Chapitre 1 : Ondes et particules, support d information Sources de rayonnements doc 1 : le rayonnement électromagnétique. Le Soleil, comme tous les corps célestes, émet des rayonnements électromagnétiques dans un large domaine de longueurs d'onde. L'ensemble des rayonnements qui s'étend des rayons gamma aux ondes radio, constitue le spectre électromagnétique ; la lumière visible n'en représente qu'une infime partie. doc 2 : matière et rayonnement (rappel première S) Le rayonnement thermique est un rayonnement électromagnétique émis par un corps dense qui dépend de sa température. D'après la loi de Wien (modèle du corps noir), un corps dense à la température T émet un rayonnement électromagnétique dont la longueur d onde correspondant au maximum d émission max est donnée par la relation : max x T = 2,9 x 10-3 max est mètre (m) et T en Kelvin (K) Un atome ne peut être que dans des états bien déterminées, auxquels correspondent des niveaux d énergie bien définis : on dit que les niveaux d énergie sont quantifiés. Lorsque l atome est à son niveau le plus bas, on dit qu il est dans son état fondamental. Sinon, il est dans un état excité. Dans un atome le passage d un niveau à un autre met en jeu une variation d énergie ΔE. Un photon de fréquence ν (de longueur d onde dans le vide ) ne peut-être émis ou absorbée lors de la transition énergétique précédente que si ΔE = h = h c / ΔE en Joules (J), en hertz (Hz), est mètre (m), h (constante de Planck) = 6,63. 10-34 J. s doc 3 : Sources de rayonnement artificiel : ondes radio, UV, visible et IR Les rayonnements électromagnétiques non thermiques sont utilisés presque exclusivement par les humains dans les domaines des télécommunications et du divertissement. La fréquence du rayonnement est habituellement contrôlée en utilisant les fréquences oscillatoires naturelles de cristaux de quartz. Ces cristaux sont des matériaux piézo-électriques. Ainsi, quand on applique une pression, et donc une déformation au quartz, celui-ci est capable de fournir une tension électrique. Inversement, si on soumet le quartz à une tension, celui-ci se déforme. Cette méthode est utilisée pour générer toutes sortes de rayonnements électromagnétiques, des fours à micro-ondes aux radars, en passant par des signaux de télévision et des ouvre-portes de garage. L environnement dans lequel nous vivons est littéralement rempli de rayonnements électromagnétiques non thermiques générés artificiellement, provenant de dizaines de milliers d émetteurs à travers le monde. La Terre est près d un million de fois plus brillante que le Soleil aux longueurs d onde de type radio. Ceux-ci vont des signaux locaux de téléphonie cellulaire aux faisceaux multiples de signaux de télévision envoyés sur Terre par les satellites géostationnaires, jusqu aux appareils Wi-fi. Si nos yeux pouvaient détecter les ondes radio, nous serions probablement aveuglés par la brillance de notre environnement dans toutes les directions, partout, jour et nuit!
Les rayonnements de l'univers Activité 1 p 16, 1. Analyser les documents et répondre aux questions a, b, c et d. 2. Compléter les 3 premières lignes du tableau ci-après. Rayonnement (activité 1) A B C D Nom du rayonnement Longueur d onde dans le vide Instruments d observation (au sol, au-delà de l atmosphère?) Sources dans l univers Sources artificielles Activité 2 p 17 3. Exploiter les documents, répondre aux questions a, b, c et f (conclusion) 4. Indiquer dans la 4 e ligne du tableau le rayonnement émis par des étoiles très chaudes (très brillantes), les planètes, les astéroïdes, les nuages de poussières interstellaires ou des particules animées d un mouvement rapide, sous l effet par exemple d un trou noir, des étoiles "froides" (température inférieure à 3000 K) et le rayonnement fossile (reste d'un rayonnement très ancien) dont le maximum d'intensité est celle d'un rayonnement thermique pour une température de 2,7 K(p...) 5. Conclure : ex p22 n 8. Des particules qui proviennent de l'univers La Terre est constamment bombardée de particules cosmiques de grande énergie. Leur étude apporte des informations précieuses sur la structure de l'univers. Page 18 activité 3 Exercice p28 n 24. 6. Sources de rayonnements dans la vie pratique. Parmi les sources dans la vie pratique, indiquer dans la 5 e ligne le rayonnement émis par un téléphone portable, une caméra thermique (cf exercice 18 Page 26), une lampe UV (bronzage, détecteur de fauxbillets cf exercice 12 Page 23), la Wifi, les télécommandes (cf exercice 13 Page 23), les filaments de chauffage.
