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Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 1 La LUMIÈRE Théories et Lois élaborées au cours des siècles.

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2 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 1 La LUMIÈRE Théories et Lois élaborées au cours des siècles

3 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 2

4 3 Vers 1625 Willebrord Snell ( ) René Descartes ( ) étudient la réfraction de la lumière

5 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Lorsquun rayon incident arrive sur linterface de deux milieux transparents avec un angle dincidence i 1 r = i 1 lois de Snell-Descartes sur la réfraction de la lumière un rayon transmis avec un angle de réfraction i 2 1 ère loi : 2 ème loi : le rapport dépend des deux milieux séparés par le dioptre. Il se divise en deux milieu 1 milieu 2 i1i1 r un rayon réfléchi avec un angle de réflexion r i2i2 constant La loi de la réfraction avait déjà été mentionnée en 985 par le mathématicien persan Ibn Sahl

6 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 5 Si i 1 = 0 constant i 2 = 0 Le rayon lumineux nest pas dévié Si i 1 = 90 i 2 i 1 Le rayon lumineux est dévié Pour une étoile située au zénith les rayons lumineux entrant dans latmosphère terrestre ne sont pas déviés Pour une étoile situé au raz de lhorizon les rayons lumineux entrant dans latmosphère terrestre sont déviés denviron 0,5 °

7 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Francesco Grimaldi ( ) met en évidence la diffraction de la lumière

8 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 7 Lorsquun faisceau de lumière rase les bords dun corps opaque (petit trou percé dans un écran, cheveux, plumes d'oiseaux etc.) on observe dans le contour de lombre de lobjet sur un écran des franges irisées en dehors du trajet géométrique normal. Diffraction par un trou circulaireDiffraction par une pupille triangulaire Limage dune étoile, source lumineuse ponctuelle, fournie par un instrument nest jamais un point, mais une petite tache appelée « tâche dAiry »

9 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 8 Grimaldi appelle ce phénomène : « diffraction ». Pour linterpréter, il suggère, dans un traité publié en 1665, la lumière est un fluide en mouvement ondulatoire rapide

10 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Théorie de la couleur basée sur la décomposition de la lumière blanche Isaac Newton ( )

11 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 10 rayons du Soleil entrant dans une chambre obscure par un orifice circulaire trace laissée sur un carton blanc par la lumière du Soleil trace laissée sur un carton blanc par la lumière ayant traversée le prisme Newton étudie dabord le passage des rayons du Soleil à travers un prisme de verre la lumière blanche du Soleil est dispersée en un faisceau de rayons colorés Les rayons sont déviés vers la base du prisme et

12 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 11 Limage d'un objet blanc est floue et ses contours sont irisés. Dans le cas dune lentille, la dispersion de la lumière produit une La distance focale est variable suivant les couleurs. « aberration chromatique » La mise au point ne peut être effectuée simultanément pour toutes les couleurs du spectre.

13 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 12 dans une lunette astronomique, telle que celle de Galilée (1609), les images sont entachée daberrations chromatiques Newton contourna le problème en construisant en 1668 un télescope à réflexion par miroir concave Conséquence : (amélioration dun modèle présenté en 1660 par James Gregory)

14 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 13 Est-ce le verre du prisme qui colore le faisceau de lumière ou est-ce la lumière qui contient en elle-même la couleur ? De 1670 à 1672, Newton étudie la décomposition et recomposition de la lumière blanche

15 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 14 Lumière blanche Spectre coloré Lumière blanche Spectre coloré Expérience

16 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 15 La lumière blanche contient en elle-même les couleurs de larc-en-ciel Expérience

17 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 16 Dans un volumineux ouvrage en trois tomes "Opticks » publié en 1704, Newton écrit : la lumière blanche que lon voit est en réalité un mélange d'une infinité de couleurs « pures ». chaque lumière "pure" a un degré de réfrangibilité spécifique. cest-à-dire que le changement de direction quéprouve une lumière en passant dun milieu dans un autre, dépend de sa couleur. et

18 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 17 Cette théorie explique simplement les phénomènes de réflexion, mais ne permet pas dinterpréter les phénomènes de réfraction à travers un prisme ou encore de diffraction. Newton chercha à expliquer ses observations expérimentales par une théorie corpusculaire de la lumière : « flux de petites particules se propageant en ligne droite à une vitesse finie » Cette théorie ne fut cependant abandonnée qu'un siècle plus tard.

