Physique, chapitre 02

Sciences physiques
Chapitre 02
CH02 La lumière des étoiles page
La lumière des étoiles.
I- Lumière monochromatique et lumière
polychromatique.
1)- Expérience de Newton (1642 – 1727).
II- Lumière émise et température d’une source.
2)- Expérience avec la lumière émise par un Laser.
1)- Analyse de la lumière émise par une lampe
(6 V)
3)- Radiation et longueur d’onde.
2)- Observations et conclusion.
4)- Domaine du visible.
III- Spectres d’émission et d’absorption d’une entité
chimique.
1)- Spectres d’émission :
2)- Spectres d’absorption :
IV- Applications à l’Astrophysique.
1)- Analyse spectrale de la lumière émise par
une étoile.
2)- Profil spectral d’une étoile :
3)- Conclusions ;
Exercices :
a)- Exercice 3 : Associer couleur et longueur
d’onde.
V- Applications :
b)- Exercice 5 : Du spectre au montage.
1)- Étude d’un document.
c)- Exercice 7 : Spectre du lithium.
2)- QCM : QCM Questy
d)- Exercice 9 : Profil spectral d’une étoile.
3)- Exercices : 3, 5, 7, 9, 13, 14, 17.
e)- Exercice 13 : Sources lumineuses et
spectres.
f)- Exercice 14 : Loi de Wien
g)- Exercice 17 : Oh, be a fine girl, kiss me.
1
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I- Lumière monochromatique et lumière polychromatique.
1)- Expérience de Newton (1642 – 1727).
Expérience : on éclaire une fente avec une lumière blanche et on envoie le faisceau obtenu sur la
face d’un prisme.
-
Observations : la lumière est déviée par le prisme.
De plus le faisceau qui émerge du prisme est étalé et présente les différentes couleurs de l’arc-en-ciel
(rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet).
-
La lumière rouge est moins déviée que la lumière violette.
Conclusion :
- Le prisme dévie et décompose la lumière blanche en lumières colorées du rouge au violet. C'est un
phénomène de dispersion.
-
-
L'ensemble des couleurs obtenues constitue le spectre de la lumière blanche.
-
Le spectre est continu du rouge au violet.
2
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- La lumière blanche est constituée de plusieurs couleurs ou radiations : c’est une lumière
polychromatique.
-
Arc en Ciel :
2)- Expérience avec la lumière émise par un Laser.
Expérience : on éclaire une fente avec un faisceau laser et on envoie le faisceau obtenu sur la face
d’un prisme.
Observation : le faisceau laser est dévié et le spectre ne comporte qu’une seule couleur, la couleur
rouge initiale.
-
3
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Conclusion : la lumière produite par un laser est constituée d’une seule radiation, elle est
monochromatique.
-
3)- Radiation et longueur d’onde.
-
Une lumière monochromatique ne peut être décomposée par un prisme.
C’est une radiation lumineuse qui est caractérisée par sa longueur d’onde λ (lambda) dans le vide ou
l’air. Son unité légale est le mètre (m).
- Le laser rouge utilisé au lycée est une radiation de longueur d’onde λ = 633 nm. C’est une lumière
monochromatique.
Remarque : une lumière complexe ou polychromatique est un mélange de plusieurs radiations. Elle
n’est pas caractérisée par une longueur d’onde. On lui associe une plage de longueurs d’onde.
-
4)- Domaine du visible.
L’œil humain n’est sensible qu’aux radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400
nm et 800 nm.
-
4
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La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations visibles par l’œil humain.
II- Lumière émise et température d’une source.
1)- Analyse de la lumière émise par une lampe (6 V)
Montage : brancher la lampe aux bornes du générateur (alimentation ajustable).
-
Régler la tension sur zéro puis mettre le générateur sous tension.
-
Augmenter la tension tout en observant avec le spectroscope la lumière émise par la lampe.
-
Attention : ne pas dépasser 6V.
2)- Observations et conclusion.
-
Quelle influence a la variation de tension sur la lampe ?
Lorsque la tension augmente, l’éclat de la lampe augmente aussi. Au départ, la lumière est jaune puis
devient blanche.
