Un spectre d’émission est le rayonnement électromagnétique (EMR), tel que la lumière visible, qu’une substance émet. Chaque élément dégage une empreinte de lumière unique, donc l’analyse des fréquences de cette lumière permet d’identifier le produit chimique qui l’a générée. Cette procédure est appelée spectroscopie d’émission et est un outil scientifique très utile. Il est utilisé en astronomie pour étudier les éléments présents dans les étoiles et en analyse chimique.
Le rayonnement électromagnétique peut être décrit en termes de longueur d’onde – la distance entre les crêtes des vagues – ou sa fréquence – le nombre de crêtes qui passent dans un laps de temps donné. Plus l’énergie du rayonnement est élevée, plus sa longueur d’onde est courte et plus sa fréquence sera élevée. La lumière bleue, par exemple, a une énergie plus élevée et donc une fréquence plus élevée et une longueur d’onde plus courte que la lumière rouge.
Types de spectres
Il existe deux types de spectre d’émission. Le type continu contient de nombreuses fréquences fusionnant les unes avec les autres sans espace, tandis que le type ligne ne contient que quelques fréquences distinctes. Les objets chauds produisent un spectre continu, tandis que les gaz peuvent absorber de l’énergie puis l’émettre à certaines longueurs d’onde spécifiques, formant un spectre de raies d’émission. Chaque élément chimique a sa propre séquence unique de lignes.
Comment un spectre continu est produit
Les substances relativement denses, lorsqu’elles deviennent suffisamment chaudes, émettent de la lumière à toutes les longueurs d’onde. Les atomes sont relativement proches les uns des autres et à mesure qu’ils gagnent de l’énergie, ils se déplacent davantage et se heurtent les uns aux autres, ce qui entraîne une large gamme d’énergies. Le spectre est donc constitué d’EMR dans une très large gamme de fréquences. Les quantités de rayonnement à différentes fréquences varient avec la température. Un clou de fer chauffé dans une flamme passera du rouge au jaune au blanc à mesure que sa température augmente et qu’il émet des quantités croissantes de rayonnement à des longueurs d’onde plus courtes.
Un arc-en-ciel est un exemple du spectre continu produit par le Soleil. Les gouttelettes d’eau agissent comme des prismes, divisant la lumière du Soleil en ses différentes longueurs d’onde.
Le spectre continu est entièrement déterminé par la température d’un objet et non par sa composition. En fait, les couleurs peuvent être décrites en termes de température. En astronomie, la couleur d’une étoile révèle sa température, les étoiles bleues étant beaucoup plus chaudes que les rouges.
Comment les éléments produisent des spectres de raies d’émission
Un spectre de raies est produit par un gaz ou un plasma, où les atomes sont suffisamment éloignés les uns des autres pour ne pas s’influencer directement. Les électrons d’un atome peuvent exister à différents niveaux d’énergie. Lorsque tous les électrons d’un atome sont à leur niveau d’énergie le plus bas, on dit que l’atome est dans son état fondamental. En absorbant de l’énergie, un électron peut sauter à un niveau d’énergie plus élevé. Tôt ou tard, cependant, l’électron reviendra à son niveau le plus bas et l’atome à son état fondamental, émettant de l’énergie sous forme de rayonnement électromagnétique.
L’énergie de l’EMR correspond à la différence d’énergie entre les états supérieur et inférieur de l’électron. Lorsqu’un électron passe d’un état d’énergie élevée à un état de faible énergie, la taille du saut détermine la fréquence du rayonnement émis. La lumière bleue, par exemple, indique une baisse d’énergie plus importante que la lumière rouge.
Chaque élément a son propre arrangement d’électrons et de niveaux d’énergie possibles. Lorsqu’un électron absorbe un rayonnement d’une fréquence particulière, il émettra plus tard un rayonnement à la même fréquence : la longueur d’onde du rayonnement absorbé détermine le saut initial du niveau d’énergie, et donc le retour éventuel à l’état fondamental. Il s’ensuit que les atomes d’un élément donné ne peuvent émettre qu’un rayonnement à certaines longueurs d’onde spécifiques, formant un motif unique à cet élément.
Observation des spectres
Un instrument appelé spectroscope ou spectromètre est utilisé pour observer les spectres d’émission. Il utilise un prisme ou un réseau de diffraction pour diviser la lumière, et parfois d’autres formes de DME, en leurs différentes fréquences. Cela peut donner un spectre continu ou linéaire, selon la source de la lumière.
Un spectre d’émission de raies apparaît sous la forme d’une série de raies colorées sur un fond sombre. En notant les positions des lignes, un spectroscopiste peut découvrir quels éléments sont présents dans la source de lumière. Le spectre d’émission de l’hydrogène, l’élément le plus simple, est constitué d’une série de raies dans les gammes rouge, bleue et violette de la lumière visible. D’autres éléments ont souvent des spectres plus complexes.
Essais à la flamme
Certains éléments émettent une lumière principalement d’une seule couleur. Dans ces cas, il est possible d’identifier l’élément dans un échantillon en effectuant un test à la flamme. Il s’agit de chauffer l’échantillon dans une flamme, de le faire se vaporiser et d’émettre un rayonnement à ses fréquences caractéristiques et de donner une couleur clairement visible à la flamme. L’élément sodium, par exemple, donne une forte couleur jaune. De nombreux éléments peuvent être facilement identifiés de cette manière.
Spectres moléculaires
Des molécules entières peuvent également produire des spectres d’émission, qui résultent de changements dans la façon dont elles vibrent ou tournent. Ceux-ci impliquent des énergies plus faibles et ont tendance à produire des émissions dans la partie infrarouge du spectre. Les astronomes ont identifié une variété de molécules intéressantes dans l’espace grâce à la spectroscopie infrarouge, et la technique est souvent utilisée en chimie organique.
Spectres d’absorption
Il est important de distinguer les spectres d’émission et d’absorption. Dans un spectre d’absorption, certaines longueurs d’onde de la lumière sont absorbées lorsqu’elles traversent un gaz, formant un motif de lignes sombres sur un fond continu. Les éléments absorbent les mêmes longueurs d’onde qu’ils émettent, cela peut donc être utilisé pour les identifier. Par exemple, la lumière du Soleil traversant l’atmosphère de Vénus produit un spectre d’absorption qui permet aux scientifiques de déterminer la composition de l’atmosphère de la planète.