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spectre

Décomposition par réfraction de la lumière blanche dans un prisme
Décomposition par réfraction de la lumière blanche dans un prisme

Ensemble des radiations monochromatiques résultant de la décomposition d'une lumière ou, plus généralement, d'un rayonnement complexe ; ensemble des radiations émises, absorbées, diffusées, etc., par un élément, une espèce chimique, dans des conditions déterminées.

PHYSIQUE

Par extension, le spectre d’une grandeur physique correspond à la répartition de cette grandeur en fonction d’un paramètre tel que l’énergie, la fréquence, la vitesse, etc. On parle par exemple de spectre d’énergie d’un gaz, de spectre de fréquence, de spectre de vitesse, etc. Un son complexe peut ainsi être décomposé en un spectre de fréquence constitué de sons purs de fréquences différentes. De même, des ions d’un mélange complexe peuvent être séparés et classés en fonction du rapport de leurs masses atomiques sur leurs charges électriques à l’aide d’un spectromètre de masse ; le résultat obtenu étant appelé un spectre de masse.

Un spectre est dit continu lorsque toutes les fréquences (ou longueurs d’onde) successives sont présentes. Dans un spectre discret, seules certaines fréquences apparaissent. On distingue le spectre d’absorption (ensemble des fréquences absorbées par une substance soumise à une radiation) et le spectre d’émission (ensemble des fréquences émises par une substance incandescente).

Les spectres d’émission et d’absorption des solides et des liquides sont en général continus, tandis que ceux des gaz sont discrets : ils comportent un certain nombre de raies, dont l’emplacement caractérise une substance (analyse spectrale). Le caractère discret d’un spectre est lié aux transitions des électrons entre différents niveaux d’énergie déterminée. Ainsi, le spectre caractérise l’ensemble des énergies possibles qu’un atome (ou une molécule) peut prendre.

1. Le spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique regroupe tous les types d’ondes électromagnétiques et couvre ainsi toutes les gammes de fréquences (ou de longueurs d’ondes). Des fréquences les plus faibles aux plus élevées, on trouve : les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

→ électromagnétisme.

1.1. Les domaines du spectre électromagnétique

On notera que la longueur d’onde, notée λ, et la fréquence γ d’un rayonnement sont reliées entre elles par la relation : λ = c / γ, où c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 3.108 m/s).

1.1.1. Les ondes radio

Les ondes radio possèdent des longueurs d’onde comprises entre 1 mm et plusieurs milliers de kilomètres. Émises par des antennes conçues à cet effet, les ondes radio permettent notamment de transmettre les signaux de la télévision ou de la radio (→ radiodiffusion). Elles sont aussi généralement classées en fonction de leur fréquence exprimée en hertz (Hz), l’ensemble de ces fréquences constituant le spectre radiofréquence.

1.1.2. Les micro-ondes

Les micro-ondes sont des ondes radio très courtes, de longueurs d’onde comprises entre 1 mm et 300 mm. Elles sont notamment utilisées dans les fours du même nom (four micro-ondes) pour chauffer ou réchauffer des aliments, ou encore (à une intensité bien moindre) dans les téléphones mobiles, pour émettre ou recevoir des appels.

1.1.3. Les infrarouges

Les infrarouges sont situés (comme leur nom l’indique) juste sous la couleur rouge de la partie visible du spectre ; leurs longueurs d’onde sont comprises entre 800 nm et 1 mm. Ils sont surtout émis par des corps chauds, comme notre corps par exemple ; ce phénomène est notamment exploité en thermographie pour réaliser une carte de température d’un corps humain.

→ rayonnement thermique.

1.1.4. La lumière visible

L’ensemble des longueurs d’ondes que l’œil humain peut percevoir est appelé lumière visible (ou domaine visible). C’est la seule partie du spectre que l’on peut voir à l’œil nu : on parle d’ailleurs de spectre lumineux (ou de spectre de la lumière blanche) pour cette gamme de longueurs d’onde comprises entre 400 nm et 800 nm (1 nm = 10-9 m).

C’est Isaac Newton, qui le premier, a utilisé le terme de spectre et proposé une explication du phénomène de décomposition de la lumière blanche, en 1666. Lorsqu’un rayon de lumière monochromatique passe d’un milieu transparent, tel que l’air, dans un autre milieu transparent, comme le verre ou l’eau, sa trajectoire est déviée par réfraction.

