Chapitre 6 : LA LUMIERE DES ETOILES

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1 Thème 2 : L Univers Chapitre 6 : LA LUMIERE DES ETOILES I) LUMIERE ET SPECTROSCOPIE Histoire des sciences : l analyse spectrale 1) Qu est-ce que la lumière? La lumière est un rayonnement émis par un corps. Ce rayonnement est constitué de radiations. Chaque radiation est caractérisée par sa (en hertz, Hz) et sa. λ (lambda), souvent en nanomètre (1 nm = m). La lumière peut être décomposée en ses différentes radiations grâce à un système dispersif comme le ou le réseau. La figure colorée obtenue s appelle un. Ce phénomène est la..

2 2) Lumière monochromatique et lumière polychromatique Le spectre de la lumière blanche émise par une lampe à incandescence est. ; il s étend du violet au rouge et comporte toutes les couleurs visibles par l œil humain. La lumière blanche est donc composée d une infinité de radiations : elle est polychromatique. Le spectre de la lumière émise par un laser ne contient qu une.. raie colorée. La lumière laser est donc composée d une seule radiation : elle est monochromatique. 3) Spectres d émission et d absorption d une entité chimique Voir TP 10 a) Spectres d émission On appelle spectre d émission le spectre de la lumière directement émise par une source. Le spectre émis par un corps dense et chaud est un spectre.. (bande colorée unique). Lorsque la température du corps augmente, le spectre s enrichit vers le... Les gaz excités sous faible pression émettent de la lumière dont le spectre est composé de. sur fond noir : c est un spectre de raies, il n est pas continu. Chaque entité chimique possède un spectre de raies bien déterminé qui permet de l identifier. spectre d émission du mercure b) Spectres d absorption Le spectre d absorption d une substance est le spectre de la lumière obtenue après traversée de cette substance par la lumière blanche. Lorsqu une lumière blanche (donc une lumière dont le spectre est continu) traverse un gaz sous faible pression, certaines radiations sont. par le gaz ; on observe alors des raies sur le fond.. d un spectre continu. spectre d absorption du mercure Observation : les raies sombres dans le spectre d absorption b occupent les. positions dans le spectre que les raies colorées de son spectre a d émission. Conclusion : une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu elle est capable d..

3 II) LA LUMIERE, MESSAGERE DES ETOILES Voir TP 11 La surface chaude d une étoile (la photosphère) émet de la lumière dont le spectre est. ; La lumière avant de nous parvenir traverse son atmosphère (la chromosphère). Cette couche gazeuse est constituée d ions et d atomes qui absorbent certaines radiations d où la présence de raies. sur le spectre. L analyse de la lumière provenant d une étoile permet de connaître sa.. de surface et la de son atmosphère. TRAVAUX DIRIGES DU CHAPITRE 6 (Première partie) Je connais mon cours LE BILAN DU COURS Mots Clés : lumière blanche, lumière polychromatique, lumière monochromatique, système dispersif, prisme, réseau, spectre, raies, longueur d onde, couleur, spectre d émission, spectre d absorption, = Ce que je dois savoir : Capacité exigible Je sais que la longueur d onde caractérise dans l air et dans le vide une radiation 1 monochromatique. 2 Je suis capable de distinguer les spectres d émission des spectres d absorption. Je suis capable de distinguer les spectres continus d origine thermique des spectres de 3 raies. Je sais qu un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés 4 dépendent de la température (décalage vers le violet quand la température augmente). Je sais qu un spectre d émission de la lumière émise par un élément chimique est 5 caractéristique de cet élément chimique. Je connais un système dispersif (prisme ou réseau) permettant de visualiser des 6 spectres d émission et d absorption. Je sais qu un élément chimique peut seulement absorber les radiations qu il est 7 capable d émettre. Je sais interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de 8 surface et entités chimiques présentes dans l atmosphère de l étoile. Les raies noires correspondent aux radiations absorbées par l atmosphère de l étoile : on peut retrouver ces éléments en comparant aux différents spectres d émission. Dans votre manuel : résumé du cours page 145. Faire les exercices 1 et 2 page 146 (correction page 335).

4 J applique mon cours Dans votre manuel : - Nommer des spectres : exercice 3 p Spectres et température de la source : exercices 4, 5 et 6 p 146 (corrections page 339) - Spectre d absorption d une étoile : exercice 7 p 147 (correction page 339), l exercice résolu page 148 (spectre d une étoile) et l exercice 13 page 149 Exercice 1 : On observe, à l aide d un satellite en orbite autour de la Terre, le spectre de la lumière reçue d une étoile nommée α. On compare ci-contre ce spectre à celui de certains gaz que l on suppose présents dans l atmosphère de cette étoile. a) Comment se nomme la surface lumineuse d une étoile? b) Quel est le type de spectre que l on observe lorsque le satellite décompose la lumière de l étoile α? c) Déduire de ces spectres le ou les gaz présents dans l atmosphère de l étoile α. d) L atmosphère de cette étoile contient-elle d autres gaz que A, B ou C? Justifier. Exercice 2 : On dispose de trois sources lumineuses A, B et C. Lorsqu on décompose la lumière émise par chacune de ces trois sources, on obtient les spectres ci-dessous : Source A Source B Source C Spectre de l étoile α Gaz A Gaz B Gaz C a) Avec quels dispositifs peut-on décomposer une lumière? b) Donner le nom exact de chacun de ces trois spectres. c) Préciser pour chaque source si sa lumière est monochromatique ou polychromatique. d) On sait qu une de ces sources de lumière est un laser, une autre est une lampe à incandescence et la troisième est une lampe à vapeur de mercure. Associer à chacune de ces sources le bon spectre. Exercice 3 : Exercice 4 :

