Fiche explicative de la leçon: Spectres d’émission et d’absorption Physique • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment déterminer la composition d’un matériau à partir des caractéristiques du spectre de lumière émise par celui-ci.

La lumière est un spectre. Pour la lumière visible, sa couleur dépend de sa longueur d’onde, , comme indiqué sur le schéma ci-dessous.

Ce spectre peut se produire lorsque de la lumière blanche pure, constituée de toutes les longueurs d’ondes visibles, brille à travers un prisme. La lumière du soleil est assez semblable à la lumière blanche et créera un spectre comme celui-ci. Un tel spectre ininterrompu est appelé un spectre continu. Un spectre ininterrompu traversant un prisme est représenté sur le schéma ci-dessous.

Toutes les sources lumineuses n’émettent pas de la lumière blanche pure. Par exemple, les ampoules à halogènes émettent beaucoup plus de lumière rouge et jaune que de lumière d’autres longueurs d’onde et semblent donc émettre des lueurs de couleurs plus chaudes que la lumière du soleil. Les longueurs d’onde de la lumière émise par ces ampoules sont un spectre continu, même s’il s’agit principalement de lumière rouge et orange. Ce spectre est représenté sur le graphique ci-dessous.

L’axe des de ce graphique est la quantité de lumière émise, l’intensité, et l’axe des est la longueur d’onde de la lumière, correspondant à la couleur.

Les ampoules à halogènes émettent de la lumière en raison du rayonnement des corps noirs. Le rayonnement des corps noirs se produit lorsqu’un objet a une température, ce qui le fait émettre de la lumière. Le rayonnement des corps noirs est un spectre continu, ce qui signifie qu’il peut varier en intensité dans certaines régions, mais il émet toujours à toutes les longueurs d’onde.

Les gaz chauds purs peuvent également émettre de la lumière, comme ceux que l’on trouve dans les tubes au néon. À la différence des corps noirs, la lumière dans ces tubes n’est pas un spectre continu. Ces gaz n’émettent que des longueurs d’onde très spécifiques de la lumière, comme le montre la figure ci-dessous.

Ce gaz chaud libère des photons, aucune source de lumière extérieure n’est présente. La raison pour laquelle il émet des photons de longueurs d’onde spécifiques est que les photons ne peuvent avoir qu’une énergie spécifique. Rappelons l’équation pour exprimer l’énergie d’un photon, , où est la constante de Planck, est la vitesse de la lumière, et est la longueur d’onde de la lumière.

Cette énergie est liée à la différence des niveaux d’énergie des électrons. Quand un électron transite vers un niveau inférieur, il émet un photon avec une énergie presque égale à la différence d’énergie des niveaux d’énergie des électrons. Un électron qui passe du deuxième niveau d’énergie à l’état fondamental, et le photon émis correspondant, sont représentés sur le schéma ci-dessous.

Si l’énergie de l’état fondamental est et le deuxième niveau d’énergie est , alors nous pouvons relier la différence des niveaux d’énergie des électrons avec l’énergie du photon émis avec les équations suivantes : 

Le gaz chaud crée mieux les spectres d’émission. Une température plus élevée signifie un niveau général d’énergie plus élevé, ce qui signifie que moins d’électrons seront à l’état fondamental. Des gaz plus chauds émettent plus facilement des photons.

Étant donné que chaque élément a ses propres niveaux d’énergie électroniques, cela signifie que chaque élément a ses propres spectres d’émission, comme le montrent les schémas ci-dessous.

Certaines raies entre les éléments peuvent être très proches les unes des autres, comme dans la région de lumière violette pour l’hydrogène et l’hélium. C’est pourquoi il est important de regarder l’ensemble du spectre afin de vérifier leur unicité. La comparaison des spectres d’émission d’éléments connus peut servir à identifier des gaz inconnus.

Regardons un exemple.

Exemple 1: Identifier un gaz inconnu à l’aide des spectres d’émission

Un scientifique a un échantillon d’un gaz inconnu. Pour identifier le gaz, il regarde le spectre de la lumière visible émise par celui-ci lorsqu’il est chauffé. Ceci est illustré sur le schéma. Les spectres d’émission de cinq éléments gazeux purs sont également illustrés sur le schéma. Auquel des cinq éléments suivants le gaz inconnu appartient-il ? 

1. le xénon
2. l’argon
3. l’oxygène
4. l’hélium
5. le néon

Réponse

Commençons par regarder où il n’y a définitivement pas de raie d’émission dans les autres gaz. Ce gaz inconnu n’a aucune raie d’émission à environ 440 nm ou au-dessous, donc il ne peut pas s’agir d’hélium, d’oxygène ou d’argon.

Certaines raies correspondent au xénon, mais la comparaison des raies au néon montre qu’elles correspondent complètement. Le gaz inconnu est donc le néon, qui est le choix E.

Les spectres d’émissions ne sont pas les seuls types de spectres utiles pour identifier les gaz. Il y a aussi les spectres d’absorption, qui sont l’opposé des spectres d’émission. Au lieu de montrer les photons émis par les électrons d’un gaz, il montre où ils sont absorbés.

