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E.T.S.L 1 ère Année BIO TP 6 Spectroscope à prisme I) Objectif : - Déterminer l

E.T.S.L 1 ère Année BIO TP 6 Spectroscope à prisme I) Objectif : - Déterminer les longueurs d’onde des différentes radiations qui constituent une lumière polychromatique, au moyen d’un spectroscope à prisme et de plusieurs lampes spectrales. - Utiliser un spectroscope à prisme. - Construire une courbe d’étalonnage qui permettra de déterminer la nature d’une lampe inconnue. II) Description de l’appareil : II-1) Qu’est-ce qu’un spectroscope ? Un spectroscope à prisme est un appareil qui permet de séparer les différentes radiations qui constituent le rayonnement d’une source lumineuse et d’en mesurer les longueurs d’onde. Le principe de l’appareil repose sur la déviation par un prisme d’une radiation lumineuse en fonction de sa longueur d’onde (phénomène de dispersion), et sur la théorie de l’émission d’une onde par un atome. II-2) Schéma de la plate-forme sans lunette micrométrique : 23 II-3) Schéma de principe : - Source S : lampe spectrale est une ampoule de verre dans laquelle on a fait le vide. Elle comprend deux filaments situés aux extrémités d’un tube dans lequel on a placé sous faible pression, un gaz rare et un peu de métal vaporisé (Na, Hg, Cd par exemple). - Collimateur : il est constitué d’un diaphragme (fente f) réglable en largeur, qui joue le rôle de source secondaire, et d’une lentille convergente (L). La fente doit être située dans le plan focal objet de la lentille pour produire un faisceau de rayons parallèles émergents. - Prisme : généralement en verre et possédant un angle de 60°, il représente le système dispersif. - Lunette : elle est constituée par deux lentilles convergentes, dont (L1) est l’objectif et (L2) l’oculaire. Les images des différentes radiations dispersées par le prisme se forment dans le plan focal image de (L1). Elles constituent le spectre. Ce spectre est observé à travers l’oculaire (L2), qui est positionné de façon que son plan focal objet (P) soit confondu avec le plan focal image de (L1). La lunette est ainsi réglée sur l’infini, ce qui à pour but de diminuer la fatigue oculaire lors d’observations prolongées. III) Expérimentation : Matériel : - Un spectroscope à prisme. - Un jeu de lampes spectrales (Na, Hg, He). - Une lampe spectrale inconnue. 24 III-1 – Procédures de réglage de l’appareil III-1-a) Mise au point de la lunette sur l’infini Mettre au point la netteté du réticule (croix) par déplacement axial de l’oculaire si nécessaire. Pour cela il est conseillé de diriger la lunette vers une surface claire. Diriger la lunette vers un objet éloigné d’une dizaine de mètres au minimum, agir sur la crémaillère (molette de droite le long de la lunette) pour mettre au point sur l’objet choisi. Vous devez voir nettement le réticule et l’objet. III-1-b) Réglage du collimateur : Placer et allumer la lampe à vapeur de sodium. Aligner la lunette et le collimateur. Orienter la fente verticalement, si nécessaire, et agir sur la crémaillère (molette sur le côté du collimateur) de manière à observer une image très nette de la fente à travers la lunette. Diminuer au maximum la largeur de la fente (attention à la diffraction !) grâce à la petite vis située à l’extrémité du collimateur. Superposer le trait vertical du réticule de la lunette sur l’image de la fente. Relever la valeur de l’angle 0 sur le cercle gradué au moyen du vernier solidaire de la lunette (se reporter à l’annexe 1 pour le principe de lecture sur le vernier). III-1-c) Positionnement du prisme : Ce réglage à pour but d’obtenir le minimum de déviation pour la double radiation jaune du sodium (plus communément appelé doublet jaune du sodium) : Mettre la plate-forme supportant le prisme et la faire tourner de façon que la face de sortie du prisme soit perpendiculaire à l’axe du collimateur. Faire tourner la lunette de façon à amener son axe perpendiculairement à la face d’entrée du prisme : vous devez alors observer le spectre de raies d’émission (dans le cas du sodium vous devez observer le doublet de raies jaunes). Rechercher la position de déviation minimale Dm de ces raies jaunes en faisant tourner légèrement la plate-forme du prisme. Vous devez observer que les raies changent de sens de déplacement lors de la rotation du prisme. À la limite de ce changement de sens : arrêter de tourner la plate-forme et bloquer là grâce à la vis située sur son côté. La plate-forme devra rester bloquée durant tout le reste de la manipulation. Amener le trait vertical du réticule sur les deux raies jaunes, et relever les valeurs des angles correspondants 1 et 2. Prendre une valeur moyenne si la différentiation des raies est délicate moy. (Se reporter à l’annexe 1 pour le principe de lecture sur le vernier). 