19 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 18 ( ) 1670 Découverte de la biréfringence du spath dIslande Image ordinaire Image extraordinaire Si lon fait tourner le cristal limage ordinaire reste fixe tandis que limage extraordinaire tourne et disparait La biréfringence ne sera expliquée que plus tard, par la théorie ondulatoire de la lumière ( Huygens en 1678 et Fresnel en 1815 )

20 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Ole Römer ( ) montre que la lumière se déplace avec une vitesse finie

21 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 20 Römer observe depuis l'Observatoire de Paris les satellites de Jupiter découverts par Galilée en 1610 En multipliant les observations sur la durée d'une année il constate que la période mesurée de rotation de IO autour de Jupiter dépend de la position de la Terre sur sa trajectoire autour du Soleil. Römer comprit alors qu'il fallait tenir compte du temps de parcours de la lumière pour aller de Io à la Terre. L'idée d'une vitesse finie pour la lumière était définitivement acquise Mais Römer ne donne aucune valeur numérique pour la vitesse de la lumière.

22 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon James Bradley ( ) Découvre laberration de la lumière et confirme que la vitesse de la lumière est finie

23 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 22 Bradley cherchait à déterminer les distances des étoiles par la méthode des parallaxes. Au bout d'une année, les positions successives de létoile, observée depuis la Terre, forment une petite ellipse dont le grand axe est parallèle au plan de l'écliptique et mesure 41". Bradley découvrit le phénomène en 1725 mais il lui fallut près de deux ans avant de le comprendre et de le publier Il observa nuit après nuit létoile γ Draconis dans la constellation du Dragon, proche du zénith.

24 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 23 Pour toutes les étoiles, il constate que le grand axe de l'ellipse est toujours parallèle au plan de l'écliptique et mesure 41". positions apparentes dans le ciel de trois étoiles de même longitude écliptique 270° et de latitudes écliptiques respectives : 90°, 45° et 0° Ce nest donc pas un effet de parallaxe mais un phénomène lié au déplacement annuel de la Terre. Le phénomène ne dépend pas de la distance de l'étoile à la Terre mais seulement de son angle par rapport à lécliptique De 1725 à 1727, Bradley observe plusieurs autres étoiles

25 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 24 Bradley explique le phénomène par la combinaison de la vitesse de la lumière avec celle de la Terre. Il découvre ainsi : « laberration de la lumière » la direction apparente d'une source lumineuse dépend de la vitesse de celui qui l'observe Laberration observée avec les étoiles montre que La Terre est en mouvement par rapport aux étoiles La vitesse de la lumière est finie et Bradley évalua que la vitesse de la lumière valait fois celle de la Terre Mais la vitesse de déplacement de la Terre n'est pas connue à cette époque

26 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 25 XVII ème siècle Loi sur la réfraction Décomposition de la lumière blanche Hypothèse sur la théorie ondulatoire XVIII ème siècle Aberration de la lumière

27 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 26 William Herschell ( ) 1800 Découvre le rayonnement infrarouge émis par le Soleil

28 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 27 Herschel place un thermomètre à mercure dans les différentes bandes du spectre obtenu par un prisme de verre afin de mesurer la chaleur propre à chaque couleur. Sur une table où se projette le spectre solaire : trois thermomètres. et sont utilisés comme étalons pour mesurer les variations de la température ambiante est utiliser pour mesurer l'élévation de température dans chacune des bandes colorées du spectre.

29 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 28 la température continue à augmenter alors que le thermomètre est en dehors du spectre visible du côté de la couleur rouge. Le Soleil émet donc un rayonnement au-delà du rouge Ce rayonnement est appelé « Infra Rouge » Herschell a montré quun « rayon calorique » peut être réfléchi, dévié par un prisme comme un rayon de lumière visible.

