Raie spectrale

Une raie spectrale est une ligne sombre ou lumineuse dans un spectre électromagnétique autrement uniforme et continu. Les raies spectrales sont le résultat de l'interaction entre un dispositif quantique et le rayonnement électromagnétique.

Catégories :

Astrophysique - Spectroscopie - Physique quantique

Source image : dbloud.free.fr
Cette image est un résultat de recherche de Google Image. Elle est peut-être réduite par rapport à l'originale et/ou protégée par des droits d'auteur.

Page(s) en rapport avec ce sujet :

Un gaz (Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme un ensemble d'atomes... Exemples de raies spectrales. Hydrogène : 656, 3 nm (456791 THz) et 486, 1 nm... (source : techno-science)

Raies spectrales d'émission du césium

Une raie spectrale est une ligne sombre ou lumineuse dans un spectre électromagnétique autrement uniforme et continu. Les raies spectrales sont le résultat de l'interaction entre un dispositif quantique (généralement des atomes, mais quelquefois aussi des molécules ou des noyaux atomiques) et le rayonnement électromagnétique.

Le principe

Dans un dispositif quantique, l'énergie ne peut pas prendre des valeurs arbitraires : seuls certains niveaux énergétiques bien précis sont envisageables : on dit que l'énergie du dispositif est quantifiée. Les changements d'état correspondront par conséquent eux aussi à des valeurs bien précises d'énergie correspondant à la différence d'énergie entre le niveau final et le niveau d'origine.

Si l'énergie du dispositif diminue d'une quantité ΔE, un quantum de rayonnement électromagnétique, nommé photon, sera émis à la fréquence ν donnée par la relation de Planck-Einstein : ΔE = hν où h est la constante de Planck. Inversement, si le dispositif absorbe un photon de fréquence ν, son énergie augmentera d'une quantité hν. Comme l'énergie du dispositif est quantifiée, il en sera de même de la fréquence des photons émis ou absorbés par le dispositif. Ceci explique que le spectre d'un dispositif quantique est constitué d'un ensemble de raies discrètes plutôt que d'un spectre continu où l'ensemble des fréquences sont présentes en quantité variable.

Un gaz chaud se refroidira en émettant des photons ; le spectre observé sera par conséquent constitué d'un ensemble de raies lumineuses sur un fond sombre. On parle alors de raies d'émission (exemple ci-contre). Inversement, si le gaz est froid mais éclairé par une source continue, le gaz absorbera des photons et le spectre sera constitué par un ensemble de raies sombres sur un fond lumineux : on parle alors de raies d'absorption.

Les raies d'absorption et d'émission sont fortement spécifiques à chaque substance, et peuvent être employées pour identifier aisément la composition chimique de n'importe quel milieu capable de laisser passer la lumière (généralement, il s'agira de gaz). Elles dépendent aussi des conditions physiques du gaz, ainsi elles sont beaucoup répandues pour déterminer la composition chimique des étoiles et d'autres corps célestes qui ne peuvent pas être analysés par d'autres moyens, autant que leurs états physiques.

D'autres mécanismes que l'interaction atome-photon peuvent produire des raies spectrales. Selon l'interaction physique exacte (avec des molécules, des particules simples, etc. ) la fréquence des photons impliqués changera énormément, et on peut observer des raies dans tout le spectre électromagnétique : des ondes radio aux rayons gamma.

En pratique, les raies n'ont pas une fréquence idéalement déterminée mais s'étalent sur une bande de fréquence. Les raisons de cet élargissement sont multiples :

élargissement naturel : le principe d'incertitude relie la durée de vie ΔT d'un état excité et la précision de son niveau énergétique ΔE, ainsi le même niveau excité aura des énergies un peu différentes dans différents atomes. Cet effet est assez faible (typiquement quelques MHz). À peu près 100 MHz pour les fréquences optiques.
élargissement Doppler : l'effet Doppler provoque un décalage vers le rouge ou vers le bleu du rayonnement selon que la source s'éloigne ou se rapproche de l'observateur. Dans un gaz, l'ensemble des particules sont en mouvement dans l'ensemble des directions, ce qui provoque un élargissement des raies spectrales. Comme la vitesse des particules dépend de leur température : plus la température du gaz est élevée, plus les différences de vitesse sont grandes, et plus les raies sont larges. Cet effet est typiquement 100 fois plus intense que l'élargissement naturel (quelquefois à peu près 1 GHz).
élargissement collisionnel : la collision entre particules (atomes ou molécules) modifie un peu leurs niveaux énergétiques, d'où l'élargissement des raies. La grandeur de cet effet dépend de la densité du gaz.

Exemples de raies spectrales

Hydrogène : 656, 3 nm (456, 791 THz) et 486, 1 nm (616, 730 THz).
Oxygène ionisé : 500, 7 nm (598, 746 THz).
Mercure : 404, 7 nm (740, 777 THz) ; 435, 8 nm (687, 912 THz) ; 546, 1 nm (548, 969 THz) ; 577 nm (519, 570 THz) et 579, 1 nm (517, 586 THz).
Sodium : 589 nm (508, 985 THz) et 589, 6 nm (508, 467 THz).

Les lampes à décharges produisent les raies d'émission du gaz utilisé.

Voir aussi

Recherche sur Amazone (livres) :

Ce texte est issu de l'encyclopédie Wikipedia. Vous pouvez consulter sa version originale dans cette encyclopédie à l'adresse http://fr.wikipedia.org/wiki/Raie_spectrale.
Voir la liste des contributeurs.
La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 13/04/2009.
Ce texte est disponible sous les termes de la licence de documentation libre GNU (GFDL).
La liste des définitions proposées en tête de page est une sélection parmi les résultats obtenus à l'aide de la commande "define:" de Google.
Cette page fait partie du projet Wikibis.