Qu'est-ce qu'un spectre d'émission?
Un spectre d'émission est le rayonnement électromagnétique (EMR), tel que la lumière visible, émise par une substance. Chaque élément dégage une empreinte digitale de lumière unique. L'analyse des fréquences de cette lumière facilite donc l'identification du produit chimique qui l'a générée. Cette procédure s'appelle la spectroscopie d'émission et constitue 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 est 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 qui se fondent les unes dans les autres sans interruption, tandis que le type de ligne ne contient que quelques fréquences distinctes. Les objets chauds produisent un spectre continu, alors que les gaz peuvent absorber de l’énergie puis l’émettre à certaines longueurs d’onde spécifiques, formant ainsi un spectre de raies d’émission. Chaque élément chimique a sa propre séquence de lignes.
Comment un spectre continu est produit
Les substances relativement denses, lorsqu'elles chauffent suffisamment, 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 contre les autres, ce qui produit un large éventail d’énergies. Le spectre consiste donc en 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 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 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-ils des spectres de ligne d'émission?
Un spectre de raies est produit par un gaz ou un plasma, où les atomes sont suffisamment éloignés 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 . Comme il absorbe de l'énergie, un électron peut sauter à un niveau d'énergie supérieur. 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 élevé à un environnement d'énergie basse, la taille du saut détermine la fréquence du rayonnement émis. La lumière bleue, par exemple, indique une chute 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 donnée, 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 de rayonnement qu'à certaines longueurs d'onde spécifiques, formant ainsi un motif unique pour cet élément.
Observation de 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 scinder la lumière, et parfois d’autres formes de REM, en différentes fréquences. Cela peut donner un spectre continu ou linéaire, en fonction de la source de lumière.
Un spectre d'émission linéaire apparaît sous la forme d'une série de lignes 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, consiste en une série de lignes dans les plages rouge, bleu et violet de la lumière visible. D'autres éléments ont souvent des spectres plus complexes.
Tests de flamme
Certains éléments émettent de la 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 . Cela implique de chauffer l'échantillon dans une flamme, de le 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 couleur jaune intense. 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 manière dont ils vibrent ou tournent. Celles-ci impliquent des énergies plus basses et tendent à produire des émissions dans la partie infrarouge du spectre. Les astronomes ont identifié diverses molécules intéressantes dans l'espace grâce à la spectroscopie infrarouge, et cette 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 lors de leur passage dans un gaz, formant ainsi un motif de lignes sombres sur un fond continu. Les éléments absorbent les mêmes longueurs d'onde qu'ils émettent, ils peuvent donc être utilisés pour les identifier. Par exemple, la lumière du soleil qui traverse l'atmosphère de Vénus produit un spectre d'absorption qui permet aux scientifiques de déterminer la composition de l'atmosphère de la planète.