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Sommaire de la Partie I

 

B) Spectroscopie

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1) Définition:

La spectroscopie est l'étude des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou diffusés par la matière. L'analyse des rayonnements en leurs différentes fréquences s'effectue à l'aide de spectrographes ou de spectromètres: elle permet d'obtenir leurs spectres électromagnétiques.

2) Principe:

· Info préalable:
Lorsqu'un atome est chauffé où qu'il subit une décharge électrique, un de ses électrons de sa couche périphérique (ou plus rarement des couches internes) passe du niveau fondamental à un niveau d'énergie supérieur appelé niveau d'état excité. Ce phénomène s'appelle l'absorption. Lorsque l'électron redescend, il réémet de l'énergie sous forme lumineuse (photon) : c'est l'émission.
· Spectre:
Un spectre constitue l'ensemble des raies résultant de la décomposition d'une lumière complexe et, plus généralement, il montre également la répartition de l'intensité d'une onde électromagnétique en fonction de la fréquence de l'énergie.

Voici le spectre électromagnétique de la lumière :

cliquer sur l'image pour l'avoir en taille normale

Il existe deux types de spectres:

· Spectre d'absorption:
Les spectres d'absorption sont obtenus en intercalant l'élément absorbant avant le système dispersif du spectroscope, muni d'une source de lumière blanche. On observe alors un spectre continu strié de fines raies noires.

· Spectre d'émission:
On utilise les spectres atomiques d'émission pour caractériser un élément chimique. Ils se composent de fines raies colorées qui correspondent à des rayonnements monochromatiques particuliers. On les obtient à l'aide de spectroscopes à prisme ou à réseau.

Spectre d'émission du Soleil:

La résolution de l'ordinateur n'a malheureusement pas permis la conservation des raies d'absorptions sur le spectre, que l'on aurait dû observer et qui auraient principalement été caractéristiques de la présence d'hydrogène. On voit cependant que le soleil émet dans toutes les longueurs d'onde.

Ces différentes études de spectres se font à l'aide de spectroscopes, faisons un rapide résumé de son fonctionnement à l'aide d'un schéma annoté (source: http://www.astrosurf.com/spectrohelio/spectro.htm)
Un spectroscope est essentiellement composé de:
- un collecteur de lumière (O1) fournissant une image réelle (S) de l'objet à étudier, en l'occurrence le Soleil
- une fente d'entrée (Fe) destinée à sélectionner une portion quasi-linéaire de l'image
- une optique collimatrice (O2) permettant de rendre parallèle le faisceau issu de la fente d'entrée
- un disperseur (R)
- un objectif de chambre (O3) dont le but est de former l'image réelle du faisceau dispersé ( le spectre )
- un système d'observation ( spectroscopie ) ou d'enregistrement ( spectrographie ) placé au foyer de l'objectif de chambre.

· Applications de la spectroscopie:

La spectroscopie a beaucoup d'applications différentes, en ce qui nous concerne, elle nous permet de trouver des informations importantes sur les étoiles.

Analyse chimique:

À chaque élément chimique correspond un spectre caractéristique, même si des éléments différents peuvent donner naissance à des raies qui sont très proches. La raie Fraunhofer C par exemple, de longueur d'onde 430,8 nm peut avoir ainsi deux origines : elle peut correspondre à une raie du calcium de longueur d'onde 430,7749 nm ou à une raie du fer de longueur d'onde 430,7914 nm. Avec un spectroscope ordinaire, la distinction entre ces deux longueurs d'onde serait difficile. Les autres raies du calcium, cependant, sont très différentes de celles du fer, si bien qu'en comparant l'intégralité des deux spectres aucune confusion n'est possible. C'est pourquoi on utilise couramment la spectroscopie en analyse chimique pour déterminer la présence ou l'absence d'un élément chimique particulier. La spectroscopie permet ainsi de déterminer exactement les différents atomes qui constituent les différentes étoiles.