-
Quelle est la conséquence de cette variation sur les spectres observés ?
-
Le spectre devient plus lumineux et il s’étale vers le bleu et le violet.
-
De quelle grandeur physique dépend ces changements ?
- Le spectre d’un corps incandescent dépend de la température de ce corps. Plus le corps est chaud et
plus le spectre s’étend vers le violet.
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-
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Le spectre de la lumière émise par un corps chaud dépend de sa température.
III- Spectres d’émission et d’absorption d’une entité chimique.
1)- Spectres d’émission :
a)-
Expérience :
On analyse à l’aide du spectroscope la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure puis une
lampe à vapeur de sodium.
La lampe à vapeur de mercure contient des atomes (Hg) de mercure sous faible pression. Ces atomes
subissent des décharges électriques et sont excités.
-
La lampe à vapeur de sodium contient des atomes de sodium (Na). Eux aussi subissent des
décharges électriques et sont excités.
-
Spectre de la lampe à vapeur de mercure :
Longueurs d’ondes (les plus visibles) : 615 nm, 580 nm, 579 nm, 577 nm, 546 nm, 492 nm, 436 nm,
405 nm (que l’on devrait voir)
-
6
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Spectre de la lampe à vapeur de sodium :
Le doublet du sodium : radiations jaunes de longueur d’onde voisine de 590 nm (en réalité, il s’agit
d’un doublet : 589,0 nm et 589,6 nm)
-
Conclusion :
- Le spectre d’émission d’une entité chimique est constitué de raies colorées sur fond noir. On est en
présence d’un spectre de raies.
b)-
2)- Spectres d’absorption :
Visualisation du tableau des spectres de raies d’absorption.
- Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé une
substance.
a)-
-
LOI DE KIRCHHOFF :
Un gaz froid, à basse pression, s’il est situé entre l’observateur et une source de rayonnement continu,
absorbe certaines longueurs d’onde (ou ‘’couleurs’’), produisant ainsi des raies (ou bandes) sombres
dans le spectre continu. Ces longueurs d’onde sont celles qu’il émettrait s’il était chaud.
-
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Un gaz, à basse pression et à basse température, traversé par une lumière blanche, donne un spectre
d’absorption. Ce spectre est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la
lumière blanche. Ce spectre est caractéristique de la nature chimique d’un atome ou d’un ion.
-
-
Cas de l’Hydrogène :
-
Spectre d’émission :
-
Spectre d’absorption :
Conclusions :
- Une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu’elle est capable d’émettre.
b)-
Les raies d’émission ou d’absorption permettent d’identifier une entité chimique présente dans un
gaz.
-
-
Exemples :
-
Lampe à vapeur de mercure :
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c)-
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Quelques spectres d’émission.
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_abs_em.swf
IV- Applications à l’Astrophysique.
1)- Analyse spectrale de la lumière émise par une étoile.
-
Document : Extrait du spectre visible du Soleil :
9
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-
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La surface chaude des étoiles émet une lumière dont le spectre est continu.
Certaines radiations de cette lumière blanche traversant l’atmosphère de l’étoile sont absorbées par
les atomes qui y sont présents. On obtient le spectre d’absorption de l’étoile.
-
La couleur de l’étoile permet de déterminer sa température de surface.
2)- Profil spectral d’une étoile :
-
Document : Profil spectral de la lumière émise par le Soleil :
10
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http://www.observatoiredetriel.com/astrotheque/FL_spectro.pdf
Le profil spectral d’une étoile est la courbe qui représente l’intensité lumineuse des radiations émises
par cette étoile en fonction de la longueur d’onde.
-
Les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil absorbent certaines radiations
lumineuses. Ceci se traduit par l’apparition de raies sombres dans le spectre de la lumière émise par le
Soleil et par des minima d’intensité lumineuse dans le profil spectral.
-
Les longueurs d’onde correspondantes permettent d’identifier les entités chimiques présentes dans
l’atmosphère du Soleil.
-
La température de surface du Soleil a une influence sur l’allure globale du profil spectral.
La longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse est notée λ max.
-
La valeur de λ max diminue lorsque la température de surface de l’étoile augmente.
