Messages de la lumière

1. Le prisme : un système dispersif

2. Les spectres d’émission et d’absorption

3. Application à l’astrophysique

1. Le prisme : un système dispersif

1. Décomposition de la lumière par un prisme

Newton a été le premier a décomposer la lumièrepar un prisme.

Cette expérience a été réalisée en 1666

Source lumineuse(par ex. le soleil)

Une fente

Des lentilles convergentes

Le spectre

1. Le prisme : un système dispersif

1. Décomposition de la lumière par un prisme

De combien de couleurs est constitué le spectre suivant ?

1. 7

La bonne réponse est la réponse 3 : une infinité

2. 14

3. Une infinité

I. Le prisme : un système dispersif

2. Comment expliquer qu’un prisme disperse la lumière ?

2.1. Lois de Descartes sur la réfraction

Air

Verre

Rayon incident

Rayon réfracté

Normale

Angle d’incidence i

Angle de réfraction r

Première loi de Descartes :

Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans le même plan.

Deuxième loi de Descartes :

Le sinus de l’angle de réfraction r etle sinus de l’angle d’incidence i sontproportionnels.sin i = n sin r

Le coefficient de proportionnalité n est l’indice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté

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 .

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 rviolet

donc nrouge < nviolet

II. Les spectres d’émission et d’absorption

1. Les spectres d’émission

1.1. Les spectres d’émission continus.

Le spectre d’émission de la lumière blanche émise par une étoile est un spectre d’émission continu.

Le spectre d’émission de la lumière émise par une lampe à incandescence est un spectre d’émission continu.

1.1.1. Exemple de spectres d’émission continus.

II. Les spectres d’émission et d’absorption

1. Les spectres d’émission

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.

1.1.2. Origine des spectres d’émission continus.

1.1. Les spectres d’émission continus.

II. Les spectres d’émission et d’absorption

1. Les spectres d’émission

1.2. Les spectres d’émission discontinus.

Le spectre d’émission d’un gaz (ex : vapeur de mercure) est un spectre d’émission discontinu.

1.2.1. Exemple de spectres d’émission discontinus.

II. Les spectres d’émission et d’absorption

1. Les spectres d’émission

1.2. Les spectres d’émission discontinus.

La double raie du sodium (589 nm et 589,6 nm) caractérise cet élément chimique

1.2.2. Un spectre de raies : la « signature » d’un élément.

Ex : Raies du sodium

II. Les spectres d’émission et d’absorption

2. Les spectres d’absorption

2.1. Exemple de spectre d’absorption

Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysantla lumière blanche qui a traversé cette substance.

Raies d’absorption

II. Les spectres d’émission et d’absorption

2. Les spectres d’absorption

2.2. Bandes d’absorption d’une solution colorée

Spectre continu de la lumière blanche(pour comparaison)

Spectre d’absorption d’un sirop de menthe

Quelle sont les couleurs qui ne sont pas absorbées ?

Réponse : bleu clair – vert - jaune

Quelles sont les couleurs absorbées ?

Réponse : Violet – bleu foncé et orange - rouge

Quelle est alors la couleur d’un sirop de menthe ?

Réponse : vert

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)

Les raies d’absorption caractérisent un élément chimique

Longueur d’onde (nm) : 589,0 589,6

2 raies très proches

II. Les spectres d’émission et d’absorption

3. Les spectres : On fait le bilan ?

Attribuer à chaque spectre les situations expérimentales correspondantes

(1)

(2)

(3)

(A)

(B)

(C)

II. Les spectres d’émission et d’absorption

3. Les spectres d’absorption : On fait le bilan ?

Réponse :

(1)

(2)

(3)

(B)

(C)

(A)

III. Application à l’astrophysique

1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de s’y rendre.

Betelgeuse est une étoile de la constellation d’Orion.

Il s’agit d’une géante rougeComparer sa taille avec celle de l’orbite de Jupiter !

C’est elle !

Elle est située à 427 années-lumière.

1.1. Quelques infos.

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 qui est liée à la température de la surface de l’étoile.

Par ex. pour Betelgeuse = 906 nm (I. R) qui correspond à une température égale à T = 3 200 K.

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.

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.

(10-10 m)

III. Application à l’astrophysique

2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiquesprésents 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

III. Application à l’astrophysique

2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiquesprésents 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

Soit k d avec k = 6,46 nm / cm alors 6,46 d

687,1 – 667,7 = 19,4 nm

III. Application à l’astrophysique

2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiquesprésents 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 6,46 x 2,35 = 15,2 nm Alors X = 641,6 + 15,2 = 656,8 nm

III. Application à l’astrophysique

2. Principe de détermination de la nature des éléments chimiquesprésents dans la photosphère d’une étoile. suite

• Utilisons alors une table de données

On constate que l’une des longueurs d’onde correspond à celle trouvée précédemment

656,8 nm

Données pour l’ Hydrogène : 410,3 nm / 434,2 nm / 486,1 nm / 656,8 nm

Alors la raie d’absorption étudiée correspond à l’élément hydrogène

Le spectre vous dit à bientôt !!!