SPECTROSCOPE RÉSEAU

Alain Robichon

Description

SPECTROSCOPE À RÉSEAU. Page 1/4 TP : SPECTROSCOPE À RÉSEAU. But du TP: Étudier un réseau de fentes par transmission monté sur un plateau goniométrique pour des mesures spectroscopiques. Mesure de la constante de Rydberg à l'aide d'une lampe de Balmer (lampe à hydrogène). I : Réglages préliminaires. 1°) Réglage de la lunette de visée autocollimatrice: c Éclairez le réticule de la lunette de visée et réglez d'abord le tirage de l'oculaire de la lunette de façon à voir nettement, sans accommodation, les fils du réticule. Assurez vous qu'un des fils du réticule est situé suivant l'horizontale. d Mettez en service la lame semi-transparente (le bouton situé sur le dessus de la boîte noire porte glace doit être décalé à fond à gauche). Pensez à desserrer la vis de blocage du système porte glace avant de le déplacer ! Réglez la lunette pour une observation à l'infini par auto collimation à l'aide d'un miroir plan placé devant elle. Agissez sur le tirage de la lunette pour observer nets à la fois le réticule éclairé et son image de retour. Par la suite vous pourrez toujours modifier le réglage de l'oculaire (en cas d'un changement d'observateur par exemple), en prenant soin toutefois de ne pas toucher au tirage de la lunette. 2°) Réglage du collimateur à fente.

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• fente


• série de balmer


• couleur vert


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Sujets

• Spectre
• Série de Balmer
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• Réseau

Informations

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Extrait

SPECTROSCOPE À RÉSEAU. TP : SPECTROSCOPE À RÉSEAU. But du TP:Étudier un réseau de fentes par transmission monté sur un plateau goniométrique pour des mesures spectroscopiques. Mesure de la constante de Rydberg à l’aide d’une lampe de Balmer (lampe à hydrogène). I : Réglages préliminaires. 1°) Réglage de la lunette de visée autocollimatrice: cÉclairez le réticule de la lunette de visée etréglez d’abord le tirage de l’oculaire de la lunette de façon à voir nettement, sans accommodation, les fils du réticule. Assurez vous qu’un des fils du réticuleest situé suivant l’horizontale. dMettez en service la lame semi-transparentebouton situé sur le dessus de la boîte noire (le porte glace doitêtre décalé à fond à gauche). Pensez à desserrer la vis de blocage du système porte glace avant de le déplacer ! Réglez la lunette pour une observation à l’infini par auto collimationà l'aide d'un miroir plan placé devant elle. Agissez sur le tirage de la lunette pour observer nets à la fois le réticule éclairé et son image de retour. Par la suite vous pourrez toujours modifier le réglage de l’oculaire encas d’un chanement d’observateurar exemle , enrenant soin toutefois de ne pas toucher au tirage de la lunette. 2°) Réglage du collimateur à fente.  Ôtezsi ce n'est déjà fait le plateau porte réseau de la table goniométrique. cÉclairez la fentecollimateur du Tira edu avecla source spectrale. collimateur lunette de visée Lampe dAlignez la lunette de visée que autocollimatrice Hg vous venez de régler en observa- collimateur tion à l’infinidans le prolongement à fente. du collimateur. oeil Agissez sur le tirage du colli- Vis de réla e Position angulaireα 0 mateurobserver dans la lu- pour de la largeur lue sur le vernier de la fente nette une image nette de cette fen- te. Diminuezalors la largeur de cette fente pour la rendrefineet ajustez éventuellement la netteté en jouant sur le tirage du collimateur. eAgissez sur la vis deréglage horizontal de l'axe optique dela lunette de visée pourcentrer verticalementdans l'instrument l'image de la fente du collimateur Ajustez très précisément la position de la lunette de visée sur la table oniométriue our uele fil du réticule coïncide exactement avec l’ima ede la fente.arente ourPensez à escamoter la lame semi-trans éviter les réflexions parasites !  Lorsde ce réglage, commencez par bloquer la lunette de visée sur le plateau puis agissez sur la vis de déplacement lent qui entraîne le vernier.  Remarquezque la précision sur le plateau est de ½ degré, un vernier au 1/30 permettant de faire une lecture à la minute d’arc près. α= ______degrés ______ minutes. 0 3°) Positionnement du réseau sur la table goniométrique.  Placezle réseau qui vous est fourni sur son support. Par construction, une de ses faces est traitée pour la rendre semi réfléchissante (si on veut l'utiliser par réflexion par exemple). Page 1/4

