Chapitre 14 – Lumière, sources et spectres

Thème 3 : Ondes et signaux | Physique-Chimie | Seconde générale et technologique

Dernière mise à jour : 22 juin 2026, 17:00

Objectifs du chapitre :

Distinguer une source primaire de lumière d'un objet diffusant ;
Décrire la décomposition de la lumière blanche par un prisme ;
Relier la couleur d'une radiation à sa longueur d'onde \(\lambda\) (en nm) et situer le domaine visible ;
Distinguer un spectre continu d'un spectre de raies et indiquer ce qu'ils renseignent (température, élément chimique).

Situation d'introduction

Un arc-en-ciel révèle que la lumière blanche du Soleil cache toutes les couleurs. En analysant la lumière d'une étoile lointaine, les astronomes parviennent à connaître sa composition chimique sans jamais s'y rendre. Et un éclairage public au sodium donne cette lumière jaune si caractéristique. Comment la lumière transporte-t-elle autant d'informations ?

1. Sources de lumière

Définition Une source primaire produit sa propre lumière (Soleil, étoile, lampe, flamme, écran allumé, luciole). Un objet diffusant (ou source secondaire) ne produit pas de lumière : il ne fait que renvoyer dans toutes les directions la lumière qu'il reçoit (la Lune, un mur éclairé, cette page).

Méthode — Reconnaître la nature d'une source

Se demander : l'objet brillerait-il dans le noir total, sans aucune autre lumière ?
Si oui → source primaire (il fabrique sa lumière).
Si non (il a besoin d'être éclairé pour être vu) → objet diffusant.

Exemple travaillé. Une bougie allumée brille dans le noir : c'est une source primaire. Une page de livre n'est visible que si une lampe l'éclaire : c'est un objet diffusant.

Mini-exercice 1. La Lune est-elle une source primaire ou un objet diffusant ?

Objet diffusant : elle ne produit pas de lumière, elle renvoie celle qu'elle reçoit du Soleil.

2. Décomposition de la lumière blanche

Propriété La lumière blanche (du Soleil ou d'une lampe à filament) est composée de nombreuses radiations colorées. Un prisme (ou un réseau) la décompose : chaque couleur est déviée différemment, ce qui étale les couleurs en un spectre, du rouge au violet. C'est le même phénomène que l'arc-en-ciel (les gouttes d'eau jouent le rôle du prisme).

Mini-exercice 2. Comment expliquer la formation d'un arc-en-ciel après la pluie, alors que la lumière du Soleil paraît blanche ?

La lumière blanche du Soleil contient toutes les couleurs. Les gouttes d'eau jouent le rôle de petits prismes : elles décomposent la lumière blanche, ce qui rend les couleurs visibles séparément.

3. Longueur d'onde et couleur

Définition Chaque radiation colorée est caractérisée par sa longueur d'onde \(\lambda\) (lettre grecque « lambda »), qui se mesure en nanomètres (nm), avec \(1\ \text{nm}=10^{-9}\ \text{m}\). Le domaine visible par l'œil va d'environ 400 nm (violet) à 800 nm (rouge). En deçà de 400 nm : les ultraviolets (UV) ; au-delà de 800 nm : les infrarouges (IR) — tous deux invisibles.

Couleur et longueur d'onde Dans le visible, la couleur dépend de \(\lambda\) :

violet (≈ 400 nm) → bleu → vert → jaune → orange → rouge (≈ 800 nm)

Les petites longueurs d'onde correspondent au violet / bleu ; les grandes au rouge.

Méthode — Associer une longueur d'onde à une couleur

Vérifier que \(\lambda\) est bien dans le visible (entre 400 et 800 nm). Sinon : UV (< 400) ou IR (> 800).
Situer la valeur dans l'ordre violet → rouge : plus \(\lambda\) est petite, plus on va vers le violet/bleu ; plus elle est grande, plus on va vers le rouge.