30 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 29 Un télescope spatial, lancé le 14 mai 2009, depuis Kourou, par un lanceur Ariane, a été baptisé Herschel Le rayonnement I.R. des étoiles est difficilement observable au sol car il est absorbé par la vapeur deau de latmosphère terrestre. Il permettra den savoir plus sur la naissance des étoiles, l'évolution des galaxies ainsi que sur les nuages de gaz et de poussières où naissent les étoiles, les disques protoplanétaires et les molécules organiques complexes dans la chevelure des comètes.

31 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 30 Thomas Young ( ) 1801 étudie les franges dinterférence obtenues avec deux faisceaux de lumière issus d'une même source et relance la théorie ondulatoire de la lumière

32 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon et produit sur un écran éloigné des franges dinterférence dans la zone de recouvrement des faisceaux. Young fait passer un faisceau de lumière monochromatique à travers deux fentes parallèles. La lumière est diffractée au passage des fentes La lumière se propage par ondes.

33 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon William Wollaston ( ) observe pour la première fois des raies sombres dans le spectre solaire

34 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 33 Il remarque 7 raies sombres sur le fond continu du spectre du Soleil. Mais il ne les étudie pas systématiquement et német pas d'hypothèses sur leurs origines. Wollaston invente un réfractomètre (prisme + goniomètre) pour mesurer des indices de réfraction

35 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Étienne Malus ( ) Et théorie de la double réfraction de la lumière dans un cristal Découverte la polarisation de la lumière par réflexion

36 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Joseph von Fraunhofer ( ) Invente le spectroscope et les réseaux optiques Étudie les raies obscures du spectre solaire

37 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 36 le premier spectroscope

38 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 37 Deux vis à pas très fin (< 0,01mm) Un fil métallique très fin bobiné filet par filet Fraunhofer fabrique le premier réseau optique de diffraction constitué de fils de fer tendus sur deux vis Il se sert de ces réseaux pour étudier le spectre solaire.

39 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 38 carte du spectre solaire, dessinée par Fraunhofer. 354 raies obscures fixes les unes par rapport aux autres Fraunhofer découvre : Comment peut-on interpréter la présence de ces raies ? Cette découverte marque la naissance de la spectroscopie stellaire

40 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Augustin Fresnel ( ) et fait triompher la théorie ondulatoire Effectue des mesures précises sur les figures d'interférences et de diffraction

41 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 40 Une onde est un phénomène périodique qui se propage La distance parcourue par londe au cours dune période T avec une vitesse V est appelée « longueur donde » fréquence de la radiation

42 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 41 Milieu (1) Milieu (2) La vitesse V de propagation de londe dépend des grandeurs physiques du milieu La lumière se déplace moins vite dans leau que dans lair Indice relatif du milieu (2) par rapport au milieu (1)

43 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 42 La direction de propagation de londe, perpendiculaire à sa surface, est déviée lors de son passage dun milieu à un autre milieu La lumière des étoiles subit la réfraction quand elle traverse latmosphère terrestre. Ceci est la 2 ème loi de Snell-Descartes sur la réfraction Milieu (1) Milieu (2) i1i1 i2i2 i 2 i 1

44 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 43 Langle de déviation dépend de la couleur du rayon lumineux Quand des rayons de lumière blanche pénètrent dans le verre, les rayons bleus sont plus déviés que les rayons rouges la lumière blanche est un mélange d'une infinité de couleurs « pures ». air verre (n 2/1 ) bleu ( n 2/1 ) rouge (sin i 2 ) bleu (sin i 2 ) rouge Dans un prisme, la lumière franchit deux dioptres, ce qui augmente la dispersion des couleurs.

45 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 44 Dans les expériences dinterférence lécartement des franges varie en fonction de la couleur de la lumière.

