Spectres continus et spectres de raies

Décomposer la lumière

Quand on fait passer de la lumière à travers un prisme (ou un réseau), elle se décompose selon sa longueur d'onde : c'est un spectre. Selon la source, ce spectre prend deux formes radicalement différentes.

Le spectre continu

Un corps chaud et dense — le filament d'une ampoule, le Soleil — émet toutes les longueurs d'onde à la fois. Son spectre est un dégradé ininterrompu, un arc-en-ciel complet :

   Spectre continu (corps chaud) :

   |violet|bleu|vert|jaune|orange|rouge|
   |###############################...|   <- aucune interruption

Le spectre de raies d'émission

Un gaz chauffé (ou traversé par une décharge électrique) fait tout autre chose : il n'émet que quelques longueurs d'onde bien précises. Son spectre n'est plus un dégradé, mais un ensemble de raies brillantes isolées sur fond noir :

   Spectre de raies d'emission (gaz d'hydrogene) :

   |violet|bleu|vert|jaune|orange|rouge|
   |  |         |               |      |   <- seulement quelques raies
      |         |               |
    violette   bleue          rouge

Chaque élément chimique a son propre jeu de raies, toujours le même. Le motif du sodium n'est pas celui de l'hydrogène, qui n'est pas celui de l'hélium. Ces raies sont une véritable empreinte digitale de l'atome.

Le spectre de raies d'absorption

Si l'on éclaire un gaz froid avec une lumière blanche (spectre continu), le gaz absorbe exactement les longueurs d'onde qu'il émettrait s'il était chaud. On voit alors le spectre continu barré de raies noires :

   Spectre d'absorption :

   |###|#|########|#####|#|#####...|
       ^          ^     ^          <- raies NOIRES aux memes positions
       (absorbees)                    que les raies d'emission

Les positions des raies noires (absorption) coïncident exactement avec celles des raies brillantes (émission) du même élément.

À quoi ça sert vraiment

Ce phénomène est l'outil le plus puissant de l'astronomie : on ne peut pas aller prélever un morceau d'étoile, mais en analysant les raies de sa lumière, on lit directement de quels éléments elle est composée. C'est ainsi qu'on a détecté l'hélium dans le Soleil avant même de le trouver sur Terre — d'où son nom, de Helios, le Soleil.

La grande question

Pourquoi un atome n'émet-il que certaines couleurs, toujours les mêmes, et pas un dégradé continu ? La physique classique n'a aucune réponse. Il faut la quantification de l'énergie — c'est l'objet de la suite.

En résumé

Un corps chaud dense donne un spectre continu ; un gaz donne un spectre de raies — brillantes s'il émet, noires s'il absorbe une lumière blanche. Chaque élément possède un jeu de raies unique, sa signature. Ces raies discrètes, inexplicables en physique classique, révèlent que l'énergie des atomes est quantifiée.