-
Une étoile bleue est plus chaude qu’une étoile rouge.
-
Le profil spectral de la lumière émise par le Soleil permet de déterminer la valeur de λ max.
-
λ max = 480 nm.
-
Cette valeur permet de déterminer la valeur de la température de la surface du Soleil.
-
Cette température est voisine de 5700 °C.
D’autre part, les minima d’absorption montrent que l’atmosphère du Soleil contient essentiellement
de l’hydrogène et de l’hélium.
-
3)- Conclusions
-
L’analyse de la lumière provenant d’une étoile permet de connaitre :
-
Sa température de surface
-
La composition chimique de son atmosphère.
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V- Applications :
1)- Étude d’un document.
a)- Détermination des longueurs d’onde de certaines raies d’absorption dans une partie du
spectre du Soleil
- « Dès 1814, le physicien allemand Fraunhofer remarque la présence de raies noires dans le spectre du
Soleil. Kirchhoff mesure la longueur d’onde de plusieurs milliers de ces raies et montre qu’elles
coïncident avec celles émises par diverses entités chimiques : hydrogène, calcium, cuivre, fer, zinc, …Il
publie, en 1861, le premier atlas du système Solaire. »
-
Le document fourni, représente :
En noir et blanc, un extrait du spectre visible du Soleil. Les principales raies d’absorption (repérées
par un numéro) sont représentées par un trait noir.
-
Un extrait du spectre de raies de l’argon obtenu avec le même spectroscope. Ces raies servent de
référence de longueur d’onde.
-
Le but de l’exercice est de déterminer les longueurs d’onde de certaines raies d’absorption dans une
partie du spectre du Soleil.
-
On va identifier certaines entités chimiques présentes dans la chromosphère, enveloppe gazeuse qui
entoure le Soleil.
-
Document en couleur :
Les deux spectres ont été obtenus avec le même spectroscope à réseau. Dans ce cas, la distance entre
deux raies, mesurée sur le spectre, est proportionnelle à la différence entre les longueurs d’onde
correspondantes.
-
b)-
Exploitation du document.
Étude du spectre de l’argon.
Mesurer la distance L, en mm, entre la raie d’émission de 390 nm et les autres raies d’émission.
Compléter le tableau 1 :
Longueur d’onde λ
en nm
Distance L
en mm
-
390
404
430
451
470
519
545
0
14,5
43,5
67
88,5
142,5
172,5
Étude du spectre du Soleil.
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Mesurer les distances L, en mm, entre la raie d’émission de 390 nm et les différentes raies
d’absorption du spectre du Soleil. Remplir la ligne correspondante du tableau 2.
numér
o
Distan
ce L
en
mm
1
3
2
6
,
5
3
4
2
2
3
5
5
48
,5
6
7
5
3
8
5
8
9
1
0
1
1
12
13
14
1
5
10
6,5
1
1
3
1
1
7
1
2
0
14
0,5
15
1,5
15
8,5
1
6
3
Longu
eur
d’ond
eλ
en nm
c)-
Questions.
Que représentent les raies noires dans le spectre du Soleil de Fraunhofer ?
L’atmosphère du Soleil contient des éléments chimiques. La partie haute de l’atmosphère absorbe une
partie de la lumière émise dans la partie basse. Il en résulte des raies d’absorption dans le spectre
continu. Ce sont les raies d’absorption des éléments chimiques présents dans l’atmosphère du Soleil.
-
- Si le Soleil ne comportait pas d’atmosphère, le spectre de la lumière émise serait continu. L’existence
des raies d’absorption est due à la présence d’une atmosphère autour du Soleil, appelée chromosphère.
Le gaz présent est principalement de l’hydrogène. On trouve aussi des ions He+, Ca2+, Fe2+, … La partie
haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière émise dans la partie basse.
Quel est l’intérêt des travaux de Fraunhofer et de Kirchhoff ?
Les travaux de Fraunhofer et Kirchhoff ont permis de connaître la composition de l’atmosphère du
Soleil.
-
Un spectre d’émission ou d’absorption est caractéristique des atomes ou des ions.
Un spectre de raies d’émission ou d’absorption permet d’identifier une entité chimique (atome ou
ion). C’est sa carte d’identité, sa signature.
