Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

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1 Chapitre 02 La lumière des étoiles. I- Lumière monochromatique et lumière polychromatique. )- Expérience de Newton ( ). 2)- Expérience avec la lumière émise par un Laser. 3)- Radiation et longueur d onde. 4)- Domaine du visible. II- Lumière émise et température d une source. )- Analyse de la lumière émise par une lampe (6 V) 2)- Observations et conclusion. III- Spectres d émission et d absorption d une entité chimique. )- Spectres d émission : 2)- Spectres d absorption : V- Applications : )- Étude d un document. 2)- QCM : QCM Questy 3)- Exercices : 3,, 7, 9, 3, 4, 7. IV- Applications à l Astrophysique. )- 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. b)- Exercice : Du spectre au montage. c)- Exercice 7 : Spectre du lithium. d)- Exercice 9 : Profil spectral d une étoile. e)- Exercice 3 : Sources lumineuses et spectres. f)- g)- Exercice 4 : Loi de Wien Exercice 7 : Oh, be a fine girl, kiss me.

2 I- Lumière monochromatique et lumière polychromatique. )- Expérience de Newton ( ). 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

3 - 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

4 - 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

5 - La lumière blanche est un mélange de toutes les radiations visibles par l œil humain. II- Lumière émise et température d une source. )- 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.

6 - 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. )- 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) : 6 nm, 80 nm, 79 nm, 77 nm, 46 nm, 492 nm, 436 nm, 40 nm (que l on devrait voir) 6

7 - Spectre de la lampe à vapeur de sodium : - Le doublet du sodium : radiations jaunes de longueur d onde voisine de 90 nm (en réalité, il s agit d un doublet : 89,0 nm et 89,6 nm) b)- 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. 2)- Spectres d absorption : a)- 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. - 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. 7

8 - 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 : b)- Conclusions : - Une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu elle est capable d émettre. - Les raies d émission ou d absorption permettent d identifier une entité chimique présente dans un gaz. - Exemples : - Lampe à vapeur de mercure : 8

9 c)- Quelques spectres d émission. IV- Applications à l Astrophysique. )- Analyse spectrale de la lumière émise par une étoile. - Document : Extrait du spectre visible du Soleil : 9

10 - 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 : 0

11 - 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 700 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.

12 V- Applications : )- Étude d un document. a)- Détermination des longueurs d onde de certaines raies d absorption dans une partie du spectre du Soleil - «Dès 84, 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 86, 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 : Longueur d onde λ en nm Distance L en mm , 43, 67 88, 42, 72, - Étude du spectre du Soleil. 2

13 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 3 6, , , ,, 8, 6 3 Longu eur d ond e λ 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 +, Ca 2+, Fe 2+, 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. 3

14 Longueur d onde λ en nm Distance L en mm , 43, 67 88, 42, 72, - λ (nm) 0,90 L (mm) Compléter la dernière ligne du tableau 2. Numéro Distance L en mm Longueu r d onde λ en nm 4

15 Numéro Distance L en mm 3 6, , , ,, 8, 63 Longueu r d onde λ en nm 363, 3 396, 40, 4 422, 434, 2 438, 2 466, 486, , 49, 7 498, 4 6, 8 26, 6 32, 9 37, 0 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 40,3 434,2 484, 6,3 Na 89,0 89,6 Mg 470,3 6,7 Ca 396,8 422,7 48,2 26,2 27,0 Fe 438,3 489, 49,9 49,7 32,8 37, 39,7 Ti 466,8 469, 498,2 Mn 403,6 Ni 08,0

16 Document. 2)- QCM : 6

17 Énoncé A B C Réponse L image suivante représente : Le spectre de la lumière blanche Le spectre d une lumière monochromatique Le spectre d une lumière polychromatique AC 2 3 Une lumière colorée monochromatique est appelée : Plus le spectre d une source lumineuse s enrichit vers les courtes longueurs d onde et plus cette source est : Une irradiation Une radiation Une coloration B 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. 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. 7

18 6 Le profil spectral d une étoile permet de connaître : Sa composition chimique Sa température Sa masse AB 7 L étoile la plus chaude A B C B Une de ces étoiles est blanche. C est l étoile : Chaque minimum d intensité lumineuse correspond à : Le Soleil est principalement composé : A B C C Une émission Une absorption Une température B D hydrogène et d oxygène D hydrogène et de carbone D hydrogène et d hélium C 8

19 3)- Exercices : 3,, 7, 9, 3, 4, 7. a)- Exercice 3 : Associer couleur et longueur d onde. b)- Exercice : Du spectre au montage. c)- Exercice 7 : Spectre du lithium. d)- Exercice 9 : Profil spectral d une étoile. e)- Exercice 3 : Sources lumineuses et spectres. f)- Exercice 4 : Loi de Wien g)- Exercice 7 : Oh, be a fine girl, kiss me. 9

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