46 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 45 La couleur dune lumière est associée à sa longueur donde Linterfrange dépend de la distance D écran-fentes de l écart a des deux fentes et de la longueur donde de la lumière a La mesure de linterfrange permet de connaître la longueur donde dune lumière

47 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 46 en 1818 Fresnel dépose un mémoire où se trouve chaque point P d'une surface d'onde se comporte comme une source ensuite les ondelettes sphériques émises par ces sources secondaires interférent réfraction d'ondediffraction d'onde le principe d'Huygens-Fresnel

48 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 47 Le rayon du 1er zéro (cercle sombre) est lié à la longueur d'onde λ et à l'ouverture numérique d du dispositif : Lors du passage de la lumière à travers un trou, plus la taille du trou diminue, plus l'effet de la diffraction est visible. La figure de diffraction observée résulte de l'interférence des ondes émises par l'ensemble des sources secondaires Dans le cas particulier d'un trou parfaitement circulaire, la figure de diffraction, appelée tache d'Airy, présente un disque central, et des cercles concentriques de plus en plus atténués.

49 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 48 Si deux détails d'un objet sont trop proches, les taches de diffraction se chevauchent et il devient impossible d'obtenir des images séparées de ces détails. Afin d'obtenir une meilleure résolution, on utilise des télescopes de plus grand diamètre ou on utilise linterférométrie entre des télescopes distants. Pour un télescope de 10 mètres de diamètre, le pouvoir de résolution théorique est d'environ 0,015 seconde dans la bande visible du spectre, mais il ne peut être atteint en raison de la turbulence atmosphérique qui « floute » les images. La diffraction limite le pouvoir de résolution des instruments optiques.

50 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 49 a sin = n.k. Les ondes émergeantes interférent entre elles Les ondes incidentes sont diffractées par le réseau Elles donnent un maximum de lumière dans plusieurs directions telles que : Le principe d'Huygens-Fresnel explique le fonctionnement des réseaux de diffraction avec n = 1/a, nombre de traits par unité de longueur ou

51 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 50 Si la lumière incidente est blanche, elle contient toutes les couleurs rouge = 0,8 m violet = 0,4 m La lumière blanche est dispersée rouge violet Un réseau donne plusieurs spectres dordre différents sin = n.k.

52 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 51 Avec Arago, il démontra expérimentalement que la vibration lumineuse qu'il avait supposée longitudinale, était en réalité transversale. De 1820 à 1823, Fresnel s'intéressa à la polarisation de la lumière.

53 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Christian Doppler ( ) Hippolyte Fizeau ( ) découvre le décalage de fréquence d'une onde lorsque la source et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre

54 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 53 Observateur (1) Déplacement relatif de la source par rapport à lobservateur Observateur (2) la période du son reçu par l observateur (2) est plus grande que celle du son émis par la source la période du son reçu par l observateur (1) est plus petite que celle du son émis par la source Le son paraît plus graveLe son paraît plus aigu

55 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 54 Fizeau prédit le décalage de fréquence des ondes issues dune source de lumière Le décalage réel de la fréquence lumineuse était trop faible pour pouvoir être détecté à l'époque V : vitesse de la source c : vitesse de la lumière Le décalage se produit soit vers le rouge, si la source séloigne, soit vers le bleu, si elle se rapproche.

56 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Hippolyte Fizeau ( ) Léon Foucault ( ) réalisent les premières mesures terrestres de la vitesse de la lumière

57 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 56 En 1849 Fizeau obtient la première mesure terrestre de la vitesse de la lumière par la méthode de la roue dentée entre Suresnes-Montmartre-Suresnes (environ 17 km). S 2 2e miroir B lobservateur L source de lumière S 1 miroir semi réfléchissant Z, roue dentée 720 dents et 720 échancrures Quand les rayons lumineux reviennent sur la roue dentée, celle-ci, entretemps, a légèrement tourné : la lumière réfléchie peut tomber sur une dent et donc être bloquée. Le résultat de 28 observations donnèrent pour la vitesse de la lumière : « lieues de 25 au degré », soit kilomètres par seconde

58 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 57 En 1862, un nouveau progrès est fait par Foucault avec un dispositif à miroir tournant, qui lui permet dopérer sans sortir du laboratoire Il montre que la lumière se déplace moins vite dans leau que dans lair en accord avec la théorie des ondulations. En 1862, il trouve la valeur de km/s. horloge, entraînant la roue dentée, permettait d'ajuster la vitesse du miroir tournant.