Exemple travaillé. Une radiation de longueur d'onde \(\lambda=550\ \text{nm}\) est dans le visible et se situe au milieu de l'échelle : c'est une lumière verte. Une radiation de \(\lambda=350\ \text{nm}\) est inférieure à 400 nm : c'est un ultraviolet, invisible à l'œil.

Mini-exercice 3. Une radiation a une longueur d'onde de 450 nm. Est-elle plutôt bleue ou rouge ?

Plutôt bleue / violette : 450 nm est une petite longueur d'onde. Le rouge se situe vers 700–800 nm.

4. Spectres continus et spectres de raies

Deux types de spectres d'émission

Spectre continu : toutes les couleurs se succèdent sans interruption (comme un dégradé). Il est émis par les corps chauds (filament d'une lampe, métal porté au rouge, étoile). Son aspect dépend de la température : plus le corps est chaud, plus le spectre s'enrichit vers le bleu.
Spectre de raies : seulement quelques raies colorées fines sur fond noir. Il est émis par un gaz (lampe spectrale, gaz d'une étoile). Les positions des raies sont caractéristiques de l'élément chimique : elles forment sa « signature ».

Méthode — Identifier le type de spectre et l'exploiter

Observer l'aspect : couleurs continues (dégradé) ou quelques raies sur fond noir ?
Continu → source un corps chaud ; on peut en déduire une information sur sa température.
Raies → source un gaz ; on compare les raies à celles connues des éléments pour identifier la composition chimique.

Exemple travaillé. En analysant la lumière d'une étoile, on observe des raies aux mêmes positions que celles de l'hydrogène et de l'hélium mesurées au laboratoire. On en conclut que l'étoile contient ces éléments : la lumière transporte une information sur la matière, sans s'y rendre.

Mini-exercice 4. Une lampe à vapeur de sodium (éclairage urbain) donne quelques raies, dont une jaune intense. Quel type de spectre est-ce, et que permet-il ?

C'est un spectre de raies (le gaz émet). Il permet d'identifier l'élément présent : ici le sodium, reconnaissable à sa raie jaune caractéristique.

Mini-exercice 5. Le filament d'une ampoule à incandescence donne-t-il un spectre continu ou un spectre de raies ?

Un spectre continu : le filament est un corps chaud, il émet toutes les couleurs sans interruption.

5. Applications

Autour de nous.

Astronomie : l'analyse des spectres de raies des étoiles révèle leur composition chimique ; le spectre continu renseigne sur leur température.
Éclairage : lampes à sodium (jaune) ou à vapeur de mercure (blanc bleuté) reconnaissables à leur spectre de raies.
Contrôle qualité et chimie : la spectroscopie identifie les éléments présents dans un échantillon (analyse de flammes, dosages).
Vie quotidienne : arc-en-ciel, reflets colorés sur un CD (réseau), filtres et écrans qui composent les couleurs.

Erreurs fréquentes

❌ Confondre source primaire et objet diffusant → ✅ la Lune ne « produit » pas de lumière, elle la renvoie.
❌ Croire que la lumière blanche est « sans couleur » → ✅ elle contient toutes les couleurs.
❌ Penser que l'œil voit les UV ou les IR → ✅ le visible va d'environ 400 à 800 nm seulement.
❌ Inverser l'ordre des couleurs → ✅ petite \(\lambda\) = violet/bleu, grande \(\lambda\) = rouge.
❌ Confondre spectre continu et de raies → ✅ continu = corps chaud (température) ; raies = gaz (élément chimique).

À retenir

Source primaire (produit la lumière) / objet diffusant (la renvoie).
La lumière blanche se décompose (prisme, arc-en-ciel) : couleur ↔ longueur d'onde \(\lambda\) (nm), visible ≈ 400–800 nm (UV en deçà, IR au-delà).
Petite \(\lambda\) → violet/bleu ; grande \(\lambda\) → rouge.
Spectre continu = corps chaud (dépend de la température) ; spectre de raies = gaz (raies caractéristiques de l'élément chimique).