Activité Documentaire n 1 Chapitre 1 : Ondes et matière Différentes sources de rayonnements Partie 2

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1 Activité Documentaire n 1 Chapitre 1 : Ondes et matière Différentes sources de rayonnements Partie 2 II)Rayonnements et particules 10) Rappeler l'intervalle des longueurs d'ondes visibles par l'oeil humain nm 11) Compléter le tableau ci-dessous, en donnant, pour chaque rayonnement ELM, les sources caractéristiques :

2 Sources célestes Rγ Rx UV Visible IR µondes Radio Trous noirs Naines blanches, Quasars Etoiles Etoiles, Nébuleuses Etoiles Poussières inter - stellaires Pulsars Sources Terrestres Réactions nucléaires Radiographie X Lampes à bronzer, lumière "noire" Flammes, lasers, ampoules à filament... Sources de chaleur Fours à µ- ondes... TV, Wifi, GPS, téléphonie... 12) Quel est, selon vous, l'intérêt d'observer l'univers dans d'autres domaines de rayonnement que le visible? Le visible correspond à ce que l'on voit à l'oeil nu, mais le tableau précédent nous montre directement qu'il existe des objets célestes invisibles à l'oeil nu, précisément, donc "observer" (qui devient un terme impropre, analyser serait plus rigoureux) dans d'autres domaines de rayonnement permet d'étudier ces corps célestes, dans toute leur diversité et donc aussi de détecter de nouveaux objets célestes, et donc aussi de les répertorier (faire une cartographie complète du ciel).

3 D A C B 13) Interpréter l'axe des ordonnées du graphique du document % d'opacité indique ou signifie 0% de transparence, donc l'axe des ordonnées augmente avec la perte de transparence, donc reflète l'absorption réalisée par l'atmosphère des rayonnements de longueur d'ondes spécifiées en abscisses. 14) Quels types d'ondes ELM peuvent traverser facilement l'atmosphère terrestre? Pour savoir quelles ondes ELM traversent l'atmosphère, il faut chercher celles qui ne sont pas ou seulement partiellement absorbées, donc sur le graphique, chercher les "bandes" ou domaines qui ont une ordonnée relativement basse soit : Visible Proche IR Bande médiane des IR Bande haute des Micro-ondes Bande basses des Radiofréquences 15) En déduire ceux qui restent inaccessibles depuis la surface terrestre. Les rayons Gamma, X, les UV, une grande partie des IR et micro-ondes, ainsi qu'une partie des Radiofréquences ne parviennent pas sur Terre.

4 16) Donner des exemple d'ondes d'origine terrestre perturbant la radiodétection. Les ondes radio sont essentiellement issues d'appareils comme : TV, radio, Wifi, GPS, téléphonie, CB... 17) Comment les scientifiques et astrophysiciens limitent ils cette gêne dans la radiodétection? En s'éloignant des sources! Donc loin des structures urbaines et si possible aussi en altitude, car alors, si on vise le ciel, on ne pointe plus en direction des sources émettrices plus basses : le désert, les montagnes sont des lieux privilégiés! 18) Comment observer les rayonnements inaccessibles depuis la surface terrestre? Aller directement dans l'espace, via des télescopes spatiaux ou monter au moins en altitude le plus possible. L'espace est idéal car il n'est plus soumis aux variations météorologiques et de température, qui modifient les couches d'air et provoquent des perturbations de mesure... 19) Associer les lettres A, B... du Document 3 au tableau du Document 4, permettant de savoir quel capteur est utilisé pour observer tel type de rayonnement. Voir Document 4. 20) Quelle information du texte est illustrée dans le Document 6? Que se passe t-il au point A? "Si l'énergie apportée par la particule est suffisante, les produits de ces transformations interagissent à leur tour avec le milieu et il se produit finalement une gerbe de particules secondaires qui finissent par atteindre le sol."