59 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 58 Ångström (1814 – 1874) Astronome et physicien suédois Kirchhoff ( ) physicien allemand élève de Bunsen Bunsen (1811 – 1899) chimiste allemand. À partir de1850 les pionniers dans létude des spectres

60 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 59 Kirchhoff réalise avec Bunsen une série dexpériences sur les flammes portées à différentes températures Ils analysent avec un spectroscope la lumière émise

61 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 60

62 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 61 Les raies observées dans chaque spectre sont caractéristiques des éléments chimiques présents dans la flamme En 1859, Kirchhoff publia trois lois relatives au rayonnement émis par les corps : La position dune raie correspond à une longueur donde précise

63 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 62 Un objet chaud incandescent, gaz à pression élevée, liquide ou solide un spectre continu produit Un gaz chaud, à basse pression un spectre de raies brillantes (raies démission) Le même gaz situé entre lobservateur et une source de rayonnement continu, à une température plus basse que la source un spectre continu avec des raies sombres (raies dabsorption).

64 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 63 En 1860, Kirchhoff et Bunsen découvrirent le césium et le rubidium. Ils ouvrirent ainsi la voie de la recherche de corps simples encore inconnus... Raies spectrales d'émission du césium

65 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 64 En 1862, Angström découvrit la présence dazote dans latmosphère du Soleil. Par la suite, beaucoup dautres éléments chimiques connus sur terre purent être reconnus dans le spectre de la lumière solaire

66 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 65 Elle fut la première dune série de lois sur l'étude du rayonnement qui vont être élaborées dici la fin du siècle. Au cours de ses recherches sur la spectroscopie Kirchhoff formula, en 1859, une loi sur le rayonnement Elle exprime qu'émission et absorption sont liées. loi du rayonnement de Kirchhoff À l'équilibre thermique, les flux émis et reçus par un corps doivent être égaux

67 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 66 A propos du Soleil, Kirchhoff écrit : Les raies sombres du spectre solaire sont dues à la présence, dans latmosphère incandescente du Soleil, des substances qui, dans le spectre dune flamme, produisent des raies brillantes à la même place….. Le corps incandescent du Soleil est entouré dune masse gazeuse à une température un peu plus faible….. De lobservation des raies D dans le spectre, on peut conclure à la présence du sodium dans latmosphère du Soleil. Pour avoir une explication des lois de Kirchhoff il faudra attendre de connaître la nature quantique de la lumière

68 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 67 Sir William Huggins ( ) 1863 étudient les raies démission et dabsorption de divers objets célestes. Margaret Lindsay Huggins (1848 – 1915)

69 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 68 En 1864, Huggins aidé de sa femme, observa pour la première fois des raies sombres dans des spectres stellaires La galaxie dAndromède, par contre présente un spectre caractéristique détoiles. Ils furent les premiers à distinguer les nébuleuses des galaxies. Ils découvrent que la nébuleuse dOrion présente le spectre d'un gaz très chaud et non d'un solide..

70 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 69 Premières photographies de spectres de la chromosphère et des protubérances du Soleil lors dune éclipse totale du Soleil 18 août 1868 en Asie Jules Janssen ( ) Norman Lockyer ( )

71 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 70 La couronne et les protubérances s'élevant au-dessus de la chromosphère appartiennent au Soleil et non à latmosphère de la Lune. couronne chromosphère Au cours de léclipse totale de Soleil, les protubérances apparaissent quand la Lune se déplace devant le Soleil protubérances

72 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 71 Dans le spectre de la chromosphère, aux bords est et ouest du Soleil Janssen découvre des raies démission très brillantes bleue, verte et rouge La raie bleue a été identifiée au Nikel, la raie rouge au Fer Mais la raies brillante verte ne correspondait à aucun élément connu à lépoque, aussi la-t-on appelé « coronium » Ce nest seulement quen 1941 que cette raie verte a été identifiée au Fer XIV, fer fortement ionisé en raison de la température extrême de la couronne solaire (Éclipse du 15 février 1961 en Yougoslavie)

