Messages de la lumière

1. Messages de la lumière 1. Le prisme : un système dispersif 2. Les spectres d’émission et d’absorption 3. Application à l’astrophysique

2. 1. Le prisme : un système dispersif 1. Décomposition de la lumière par un prisme Newton a été le premier a décomposer la lumière par un prisme. Des lentilles convergentes Une fente Le spectre Source lumineuse(par ex. le soleil) Cette expérience a été réalisée en 1666

3. 1. Le prisme : un système dispersif 1. Décomposition de la lumière par un prisme De combien de couleurs est constitué le spectre suivant ? • 7 2. 14 3. Une infinité La bonne réponse est la réponse 3 : une infinité

4. I. Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer qu’un prisme disperse la lumière ? 2.1. Lois de Descartes sur la réfraction Air Normale Première loi de Descartes : Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le même plan. Angle d’incidence i Rayon réfracté Rayon incident Deuxième loi de Descartes : Le sinus de l’angle de réfraction r et le sinus de l’angle d’incidence i sont proportionnels. sin i = n sin r Angle de réfraction r Verre Le coefficient de proportionnalité n est l’indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté

5. I. Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer qu’un prisme disperse la lumière ? 2.2. Caractérisation d’une radiation monochromatique. Une radiation monochromatique est une lumière qui ne peut pas êtredécomposée par un prisme (ex : la lumière émise par un laser) Une radiation monochromatique est caractérisée par sa longueur d’onde l.

6. I. Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer qu’un prisme disperse la lumière ? 2.3. Variation de l’indice d’un milieu transparent selon la radiation (l’un étant l’air). Le trajet de la lumière à travers un prismen’est pas le même selon sa couleur. Le trajet dépend de l’indice du milieu. Classer par ordre croissant les indices du milieucorrespondant à chaque longueur d’onde. Réponse : nrouge< njaune< nvert< nviolet • la radiation violette est plus déviée que la radiation rouge (c’est à dire que le rayon réfracté se rapproche plus de la normale). • avec sin irouge = sin iviolet = constante on a sin irouge / sin rrouge < sin iviolet / sin rvioletdonc nrouge< nviolet

7. II. Les spectres d’émission et d’absorption 1. Les spectres d’émission 1.1. Les spectres d’émission continus. 1.1.1. Exemple de spectres d’émission continus. Le spectre d’émission de la lumière blanche émise par une étoileest un spectre d’émission continu. Le spectre d’émission de la lumière émise par une lampe à incandescenceest un spectre d’émission continu.

8. II. Les spectres d’émission et d’absorption 1. Les spectres d’émission 1.1. Les spectres d’émission continus. 1.1.2. Origine des spectres d’émission continus. Quelle est le point commun entre les deux sources lumineuses précédentes ? Réponse : Les deux sources lumineuses ont une origine thermique, leur spectre aussi. Si la température de l’étoile était plus élevée, le spectre s’enrichirait-il en violetou en rouge ? Réponse : Elle s’enrichirait en violet. Proposer une expérience simple utilisant une lampe à incandescence afin de mettre en évidence l’enrichissement en violet du spectre. Réponse : On alimente une lampe à incandescence avec une source de tension ajustable.On augmente progressivement la tension d’alimentation de la lampe jusqu’à atteindre satension nominale. Le spectre de la lampe sous-alimentée ne présente pas de violet. Le spectre de la lampe correctement alimentée présente l’ensemble des radiations du spectre visible.

9. II. Les spectres d’émission et d’absorption 1. Les spectres d’émission 1.2. Les spectres d’émission discontinus. 1.2.1. Exemple de spectres d’émission discontinus. Le spectre d’émission d’un gaz (ex : vapeur de mercure) est un spectre d’émission discontinu.

10. II. Les spectres d’émission et d’absorption 1. Les spectres d’émission 1.2. Les spectres d’émission discontinus. 1.2.2. Un spectre de raies : la « signature » d’un élément. Ex : Raies du sodium La double raie du sodium (589 nm et 589,6 nm) caractérise cet élément chimique

11. II. Les spectres d’émission et d’absorption 2. Les spectres d’absorption 2.1. Exemple de spectre d’absorption Raies d’absorption Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysantla lumière blanche qui a traversé cette substance.

