particules est grande. Ce sont donc des sources en mouvement par rapport
à nous qui émettent, ce qui étale leur fréquence observée (voir Doppler [effet]) autour
de la fréquence émise réellement. Le champ magnétique qui règne au niveau de la source
entraîne certains déplacements ou dédoublements de raies parfaitement mesurables (voir
Zeeman).
Les spectres, dans tous les domaines de fréquence, sont les moyens d'information les
plus performants dont nous disposons pour observer et comprendre l'Univers.
Complétez votre recherche en consultant :
Les corrélats
astres - La classification des étoiles - Le diagramme de Hertzsprung-Russell
atome - Les électrons - Émission de rayonnement et spectroscopie
chromatisme - 1.BIOLOGIE
corps noir
couleur - L'explication du phénomène
couleur - La perception de la couleur
décalage spectral
Doppler (effet)
électromagnétisme
fréquence
image - 2.PHYSIQUE
onde
photon
quanta (théorie des)
radioactivité - Les émissions du rayonnement nucléaire
radioastronomie
radioastronomie - Les mécanismes du rayonnement radio - Raies atomiques et
raies moléculaires
rayonnement - Classification des rayonnements
rayonnement - Le rayonnement thermique - Les corps noirs
Soleil - Le Soleil, tel qu'il est observé - Le spectre solaire
spectroscope
ultraviolet
Zeeman Pieter
Les livres
spectre, page 4864, volume 9
spectre - spectres d'émission et d'absorption dans le visible, page 4864, volume 9
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