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

Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon XVII ème Siècle Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Vers 1625 étudient la réfraction de la lumière Willebrord Snell (1580-1626) René Descartes (1596-1650) Vers 1625 étudient la réfraction de la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

lois de Snell-Descartes sur la réfraction de la lumière Lorsqu’un rayon incident arrive sur l’interface de deux milieux transparents avec un angle d’incidence i1 milieu 1 i1 r Il se divise en deux un rayon réfléchi avec un angle de réflexion r i2 un rayon transmis avec un angle de réfraction i2 milieu 2 1ère loi : r = i1 2ème loi : constant le rapport dépend des deux milieux séparés par le dioptre. La loi de la réfraction avait déjà été mentionnée en 985 par le mathématicien persan Ibn Sahl Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Le rayon lumineux n’est pas dévié Le rayon lumineux est dévié constant Si i1 = 0  i2 = 0 Si i1 = 90  i2  i1 Le rayon lumineux n’est pas dévié Le rayon lumineux est dévié Pour une étoile située au zénith les rayons lumineux entrant dans l’atmosphère terrestre ne sont pas déviés Pour une étoile situé au raz de l’horizon les rayons lumineux entrant dans l’atmosphère terrestre sont déviés d’environ 0,5 ° Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1665 met en évidence la diffraction de la lumière Francesco Grimaldi (1618-1663) 1665 met en évidence la diffraction de la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Lorsqu’un faisceau de lumière rase les bords d’un corps opaque (petit trou percé dans un écran, cheveux, plumes d'oiseaux etc.) on observe dans le contour de l’ombre de l’objet sur un écran des franges irisées en dehors du trajet géométrique normal. Diffraction par un trou circulaire Diffraction par une pupille triangulaire L’image d’une étoile, source lumineuse ponctuelle, fournie par un instrument n’est jamais un point, mais une petite tache appelée « tâche d’Airy » Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

1666 Isaac Newton Théorie de la couleur (1642-1727) Théorie de la couleur basée sur la décomposition de la lumière blanche Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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

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

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

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

La lumière blanche contient en elle-même les couleurs de l’arc-en-ciel Expérience La lumière blanche contient en elle-même les couleurs de l’arc-en-ciel Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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 explique simplement les phénomènes de réflexion, mais ne permet pas d’interpréter les phénomènes de réfraction à travers un prisme ou encore de diffraction. Cette théorie ne fut cependant abandonnée qu'un siècle plus tard. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1670 Découverte de la biréfringence du spath d’Islande Image ordinaire (1625-1698) Si l’on fait tourner le cristal l’image ordinaire reste fixe tandis que l’image extraordinaire tourne et disparait Image extraordinaire La biréfringence ne sera expliquée que plus tard, par la théorie ondulatoire de la lumière ( Huygens en 1678 et Fresnel en 1815 ) Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1676 Ole Römer montre que la lumière se déplace avec une vitesse finie (1644-1710) 1676 montre que la lumière se déplace avec une vitesse finie Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

1725 James Bradley Découvre l’aberration de la lumière (1693-1762) Découvre l’aberration de la lumière et confirme que la vitesse de la lumière est finie Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

les positions successives de l’étoile, observée depuis la Terre, Bradley cherchait à déterminer les distances des étoiles par la méthode des parallaxes. Il observa nuit après nuit l’étoile γ Draconis dans la constellation du Dragon, proche du zénith. Au bout d'une année, les positions successives de l’étoile, observée depuis la Terre, forment une petite ellipse dont le grand axe est parallèle au plan de l'écliptique et mesure 41". Méthodes de l’Astrophysique : pages 110-111 Taton – Sciences Modernes : pages 482-483 Bradley découvrit le phénomène en 1725 mais il lui fallut près de deux ans avant de le comprendre et de le publier Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

Bradley explique le phénomène par la combinaison de la vitesse de la lumière avec celle de la Terre. Il découvre ainsi : « l’aberration de la lumière » la direction apparente d'une source lumineuse dépend de la vitesse de celui qui l'observe L’aberration observée avec les étoiles montre que La Terre est en mouvement par rapport aux étoiles et La vitesse de la lumière est finie Bradley évalua que la vitesse de la lumière valait 10 188 fois celle de la Terre Mais la vitesse de déplacement de la Terre n'est pas connue à cette époque Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

1800 William Herschell Découvre le rayonnement infrarouge (1738-1822) Découvre le rayonnement infrarouge émis par le Soleil Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