Les raies noires sur les spectres d’absorption indiquent les régions où il n’y a pas de lumière de cette longueur d’onde spécifique. Les spectres d’absorption sont produits lorsque la lumière passe à travers un gaz en passant par un prisme, comme sur la figure ci-dessous.

La raison pour laquelle certaines parties très spécifiques sont manquantes est parce que le gaz absorbe réellement la lumière de ces longueurs d’onde, l’empêchant d’apparaître sur le spectre. Le gaz n’absorbe pas les autres longueurs d’onde de la lumière qui le traversent.

Ce gaz n’absorbe que certaines longueurs d’onde de la lumière, c’est-à-dire des photons d’énergies spécifiques. Rappelons que l’équation pour exprimer l’énergie d’un photon est

Cette énergie des photons est liée à la différence des niveaux d’énergie des électrons. Pour qu’un électron transite vers le haut, il doit absorber un photon d’énergie presque égale à la différence des niveaux d’énergie. Un électron passant de l’état fondamental au troisième niveau d’énergie, et le photon qu’il a absorbé pour le faire, sont illustrés sur le schéma ci-dessous.

Si l’énergie de l’état fondamental est , et l’énergie du 3ème niveau d’énergie est , alors nous pouvons rapporter la différence entre les niveaux d’énergie des électrons et l’énergie du photon émis comme suit : 

Tout comme les électrons émettent des photons d’énergies spécifiques pour transiter vers le bas, les transitions de niveau d’énergie d’électrons exigent aussi des photons d’énergies spécifiques pour transiter vers le haut.

Le gaz refroidi crée mieux les spectres d’absorption. Une température plus basse et donc une énergie générale plus basse signifie que plus d’électrons sont à l’état fondamental. Cela signifie que le gaz a plus de chances d’absorber la lumière que si certains électrons étaient déjà à un niveau d’énergie plus élevé.

Chaque élément a ses propres spectres d’absorption, tout comme il a des spectres d’émission uniques. Cela signifie qu nous pouvons nous en servir pour identifier des gaz inconnus. Quelques exemples de spectres de gaz purs sont donnés dans les schémas ci-dessous.

Regardons un exemple.

Exemple 2: Identifier un gaz inconnu à l’aide de spectres d’absorption

Une scientifique a un échantillon d’un gaz inconnu. Afin de l’identifier, elle fait briller un spectre continu de lumière blanche à travers le gaz et observe les longueurs d’onde de la lumière qui sont absorbées par celui-ci. Cela est illustré sur le schéma, ainsi que les spectres d’absorption de cinq éléments gazeux purs. Auquel des cinq éléments suivants le gaz inconnu appartient-il ? 

1. l’oxygène
2. l’argon
3. le xénon
4. l’hélium
5. le néon

Réponse

Nous observons ici plusieurs spectres d’absorption, et nous souhaitons trouver celui qui correspond le mieux au gaz inconnu.

Il ne peut pas s’agir de l’hélium, car le gaz inconnu n’a pas de raies d’absorption dans la région de la lumière violette ( ). Pour la même raison, il ne s’agit ni de l’oxygène ni de l’argon, car ils ont des raies d’absorption à ce même niveau.

Nos choix sont le néon et le xénon. Le néon semble d’abord correspondre à certaines lignes, en particulier dans les régions de lumière bleue et rouge, mais pas à toutes. Le xénon en revanche correspond parfaitement ; ses raies sont les mêmes.

La réponse est donc le choix C, le xénon.

Lorsqu’un électron absorbe l’énergie d’un photon, et devient ainsi excité, il ne peut pas rester dans ce niveau d’énergie longtemps. Les électrons excités finissent par passer à des niveaux d’énergie inférieurs, libérant la différence d’énergie entre les niveaux d’énergie sous forme de photon.

Certaines raies d’absorption sont plus larges que d’autres. Plus un électron est maintenu longtemps à un niveau d’énergie plus élevé, plus la raie d’absorption produite est étroite.

Cela signifie que des raies plus larges indiquent une région où les transitions d’électrons mettent peu de temps à se produire. Inversement, des raies plus minces indiquent des régions où les transitions d’électrons mettent plus de temps à se produire.

Regardons un exemple.

Exemple 3: Déterminer la largeur de la raie d’absorption pour le xénon

La figure montre le spectre d’absorption du xénon entre 400 nm et 420 nm. Laquelle des raies d’absorption indiquées sur le graphique a la plus grande largeur ? 

1. la raie A
2. la raie B
3. la raie C
4. la raie D
5. la raie E
6. la raie F

Réponse

Les différentes largeurs de raie indiquent ici combien de temps un électron reste dans un niveau d’énergie plus élevé avant de transiter vers le bas, où des raies plus minces indiquent que cela prend plus de temps. En observant ces raies, on voit laquelle est la plus large sans avoir à mesurer ; c’est la raie E.