12. II. Les spectres d’émission et d’absorption 2. Les spectres d’absorption 2.2. Bandes d’absorption d’une solution colorée Quelles sont les couleurs absorbées ? Réponse : Violet – bleu foncé et orange - rouge Spectre d’absorption d’un sirop de menthe Quelle sont les couleurs qui ne sont pas absorbées ? Réponse : bleu clair – vert - jaune Quelle est alors la couleur d’un sirop de menthe ? Réponse : vert Spectre continu de la lumière blanche(pour comparaison)

13. II. Les spectres d’émission et d’absorption 2. Les spectres d’absorption 2.3. Raies d’absorption caractéristiques d’un atome ou d’un ion. Spectre d’absorption(lampe à vapeur de sodium) 2 raies très proches Longueur d’onde (nm) : 589,0 589,6 Les raies d’absorption caractérisent un élément chimique

14. II. Les spectres d’émission et d’absorption 3. Les spectres : On fait le bilan ? Attribuer à chaque spectre les situations expérimentales correspondantes (1) (A) (B) (2) (C) (3)

15. II. Les spectres d’émission et d’absorption 3. Les spectres d’absorption : On fait le bilan ? Réponse : (1) (B) (C) (2) (A) (3)

16. III. Application à l’astrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de s’y rendre. 1.1. Quelques infos. Betelgeuse est une étoile de la constellation d’Orion. C’est elle ! Elle est située à 427 années-lumière. Il s’agit d’une géante rougeComparer sa taille avec celle de l’orbite de Jupiter !

17. III. Application à l’astrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de s’y rendre. 1.2. Analyse du spectre continu d’une étoile. L’analyse du spectre d’émission continu d’origine thermiquenous permet de déterminer la température à la surface de l’étoile. L’intensité lumineuse est maximale pour une longueur d’onde donnée l qui est liée à la température de la surface de l’étoile. Par ex. pour Betelgeuse l= 906 nm (I. R) qui correspond à une température égale à T = 3 200 K.

18. III. Application à l’astrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de s’y rendre. 1.3. Analyse du spectre de raies de Betelgeuse. l (10-10 m) Le spectre de raies se superpose au spectre continu de l’étoile. Il est dû à la présence d’espèces chimiques dans la couche gazeuse externe relativement froide de l’étoile. S’agit-il alors d’un spectre de raies d’émission ou d’absorption ? Réponse : Il s’agit d’un spectre de raies d’absorption.

19. III. Application à l’astrophysique • Principe de détermination de la nature des éléments chimiques • présents dans la photosphère d’une étoile. • Il faut disposer du spectre d’absorption de l’étoile. • Il faut identifier les éléments chimiques à partir d’un tableau de données sur les longueurs d’onde de leurs raies d’absorption ou d’un spectre de référence mis en coïncidence

20. III. Application à l’astrophysique • Principe de détermination de la nature des éléments chimiques • présents dans la photosphère d’une étoile. suite • Il faut établir la relation de proportionnalité entre l’écart entre deux raies et l’écarts entre deux longueurs d’onde d = 3 cm 19,4 nm 687,1 – 667,7 = 19,4 nm Soit l = k d avec k = 6,46 nm / cm alors l = 6,46 d

21. III. Application à l’astrophysique • Principe de détermination de la nature des éléments chimiques • présents dans la photosphère d’une étoile. suite • Identifions l’élément chimique correspondant à la raie d’absorption suivante : On mesure à la règle une distance d = 2,35 cm entre les deux raies suivantes Soit Dl= 6,26 x 2,35 = 14,7 nm Alors lX = 641,6 + 14,7 = 656,3 nm

22. III. Application à l’astrophysique • Principe de détermination de la nature des éléments chimiques • présents dans la photosphère d’une étoile. suite • Utilisons alors une table de données Données pour l’ Hydrogène : 410,3 nm / 434,2 nm / 486,1 nm / 656,3 nm On constate que l’une des longueurs d’onde correspond à celle trouvée précédemment 656,3 nm Alors la raie d’absorption étudiée correspond à l’élément hydrogène

23. Le spectre vous dit à bientôt !!!