Quelques applications de la spectroscopie

Pour cette application à caractère essentiellement expérimental, nous allons utiliser un spectromètre à fibre optique pour analyser la lumière émise par :

- un afficheur 7 segments,

- une lampe témoin sur une multiprise

- un tube fluorescent

- la lumière émise par une espèce ionique passée dans une flamme

Nous mettrons également en évidence la présence de quelques éléments chimiques qui composent la chromosphère du Soleil.

Chacune des activités est décrite dans un des onglets ci-dessous.

Le premier onglet intitulé "Documents" devra être consulté.

Documents

http://ostralo.net/3_animations/swf/spectres.swf Vocabulaire spécifique à la spectroscopie :

- spectre :est-ce un spectre d'émission ou d'absorption ?

- spectre : est-il continu ou discontinu (appelé aussi spectre de raies) ?,

- Est-ce de la lumière visible, infra-rouge, ou ultra-violette ?

- Est-ce de la lumière : monochromatique ou polychromatique ?

 

Spectres atomiques :

 1- Spectres d'émission :

On obtient un spectre d'émission atomique en réalisant des décharges électriques dans un gaz.

Les spectres d'émission atomiques de tous les atomes sont disponibles dans cette animation (site www.ostralo.net) :

 

Pour obtenir le spectre d'émission de l'hydrogène, on sélectionne l'option "Raies de l'atome", puis on sélectionne la case du tableau correspondant à l'élément hydrogène ( symbole H)

 2- Spectres d'absorption :

Des atomes éclairés par de la lumière blanche pourront absorber certaines radiations lumineuses. Cette animation permet de comparer les radiations lumineuses qu'un atome peut émettre et celles qu'il peut absorber :

Comparaison du spectre d'émission (en haut) et du spectre d'absorption (en bas) de l'atome d'hydrogène.

 

Sur cette animation, lorsque l'on allume le générateur du haut, on excite par décharges électriques le gaz contenu dans l'ampoule. Les atomes de ce gaz émettent alors certaines radiations : on obtient un spectre d'émission discontinu (ou spectre de raies).

Lorsque l'on allume le générateur du bas, celui-ci allume une lampe à incandescence qui émet une lumière blanche ayant un spectre continu :

 

Cette lumière blanche traverse ensuite une ampoule contenant un gaz. Les atomes de ce gaz absorbent certaines radiations : on obtient un spectre d'absorption constitué de raies sombres. Les raies sombres marquent l'emplacement des radiations absorbées.

Ci-dessous, les spectres d'émission et d'absorption de l'hydrogène :

 

On constate qu'un atome ne peut pas absorber de radiations différentes de celles qu'il peut émettre.

Remarque : toutes les raies présentes dans le spectre d'émission d'un atome ne se retrouvent pas nécessairement dans le spectre d'absorption de ce même atome

 

Le recyclage des lampes :

Afficheur 7 segments

I- Etude d'un afficheur 7 segments

 

  

 

  Pour afficher des nombres sur les appareils électroniques on utilise souvent des afficheurs sept segments. Un seul de ces afficheurs permet d'afficher un chiffre en allumant ou en éteignant à volonté les segments qui le constituent. Ces segments sont repérés par des lettres de a à g.

1- Quels segments doit-on allumer pour afficher le nombre 5 ?

 

Analyse de la lumière émise par un afficheur 7 segments :

Orienter l'entrée de la fibre optique sur l'un des segments allumés de l'afficheur du GBF à disposition sur la paillasse.

Récupérer avec le logiciel MultiSpectro le spectre obtenu.

2 - En utilisant un vocabulaire approprié, décrire le spectre observé ainsi que la nature de la lumière émise par ce segment.

3- Le fichier « sources_lumiere.mm » propose différents types de sources de lumière.

Identifier de façon certaine la source de lumière à l'oeuvre dans ce segment

Lampe témoin

II- Etude d'une lampe témoin :

Les multiprises possèdent souvent un interrupteur Marche/Arrêt translucide de couleur rouge et muni d'un indicateur lumineux.

Récupérer le spectre obtenu pour ce témoin lumineux.

1- En utilisant un vocabulaire approprié, décrire le spectre observé ainsi que la nature de la lumière émise par ce témoin.

2- Ce témoin lumineux émet une lumière rouge comme le fait l'afficheur 7 segments. La source de lumière dans ce témoin lumineux est-elle de nature identique à celle de l'afficheur 7 segments ? Justifier.

3- Dans ces interrupteurs lumineux, on profite de la tension élevée du secteur (230V) pour réaliser des décharges électriques dans un gaz. Le fichier « sources_lumiere.mm » propose différents types de sources de lumière à décharge : identifier de façon certaine le gaz utilisé dans ce témoin lumineux.

Tube fluorescent

III- Etude d'un tube fluorescent :

Les tubes fluorescents sont utilisés dans les salles du lycée, car pour la même quantité de lumière émise, ils consomment moins d'électricité qu'une lampe à filament.

Orienter l'entrée de la fibre optique vers l'un de ces tubes fluorescents, et récupérer le spectre obtenu.

1- En utilisant un vocabulaire approprié, décrire le spectre observé ainsi que la nature de la lumière émise par ce tube.

2- Ces tubes sont appelé parfois « tube à néon » : montrer que cette dénomination n'est pas correcte.

3- Quel est l'atome responsable de la lumière émise par ce tube : xénon (Xe), krypton (Kr), mercure (Hg), ou iode (I) ?

4- Pourquoi doit-on rapporter ces tubes au recyclage et non pas les mettre à la poubelle ?

Analyse d'une solution

IV- Analyse d'une solution

Cette activité sera réalisée par le professeur au bureau. Le fichier vous sera transmis.

Un agitateur est plongé dans une solution qui pourrait-être du :

- chlorure de lithium,

- du chlorure de sodium,

- ou du chlorure de potassium.

L'agitateur est aussitôt passé dans la flamme :

- quelle est la couleur de la flamme ?

- On observe avec le spectromètre le spectre d'émission de cette flamme.

Dans quelle solution a été trempé l'agitateur ?

Spectre solaire

V- Analyse de la chromosphère du Soleil :

Cette activité documentaire peut être faite à la maison.

Lire le document ci-dessous à propos de l'absorption de radiations lumineuses par la chromosphère du Soleil.

Retrouver dans le spectre du Soleil les raies d'absorption caractéristiques des éléments chimiques encadrés dans le texte. (On pourra zoomer avec la souris sur une partie du spectre ; on notera les valeurs de quelques longueurs d'onde des radiations identifiées pour chacun de ces éléments chimiques).

Compétences

Exemples

Pour revoir les spectres obtenus au cours de la séance, voici quelques copies d'écran :

I- Spectre de la lumière émise par un segment d'afficheur :

 

 

II- Spectre de la lumière émise par une lampe témoin :

 

 

III- Spectre de la lumière émise par un tube fluorescent :

 

 

 

IV- Spectre de la lumière émise par une solution ionique passée dans une flamme :