Le Soleil émet donc un rayonnement au-delà du rouge 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 qu’un « rayon calorique » peut être réfléchi, dévié par un prisme comme un rayon de lumière visible. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Le rayonnement I.R. des étoiles est difficilement observable au sol car il est absorbé par la vapeur d’eau de l’atmosphère terrestre. Un télescope spatial, lancé le 14 mai 2009, depuis Kourou, par un lanceur Ariane, a été baptisé Herschel Il permettra d’en 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. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1801 Thomas Young étudie les franges d’interférence obtenues avec (1773-1829) 1801 étudie les franges d’interférence obtenues avec deux faisceaux de lumière issus d'une même source et relance la théorie ondulatoire de la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

1802 William Wollaston observe pour la première fois (1766-1828) observe pour la première fois des raies sombres dans le spectre solaire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

1809 - 1810 Étienne Malus (1775-1812) Découverte la polarisation de la lumière par réflexion Et théorie de la double réfraction de la lumière dans un cristal Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1814 Joseph von Fraunhofer (1787-1826) Invente le spectroscope et les réseaux optiques Étudie les raies obscures du spectre solaire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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

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

1815 Augustin Fresnel Effectue des mesures précises (1788-1827) 1815 Effectue des mesures précises sur les figures d'interférences et de diffraction et fait triompher la théorie ondulatoire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

La vitesse V de propagation de l’onde dépend des grandeurs physiques du milieu Milieu (1) Milieu (2) La lumière se déplace moins vite dans l’eau que dans l’air Indice relatif du milieu (2) par rapport au milieu (1) Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

La direction de propagation de l’onde, perpendiculaire à sa surface, est déviée lors de son passage d’un milieu à un autre milieu i1 Milieu (1) i2 i2  i1 Milieu (2) Ceci est la 2ème loi de Snell-Descartes sur la réfraction La lumière des étoiles subit la réfraction quand elle traverse l’atmosphère terrestre. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

L’angle de déviation dépend de la couleur du rayon lumineux la lumière blanche est un mélange d'une infinité de couleurs « pures ». air verre Quand des rayons de lumière blanche pénètrent dans le verre, les rayons bleus sont plus déviés que les rayons rouges (n2/1)bleu  ( n2/1)rouge (sin i2 )bleu  (sin i2 )rouge Dans un prisme, la lumière franchit deux dioptres, ce qui augmente la dispersion des couleurs. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Dans les expériences d’interférence l’écartement des franges varie en fonction de la couleur de la lumière. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

L’interfrange dépend de la distance D écran-fentes de l’ écart a des deux fentes et de la longueur d’onde  de la lumière a La couleur d’une lumière est associée à sa longueur d’onde La mesure de l’interfrange permet de connaître la longueur d’onde d’une lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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. Le rayon du 1er zéro (cercle sombre) est lié à la longueur d'onde λ et à l'ouverture numérique d du dispositif : Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Si deux détails d'un objet sont trop proches, La diffraction limite le pouvoir de résolution des instruments optiques . 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. 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 . Afin d'obtenir une meilleure résolution, on utilise des télescopes de plus grand diamètre ou on utilise l’interférométrie entre des télescopes distants. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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

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

1842 Christian Doppler 1848 Hippolyte Fizeau (1803-1853) (1819-1896) découvre le décalage de fréquence d'une onde lorsque la source et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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

1849 1850 Hippolyte Fizeau Léon Foucault (1819-1896) 1850 Léon Foucault (1819-1868) réalisent les premières mesures terrestres de la vitesse de la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

entre Suresnes-Montmartre-Suresnes (environ 17 km). 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). S1 miroir semi réfléchissant S2 2e miroir B l’observateur L source de lumière 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 : « 70 948 lieues de 25 au degré », soit 315 300 kilomètres par seconde Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

En 1862, un nouveau progrès est fait par Foucault avec un dispositif à miroir tournant, qui lui permet d’opérer sans sortir du laboratoire Il montre que la lumière se déplace moins vite dans l’eau que dans l’air en accord avec la théorie des ondulations. horloge, entraînant la roue dentée, permettait d'ajuster la vitesse du miroir tournant. En 1862, il trouve la valeur de 298 000 km/s. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

À partir de1850 les pionniers dans l’étude des spectres Bunsen Kirchhoff (1824-1887) physicien allemand élève de Bunsen Bunsen (1811 – 1899) chimiste allemand. À partir de1850 les pionniers dans l’étude des spectres Ångström (1814 – 1874) Astronome et physicien suédois Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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