5 Au point A est représenté, précisément, l'ensemble des interactions et transformations possibles, qui se termine en "gerbe" de particules produites, dans de nombreuses directions... 21) Trouver des avantages aux accélérateurs de particules par rapport aux rayons cosmiques pour étudier et expérimenter sur les particules. Travailler avec un accélérateur de particules permet de contrôler la vitesse des particules manipulées, donc de contrôler la violence des collisions et donc d'orienter certaines transformations et pas d'autres... (à haute énergie, on peut casser un noyau, par exemple, à plus haute énergie encore, casser les nucléons en quarks...) Il n'est pas nécessaire d'aller en altitude! Il n'est pas nécessaire d'attendre qu'il se passe quelque chose, en accélérateur, le déclenchement est contrôlé. L'étude des particules accélérées par l'accélérateur se font sur de petite régions de l'espace faciles à déceler, contrairement aux réactions atmosphères, difficilement localisables, sur plusieurs km 3. (... mais ça coûte EXTREMEMENT cher!) 22) Quelles informations peut-on tirer de l'étude des particules cosmiques? L'intérêt propre des particules cosmiques est d'abord, en fonction de leur provenance, de comprendre le mode de production par certains corps célestes de ces particules, mais aussi d'étudier notre environnement céleste (voie lactée, présence de nébuleuse, trous noirs), proche et plus lointain. Cette "récolte" de particules provenant du grand lointain est aussi ce qui nous permet d'étudier les débuts de l'univers, donc de se rapprocher un peu de cet événement fondateur qu'est le Big-Bang... III) Un exemple de détecteur de particules : le photomultiplicateur

6 23) Quelle semble être le principe central de fonctionnement de cet appareil? Celui de capter des particules (photons) caractéristiques des rayonnements ELM, même en faible quantité ("lumière réduite") et d'amplifier ce signal de réception, sous la forme d'électrons dont le nombre augmente grâce au multiplicateur d'électrons, et donc production d'un courant électrique. Il s'agit donc d'une conversion d'énergie lumineuse en énergie électrique.

7 24) Quel est l'organe de cet appareil susceptible de subir un effet photoélectrique? La photocathode uniquement, car c'est le seul endroit du tube PM qui transforme un ou des photons en flux d'électrons, arrachés à la matière. Ensuite, le nombre d'électrons augmente, mais il n'y a plus intervention de photons à l'intérieur du tube. 25) Afin d'éjecter 1 électron d'une structure, un photon doit être absorbé par un électron en lui fournissant une énergie E ph supérieure à l'énergie appelée "travail d'extraction" propre à chaque type d'atome, dont on donne quelques valeurs ci-dessous : Atome Na Ag Si C Au Travail d'extraction 2,7 ev 4,3 ev 4,8 ev 5,0 ev 5,1 ev a) Quelle est la longueur d'onde d'une radiation lumineuse susceptible d'arracher un électron d'une plaque d'or? λ = h.c/e = (6, * 3, ) / (5,1 * 1, ) = 2, m = 240 nm b) Dans quel domaine se situe cette longueur d'onde? Dans les UV. 26) L'ensemble de dynodes constitue ce qu'on appelle un électromultiplicateur : quel est son rôle? De produire à chaque dynode des électrons de moindre énergie mais en plus grand nombre que ceux reçus de la dynode précédente, c'est en cela qu'il y a multiplication du nombre d'électrons, mais à énergie constante globale : l'électron initial a autant d'énergie que les X électrons produits à la fin... car le tube est en principe vide, pour ne voir interagir ces électrons produits avec d'autres matières que les dynodes... 27) Un laser Hélium-Néon émet un faisceau de lumière de puissance P = 0,10 W, de longueur d'onde 633 nm : a) Quelle est la couleur visible de ce laser? Rouge. b) Déterminer le nombre de photons moyen émis par ce laser à chaque minute. Justifier les calculs. De la relation du Document 3, on tire : N = P * (Δt / E) = P * (Δt * λ / h.c) = 0,10 * (60 * / (6, * 3, ) ) = 1, photons émis en 1 minute (60 s)

8 c) Le photomultiplicateur est il, d'après vous, adapté pour l'étude de cette source de lumière? Justifier. Le temps de réponse de ce tube PM est de 10-9 s, ce qui signifie qu'il lui faut, entre 2 réceptions de photons, au moins 10-9 s, pour les "traiter". Donc en une minute, il pourrait traiter : N theo = 60 / 10-9 = photons, ce qui reste très inférieur aux 1, photons émis par le laser... donc, non, ce tube PM n'est pas adapté (et c'est normal, n'oublions pas qu'un tube PM récolte de la lumière "réduite", c'est à dire très peu intense, tout le contraire d'un laser qui émet une lumière concentrée!) Données : c = 3, m.s -1 h = 6, J.s 1 W = 1 J.s -1 1 ev = 1, J