Fiche de travail 4.1 : Comment construire soi-même un photomètre à absorption

Dans la section consacrée à l'absorption de la lumière, Lla loi de Lambert, qui indique la diminution de l'intensité de la lumière sur son trajet x à travers un milieu absorbant ayant un coefficient d'absorption a, a été présentée de la manière suivante :

I(x)= I o e ax

Dans les expériences de photométrie, une cuvette de verre de longueur x est remplie d'un échantillon et éclairée. À l'entrée de la cuvette (à x=0) l'intensité est égale à Io. L'intensité abaissée par absorption I(x) est mesurée à l'extrémité de la cuvette. Le but de la mesure est de calculer le coefficient d'absorption a à partir des données de Io et I(x) telles que la longueu x connue de la cuvette.

Zoom Sign
Photomètre à faisceau unique
Structure schématique d'un photomètre à faisceau unique. La lumière provenant de la source est séparée en ses parties spectrales à l'aide d'un monochromateur. La lumière monochromatique d'une longueur d'onde sélectionnable jaillit de la fente de sortie. Une lentille convergente génère un faisceau lumineux presque parallèle qui traverse la cuvette. La lumière restante sera focalisée sur un photodétecteur par une lentille convergente où elle sera convertie en un signal électrique proportionnel à l'intensité. Ce signal peut être traité électroniquement.

Suggestions pour la construction d'un photomètre

Ce dont vous avez besoin :

  • une source lumineuse ; les lampes halogènes sont les plus appropriées en raison de leur luminosité et de leur large spectre qui couvre le domaine visible. Leur luminosité est faible dans la gamme bleue et absente dans l'ultraviolet. Si la gamme des bleus est intéressante, une LED émettant dans le blanc froid est le meilleur choix.
  • Les lentilles convergentes sont facilement accessibles dans les magasins de matériel pédagogique ou sur internet. Une lentille d'une longueur focale d'environ 50 mm permettra de focaliser la lumière de la lampe halogène sur l'entrée du spectographe. Vous pouvez même essayer si vos lunettes fonctionnent. Une lampe de poche dont la lumière peut être bien focalisée convient également.
  • un monochromateur ou un spectrographe pour la séparation de la lumière en parties spectrales étroites (monochromatiques). Il s'agit d'un composant relativement coûteux. Il peut être trouvé dans la collection d'expériences de physique de l'école ou emprunté à un institut de recherche scientifique. Construire soi-même un monochromateur serait un autre grand projet.
  • il est également possible d'utiliser des sources lumineuses unicolores. Elles remplacent alors un monochromateur. Les DEL étant disponibles dans toutes les couleurs, elles conviennent parfaitement à cet usage. Dans le schéma, elles sont placées au niveau de la fente de sortie, qui n'est plus nécessaire dans ce cas, comme tous les composants situés plus à gauche. Sa lumière est parallélisée le mieux possible par une lentille convergente. Les diodes électroluminescentes (DEL) avec un boîtier en plastique transparent sont avantageuses par rapport à celles avec un boîtier en plastique opaque.
  • une cuvette pour la présentation d'échantillons liquides. Un vase de section rectangulaire convient à condition que la surface du verre soit plane. Les magasins de matériel de laboratoire vendent souvent des cuvettes en plastique bon marché et des pipettes Pasteur. Celles-ci nous permettent de remplir et de vider la cuvette sans la détacher du dispositif d'essai. L'alignement optique reste ainsi intact. La cuvette de gauche convient particulièrement bien à la photométrie, car les deux faces polies font face aux deux faces opaques. Les surfaces opaques réduisent les réflexions de la lumière transmise. La cuvette polie de droite peut également être utilisée pour les analyses de fluorescence, qui sont effectuées avec une disposition à 90° des chemins lumineux d'excitation et de détection. Certains types de plastique peuvent être endommagés par l'alcool et ne peuvent donc être utilisés qu'avec des solutions aqueuses.
  • une photodiode en silicium, à la fois très raisonnable et très sensible, génère un courant photo proportionnel à l'intensité de la lumière entrante. Le photocourant est indiqué par un ampèremètre dont la plage effective doit être sensible à 0,1 μA ou mieux.

Pour plus de suggestions concernant la construction d'un photomètre et la prévention des erreurs de mesure, consultez les conseils supplémentaires. La collecte des données et leur analyse sont abordées dans la section Analyse des données du photomètre.