73 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 72 Dans le spectre dune protubérance, Janssen et Lockyer découvrent une raie jaune très proche des raies D 1 et D 2 du sodium Elle fut dénommée D 3 ( = 587,56 nm) par comparaison avec les raies D 1 ( = 589,59 nm) et D 2 ( = 588,95 nm) du sodium En 1882, Luigi Palmieri réussit pour la première fois à démontrer la présence d'hélium sur la Terre, par lanalyse spectrale de la lave du Vésuve. Elle ne correspondait à aucun élément connu sur la Terre à cette époque Lockyer attribua à cet élément inconnu le nom « Hélium »

74 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 73 James Maxwell ( ) 1864 la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature

75 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 74 Cette onde est associée aux oscillations des champs électrique et magnétique se déplaçant dans le vide Il pense que la propagation de la lumière nécessite un milieu pour support des ondes : léther Pour Maxwell la lumière est une onde électromagnétique Avec le temps, l'existence d'un tel milieu, remplissant tout l'espace et apparemment indétectable par des moyens mécaniques, posera de plus en plus de problèmes

76 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 75 Alexandre Edmond Becquerel, (1820 – 1891) découvrent leffet photoélectrique Antoine César Becquerel (1788 – 1878) 1873

77 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 76 Cet effet ne peut pas être expliqué de manière satisfaisante si l'on considère que la lumière est une onde. Ils ont observer l'émission de charges électriques négatives par un matériau soumis à l'action de la lumière l'onde électromagnétique incidente éjecte du matériau des charges électriques négatives Il a présenté une grande importance historique dans la découverte du caractère corpusculaire de la lumière.

78 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 77 La première cellule photoélectrique fut créée en 1889 par les chercheurs allemands Julius Elster ( ) et Hans Geitel ( ).

79 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Heinrich Hertz ( ) vérifie expérimentalement la théorie de James Maxwell sur la lumière

80 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 79 à l'aide d'un oscillateur (composé d'un éclateur agissant entre deux sphères creuses en laiton) Hertz réalisa pour la première fois lémission et la réception d ondes électromagnétiques, non visibles. Il démontra que ces nouvelles ondes, susceptibles de se diffracter, de se réfracter et de se polariser, se propageaient à la même vitesse que la lumière.

81 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Josef Stefan (1835 – 1893) Ludwig Boltzmann ( ) étudient lénergie totale rayonnée par un corps en fonction de sa température et de sa surface

82 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 81 Stefan montra que : La surface dun corps solide très chaud émet un ensemble des radiations formant un La puissance totale rayonnée par un corps incandescent est fonction de sa température En général, on ne peut établir une relation simple entre, la puissance du rayonnement et la température du solide sauf dans le cas dun corps idéal corps idéal : corps noir

83 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 82 Létrange corps noir Enceinte fermée en équilibre thermique Un rayonnement existe en son sein, mais cest un milieu complètement absorbant Dans la pratique, on considère que les lois du rayonnement restent approximativement valables tant que les pertes dénergie sont négligeables devant lénergie emmagasinée dans le corps le rayonnement reste à lintérieur du corps comment peut-on alors lobserver pour létudier??? on fait un tout petit trou dans sa paroi et on regarde lintérieur

84 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 83 Loi de Stefan-Boltzmann P La puissance totale P rayonnée par un corps noir S de surface S, est proportionnelle à T la quatrième puissance de sa température absolue T P = S.. T 4 avec, constante de Stefan-Boltzmann = 5, W. m -2. K -4 Elle est connue sous le nom de loi de Stefan- Boltzmann car c'est son élève Ludwig Boltzmann qui en fournira la justification théorique par des méthodes statistiques dans le cadre de la thermodynamique La loi de Stefan-Boltzmann a été découverte expérimentalement par Joseph Stefan Boltzmann était un fervent défenseur de l'existence des atomes

