QUEL EST LE SPECTRE D'ÉMISSION? (AVEC DES EXEMPLES) - PHYSIQUE - 2025

Le spectre d'émission est le spectre des longueurs d'onde de la lumière émise par les atomes et les molécules lors d'une transition entre deux états d'énergie. La lumière blanche ou la lumière visible frappant un prisme se décompose en différentes couleurs avec des longueurs d'onde spécifiques pour chaque couleur. Le motif de couleurs obtenu est le spectre de rayonnement visible de la lumière appelé spectre d'émission.

Les atomes, les molécules et les substances ont également un spectre d'émission dû à l'émission de lumière lorsqu'ils absorbent la bonne quantité d'énergie de l'extérieur pour transiter entre deux états d'énergie. En faisant passer cette lumière à travers un prisme, elle se décompose en raies spectrales colorées de différentes longueurs d'onde propres à chaque élément.

L'importance du spectre d'émission est qu'il permet de déterminer la composition de substances inconnues et d'objets astronomiques à travers l'analyse de leurs raies spectrales à l'aide de techniques de spectroscopie d'émission.

Ensuite, il est expliqué en quoi consiste le spectre d'émission et comment il est interprété, quelques exemples sont mentionnés et les différences qui existent entre le spectre d'émission et le spectre d'absorption.

Qu'est-ce qu'un spectre d'émission?

Les atomes d'un élément ou d'une substance ont des électrons et des protons qui sont maintenus ensemble par la force d'attraction électromagnétique. Selon le modèle de Bohr, les électrons sont disposés de telle manière que l'énergie de l'atome soit la plus faible possible. Ce niveau d'énergie énergétique est appelé l'état fondamental de l'atome.

Lorsque les atomes acquièrent de l'énergie de l'extérieur, les électrons se déplacent vers un niveau d'énergie plus élevé et l'atome change son état fondamental en un état excité.

A l'état excité, le temps de séjour de l'électron est très petit (≈ 10-8 s) (1), l'atome est instable et retourne à l'état fondamental en passant, si nécessaire, par des niveaux d'énergie intermédiaires.

Figure 1. a) Emission d'un photon due à la transition de l'atome entre le niveau d'énergie d'excitation et le niveau d'énergie fondamental. b) émission de photons due à la transition de l'atome entre des niveaux d'énergie intermédiaires.

Dans le processus de transition d'un état excité à un état fondamental, l'atome émet un photon de lumière avec une énergie égale à la différence d'énergie entre les deux états, étant directement proportionnelle à la fréquence et inversement proportionnelle à sa longueur d'onde λ.

Le photon émis est représenté par une raie brillante, appelée raie spectrale (2), et la distribution d'énergie spectrale de la collection de photons émis aux transitions de l'atome est le spectre d'émission.

Interprétation du spectre d'émission

Certaines des transitions de l'atome sont causées par une élévation de température ou par la présence d'autres sources d'énergie externes telles qu'un faisceau de lumière, un flux d'électrons ou une réaction chimique.

Si un gaz tel que l'hydrogène est placé dans une chambre à basse pression et qu'un courant électrique traverse la chambre, le gaz émettra de la lumière avec sa propre couleur qui le différenciera des autres gaz.

En faisant passer la lumière émise à travers un prisme, au lieu d'obtenir un arc-en-ciel de lumière, des unités discrètes sont obtenues sous la forme de lignes colorées avec des longueurs d'onde spécifiques, qui transportent des quantités discrètes d'énergie.

Les raies du spectre d'émission sont uniques dans chaque élément et son utilisation à partir de la technique de spectroscopie permet de déterminer la composition élémentaire d'une substance inconnue ainsi que la composition d'objets astronomiques, en analysant les longueurs d'onde des photons émis. pendant la transition de l'atome.

Différence entre le spectre d'émission et le spectre d'absorption.

Dans les processus d'absorption et d'émission, l'atome a des transitions entre deux états d'énergie mais c'est en absorption qu'il gagne de l'énergie de l'extérieur et atteint l'état d'excitation.

La raie spectrale d'émission est opposée au spectre continu de la lumière blanche. Dans le premier, la distribution spectrale est observée sous forme de lignes brillantes et dans le second, une bande continue de couleurs est observée.

Si un faisceau de lumière blanche frappe un gaz tel que l'hydrogène, enfermé dans une chambre à basse pression, seule une partie de la lumière sera absorbée par le gaz et le reste sera transmis.

Lorsque la lumière transmise passe à travers un prisme, elle se décompose en raies spectrales, chacune avec une longueur d'onde différente, formant le spectre d'absorption du gaz.

Le spectre d'absorption est totalement opposé au spectre d'émission et il est également spécifique à chaque élément. En comparant les deux spectres d'un même élément, on observe que les raies spectrales d'émission sont celles qui manquent dans le spectre d'absorption (figure 2).

Figure 2. a) Spectre d'émission et b) Spectre d'absorption (Auteur: Stkl. Source:

Exemples de spectres d'émission d'éléments chimiques

a) Les raies spectrales de l'atome d'hydrogène, dans la région visible du spectre, sont une raie rouge de 656,3 nm, un bleu clair de 486,1 nm, un bleu foncé de 434 nm et un violet très faible de 410 nm. Ces longueurs d'onde sont obtenues à partir de l'équation de Balmer-Rydberg dans sa version moderne (3).

est le nombre d'onde de la raie spectrale

est la constante de Rydberg (109666,56 cm-1)

est le niveau d'énergie le plus élevé

est le niveau d'énergie le plus élevé

Figure 3. Spectre d'émission de l'hydrogène (Auteur: Adrignola. Source: commons.wikimedia.org

b) Le spectre d'émission de l'hélium comporte deux séries de raies principales, l'une dans la région visible et l'autre près de l'ultraviolet. Peterson (4) a utilisé le modèle de Bohr pour calculer une série de raies d'émission d'hélium dans la partie visible du spectre, à la suite de plusieurs transitions simultanées de deux électrons à l'état n = 5, et obtenu des valeurs de la longueur d'onde compatible avec les résultats expérimentaux. Les longueurs d'onde obtenues sont 468,8 nm, 450,1 nm, 426,3 nm, 418,4 nm, 412,2 nm, 371,9 nm.

c) Le spectre d'émission du sodium a deux raies très brillantes de 589 nm et 589,6 nm appelées raies D (5). Les autres lignes sont beaucoup plus faibles que celles-ci et, pour des raisons pratiques, toute la lumière de sodium est considérée comme provenant des lignes D.

Références

1. Mesure des durées de vie des états excités de l'atome d'hydrogène. VA Ankudinov, SV Bobashev et EP Andreev. 1, 1965, Soviet Physics JETP, vol. 21, p. 26-32.
2. Demtröder, W. Spectroscopie laser 1. Kaiserslautern: Springer, 2014.
3. DKRai, SN Thakur et. Atome, laser et spectroscopie. New Delhi: Phi Learning, 2010.
4. Bohr revisité: modèle et lignes spectrales de l'hélium. Peterson, C.5, 2016, Journal of young investigators, Vol.30, p. 32-35.
5. Journal de l'éducation chimique. JR Appling, FJ Yonke, RA Edgington et S. Jacobs. 3, 1993, vol. 70, p. 250-251.