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

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

la présence d’azote dans l’atmosphère du Soleil. En 1862, Angström découvrit la présence d’azote dans l’atmosphère du Soleil. Par la suite, beaucoup d’autres éléments chimiques connus sur terre purent être reconnus dans le spectre de la lumière solaire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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

Margaret Lindsay Huggins 1863 Margaret Lindsay Huggins (1848 – 1915) Sir William Huggins (1824 - 1910) étudient les raies d’émission et d’absorption de divers objets célestes. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

18 août 1868 en Asie Premières photographies de spectres Jules Janssen (1824-1907) Norman Lockyer (1836-1920) Premières photographies de spectres de la chromosphère et des protubérances du Soleil lors d’une éclipse totale du Soleil Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Au cours de l’éclipse totale de Soleil, les protubérances apparaissent quand la Lune se déplace devant le Soleil couronne protubérances chromosphère L’Astronomie vol 113 janvier/février 1999 page 12 : Chromosphère, « bande rouge très mince dentelée irrégulièrement » Protubérances, »proéminences d’une prodigieuses hauteur, de grands arcs d’une couleur rouge mélée à du lilas ou du pourpre » Couronne brillante « d’une blancheur parfaite, couleur nacrée évoluant vers une couleur gris perle dans les parties les plus éloignées du Soleil» La couronne et les protubérances s'élevant au-dessus de la chromosphère appartiennent au Soleil et non à l’atmosphère de la Lune. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Dans le spectre de la chromosphère, aux bords est et ouest du Soleil Janssen découvre des raies d’émission très brillantes bleue, verte et rouge (Éclipse du 15 février 1961 en Yougoslavie) La raie bleue a été identifiée au Nikel, la raie rouge au Fer Astronomie Flammarion - page 595 Mais la raies brillante verte ne correspondait à aucun élément connu à l’époque , aussi l’a-t-on appelé « coronium » Ce n’est seulement qu’en 1941 que cette raie verte a été identifiée au Fer XIV, fer fortement ionisé en raison de la température extrême de la couronne solaire Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Dans le spectre d’une protubérance, Janssen et Lockyer découvrent une raie jaune très proche des raies D1 et D2 du sodium Elle fut dénommée D3 ( = 587,56 nm) par comparaison avec les raies D1 ( = 589,59 nm) et D2 ( = 588,95 nm) du sodium Elle ne correspondait à aucun élément connu sur la Terre à cette époque Lockyer attribua à cet élément inconnu le nom « Hélium » En 1882, Luigi Palmieri réussit pour la première fois à démontrer la présence d'hélium sur la Terre, par l’analyse spectrale de la lave du Vésuve. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1864 James Maxwell (1831-1879) la lumière et le magnétisme sont deux phénomènes de même nature Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

la lumière est une onde électromagnétique Pour Maxwell la lumière est une onde électromagnétique 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 : l’éther 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 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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 Cet effet ne peut pas être expliqué de manière satisfaisante si l'on considère que la lumière est une onde. Il a présenté une grande importance historique dans la découverte du caractère corpusculaire de la lumière. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

La première cellule photoélectrique fut créée en 1889 par les chercheurs allemands Julius Elster (1854-1920) et Hans Geitel (1855-1923). Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1887 vérifie expérimentalement Heinrich Hertz (1857-1894) vérifie expérimentalement la théorie de James Maxwell sur la lumière Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

à l'aide d'un oscillateur (composé d'un éclateur agissant entre deux sphères creuses en laiton) Hertz réalisa pour la première fois l’émission 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. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1879 étudient l’énergie totale rayonnée par un corps Josef Stefan (1835 – 1893) Ludwig Boltzmann (1844-1906) étudient l’énergie totale rayonnée par un corps en fonction de sa température et de sa surface Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

spectre continu corps noir La surface d’un corps solide très chaud émet un ensemble des radiations formant un spectre continu Stefan montra que : 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 d’un corps idéal : corps noir Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

L’étrange corps noir Enceinte fermée en équilibre thermique Un rayonnement existe en son sein, mais c’est un milieu complètement absorbant  le rayonnement reste à l’intérieur du corps comment peut-on alors l’observer pour l’étudier??? Dans la pratique, on considère que les lois du rayonnement restent approximativement valables tant que les pertes d’énergie sont négligeables devant l’énergie emmagasinée dans le corps  et on regarde l’intérieur on fait un tout petit trou dans sa paroi Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Loi de Stefan-Boltzmann La puissance totale P rayonnée par un corps noir de surface S, est proportionnelle à la quatrième puissance de sa température absolue T P = S . . T4 avec  , constante de Stefan-Boltzmann = 5,669 . 10-8 W . m-2 . K-4 La loi de Stefan-Boltzmann a été découverte expérimentalement par Joseph Stefan 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 Boltzmann était un fervent défenseur de l'existence des atomes Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