SPECTROSCOPE À RÉSEAU.  Laface traitée est celle comportant les indications du réseau: la marque (HILGER analytical) et le nombre de traits par unité de longueur (ici 15 000 l.p.i ou 30 000 l.p.i. suivant le modèle utilisé). Le symbole l.p.i. signifie « line per inche » et indique le nombre de traits du réseau par pouce (1 pouce≈25.4 mm).  Tournezéventuellement le plateau porte ré- is V 2 seau par rapport au support pourplacer le plan du réseau par rapport aux trois visca- is V 1 lantes du support comme indiqué sur la figue réseau lunette ci-contre. Serrez (modérément !) la vis de fixa- oeil tion du plateau porte réseau sur son support. lam e  Vérifiezque les trois vis calantes du support plate- forme isV porte réseau sont àmi-course. 3  Leréglage qui suit consiste à positionner les traits du réseau parallèlement à l’axe de rotation du support réseau sur la table goniométrique. cIl faut d(‘abordplacer le réseau dans le plan⊥à l'axe optique de la lunette de visée. Pour cela, procédez par auto collimation en vous servant de la face réfléchissante du ré- seau comme d'un miroir plan.pour faire coïncider le fil horizontal du réticuleJouez sur la vis V 1 avec son image. dRéglez ensuite leparallélisme des traits du réseau avec l’axe de rotationde son support. Pour cela, observez la lumière diffractée en V pour Agir sur Vet 3 2 transmission par le réseau à travers la lunette dans centrer verticalement l'ordre±1. (pensez à desserrer la vis de fixation de la dans la lunette les lunette sur la table goniométrique !). raies observées.  Enjouant sur les vis Vet V(manœuvrées simultanément et en sens inverse), centrez verti- 2 3 calement les images de la fente source dans la lunette. Vérifiez que les différentes raies pour les ordres±1 de part et d'autre de l'ordre 0 restent bien visibles dans la lunette de visée, symétriques par rapport au réticule horizontal.  Ilest alors possible de revenir à l’auto collimation sur la face réfléchissante du réseau pour affi- ner les réglages en jouant sur la vis V. 1 II : Application du réseau à la mesure de longueurs d’onde. 1°) Courbe d’étalonnage en longueurs d’onde du spectroscope. Éclairez la fente du collimateur avec une lampe spectrale àvapeur de mercure.  Leréseau doit être éclairésous incidence normale. Pour se faire, replacez exactement la lu- nette de visée à l’abscisse angulaireα. En examinant parauto collimation surla face réfléchis- 0 sante du réseau l’image de retour du réticule dans la lunette, orientez convenablement le réseau jusqu’à ce quel’image du fil vertical coïncide exactement avec le fil vertical du réticule lui même. Observez à travers la lunette,dans l'ordre±1,en tournant la lunette de visée vers la droite ou la gauche suivant ce qui est plus pratique pour vous, le spectre transmis par le réseau. Visez avec la lunette les diverses raies du spectre et notez pour chaque longueur d'ondeλ i la position angulaire correspondanteα(laissez pour l’instantαen degrés et minutes). ii Conseil :Avec la lampe àvapeur de mercure, il est plus simple de commencer par les deux raies dans le violet, facilement identifiables et de remonter le spectre ainsi jusqu'au rouge (plus d’une douzaine de raies peuvent être vues à l'œil avec une ouverture assez grande; en diminuant celle-ci, il ne reste que les raies les plus lumineuses).  Letableau suivant repère les principales raies du mercure (les plus lumineuses sont indiquées en gras), ainsi que leurs intensités relatives (très utile pour identifier la raie observée !). Page 2/4