85 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 84 Grâce à cette loi, Stefan détermina la température de la surface du Soleil. Il obtient une valeur de 5 435,85 °C (la valeur actuelle : 506,85 °C). Ce fut la première estimation sérieuse de la température du Soleil : Dans le dernier quart du XIX ème siècle plusieurs mesures ont été faites au sommet du Mont Blanc La relation permet de déduire aisément la température dun corps éloigné en mesurant la puissance totale quil rayonne P = S.. T 4

86 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Wilhelm Wien (1864 – 1928) précise la relation entre couleur et température dun corps noir

87 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 86 La distribution de lintensité dune source en fonction de la longueur donde dépend de la température Quand la température augmente, le maximum démission se déplace vers des longueurs donde plus courtes Bien quun corps noir rayonne dans toutes les longueurs donde, il émet préférentiellement dans un domaine particulier

88 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 87 Loi de Wien La longueur donde max qui correspond au maximum de rayonnement émis par un corps noir, est inversement proportionnelle à sa température absolue T max.. T = 2, m.K Il s'agit d'une formule empirique proposée par Wilhelm Wien

89 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 88 Sir James Jeans (1877 – 1946) Lord Rayleigh (1842 – 1919) établirent une loi sur la répartition de l'énergie rayonnée par le corps noir en fonction de la longueur d'onde valable pour les grandes longueurs d'onde

90 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 89 Rayleigh conduit des recherches en spectroscopie en utilisant la mécanique statistique. Il établit avec le mathématicien et astronome James Jeans une loi théorique, valable pour les grandes longueurs d'onde Loi de Rayleigh-Jeans luminance spectrale énergétique avec : c = m s -1 (vitesse de la lumière), k = 1,38066× J K -1 (constante de Boltzmann) T est la température de la surface du corps noir en kelvins (K). Le flux énergétique émis par un corps noir par unité de surface, par unité dangle solide et par unité de longueur donde est appelée : exprimée en W / (m 3. Sr)

91 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 90 La constante de Boltzmann k B Un système étant à l'équilibre macroscopique, mais libre d'évoluer à l'échelle microscopique entre micro-états différents, son entropie S est donnée par : S = k B. ln k B = 1, J.K -1 k B peut s'interpréter comme le facteur de proportionnalité reliant la température d'un système à son énergie thermique Cette constante physique fondamentale est égale à R/ N avec R : constante des gaz parfaits = 8, J.mol -1. K -1 et N : nombre dAvogadro = 6, mol -1 d'où : a été introduite par Boltzmann lors de sa définition de lentropie en 1873

92 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 91 La loi de Rayleigh-Jeans suggérait une croissance sans limite de la luminance dans le domaine des faibles longueurs d'ondes catastrophe ultra-violette Elle n'était pas vérifiée par l'expérience dans lultra violet; c'est ce qu'on appelle la

93 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 92 XVII ème siècle Loi sur la réfraction Décomposition de la lumière blanche Hypothèse sur la théorie ondulatoire XVIII ème siècle Aberration de la lumière XIX ème siècle Rayonnement I.R Théorie ondulatoire de Fresnel Effet Doppler Vitesse finie de la lumière Spectres continu et spectres de raies Loi du rayonnement de Kirchhoff Effet photoélectrique Théorie électromagnétique de Maxwell Loi de Stefan-Boltzmann Loi de Wien Loi de Rayleigh-Jeans

94 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Max Planck (1858 – 1947 ) détermine la loi de répartition spectrale du rayonnement thermique du corps noir sur lensemble des fréquences

95 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 94 Planck sintéresse dès 1894 au rayonnement électromagnétique du corps noir. Il adopte les méthodes statistiques de Boltzmann. Il réussit à trouver, de manière empirique, une loi de rayonnement complètement en accord avec les mesures expérimentales Pour cela Planck a dû supposer que la lumière n'était pas absorbée et émise de manière continue, mais uniquement de manière discrète. Les transferts d'énergie ne devaient se faire que par des multiples d'unités « h » étant la fréquence du rayonnement et h une constante d'aide (h comme Hilfskonstante :), appelé plus tard « quantum » d'unités « h » « quantum »