L’ampleur de la réfraction, c’est-à-dire la valeur de l’angle de déviation, dépend de la longueur d’onde du rayonnement considéré. La lumière violette, par exemple, est déviée plus fortement que la lumière rouge au passage de l’air dans le verre ou dans l’eau. C’est pourquoi la lumière solaire, qui est la somme des couleurs de l’arc-en-ciel, se décompose lorsqu’elle traverse un prisme en verre ou des gouttes d’eau.

Ce n’est qu’à la fin du XIXe siècle que James Maxwell puis Heinrich Hertz ont démontré la nature électromagnétique de la lumière. La lumière se compose de plusieurs ondes électromagnétiques de longueurs d’onde différentes ; ces ondes sont autant de couleurs différentes : du violet (la plus petite des longueurs d’onde de la lumière visible) au rouge (la plus grande), en passant par le bleu et le vert.

Au-delà de ces longueurs d’ondes spécifiques, l’onde électromagnétique n’est plus visible. La lumière blanche, c’est-à-dire celle qui nous vient notamment du Soleil, est composée de toutes les couleurs du spectre lumineux. Lorsqu’un objet éclairé en plein jour nous apparaît d’une certaine couleur (rouge par exemple), c’est parce qu’il réfléchit cette couleur et absorbe toutes les autres.

1.1.5. Les rayons ultraviolets

À partir de la lumière visible, les rayonnements de plus faibles longueurs d’onde transportent de plus en plus d’énergie. Bien qu’on ne les voit pas, les rayons ultraviolets, de longueurs d’onde comprises entre 15 nm et 400 nm, se font sentir lorsque l’on reste trop longtemps exposé au Soleil (→ coups de soleil).

1.1.6. Les rayons X

Les rayons X présentent, quant à eux, des longueurs d’onde comprises entre 5 pm (1 pm = 10-12 m) et 15 nm, soit dix mille fois plus petites que celle de la lumière. Ils sont donc extrêmement énergétiques et dangereux à haute dose, mais aussi extrêmement utiles à faible dose. En effet, ils sont largement utilisés en médecine : contrairement à la lumière, les rayons X ne sont pas totalement bloqués par la matière et peuvent donc être utilisés pour localiser des corps étrangers (des balles d’armes à feu par exemple), des fractures d’os, des tumeurs cancéreuses, etc., à l’intérieur d’un corps.

→ radiologie.

1.1.7. Les rayons gamma

Les rayons gamma, dont les longueurs d’onde sont inférieures à 5 pm, sont les rayonnements les plus énergétiques et par conséquent les plus dangereux. Ils sont essentiellement produits par des réactions nucléaires. C’est pourquoi les murs protecteurs des réacteurs de centrales nucléaires sont constitués d’une forte épaisseur de béton pour les arrêter.

2. Spectres et spectroscopie

La spectroscopie est l’étude des spectres des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou diffusés par des sources lumineuses ou des milieux matériels. C’est donc la technique d’analyse idéale pour étudier les innombrables objets de l’Univers. En effet, toutes les sources de rayonnements électromagnétiques de l’Univers (étoiles à différents stades d’évolution, planètes, exoplanètes, satellites naturels, astéroïdes, comètes, etc.) sont observées à l’aide de télescopes sensibles à une gamme précise de longueurs d’onde : radiotélescopes (pour les ondes radio ), télescopes à infrarouges, rayons X et gamma, etc. L’analyse spectrale permet de déterminer la composition des astres et des espaces traversés par la lumière (photosphère et chromosphère solaires, atmosphère terrestre, espaces intersidéraux) et également, par comparaison avec des spectres de référence (corps noir, par exemple), de déterminer la température des sources.

→ radioastronomie, radiosource.

Pour cela, les scientifiques disposent de plusieurs types d’appareils de mesure : le spectroscope est un appareil qui permet de produire et d’observer un spectre à partir d’une source lumineuse que l’on veut analyser (une étoile ou une flamme, par exemple) ; le spectrographe fournit un enregistrement sur un support papier ou informatique des spectres ; le spectromètre donne une mesure des spectres ; enfin, le spectrophotomètre permet la comparaison quantitative de deux spectres.