Application à l astrophysique ACTIVITE

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1 Application à l astrophysique Seconde ACTIVITE I ) But : Le but de l activité est de donner quelques exemples d'utilisations pratiques de l analyse spectrale permettant de connaître un peu mieux les étoiles. Soit, comment utiliser la lumière reçue d une étoile pour déterminer certaines de ses caractéristiques? ( température, éléments constituant son atmosphère etc. ) II ) Aspect théorique : 1 ) Les lois de Kirchoff : Ce sont des lois relatives à l émission ou à l absorption de lumière par la matière : Un gaz à pression élevée, un liquide ou un solide, s ils sont chauffés, émettent un rayonnement dit thermique dont le spectre est continu et contient toutes les longueurs d onde. Un gaz chaud, à basse pression, émet un rayonnement uniquement pour certaines longueurs d onde bien spécifiques : le spectre de ce gaz présente des raies d émission. Un gaz froid, à basse pression, s il est situé entre l observateur et une source de rayonnement continu, absorbe à certaines longueurs d onde, produisant ainsi des raies ( ou bandes ) noires d absorption dans le spectre continu. Ces longueurs d onde sont celles qu il émettrait s il était chaud.

2 2 ) Informations contenues dans le spectre de lumière d'une étoile. Un spectre de lumière provenant d'une étoile nous renseigne : - sur la température de l étoile : plus une étoile est chaude, plus son spectre s étend sur le violet. On en déduit, de cette manière, la température de surface de l étoile. - sur la composition chimique de l étoile : les raies d absorption du spectre continu d une étoile permettent de déterminer la nature des éléments présents dans les couches superficielles de l étoile (où ces éléments existent à l état atomique). De plus, ces raies d absorption caractéristiques d un élément sont d autant plus noires que cet élément est présent en plus grande quantité. III ) Applications : 1 ) Etude d un spectre de lumière. a ) Les fonds continus des spectres de trois étoiles différentes sont les suivants : Etoile 1 rouge orange jaune vert bleu violet Etoile 2 Etoile 3 Classer ces étoiles par température de surface croissante. Plus une étoile a une température de surface importante, plus son spectre s étend vers les radiations bleues violettes ; Donc par ordre de température de surface croissante, nous aurons : l étoile 1, puis l étoile 2 et enfin, l étoile 3.

3 b ) L observation du spectre de la lumière provenant d une étoile mystérieuse donne : rouge orange jaune vert bleu violet On sait que la couche superficielle de cette étoile n est constituée que d un seul élément, X ou Y. Les spectres d émission de ces éléments sont connus et donnés cidessous. Quel est celui contenu dans la couche qui entoure l étoile? X rouge jaune vert bleu Y rouge orange jaune vert bleu violet Chacune des raies noires du spectre d absorption de l étoile mystérieuse correspond à une raie colorée du spectre d émission de l élément Y : donc l élément Y est contenu dans la couche qui entoure l étoile mystérieuse. 2 ) Analyse du spectre solaire : a ) Présentation : Le rayonnement émis par la surface des étoiles est assimilable, en première approximation, au rayonnement d un corps à température élevée. Le spectre de ce rayonnement est généralement centré dans le visible et s étend parfois dans l ultra violet ou l'infra rouge. Le Soleil et les étoiles émettent un spectre continu : on en déduit que les étoiles, en surface, sont constituées de gaz. Leur température est en effet trop élevée pour qu elles soient solides ou liquides. Le document 1 représente les raies ou les bandes d absorption présentes dans le spectre de la lumière solaire reçue sur Terre.

4 Les longueurs d ondes sont données en nanomètre. Les principales raies d absorption ( les plus intenses ) sont désignées par des lettres ou des repères placés sous le spectre. b ) Données expérimentales : Le document 2 est un tableau des principales raies spectrales, situées dans le domaine du visible, pour certains des atomes les plus utilisés en astrophysique. c ) Exploitation : Identifier les principaux éléments responsables des principales raies d absorptions présentes dans le spectre de la lumière solaire. Principaux éléments responsables des principales raies d absorptions présentes dans le spectre de la lumière solaire : Ca ; H ; Fe ; Mg ; Na Y a-t-il une anomalie dans le spectre analysé? Oui, car la bande d absorption B ne correspond à aucun élément chimique ; La bande ( B ) située à l extrémité du rouge du spectre du soleil ( document 1 ) correspond à une absorption par le dioxygène moléculaire. Y aurait-il du dioxygène à la surface du Soleil? Mais comment une telle molécule pourrait-elle exister à cette température? Non, c est impossible : à cette température, l élément oxygène serait présent sous forme atomique ( à l état gazeux ) ; Comment peut-on interpréter la présence de cette bande d absorption? Ce spectre est obtenu à partir d une observation terrestre ; la bande d absorption B correspond à du dioxygène atmosphérique ( à la surface de la Terre ) ;

5 Document 1 Spectre de la lumière solaire (raies et bandes d absorption)

6 Document 2 Tableau de quelques raies spectrales situées dans le domaine visible Classement par longueurs d ondes croissantes (nm) coule ur atome ou ion (nm) couleur atome ou ion U. He Vert Fe Violet U. Ca Vert Mg Violet U. Ca Vert Mg Violet Violet Mn Vert Cu Violet Fe Vert Fe Violet K Vert Ne Violet Hg Vert Hg Violet K Vert Ba Violet Fe Vert N Violet Fe Vert Cu Violet Sr Jaune Hg Violet N Jaune Ba Violet H Jaune K Violet N Jaune Hg Violet Ca Jaune K Violet N Jaune K Indigo Cr Jaune Ne Indigo Cr Jaune Ne Indigo Cr Jaune Ca Indigo Fe Orange He Indigo H Orange Na Indigo Hg Orange Na Indigo Fe Orange Li Indigo Fe Orange Ca

7 442.7 Indigo Fe Orange Ba Indigo N Orange Ca Indigo Ca Orange Fe Indigo He Orange Zn Indigo Ba Orange Ne Indigo Cs Sr Indigo Sr Cd Indigo N Ca Bleu Zn Ca Bleu He H Bleu Zn He Bleu Cd Li Bleu Zn Ca Bleu H K Vert He K Vert Ba Inf He Vert Li Inf Ca Vert He Inf Ca Vert N Inf K Vert He Inf K Vert Cu Inf Vert Cu Inf Vert Mg raie très intense raie intense Cs Cs