96 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 95 h : constante de Plank = 6, J. s k : constante de Boltzmann = 1, J. K -1 c : vitesse de la lumière dans le vide = 2, m. s -1 Pour chaque longueur donde un corps noir de température T donne un rayonnement dintensité I Luminance spectrale I Loi du « corps noir »

97 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 96 Soleil L énergie totale rayonnée (aire sous la courbe) correspond à celle dun corps noir à K Loi de Stefan Exemple : le rayonnement solaire. max du Soleil ( sommet de la courbe) correspond à celle dun corps noir à K Loi de Wien

98 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon Albert Einstein ( ) confirme lhypothèse des quanta pour expliquer leffet photoélectrique

99 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 98 Il énonça que la lumière se comporte à la fois comme une onde et un flux de particules Les modèles ondulatoire et corpusculaire sont complémentaires. Ils se déplacent à la même vitesse que les ondes électromagnétiques, leur masse et leur charge sont nulles. Le quantum d'énergie E = h est associé à un corpuscule nommé photon. Un train d'ondes électromagnétiques de fréquence accompagne le photon.

100 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 99 Comment les photons émis par une étoile parviennent jusquà nous ?

101 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 100 Un photon émis au centre de létoile a beaucoup de mal à en sortir : il est absorbé, réémis, réabsorbé, réémis…..des milliards de fois avant de sortir Le milieu est si opaque, quil se comporte un peu comme une boite fermée Les photons qui séchappent traversent successivement des milieux de plus en plus froids et la distribution de leurs énergies sadapte à la température : il y a localement une sorte déquilibre Le spectre émis par une étoile « ressemble » au spectre du corps noir dont la température est proche de celles des régions superficielles Cest étrange !!! On assimile le rayonnement des étoiles rouges, bleues, ou blanches, au rayonnement du corps noir !

102 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 101 Comment les astronomes utilisent ces lois pour décrypter les informations contenues dans la lumière émise par les étoiles

103 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 102 de 1867 à 1924 PICKERING s'acharnent à classer les spectres de étoiles. William Henry Pickering ( ) et toute une équipe d'astronomes au Harvard Observatory

104 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 103

105 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 104 La classification, toujours en usage de nos jours, est constituée de : 7 catégories principales O B A F G K M (Oh Be A Fine Girl, Kiss Me)

106 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 105 La nature et l'intensité des raies spectrales révèlent pour chaque étoile : et même aussi son âge... sa composition sa température sa densité sa constitution sa dimension sa vitesse

107 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 106 Parmi les trois sens propres à nous faire apercevoir l'existence des corps éloignés, celui de la vue est évidemment le seul qui puisse être employé relativement aux corps célestes ; en sorte qu'il ne saurait exister aucune astronomie pour des espèces aveugles, quelques intelligentes qu'on voulût d'ailleurs les imaginer ; et, pour nous-mêmes, les astres obscurs, qui sont peut-être plus nombreux que les astres visibles, échappent à toute étude réelle, leur existence pouvant tout au plus être soupçonnée par induction. Toute recherche qui n'est point finalement réductible à de simples observations visuelles nous est donc nécessairement interdite au sujet des astres, qui sont ainsi de tous les êtres naturels ceux que nous pouvons connaître sous les rapports les moins variés. Nous concevons la possibilité de déterminer leurs formes, leurs distances, leurs grandeurs et leurs mouvements ; tandis que nous ne saurions jamais étudier, par aucun moyen, leur composition chimique ou leur structure minéralogique, et, à plus forte raison, la nature des corps organisés qui vivent à leur surface, etc. En un mot, pour employer immédiatement les expressions scientifiques les plus précises, nos connaissances positives par rapport aux astres sont nécessairement limitées à leurs seuls phénomènes géométriques et mécaniques, sans pouvoir nullement embrasser les autres recherches physiques, chimiques, physiologiques et même sociales, que comporter les êtres accessibles à tous nos divers moyens d'observation. Et pourtant en 1834, AUGUSTE COMTE avait écrit dans son Cours de Philosophie Positive


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