Identifier un gaz par ses raies

Exercice d'entraînement · niveau 3 (difficile) · physique (seconde), chapitre 5 — Signaux Lumineux · Dispersion, longueur d'onde et spectres

Énoncé

On analyse la lumière émise par un tube contenant un gaz inconnu, chauffé sous faible pression. On observe des raies fines et colorées sur fond noir, aux longueurs d'onde $447 nm$ , $502 nm$ , $588 nm$ et $668 nm$ . Données : raies de l'hélium $447$ ; $502$ ; $588$ ; $668 nm$ — raies du néon $585$ ; $640$ ; $703 nm$ — raies de l'hydrogène $434$ ; $486$ ; $656 nm$ . 1. De quel type de spectre s'agit-il ? Quelle source le produit ? 2. Identifier le gaz contenu dans le tube. Justifier en écartant les deux autres. 3. Associer une couleur à chacune des quatre raies observées. 4. On éclaire maintenant ce même gaz, refroidi, avec de la lumière blanche. Que voit-on ?

Corrigé

1. Type de spectre. Des raies colorées fines sur fond noir constituent un spectre de raies d'émission. Il est produit par un gaz chaud sous faible pression, excité électriquement — c'est exactement la description du tube.

2. Le gaz. Les quatre longueurs d'onde observées coïncident une à une avec celles de l'hélium. Le néon est écarté : aucune de ses trois raies ( $585$ , $640$ , $703 nm$ ) ne figure dans la liste observée. L'hydrogène aussi : ses raies ( $434$ , $486$ , $656 nm$ ) sont proches mais distinctes de celles mesurées. Le gaz est donc de l'hélium.

3. Les couleurs. $447 nm$ : bleu-violet ; $502 nm$ : vert ; $588 nm$ : jaune ; $668 nm$ : rouge.

4. Le gaz froid éclairé en blanc. On observe alors un spectre de raies d'absorption : un fond coloré continu, barré de raies noires situées aux mêmes longueurs d'onde que les raies d'émission précédentes. Un élément absorbe exactement là où il émet, et c'est ce qui permet de le reconnaître dans l'atmosphère d'une étoile.

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Un blocage sur cet exercice ? Le tuteur d'Adloun guide par questions, sans donner la réponse.