25 - III-2 - Calcul de déviation D pour différentes lampes III-2-1) Etude du spectre d’émission de la lampe à vapeur de mercure Remplacer la lampe à vapeur de sodium par la lampe à vapeur de mercure (Hg) (faire très attention lors de l’échange des lampes : celle qui vient d’être utilisée est extrêmement brûlante : à enlever avec délicatesse avec un gant spécial et à reposer avec extrême délicatesse dans son râtelier). Observer le spectre d’émission de la nouvelle lampe. Pour chaque raie, positionner le réticule sur la raie, relever la valeur de l’angle de positionnement de la lunette lue grâce au vernier et calculer la déviation D subie par cette radiation lumineuse : D =   - 0  (D est donc toujours positif !!) Remarque : il faudra bien faire attention lors du calcul de D de transformer toutes vos mesures qui sont en degré et minute d’angles (divisions sexagésimales) en degré décimal (divisions décimales). On rappelle que 1 degré d’angle correspond à 60 minutes d’angles. Exemple de calcul : 24’ représente soit 0,4° d’où En fonction de la couleur de chaque raie observée et du tableau de l'annexe 2, estimer à quelle longueur d'onde  correspond chaque raie. Placer tous vos résultats dans un tableau du type : couleur (° ’) ( ° ) D ( ° ) estimée (nm) III-2-2) Etude du spectre d’émission de la lampe à vapeur d’hélium Remplacer la lampe à vapeur de mercure par la lampe à vapeur d’hélium (He)  recommencer les mêmes opérations que précédemment. III-2-3) Etude du spectre d’émission de la lampe inconnue (X) Remplacer la lampe à vapeur d’hélium par la lampe inconnue. Pour chaque raie, positionner le réticule sur la raie, relever la valeur de l’angle de positionnement de la lunette lue grâce au vernier et calculer la déviation D subie par cette radiation lumineuse. Noter les résultats dans un tableau du type : couleur (° ’) ( ° ) D ( ° ) 26 III-3 - Exploitation : III-3-1) Courbe d’étalonnage : Pour chacune des lampes utilisées sauf la lampe inconnue, vous devez reporter sur un graphe les points de coordonnées (D ; ) (où  est la longueur d’onde de radiation correspondante à l’angle de déviation D). Tracer la courbe d’étalonnage du spectroscope D = f(). Faire en sorte que la courbe passe par un maximum de points si ceux-ci sont un peu éparpillés. III-3-2) Evaluation de la longueur d’onde des radiations émises par une lampe inconnue : Reporter les valeurs D mesurées avec la lampe inconnue sur la courbe d’étalonnage et en déduire par report graphique les longueurs d’onde des raies émises par cette lampe. En fonction des valeurs trouvées et du tableau de l’annexe 2, proposer une identification de la lampe inconnue. 27 ANNEXE 1 Principe de lecture pour la mesure d’un angle Au moyen d’un vernier Le zéro du vernier mobile (divisé en 30 parties égales) indique sur le disque fixe la valeur de l’angle en degré et en demi-degré. La coïncidence entre un trait de la graduation du disque et un trait de la graduation du vernier correspond au nombre de minutes d’angle qu’il faut ajouter à la valeur déterminée précédemment. Une division du vernier correspond à 1 minute d’angle. exemple Le zéro du vernier a dépassé la demi-division entre la graduation 70 et 71, on lira donc 70,5° ou 70°30’. La 3ième graduation du vernier est en regard d’un trait de graduation du disque, il faut par conséquent ajouter 3’ à la valeur précédente. Le résultat de la lecture est : 70°33’. 28 ANNEXE 2 Lampes spectrales : longueurs d’onde des principales raies (domaine du visible)  (nm) Sodium Na Hélium He Mercure Hg Couleur Intensité relative 388,90 X Limite U.V faible 404,70 X violet moyenne 407,80 X violet faible 435,80 X indigo assez-forte 440,40 X 447,15 X 449,80 X 454,20 X 454,50 X 471,31 X 491,60 X vert-bleu faible 492,19 X 496,00 X 497,90 X doublet 498,30 X vert très faible 501,57 X 546,07 X vert très forte 568,80 X jaune-vert 577,00 X jaune très forte 579,10 X jaune très forte 587,56 X 588,995 raie D1 X doublet 589,592 raie D2 X jaune très forte 598,80 X assez-forte 615,40 X doublet 616,10 X jaune-orangé faible 623,44 X 625,40 667,81 X 690,75 X uploads/s3/ tp6-spectroscope.pdf