Intro : Le montage de la page d ouverture peut être exploité pour de montrer que l aspect d un objet de l Univers est très différent suivant le domaine de longueur d onde dans lequel il est observé. Les quatre parties radio en C ; une radiation violette du potassium en D. Chaque domaine de rayonnement dévoile une partie de la structure du Soleil. p16 Activité documentaire 1 - Atmosphère et rayonnements dans l Univers Analyser les documents a. En ordonnée est représentée la proportion de rayonnement arrêté par l atmosphère avant d atteindre le sol pour une longueur d onde donnée. 100 % correspond à un rayonnement n atteignant pas le sol ; 0 % correspond à un rayonnement pour lequel l atmosphère est parfaitement transparente. b. En abscisse sont portées les longueurs d ondes dans le vide des différents rayonnements électromagnétiques. Il faudra remarquer que l échelle utilisée n est pas linéaire et on pourra expliquer à cette occasion ce qu est une échelle logarithmique. On complète l échelle en multipliant par 10 la valeur indiquée sous la graduation qui précède. c. A = ultraviolet ; B = visible ; C = infrarouge ; D = domaine radio. d. Les illustrations montrent les instruments d observation adaptés aux différents domaines des ondes électromagnétiques. ex 8.L astronomie spatiale permet de capter des ondes qui sont arrêtées par l atmosphère comme les infrarouges et les ultraviolets. On peut donc détecter et étudier des objets ou des phénomènes qui ne sont pas observables en astronomie terrestre : nuages de poussières et étoiles qui y sont dissimulées, étoiles très chaudes ou très froides non observables en lumière visible mais observables respectivement en ultraviolet et en infrarouge. Le professeur pourra aussi évoquer d autres rayonnements (X et gamma) produits par les phénomènes les plus violents de l Univers tels que ceux provoqués par la présence d un trou noir supermassif ou la formation d une hypernova. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- p17 Activité documentaire 2 - L astronomie de l invisible. Exploiter les documents a. Sur la photographie a, dans le domaine visible, le nuage de gaz et de poussière qui remplit la galaxie arrête une grande partie du rayonnement ; d autre part, certaines étoiles émettent trop faiblement dans le visible et n apparaissent pas. Sur la photographie b, en rayonnement infrarouge, le nuage devient transparent et laisse apercevoir des étoiles situées à l arrière ; de plus, le nuage lui-même émet un rayonnement infrarouge qui le rend visible sur la photographie. Sur la photographie c, ce sont des étoiles brillantes dans l ultraviolet qui deviennent visibles alors qu elles n apparaissaient pas sur la photographie a. b. Le rayonnement thermique est le rayonnement émis par un corps uniquement sous l effet de sa température. Le nuage est beaucoup trop froid pour émettre dans le visible. Son rayonnement thermique a son maximum d émission dans l infrarouge et il est brillant dans ce domaine de radiation. c. Plus la température est élevée, plus la longueur d onde du maximum d émission est petite. Les étoiles les plus chaudes apparaissent en bleu (couleur utilisée sur le document pour les UV lointains). f. Conclure : Le rayonnement visible ne constitue qu une faible partie des rayonnements électromagnétiques émis dans l Univers. De nombreux objets de l Univers n émettent pas ou bien très faiblement dans le domaine visible. Même si un objet est visible, les rayonnements non visibles peuvent fournir des informations supplémentaires. Des milieux opaques à la lumière visible peuvent être transparents dans d autres domaines. g. Voir la page «l Essentiel. d. Un trou noir est un objet qui résulte de l effondrement d une étoile et qui a une masse volumique telle que les effets gravitationnels empêchent même la lumière de s en échapper. e. D après l échelle indiquée sur la photo, la zone d émission radio occupe une longueur totale d environ 1,4 x 10 6 a.l.
