Messages de la lumière. 1. Le prisme : un système dispersif 2. Les spectres d émission et d absorption 3. Application à l astrophysique

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1 Messages de la lumière 1. Le prisme : un système dispersif 2. Les spectres d émission et d absorption 3. Application à l astrophysique

2 1. Le prisme : un système dispersif 1. Décomposition de la lumière par un prisme Newton a été le premier a décomposer la lumière par un prisme. Des lentilles convergentes Une fente Le spectre Source lumineuse (par ex. le soleil) Cette expérience a été réalisée en 1666

3 1. Le prisme : un système dispersif 1. Décomposition de la lumière par un prisme De combien de couleurs est constitué le spectre suivant? Une infinité La bonne réponse est la réponse 3 : une infinité

4 I. Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer qu un prisme disperse la lumière? 2.1. Lois de Descartes sur la réfraction Air Normale Première loi de Descartes : Angle d incidence i Rayon incident Rayon réfracté Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le même plan. Deuxième loi de Descartes : Verre Angle de réfraction r Le sinus de l angle de réfraction r et le sinus de l angle d incidence i sont proportionnels. sin i = n sin r Le coefficient de proportionnalité n est l indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté

5 I. Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer qu un prisme disperse la lumière? 2.2. Caractérisation d une radiation monochromatique. Une radiation monochromatique est une lumière qui ne peut pas être décomposée par un prisme (ex : la lumière émise par un laser) Une radiation monochromatique est caractérisée par sa longueur d onde λ.

6 I. Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer qu un prisme disperse la lumière? 2.3. Variation de l indice d un milieu transparent selon la radiation (l un étant l air). Le trajet de la lumière à travers un prisme n est pas le même selon sa couleur. Le trajet dépend de l indice du milieu. Classer par ordre croissant les indices du milieu correspondant à chaque longueur d onde. Réponse : n rouge < n jaune < n vert < n violet la radiation violette est plus déviée que la radiation rouge (c est à dire que le rayon réfracté se rapproche plus de la normale). avec sin i rouge = sin i violet = constante on a sin i rouge / sin r rouge < sin i violet / sin r violet donc n rouge < n violet

7 II. Les spectres d émission et d absorption 1. Les spectres d émission 1.1. Les spectres d émission continus Exemple de spectres d émission continus. Le spectre d émission de la lumière blanche émise par une étoile est un spectre d émission continu. Le spectre d émission de la lumière émise par une lampe à incandescence est un spectre d émission continu.

8 II. Les spectres d émission et d absorption 1. Les spectres d émission 1.1. Les spectres d émission continus Origine des spectres d émission continus. Quelle est le point commun entre les deux sources lumineuses précédentes? Réponse : Les deux sources lumineuses ont une origine thermique, leur spectre aussi. Si la température de l étoile était plus élevée, le spectre s enrichirait-il en violet ou en rouge? Réponse : Elle s enrichirait en violet. Proposer une expérience simple utilisant une lampe à incandescence afin de mettre en évidence l enrichissement en violet du spectre. Réponse : On alimente une lampe à incandescence avec une source de tension ajustable. On augmente progressivement la tension d alimentation de la lampe jusqu à atteindre sa tension nominale. Le spectre de la lampe sous-alimentée ne présente pas de violet. Le spectre de la lampe correctement alimentée présente l ensemble des radiations du spectre visible.

9 II. Les spectres d émission et d absorption 1. Les spectres d émission 1.2. Les spectres d émission discontinus Exemple de spectres d émission discontinus. Le spectre d émission d un gaz (ex : vapeur de mercure) est un spectre d émission discontinu.

10 II. Les spectres d émission et d absorption 1. Les spectres d émission 1.2. Les spectres d émission discontinus Un spectre de raies : la «signature» d un élément. Ex : Raies du sodium La double raie du sodium (589 nm et 589,6 nm) caractérise cet élément chimique

11 II. Les spectres d émission et d absorption 2. Les spectres d absorption 2.1. Exemple de spectre d absorption Raies d absorption Un spectre d absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé cette substance.

12 II. Les spectres d émission et d absorption 2. Les spectres d absorption 2.2. Bandes d absorption d une solution colorée Quelles sont les couleurs absorbées? Spectre d absorption d un sirop de menthe Spectre continu de la lumière blanche (pour comparaison) Réponse : Violet bleu foncé et orange - rouge Quelle sont les couleurs qui ne sont pas absorbées? Réponse : bleu clair vert - jaune Quelle est alors la couleur d un sirop de menthe? Réponse : vert

13 II. Les spectres d émission et d absorption 2. Les spectres d absorption 2.3. Raies d absorption caractéristiques d un atome ou d un ion. Spectre d absorption (lampe à vapeur de sodium) 2 raies très proches Longueur d onde (nm) : 589,0 589,6 Les raies d absorption caractérisent un élément chimique

14 II. Les spectres d émission et d absorption 3. Les spectres : On fait le bilan? Attribuer à chaque spectre les situations expérimentales correspondantes (1) (A) (2) (B) (3) (C)

15 II. Les spectres d émission et d absorption 3. Les spectres d absorption : On fait le bilan? Réponse : (1) (B) (2) (C) (3) (A)

16 III. Application à l astrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de s y rendre Quelques infos. Betelgeuse est une étoile de la constellation d Orion. C est elle! Elle est située à 427 années-lumière. Il s agit d une géante rouge Comparer sa taille avec celle de l orbite de Jupiter!

17 III. Application à l astrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de s y rendre Analyse du spectre continu d une étoile. L analyse du spectre d émission continu d origine thermique nous permet de déterminer la température à la surface de l étoile. L intensité lumineuse est maximale pour une longueur d onde donnée λ qui est liée à la température de la surface de l étoile. Par ex. pour Betelgeuse λ = 906 nm (I. R) qui correspond à une température égale à T = K.

18 III. Application à l astrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de s y rendre Analyse du spectre de raies de Betelgeuse. λ (10-10 m) Le spectre de raies se superpose au spectre continu de l étoile. Il est dû à la présence d espèces chimiques dans la couche gazeuse externe relativement froide de l étoile. S agit-il alors d un spectre de raies d émission ou d absorption? Réponse : Il s agit d un spectre de raies d absorption.

19 III. Application à l astrophysique 2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère d une étoile. Il faut disposer du spectre d absorption de l étoile. Il faut identifier les éléments chimiques à partir d un tableau de données sur les longueurs d onde de leurs raies d absorption ou d un spectre de référence mis en coïncidence

20 III. Application à l astrophysique 2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère d une étoile. suite Il faut établir la relation de proportionnalité entre l écart entre deux raies et l écarts entre deux longueurs d onde d = 3 cm Soit λ = k d 19,4 nm 687,1 667,7 = 19,4 nm avec k = 6,46 nm / cm alors λ = 6,46 d

21 III. Application à l astrophysique 2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère d une étoile. suite Identifions l élément chimique correspondant à la raie d absorption suivante : On mesure à la règle une distance d = 2,35 cm entre les deux raies suivantes Soit λ = 6,26 x 2,35 = 14,7 nm Alors λ X = 641,6 + 14,7 = 656,3 nm

22 III. Application à l astrophysique 2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère d une étoile. suite Utilisons alors une table de données Données pour l Hydrogène : 410,3 nm / 434,2 nm / 486,1 nm / 656,3 nm On constate que l une des longueurs d onde correspond à celle trouvée précédemment 656,3 nm Alors la raie d absorption étudiée correspond à l élément hydrogène

23 Le spectre vous dit à bientôt!!!

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