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Messages de la lumière 1.Le prisme : un système dispersif 2.Les spectres démission et dabsorption 3.Application à lastrophysique.

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1 Messages de la lumière 1.Le prisme : un système dispersif 2.Les spectres démission et dabsorption 3.Application à lastrophysique

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. Cette expérience a été réalisée en 1666 Source lumineuse (par ex. le soleil) Une fente Des lentilles convergentes Le spectre

3 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 Une infinité

4 I.Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer quun prisme disperse la lumière ? 2.1. Lois de Descartes sur la réfraction Air Verre Rayon incident Rayon réfracté Normale Angle dincidence 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 langle de réfraction r et le sinus de langle dincidence i sont proportionnels. sin i = n sin r Le coefficient de proportionnalité n est lindice de réfraction du milieu dans lequel se propage le rayon réfracté

5 I.Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer quun prisme disperse la lumière ? 2.2. Caractérisation dune radiation monochromatique. Une radiation monochromatique est une lumière qui ne peut pas être décomposée par un prisme (ex : la lumière émise par un laser) Une radiation monochromatique est caractérisée par sa longueur donde.

6 I.Le prisme : un système dispersif 2. Comment expliquer quun prisme disperse la lumière ? 2.3. Variation de lindice dun milieu transparent selon la radiation (lun étant lair). Le trajet de la lumière à travers un prisme nest pas le même selon sa couleur. Le trajet dépend de lindice du milieu. Classer par ordre croissant les indices du milieu correspondant à chaque longueur donde. Réponse : n rouge < n jaune < n vert < n violet la radiation violette est plus déviée que la radiation rouge (cest à dire que le rayon réfracté se rapproche plus de la normale). avec sin i rouge = sin i violet = constante on a sin i rouge / sin r rouge < sin i violet / sin r violet donc n rouge < n violet

7 II.Les spectres démission et dabsorption 1. Les spectres démission 1.1. Les spectres démission continus. Le spectre démission de la lumière blanche émise par une étoile est un spectre démission continu. Le spectre démission de la lumière émise par une lampe à incandescence est un spectre démission continu Exemple de spectres démission continus.

8 II.Les spectres démission et dabsorption 1. Les spectres démission 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 létoile était plus élevée, le spectre senrichirait-il en violet ou en rouge ? Réponse : Elle senrichirait en violet. Proposer une expérience simple utilisant une lampe à incandescence afin de mettre en évidence lenrichissement en violet du spectre. Réponse : On alimente une lampe à incandescence avec une source de tension ajustable. On augmente progressivement la tension dalimentation de la lampe jusquà atteindre sa tension nominale. Le spectre de la lampe sous-alimentée ne présente pas de violet. Le spectre de la lampe correctement alimentée présente lensemble des radiations du spectre visible Origine des spectres démission continus Les spectres démission continus.

9 II.Les spectres démission et dabsorption 1. Les spectres démission 1.2. Les spectres démission discontinus. Le spectre démission dun gaz (ex : vapeur de mercure) est un spectre démission discontinu Exemple de spectres démission discontinus.

10 II.Les spectres démission et dabsorption 1. Les spectres démission 1.2. Les spectres démission discontinus. La double raie du sodium (589 nm et 589,6 nm) caractérise cet élément chimique Un spectre de raies : la « signature » dun élément. Ex : Raies du sodium

11 II.Les spectres démission et dabsorption 2. Les spectres dabsorption 2.1. Exemple de spectre dabsorption Un spectre dabsorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé cette substance. Raies dabsorption

12 II.Les spectres démission et dabsorption 2. Les spectres dabsorption 2.2. Bandes dabsorption dune solution colorée Spectre continu de la lumière blanche (pour comparaison) Spectre dabsorption dun 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 dun sirop de menthe ? Réponse : vert

13 II.Les spectres démission et dabsorption 2. Les spectres dabsorption 2.3. Raies dabsorption caractéristiques dun atome ou dun ion. Spectre dabsorption (lampe à vapeur de sodium) Les raies dabsorption caractérisent un élément chimique Longueur donde (nm) : 589,0 589,6 2 raies très proches

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

15 II.Les spectres démission et dabsorption 3. Les spectres dabsorption : On fait le bilan ? Réponse : (1) (2) (3) (B) (C) (A)

16 III.Application à lastrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de sy rendre. Betelgeuse est une étoile de la constellation dOrion. Il sagit dune géante rouge Comparer sa taille avec celle de lorbite de Jupiter ! Cest elle ! Elle est située à 427 années-lumière Quelques infos.

17 III.Application à lastrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de sy rendre Analyse du spectre continu dune étoile. Lanalyse du spectre démission continu dorigine thermique nous permet de déterminer la température à la surface de létoile. Lintensité lumineuse est maximale pour une longueur donde donnée qui est liée à la température de la surface de létoile. Par ex. pour Betelgeuse = 906 nm (I. R) qui correspond à une température égale à T = K.

18 III.Application à lastrophysique 1. A la découverte de Betelgeuse ou comment connaître sa composition sans être forcé de sy rendre Analyse du spectre de raies de Betelgeuse. Le spectre de raies se superpose au spectre continu de létoile. Il est dû à la présence despèces chimiques dans la couche gazeuse externe relativement froide de létoile. Sagit-il alors dun spectre de raies démission ou dabsorption ? Réponse : Il sagit dun spectre de raies dabsorption. ( m)

19 III.Application à lastrophysique 2.Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère dune étoile. Il faut disposer du spectre dabsorption de létoile. Il faut identifier les éléments chimiques à partir dun tableau de données sur les longueurs donde de leurs raies dabsorption ou dun spectre de référence mis en coïncidence

20 III.Application à lastrophysique 2.Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère dune étoile. suite Il faut établir la relation de proportionnalité entre lécart entre deux raies et lécarts entre deux longueurs donded = 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

21 III.Application à lastrophysique 2.Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère dune étoile. suite Identifions lélément chimique correspondant à la raie dabsorption 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 nmAlors X = 641,6 + 15,2 = 656,8 nm

22 III.Application à lastrophysique 2.Principe de détermination de la nature des éléments chimiques présents dans la photosphère dune étoile. suite Utilisons alors une table de données On constate que lune des longueurs donde 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 dabsorption étudiée correspond à lélément hydrogène

23 Le spectre vous dit à bientôt !!!


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