p 18 Activité documentaire 3 - Les particules dans l Univers Commentaires : Les particules sont envisagées ici du point de vue du transport d informations portant sur l Univers et sur la structure intime de la matière. Les interactions avec l atmosphère sont à nouveau évoquées. Réponses 1. Analyser le document a. Rayonnement cosmique : particules de hautes énergies se déplaçant dans l espace. Magnétosphère : champ magnétique environnant la Terre (ou un autre objet céleste). Réactions nucléaires : transformations affectant le noyau des atomes. b. La figure 5 illustre la formation d une gerbe de particules. En A, une particule provenant de l espace interagit avec un atome de l atmosphère terrestre déclenchant l émission de plusieurs autres particules. c. La nature et l énergie des particules présentes dans les rayons cosmiques ne sont pas prévisibles alors qu un accélérateur permet de maîtriser les conditions des expériences. 2. Conclure Les rayons cosmiques apportent des renseignements sur le fonctionnement interne du Soleil (particules solaires) ou sur des évènements se produisant dans l Univers lointain (particules galactiques et extragalactiques). On peut exploiter ces particules pour étudier leurs interactions avec la matière mais ce type d étude se fait actuellement presque exclusivement avec les accélérateurs de particules. Les résultats des chocs de particules de grandes énergies dans les accélérateurs permettent aux chercheurs d étudier la structure intime de la matière, c est à dire son fonctionnement au niveau subatomique. ex p 28 n24 1. a. La source d énergie est le rayonnement des étoiles chaudes. b. L état fondamental est l état d énergie le plus bas de l atome. Les atomes excités ont une énergie supérieure à celle de l état fondamental. c. L atome passe d un niveau d énergie à un niveau inférieur. d. λ = hc / ΔE avec ΔE = 13,6 ev = 13,7 x 1,6 x 10-19 J, soit λ = 91,4 nm. Cette limite est dans le domaine de l ultraviolet ; le texte indique que le gaz est excité par le rayonnement ultraviolet des étoiles voisines. 2. a. La lumière est renvoyée dans toutes les directions. b. L image est prise en infrarouge, lumière invisible. L image est restituée en fausses couleurs. c. Le nuage est beaucoup plus visible sur la photo c ; il apparaît beaucoup plus d étoiles sur la photo d. Sur la photo c, les étoiles situées à l intérieur du nuage sont dissimulées par celui-ci. Sur la photo d, le nuage de gaz n émet probablement pas (ou peu) dans le domaine infrarouge concerné. De plus, les infrarouges ne sont pas diffusés et le rayonnement infrarouge des étoiles cachées par la poussière dans le domaine visible peut traverser celle-ci. d. Ces étoiles sont trop froides pour émettre dans le domaine visible ; leur rayonnement thermique se produit dans l infrarouge, elles sont visibles sur la photographie d. 3. a. La première phase est la contraction de la matière due à l interaction gravitationnelle. b. L énergie produite par une étoile en activité est due à la fusion nucléaire. c. Pour que la fusion nucléaire puisse se produire, il faut que la température dépasse 10 MK. exercice 17 p 26 les rayons UV a. UV A : les plus grandes longueurs d onde, de 400 nm à 315 nm /UV B : longueurs d onde moyennes, de 315 nm à 280 nm. UV C : ultraviolets solaires de courtes longueurs d onde, de 280 nm à 100 nm. b. Ce classement correspond à dangerosité croissante mais à un pouvoir pénétrant dans la peau décroissant. c. Effets utiles : - UV A : bronzage ; - UV B : synthèse de la vitamine D, effets bénéfiques sur certaines pathologies de la peau ; - UV C (avec sources artificielles) : effets germicides. Effets néfastes : - UV A et UV B (coups de soleil) : vieillissement de la peau, favorisent l apparition de cancers de la peau, dangereux pour les yeux des jeunes enfants ; - UV C : très nocifs mais n atteignent pas le sol. d. Les ultraviolets sont essentiellement absorbés par la couche d ozone. e. Les UVA sont les moins absorbés, ils représentent 95 % des ultraviolets atteignant les sols (cette proportion est due à la différence d absorption par l atmosphère mais aussi à la différence d émission par le Soleil). -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ANNEXES : documents complémentaires (stéphane) Instruments d astronomie Les premiers astronomes observaient le ciel à l œil nu. Au XVIIe siècle, les lunettes astronomiques et les télescopes apparaissent: ces instruments permettaient d observer que les astres les plus lumineux. Au XIXe siècle, on commence à utiliser la photographie. Une pellicule photo est photosensible : plus la quantité lumière reçue par la pellicule est importante, plus le contraste final sur la pellicule est grand. Pour augmenter la quantité de lumière reçue, il suffit de laisser l appareil photo dirigé vers les astres à observer pendant plusieurs heures. Ainsi, si le temps de pose est suffisamment long, certains astres peu lumineux peuvent apparaître sur la pellicule. Au XXe siècle, l électronique fait son apparition : on utilise des photocapteurs plus sensibles que les pellicules photo. Mais, tous ces appareils se limitent à une observation du domaine visible des ondes électromagnétique : l étude d une importante partie du spectre électromagnétique est ignorée. Les radiotélescopes Pour étudier les autres domaines de rayonnements électromagnétiques, d autres instruments de mesure sont développés et utilisés, comme les radiotélescopes. Ces appareils détectent et analysent les rayonnements radio issus des astres. La pollution d ondes radio due à l activité humaine est le principal inconvénient de cette technique. C est la raison pour laquelle, on installe le plus souvent possible les radiotélescopes dans les déserts loin de toute activité humaine et de préférence dans des «cuvettes».