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Le mot spectre sert plus spécialement à désigner la distribution d'une caractéristique telle que l'intensité d'un rayonnement (ou d'une onde quelconque), en fonction de son énergie (ou d'une grandeur qui en dépend comme la fréquence ou la longueur d'onde). On désigne ainsi sous le nom de spectre lumineux la répartition de l'intensité d'une lumière en fonction de la longueur d'onde (ou de la fréquence) des rayonnements qu'elle contient.
D'un point de vue plus concret, cela revient à définir un spectre comme l'apparence de la lumière émise par un corps lorsqu'elle est dispersée par un prisme (ou un réseau de diffraction). On reconnaîtra alors trois familles principales de spectres : les spectres continus, où les différentes couleurs observées forment un continuum; les spectres de raies, qui sont eux-mêmes de deux sortes : les spectres en absorption, où certaines radiations (signalées dans le dispositif expérimental par des raies sombres) sont absentes ou très atténuées, et les spectres en émission où, au contraire, certaines radiations (signalées dans le dispositif expérimental par des raies brillantes) sont plus intenses.C'est Newton qui a d'abord montré, dès 1666, que la lumière blanche du Soleil pouvait se décomposer grâce à un prisme en une multitude de rayonnements de couleurs. Lorsqu'un faisceau de lumière solaire subit l'action décomposante du prisme, on obtient un spectre brillant qui, à l'instar de celui que révèle l'arc-en-ciel, présente toute la gamme des couleurs, mais que l'on réduit souvent par habitude à la série traditionnelle des sept couleurs dites primitives (le rouge, l'orangé, la jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet...). Ces couleurs empiètent ordinairement les unes sur les autres; mais si l'un a la précaution d'associer au prisme une lentille convergente et de rétrécir le faisceau par une fente étroite, les divers rayons simples sont alors respectivement confinés dans une série d'espaces contigus, rétrécis, analogues à celui qui se trouve compris entre les bords mêmes de la fente. C'est ainsi qu'on en 1802, soit 138 ans après la découverte de Newton, Wollaston a constaté que quatre raies sombres semblaient séparer les couleurs. Ces raies plus ou moins marquées qui sillonnent le spectre solaire ont été appelées raies de Fraunhofer, du nom du physicien qui, le premier, les a étudiées en détail. Fraunhofer reconnut 500 à 600 de ces raies obscures dans le spectre du Soleil, et montra que malgré l'apparence de leur disposition fortuite, elles sont d'une fixité absolue. En effet, il les retrouva dans Ia lumière du jour réfléchie par les nuages, ainsi que dans celle de la Lune et des diverses planètes, car cette dernière n'est que de la lumière solaire réfléchie. En conséquence, il fut dès lors bien établi que ces raies constituent un caractère indélébile de la lumière solaire.
Fraunhofer désigna par les huit premières lettres majuscules de l'alphabet les huit raies les plus intenses de ce spectre, puis par des minuscules les raies qui venaient après celle-ci par leur importance.
Les conventions encore en usage aujourd'hui pour désigner les raies où les zones du spectre électromagnétique dérivent des principes énoncés par Fraunhofer :
La lumière solaire renferme des rayons de toutes les couleurs, mais elle ne renferme pas rigoureusement toutes les nuances appartenant à chacune des couleurs. Les lumières artificielles fournissent également des lumières colorées; mais des raies colorées, brillantes, que le Soleil ne possède pas, caractérisent ces radiations lumineuses. Chaque sorte lumière artificielle fournit un spectre différent, et ces différences dépendent de la présence des particules existant dans la flamme et portées à l'incandescence. Wheatstone le premier a remarqué quelle nombre et la disposition des ligne lumineuses dans le spectre sont caractéristiques de tel ou tel métal. Mais c'est à Kirchhoff et à Bunsen, tous deux professeurs à Heidelberg, que l'on doit l'avoir généralisé cette observation, d'avoir tiré de là une méthode l'analyse nouvelle, l'analyse spectrale, permettant de connaître la composition d'un corps grâce à l'étude de la lumière qu'il émet, par la simple observation de la disposition et des caractéristiques des raies que contient son spectre.
On l'a noté plus haut, dans le spectre produit par un faisceau de lumière solaire, soit directe, soit réfléchie, le nombre et la position des raies obscures, dites raies de Fraunhofer, sont absolument invariables. Les spectres qui donne la radiation lumineuse des étoiles présentent de même des raies obscures; mais ici les raies sont distribuées autrement. Bien plus, chaque étoile fixe affecte, dans la distribution de ces raies, un mode particulier et caractéristique. D'après ce qui précède, il est aisé de concevoir que ces différences doivent résulter de certaines différences correspondantes dans la constitution de ces globes immenses et si éloignés de nous (Les types spectraux des étoiles). En comparant le spectre fourni par la lumière solaire, avec ceux que donnent les métaux actuellement connus, Kirchhoff et Bunsen ont constaté que le premier renferme les raies que produit le sodium, le lithium, le strontium, le magnésium, le fer, le chrome et le nickel, tandis que l'un y trouve pas les raies propres à l'argent, au cuivre, au zinc, au cobalt, a l'antimoine, à l'aluminium et au silicium.
« Telles sont, écrira Léon Foucault, les conséquences grandioses et inattendues auxquelles on arrive en suivant pas à pas la logique des faits. La lumière est le seul moyen de communication que la nature ait mis entre nous et les corps célestes. Mais celle lumière, dans son admirable complexité, se compose d'une infinité de rayons dont chacun peut contenir un renseignement, et que le prisme a la précieuse propriété d'isoler et de ranger dans l'ordre parfait de leur réfrangibilité. Une fois étalés en spectres, ces innombrables rayons sont pour ainsi dire numérotés par ordre, si bien qu'au premier coup d'oeil on constate les forts, les faibles, les présents et les absents. La pile, ce puissant engin calorifique qui réduit en vapeurs tous les corps conducteurs, nous montre, en les portant à l'incandescence, que dans ces circonstances où la cohésion est détruite, toutes ces vapeurs vibrent comme des harpes avec une sonorité propre, émettant dans l'espace des notes lumineuses douées d'un timbre inaltérable et capables de franchir les plus grandes distances. Qu'importent donc les 30 millions de lieues qui nous séparent du Soleil? Si ses rayons parviennent jusqu'à nous et qu'ils renferment les signes caractéristiques de substances connues parmi nos éléments, la conséquence est forcée: ces substances appartiennent incontestablement au soleil. »
Les
spectres en
émission.
Un spectre en émission correspond à un système de raies brillantes apparaissant dans le spectre de la lumière, d'un atome, d'une molécule, ou plus généralement d'un gaz dilué, porté la plupart du temps à haute température. Dans le cas des étoiles très chaudes, ces raies brillantes se superposent au spectre continu. Elles traduisent normalement l'émission du gaz très chaud situé qui constitue la couronne de l'étoile. Les spectres en émission sont cependant plus fréquents dans les régions chaudes du milieu interstellaire : ils caractérisent la lumière émise par les nébuleuses brillantes. La couleur rougeâtre qu'elles affectent souvent étant due à l'émission de l'hydrogène qu'elles renferment en abondance. On notera qu'il existe aussi des raies d'émission en provenance de gaz très froids, et qui s'observent dès lors dans les domaines micro-onde et radio. C'est le cas de l'émission à 21 cm de longueur d'onde par les atomes d'hydrogène dispersés dans des nuages froids du milieu interstellaire.
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