La relation permet de déduire aisément la température d’un corps éloigné en mesurant la puissance totale qu’il rayonne P = S . . T4 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 XIXème siècle plusieurs mesures ont été faites au sommet du Mont Blanc Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1893 précise la relation entre couleur et température d’un corps noir Wilhelm Wien (1864 – 1928) précise la relation entre couleur et température d’un corps noir Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Bien qu’un corps noir rayonne dans toutes les longueurs d’onde, il émet préférentiellement dans un domaine particulier La distribution de l’intensité d’une source en fonction de la longueur d’onde dépend de la température Quand la température augmente, le maximum d’émission se déplace vers des longueurs d’onde plus courtes Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Loi de Wien Il s'agit d'une formule empirique proposée par Wilhelm Wien La longueur d’onde max qui correspond au maximum de rayonnement émis par un corps noir, est inversement proportionnelle à sa température absolue T max.. T = 2,898 . 10-3 m.K Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

établirent une loi sur la répartition de l'énergie rayonnée Lord Rayleigh (1842 – 1919) Sir James Jeans (1877 – 1946) 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 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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 Le flux énergétique émis par un corps noir par unité de surface, par unité d’angle solide et par unité de longueur d’’onde est appelée : luminance spectrale énergétique exprimée en W / (m 3 . Sr)  avec : c = 299 792 458 m⋅s-1 (vitesse de la lumière), k = 1,38066×10-23 J⋅K-1 (constante de Boltzmann) T est la température de la surface du corps noir en kelvins (K). Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

La constante de Boltzmann kB a été introduite par Boltzmann lors de sa définition de l’entropie en 1873 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 = kB . ln  Cette constante physique fondamentale est égale à R/N avec R : constante des gaz parfaits = 8,314 472 J.mol-1 . K-1   et   N : nombre d’Avogadro = 6,022 . 10-23 mol-1 d'où :         kB = 1, 381 . 10 -23 J.K-1           kB peut s'interpréter comme le facteur de proportionnalité reliant la température d'un système à son énergie thermique Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 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 XX ème Siècle Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon 1900 Max Planck (1858 – 1947) détermine la loi de répartition spectrale du rayonnement thermique du corps noir sur l’ensemble des fréquences Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Planck s’intéresse 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 » Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Loi du « corps noir » Luminance spectrale Il Pour chaque longueur d’onde l un corps noir de température T donne un rayonnement d’intensité Il h : constante de Plank = 6,626 . 10-34 J . s k : constante de Boltzmann = 1,380 . 10-23 J . K-1 c : vitesse de la lumière dans le vide = 2,998 . 108 m . s-1 Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Exemple : le rayonnement solaire. Soleil lmax du Soleil ( sommet de la courbe) correspond à celle d’un corps noir à 6 200 K Loi de Wien L ’énergie totale rayonnée (aire sous la courbe) correspond à celle d’un corps noir à 5 800 K Loi de Stefan Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

1905 Albert Einstein confirme l’hypothèse des quanta (1879-1959) confirme l’hypothèse des quanta pour expliquer l’effet photoélectrique Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

Comment les photons émis par une étoile parviennent jusqu’à nous ? Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

Un photon émis au centre de l’étoile 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, qu’il se comporte un peu comme une boite fermée Les photons qui s’échappent traversent successivement des milieux de plus en plus froids et la distribution de leurs énergies s’adapte à la température : il y a localement une sorte d’équilibre Le spectre émis par une étoile « ressemble » au spectre du corps noir dont la température est proche de celles des régions superficielles C’est étrange !!! On assimile le rayonnement des étoiles rouges, bleues, ou blanches, au rayonnement du corps noir ! Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon de 1867 à 1924 PICKERING et toute une équipe d'astronomes au Harvard Observatory s'acharnent à classer les spectres de 400000 étoiles. William Henry Pickering (1858 - 1938) Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon

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

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

AUGUSTE COMTE avait écrit dans son Cours de Philosophie Positive Et pourtant en 1834, AUGUSTE COMTE avait écrit dans son Cours de Philosophie Positive 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. Club d'Astronomie du Lycée Saint Exupéry - Lyon Observatoire de Lyon