5 Exercice 5 : On donne la courbe d intensité émise, en fonction de la longueur d onde, par un lampadaire halogène. Plus la radiation a une intensité élevée, plus la couleur correspondante est perçue. 1) Que répondre à un élève qui dirait : «un lampadaire halogène, c est comme une lampe à vapeur de mercure : la lumière émise par un élément chimique dont les atomes sont excités par une décharge électrique.»? 2) Parmi les deux courbes A et B ci-dessous, laquelle correspond à une lumière émise par une source de température égale à 5200 C? Et supérieure à 5200 C? Expliquer précisément. Que peut-on alors dire de la température de l ampoule de l halogène? Exercice 6 : Travailler à Capella Un astrophysicien nommé Tournesol observe, à l aide d un télescope, une étoile nommée Capella. Capella est une étoile très brillante située à 42 années de lumière (a.l.) de la Terre dans la constellation du Cocher. A/ La carte d identité de Capella On dispose du spectre de l étoile Capella : 1) Recopier en complétant la phrase suivante : «A travers le télescope, l astrophysicien voit l étoile Capella telle qu elle brillait il y a.... Voir loin, c est voir...» 2) S agit-il d un spectre de raies ou d un spectre continu? S agit-il d un spectre d émission ou d un spectre d absorption? Bien justifier. 3) Sur ce spectre, mesurer la distance L, en cm, entre la raie de longueur d onde 400 nm et la raie de longueur d onde 434 nm. Refaire cette opération en établissant la distance des autres raies de longueur d onde connue par rapport à la raie de longueur d onde 400 nm prise pour origine des longueurs. Compléter le tableau page suivante.

6 longueur d onde (nm) L (cm) 4) Tracer sur le papier millimétré, la courbe donnant la distance L en fonction de la longueur d onde. La courbe tracée est-elle une droite représentant une fonction affine ou une fonction linéaire? Justifier votre réponse. 5) Le magnésium présente trois raies très voisines se confondant en une seule, notée Mg sur le document. Déterminer la longueur d onde de cette raie en utilisant le graphique. On la notera (Mg). Bien expliquer la méthode employée pour déterminer la valeur de cette longueur d onde inconnue. 6) Une des deux raies jaunes du sodium est située à 580 nm. Déterminer en cm la distance D attendue entre cette raie et la raie de longueur d onde 400 nm prise pour origine. Placer alors cette raie sur le spectre de l étoile Capella page précédente. B/ Quelle est la couleur de Capella? Un corps «chaud» émet un rayonnement lumineux dont le spectre est un spectre continu d origine thermique. L intensité de ce rayonnement lumineux est différente pour chaque radiation émise. Elle est maximale pour une radiation de longueur d onde max telle que max T = 2,9 10 6, avec max exprimée en nm et T la température en kelvins. Pour la surface de Capella, on relève que la température est T = 3860 Kelvins. On obtient la valeur de la température T en Celsius par la relation T ( Celsius) = T (Kelvin) ) Calculer la température à la surface de l étoile Capella en Celsius. 2) Rappeler les longueurs d onde extrêmes qui définissent le domaine du visible. 3) Calculer max à la surface de l étoile Capella. Cette longueur d onde max correspond-elle à une radiation visible? Si oui, quelle est la couleur de cette étoile? 4) Mars est appelée la «planète rouge». Peut-on en conclure qu il règne des températures voisines sur Mars et sur l étoile de Capella? Je pratique une démarche scientifique Exercice 7 : Distance nous séparant d une galaxie RESOLUTION DE PROBLEME OBJECTIF S Document 1 : La Loi de Hubble Les galaxies lointaines s éloignent de nous et la loi de Hubble précise que la valeur v de la vitesse d éloignement d une galaxie est proportionnelle à la distance D qui nous sépare d elle : v = H x D où H = 2, s -1

7 Exercice 8 : Catégories d étoiles ANALYSE ET SYNTHESE DE DOCUMENTS Les astrophysiciens classent les étoiles par catégories (naine de la séquence principale, naine blanche, géante ou supergéante) selon la place qu elles occupent sur le diagramme Hertzsprung-Russel. A partir de l analyse des quatre documents suivants, rédiger une synthèse avec plusieurs arguments permettant de déterminer à quelle catégorie d étoiles appartient le Soleil. Votre synthèse devra être structurée. Pour déterminer les longueurs d onde des raies d absorption, mesurer la distance entre 400 et 500 nm (soit 100 nm) puis faites des produits en croix! Ensuite chercher la longueur d onde qui se rapproche le plus dans le document 4. Pour un élément, toutes les raies d absorption n apparaissent pas forcément sur le spectre! Document 4 : Raies d émission Valeurs des longueurs d onde (en nm) des principales raies d émission d atomes ou d ions : - Calcium (Ca) : 430,8 - Ion calcium (Ca 2+ ) : 393,4 ; 396,8 - Fer (Fe) : 430,8 ; 466,8 ; 495,8 ; 527,0 - Hydrogène (H) : 410,2 ; 434,0 ; 486,1 ; 656,3 - Hélium (He) : 471,3 ; 501,6 ; 587,6 ; 667,8 - Ion hélium (He + ) : 468,6 - Magnésium (Mg) : 516,7 ; 517,3 ; 518,4 - Ion magnésium (Mg 2+ ) : 448,1 - Sodium (Na) : 589,0 ; 589,6