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== Le principe ==
[[Image:CesiumRaiesSpectrales.jpg|right|thumb|222|Raies spectrales d'émission du césium]]
Une '''raie spectrale''' est un trait sombre ou lumineux dans un [[spectre électromagnétique]] autrement uniforme et continu.
Les raies spectrales sont le résultat de l'interaction entre un [[mécanique quantique|système quantique]] (généralement des [[atomes]], mais parfois aussi des [[molécule]]s ou des noyaux atomiques) et le [[rayonnement électromagnétique]].

Dans un système quantique stationnaire, l'énergie ne peut pas prendre des valeurs arbitraires : seuls certains niveaux énergétiques bien précis sont possibles : on dit que l'énergie du système est quantifiée. Ceci est une conséquence particulière de la quantification fondamentale : celle de l'action et du moment angulaire, parce que la fréquence locale de tout électron est liée à son énergie totale ; les seules ondes stationnaires possibles sont donc des états propres de l'équation d'onde de l'électron.
Les changements d'état correspondront donc eux aussi à des valeurs bien précises d'énergie correspondant à la différence d'énergie entre le niveau final et le niveau d'origine.

Si l'énergie du système diminue d'une quantité ''ΔE'', un quantum de rayonnement électromagnétique, appelé ''[[photon]]'', sera émis à la [[fréquence]] ''ν'' donnée par la [[relation Planck-Einstein]] : ΔE = hν'' où ''h'' est la [[constante de Planck]].
Inversement, si le système absorbe un photon dont la fréquence est ''ν'' dans le repère de ce système, son énergie augmentera d'une quantité ''hν''.
Comme l'énergie du système est quantifiée, il en sera de même de la fréquence des photons émis ou absorbés par le système.
Ceci explique que le spectre d'un système quantique est constitué d'un ensemble de raies discrètes plutôt que d'un spectre continu où toutes les fréquences sont présentes en quantité variable.

Un [[gaz]] chaud se refroidira en émettant des photons ; le spectre observé sera donc constitué d'un ensemble de raies lumineuses sur un fond sombre. On parle alors de '''raies d'émission''' (exemple ci-contre).
Inversement, si le gaz est froid mais éclairé par une source continue, le gaz absorbera des photons et le spectre sera constitué par un ensemble de raies sombres sur un fond lumineux : on parle alors de '''raies d'absorption'''.

Les raies d'absorption et d'émission sont fortement spécifiques à chaque substance, et peuvent être employées pour identifier facilement la composition chimique de n'importe quel milieu capable de laisser passer la lumière (généralement, il s'agira de gaz).
Elles dépendent également des conditions physiques du gaz, ainsi elles sont largement utilisées pour déterminer la composition chimique des [[étoile]]s et d'autres [[corps céleste]]s qui ne peuvent pas être analysés par d'autres moyens, aussi bien que leurs états physiques.

D'autres mécanismes que l'interaction atome-photon peuvent produire des raies spectrales.
Selon l'interaction physique exacte (avec des molécules, des particules simples, etc.) la fréquence des photons impliqués changera considérablement, et on peut observer des raies dans tout le spectre électromagnétique : des [[onde radio|ondes radio]] aux [[rayon gamma|rayons gamma]].

En pratique, les raies n'ont pas une fréquence parfaitement déterminée mais s'étalent sur une bande de fréquence. Les raisons de cet élargissement sont multiples :
* élargissement naturel : les propriétés de la transformation de Fourier, dites abusivement [[principe d'incertitude]], relient la durée de vie ''ΔT'' d'un état excité et la précision de son niveau énergétique ''ΔE'', ainsi le même niveau excité aura des énergies légèrement différentes dans différents atomes. Cet effet est assez faible (typiquement quelques MHz). Environ 100 MHz pour les fréquences optiques.
* élargissement Doppler : l'[[effet Doppler-Fizeau|effet Doppler]] provoque un [[décalage vers le rouge]] ou vers le bleu du rayonnement selon que la source s'éloigne ou se rapproche de l'observateur. Dans un gaz, toutes les particules sont en mouvement dans toutes les directions, ce qui provoque un élargissement des raies spectrales. Comme la vitesse des particules dépend de leur température : plus la température du gaz est élevée, plus les différences de vitesse sont grandes, et plus les raies sont larges. Cet effet est typiquement 100 fois plus intense que l'élargissement naturel (parfois environ 1 GHz).
* élargissement collisionnel : la collision entre particules (atomes ou molécules) modifie légèrement leurs niveaux énergétiques, d'où l'élargissement des raies. La grandeur de cet effet dépend de la densité du gaz.

== Exemples de raies spectrales ==
* Hydrogène : 656,3 nm (456,791 THz) et 486,1 nm (616,730 THz)
* Oxygène ionisé : 500,7 nm (598,746 THz)
* Mercure : 404,7 nm (740,777 THz) ; 435,8 nm (687,912 THz) ; 546,1 nm (548,969 THz) ; 577 nm (519,570 THz) et 579,1 nm (517,586 THz)
* Sodium : 589 nm (508,985 THz) et 589,6 nm (508,467 THz)

== Voir aussi ==
* [[Configuration électronique]]
* [[Spectroscopie]]
* [[Spectroscopie astronomique]]
* [[Type spectral]]