SPECTROSCOPE À RÉSEAU. Couleur violet Violetviolet violet indigo bleu-vert bl-vertvert Int. Rel 1800 150 250 400 4000 6080 80 404.7 407.8 433.9 434.7 435.8 512.8491.6 497.4 λ(nm) ouleur vert vert vert jaune jaune rouge rouge Int. Rel60 1100 160 240 280 160 250 535.4 546.1 567.6 577.0 579.1 671.6 690.7 λ (nm) 2°) Mesures de longueurs d'ondes inconnues (lampe à hydrogène ou autre sour- ce spectrale) Sans modifier la position du réseau , éclairez maintenant la fente source avec une autre sour- ce spectrale ou avec une lampe de Balmer (lampe à hydrogène).  Repérez,à travers la lunette, les positions angulaires des différentes raies de cette source dans l’ordre de diffraction du réseau précédemment utilisé (ordre 1).  Utilisezalors la courbe d’étalonnage précédente pour déterminer les longueurs d’onde corres- pondantes (reportez vous à la feuille de notes).  Identifierla source spectrale utilisée en vous servant des spectres d’émission fournis. Complément sur la lampe à hydrogène.  Lalampe à hydrogène fournit (entre autres) les 4 raies visibles de la série de Balmer du spectre de l'hydrogène: H, H, Het H . α β γδ 1 ⎛ 1 1 ⎞  Lesraies du spectre de l'hydrogène suivent la loi : = R ⎟ ⎜ − , oùla constanteR est H H 2 2 λ ⎝ n m ⎠ de Rydberg, qu'on sait exprimer théoriquement, en physique quantique, en fonction des constan- tes fondamentales de la physique (e, h, c, m,ε). e 0  Lasérie de Balmer correspond au retour sur le niveaun = 2, à partir de: m = 3pour la raieH dans lerouge, α m = 4pour la raieH danslebleu turquoise (bleu - vert), β m = 5pour la raieHl' dansindigo (entre le bleu et le violet), γ m = 6 pour la raie H le dans violet . δ En pratique, la raieHest très difficilement visible, car d’intensité beaucoup plus faible que δ les autres. Il est par ailleurs possible que vous observiez d’autres raies beaucoup moins lumineu- ses. N'en tenez pas compte: elles appartiennent au spectre complexe de l'hydrogène (qui compor- te plus de 35 raies) et ne correspondent pas aux raies de la série de Balmer. -1  Endéduire une valeur expérimentale de la constante de Rydberg,qu'on exprimera en cm. 4 m e -1 e  Comparezà la valeur théorique ( R= ) : R≈109 737cm . H H 3 8εh c 0

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SPECTROSCOPE À RÉSEAU. TP : SPECTROSCOPE À RÉSEAU. 1. Courbe d’étalonnage du spectroscope à réseau Pensez à toujours observer les raies dans le même ordre de diffraction : ± 1 avec un réseau à 30 000 lpi, ±2 avec le réseau à 15 000 lpi. ƒPosition angulaire dans la direction du faisceau incident :α= ____ degrés et ____ minutes. 0 ƒ Joindre la courbe d'étalonnag α - α obtenir une) vez droite de pente p/ a , e : sin( i 0 = f( λ): vous de où p est l’ordre de diffraction.. Source spectrale utilisée: lampe à vapeur de mercure. λ (en nm) α i 1 ƒValeur obtenue pour la pente de la droite (par régression linéaire) := ________ traits / mm. a Attention aux unités utilisées pour tracer la courbe ! ⎛ 1 ⎞ ƒ Valeur théorique de la fréquence du réseau := _______ traits / mm. ⎜ ⎟ ⎝a⎠ th 2. Analyse du spectre de l'hydrogène dans la série de Balmer.  Positionsdes différentes raies observées (pour l'ordre 1 utilisé pour la lampe Hg) et valeurs des longueurs d'onde déduites graphiquement de la courbe d'étalonnage. Couleur VioletRouge Turquoise Indigo 656.3 nm486.1 nm434.1 nm410.2 nm ( λ théorique) α (en ° et minutes) i λ (nm) déduit des mesures. i ( m = 3 )( m = 4 )( m = 5 )( m = 6 ) 2 -1 4m 1 R (encm )( R= ) H 2 H (m−4) λ -1 ƒ .Valeur expérimentale de la constante de Rydberg : < R> = ____________ cm H -1 Valeur théorique de la constante de Rygberg :R =109 737.3 cm. H 3. Identification d’une source spectrale inconuue.  Calculerla valeur deλà partir de la position angulaire de la raie considérée en utilisant la cour- be d’étalonnatge précédente Position angulaire α i λ (en nm) La source utilisée est une lampe à vapeur de : __________________. Page 4/4