-
À quoi sert le spectre de l’argon ?
-
Le spectre de l’argon sert de référence. Il permet de connaître la relation λ = f (L).
Expliquer la différence de nature qui existe entre les deux spectres.
Le spectre de l’argon est un spectre de raies d’émission. Le spectre de la chromosphère est un spectre
d’absorption.
-
Tracer sur papier millimétré, le graphique donnant la longueur d’onde λ en fonction de L pour les
raies d’émission de l’argon. En déduire une relation simple entre ces deux grandeurs.
13
Sciences physiques
Longueur d’onde λ
en nm
390
404
430
451
470
519
545
0
14,5
43,5
67
88,5
142,5
172,5
Distance L
en mm
-
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λ (nm) ≈ 0,90 L (mm) + 390
Compléter la dernière ligne du tableau 2.
Numéro
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Distance
L
en mm
Longueu
r d’onde
λ
en nm
14
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Numéro
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Distance
L
3
6,5
22
35
48,5
53
85
106,
5
113
117
120
140,
5
151,
5
158,
5
163
Longueu
r d’onde
λ
363,
3
396,
5
410,
4
422,
1
434,
2
438,
2
466,
5
486,
2
492,
1
495,
7
498,
4
516,
8
526,
6
532,
9
537 ,
0
en nm
363
397
410
422
434
438
467
486
492
496
498
517
527
533
537
en mm
À partir des données figurant dans le tableau ci-dessous, associer à chaque raie d’absorption l’élément chimique présent dans l’atmosphère du
Soleil.
Élément
chimique
Longueurs d’onde λ en nm de certaines raies caractéristiques
H
410,3
434,2
Na
589,0
589,6
Mg
470,3
516,7
Ca
396,8
Fe
484,1
556,3
422,7
458,2
526,2
527,0
438,3
489,1
491,9
495,7
532,8
Ti
466,8
469,1
498,2
Mn
403,6
Ni
508,0
537,1
539,7
15
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Document.
2)- QCM :
16
Sciences physiques
Énoncé
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A
B
C
Réponse
Le spectre de la lumière
blanche
Le spectre d’une lumière
monochromatique
Le spectre d’une lumière
polychromatique
AC
L’image suivante représente :
1
2
Une lumière colorée
monochromatique est appelée :
Une irradiation
Une radiation
Une coloration
B
3
Plus le spectre d’une source
lumineuse s’enrichit vers les
courtes longueurs d’onde et plus
cette source est :
Froide
Chaude
Éloignée
B
4
Une entité chimique gazeuse,
sous faible pression, est éclairée
par de la lumière blanche. Le
spectre de la lumière ayant
traversé ce gaz est :
Caractéristique de cette de cette
entité chimique
Constitué de raies noires sur
fond coloré
Appelé un spectre d’émission
AB
Voici le spectre d'émission de
l’hydrogène.
5
A
Quel est son spectre d’émission ?
Les profils spectraux de 3 étoiles sont schématisés ci-dessous et seront utilisés pour les questions 6 à 9.
17
Sciences physiques
6
Le profil spectral d’une étoile
permet de connaître :
7
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Sa composition chimique
Sa température
Sa masse
AB
L’étoile la plus chaude
A
B
C
B
8
Une de ces étoiles est blanche.
C’est l’étoile :
A
B
C
C
9
Chaque minimum d’intensité
lumineuse correspond à :
Une émission
Une absorption
Une température
B
10
Le Soleil est principalement
composé :
D’hydrogène et d’oxygène
D’hydrogène et de carbone
D’hydrogène et d’hélium
C
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3)- Exercices : 3, 5, 7, 9, 13, 14, 17.
a)- Exercice 3 : Associer couleur et longueur d’onde.
b)-
Exercice 5 : Du spectre au montage.
c)-
Exercice 7 : Spectre du lithium.
d)-
Exercice 9 : Profil spectral d’une étoile.
e)-
Exercice 13 : Sources lumineuses et spectres.
f)-
Exercice 14 : Loi de Wien
g)-
Exercice 17 : Oh, be a fine girl, kiss me.
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