spectre (physique)

spectre (physique), en physique, ensemble des rayonnements monochromatiques obtenus par décomposition d'une lumière complexe.

L’arc-en-ciel est ainsi un spectre naturel de la lumière blanche produit par les gouttes de pluie. 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 (fonction caractérisant le nombre de molécules ayant une énergie d’une valeur donnée), de spectre de fréquence ou de spectre de vitesse. Un son complexe, tel qu’un bruit, peut ainsi être décomposé en un spectre acoustique constitué de sons purs de hauteurs différentes. De même, un mélange complexe d’éléments chimiques ou d’isotopes peut être classé suivant une répartition bien ordonnée de leurs masses atomiques, appelée spectre de masse (voir spectromètre de masse).

On obtient un spectre de la lumière blanche en projetant un faisceau de lumière solaire sur un prisme en verre. Le prisme disperse la lumière qui se décompose alors en bandes de lumière colorée que les physiciens ont réparties arbitrairement en sept couleurs : rouge, orangé, jaune, vert, bleu, indigo et violet.

À chaque couleur de la lumière blanche correspond un domaine de longueurs d’onde ou, ce qui revient au même, un intervalle de fréquence. En effet, la longueur d’onde, notée λ, et la fréquence g du rayonnement sont reliées entre elles par la relation : λ = c / g, où c est la vitesse de la lumière dans le vide (c = 3.10⁸ m/s). Les longueurs d’onde de la lumière visible s’expriment en nanomètre (de symbole nm), avec 1 nm = 10^-9 m. Les longueurs d’onde de la lumière violette sont comprises entre 400 nm et 450 nm, celles de la lumière rouge entre 620 nm et 760 nm.

Isaac Newton est le premier à proposer 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 (voir optique). 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.

La spectroscopie est l’étude des spectres lumineux et, plus généralement, des spectres des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou diffusés par des sources lumineuses ou des milieux matériels. 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 photographique des spectres. Le spectromètre donne une mesure des spectres. Enfin, le spectrophotomètre permet la comparaison quantitative de deux spectres.

La spectroscopie a des applications en analyse chimique et en astrophysique (voir spectrohéliographe).