Les électrons associés à la raie E qui absorbent les photons passent donc le moins de temps à des niveaux d’énergie plus élevés.

La réponse correcte est le choix E, qui correspond à la raie E.

L’utilisation de spectres d’émission et d’absorption est utile pour identifier des gaz inconnus, mais les gaz inconnus sont rarement composés d’un seul élément. Quand on regarde un mélange de gaz, les raies du spectre pour tous les constituants du gaz apparaissent, comme le montre le schéma ci-dessous.

Le schéma ci-dessus montre les spectres d’émission individuels de l’oxygène et de l’hélium, et leur combinaison au centre. Le mélange contient toutes les raies d’émission de l’oxygène et de l’hélium.

De même, les raies d’absorption d’un spectre d’absorption seront toutes présentes dans un mélange gazeux, comme indiqué sur le schéma ci-dessous.

Regardons quelques exemples.

Exemple 4: Déterminer des composants gazeux à l’aide de spectres d’absorption

Un astronome regarde le spectre de la lumière d’une étoile lointaine. Entre la Terre et l’étoile se trouve un grand nuage de poussière et de gaz. L’étoile émet une lumière blanche à spectre continu, mais une partie de la lumière est absorbée par le nuage. Le schéma illustre le spectre de la lumière que l’astronome observe ainsi que les spectres d’absorption de plusieurs éléments purs. Lesquels des cinq éléments ci-dessous le nuage interstellaire contient-il ? 

1. de l’hydrogène et de l’hélium
2. de l’hydrogène et de l’oxygène
3. de l’oxygène et de l’azote
4. de l’oxygène et du carbone
5. de l’hydrogène, de l’hélium et de l’azote

Réponse

Le spectre observé est composé de plusieurs gaz différents. Pour savoir lesquels, nous devons examiner les raies d’absorption et les faire correspondre au plus près aux gaz disponibles.

Nous devrions commencer par regarder dans quelles régions générales le spectre du nuage interstellaire ne contient aucune raie d’absorption. Il a un grand écart entre 520 et 580 nm sans raies, donc tous les gaz qui ont des raies à ce niveau ne sont pas dans le nuage. Cela élimine le carbone, l’azote et l’oxygène comme constituants possibles du gaz.

Cela laisse de l’hydrogène et de l’hélium. Les droites d’absorption correspondent exactement à celles de l’hydrogène et de l’hélium. En particulier, le nuage interstellaire contient la seule raie d’absorption autour de 585 nm tout comme l’hélium, qui n’est partagé que par l’azote (que nous avons déjà éliminé).

La réponse est le choix A, de l’hydrogène et de l’hélium.

Regardons maintenant un exemple en utilisant les spectres d’émission.

Exemple 5: Déterminer des composants d’un gaz à l’aide de spectres d’émission

Une scientifique a une bouteille de gaz qui contient un mélange de gaz inconnus. Afin d’identifier les gaz présents dans le mélange, elle regarde le spectre de la lumière visible émise lorsqu’il est réchauffé. Ceci est illustré sur le schéma. Les spectres d’émission de plusieurs éléments gazeux purs sont également illustrés sur le schéma. Lequel des cinq éléments le mélange contient-il ? 

1. de l’hydrogène, de l’hélium et de l’azote
2. de l’hydrogène et de l’argon
3. de l’hélium, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote et de l’argon
4. de l’oxygène, de l’hélium et de l’hydrogène
5. de l’hélium, de l’oxygène, de l’azote et de l’argon

Réponse

Ce mélange gazeux a beaucoup de raies d’émission, mais nous avons seulement besoin de trouver une différence pour exclure qu’un gaz particulier n’en fasse partie. Nous ne pouvons pas commencer par observer où le mélange gazeux inconnu n’a pas de raies d’émission, car il recouvre à peu près tout le spectre. Alors comparons chaque gaz un par un.

Les raies de l’hydrogène dans la région de la lumière violette semblent correspondre, mais les lignes autour de 485 nm et 655 nm ne correspondent à peine pas. Ce gaz ne contient probablement pas d’hydrogène.

Pour l’hélium, nous voyons que certaines des lignes vertes autour de 500 nm correspondent exactement et ne sont présents dans aucun autre gaz, il contient donc certainement de l’hélium.

Toutes les raies de l’oxygène semblent être présentes dans le mélange gazeux, donc il contient de l’oxygène.

Les raies d’émission plus épaisses du mélange gazeux dans la région de la lumière rouge, autour de 650 nm , correspondent aux raies épaisses de l’azote dans la même région. Le gaz contient de l’azote.

Enfin, nous avons l’argon, qui complète les dernières raies autour des régions de lumière violette, jaune et rouge. La plus grande partie du spectre d’émissions semble provenir de cela, alors le gaz contient de l’argon.

La réponse est tous les gaz à l’exception de l’hydrogène. Cela signifie que la réponse correcte est le choix E, l’hélium, l’oxygène, l’azote et l’argon.

Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.