Spectroscopie : Comment déterminer la constitution chimique d'une étoile ?

O Notion de spectres d'émission ou d'absorption o Application à l'astrophysique : analyse chimique des étoiles Objectifs :

Nous allons nous intéresser ici à la lumière émise par 3 étoiles : le Soleil, Rigel, étoile de la constellation d'Orion, et Bételgeuse, elle aussi dans la constellation d'Orion Introduction La décomposition de la lumière blanche émise par une lampe à incandescence nous a permis d'obtenir un spectre coloré allant du rouge au violet. Ce phénomène est-il le même lorsque l'on décompose la lumière du soleil, ou celle d'une étoile ? Cette question a été étudiée dès le début du XIX è siècle, notamment grâce aux travaux de Fraunhofer.

- Le spectre du Soleil, observé par Fraunhofer - La constellation d ’Orion - L'étoile Rigel et son spectre - L'étoile Bételgeuse et son spectre. b) Quelles remarques peut-on faire quant à leurs spectres ? *Pouvez-vous proposer une hypothèse pour interpréter cette observation ? I.Quelques observations Analyse des observations : a) Que peut-on dire de la couleur apparente de ces trois étoiles ? *Pouvez-vous proposer une hypothèse pour interpréter cette observation ?

II.Peut-on expliquer la couleur des étoiles ?.

- Proposer une expérience permettant d'observer le spectre de la lampe pour des tensions de plus en plus grandes. 2.1 – Les spectres d'émission continus d'origine thermique - Rappeler le principe de fonctionnement d'une lampe à incandescence. - Qu'observe-t-on lorsque la tension à ses bornes est trop faible ?

- On réalise l'expérience, en utilisant un réseau pour l'observation : * Observer et représenter le spectre obtenu pour une tension faible (spectres 2 3) * Même chose pour une tension forte ( spectres 6) * Interprétation ? * Conclusion ?

Il s'agit d'un spectre d'émission continu, d'origine thermique. Plus la température est élevée, plus il s’enrichit en violet. - A retenir : Le spectre d'émission d'un corps chauffé (sauf gaz à faible pression) ne dépend pas de la nature de ce corps, mais uniquement de sa température.

- En déduire un lien entre la couleur observée et la température de surface. 2.2 Interprétation de la couleur des étoiles - Observer et analyser les courbes d'intensité lumineuse émises par le Soleil, puis par une étoile de type Rigel et une étoile de type Bételgeuse, en fonction de la température de surface de chaque étoile. - Pour chacune d'elle, dans quelle “ gamme ” de longueur d'onde trouve-t-on le maximum d'énergie lumineuse émise ?

III.Comment expliquer la présence de raies sombres dans les spectres ?

3.1 Activité documentaire : les travaux de Bunsen et Kirchhoff Lire l’article fourni en annexe.

- Décomposer la lumière émise par le sodium à l’aide d’un spectroscope de poche (réseau). 3.2 Les spectres de raies d’émission a) Manipulation Principe : On souhaite reproduire la première expérience de Kirchhoff, en utilisant une solution de chlorure de sodium (eau salée saturée) comme source de sodium. - Maintenir dans la flamme (bleue) d’un bec bunsen une petite boucle de fil de fer trempé dans cette solution.

- Reproduire ensuite le spectre d’émission de l’hélium, ou du mercure (tableau) - Faire un schéma du dispositif expérimental (on représentera un prisme à la place du réseau) - Représenter le spectre d’émission du sodium schéma - Commenter vos observations - Comparer avec l’observation du spectre d’une lampe à vapeur de sodium (manip prof) schéma

Chaque espèce chimique composant le gaz a un spectre de raies qui lui est propre, ce qui permet de l’identifier. b) A retenir : Un gaz chauffé sous faible pression émet un spectre de raies.

a)Retour sur la troisième expérience de Kirchhoff - Faire un schéma d’illustration de la troisième expérience de Kirchhoff 3.3 Les spectres de raies d’absorption

- Observation : que peut-on dire du spectre d’émission et du spectre d’absorption d’un gaz ? Le spectre obtenu est appelé : spectre de raies d’absorption du sodium. - Il se trouve affiché dans la salle.

Les radiations absorbées sont aussi celles que le gaz est capable d’émettre. Chaque espèce chimique peut ainsi être parfaitement identifiée grâce à son spectre d’absorption, comme à son spectre d’émission. b)A retenir : Un gaz excité (chauffé) sous faible pression peut présenter un spectre de raies d’absorption quand il est éclairé par un rayonnement continu, comme la lumière blanche.

Compte tenu de ce que l’on vient d’apprendre, et à l’aide du schéma de l’atmosphère d’une étoile, proposer une interprétation pour la présence de raies dans les spectres des étoiles. NB : Photosphère : partie la plus lumineuse et chaude de la surface stellaire. Chromosphère : enveloppe de gaz « froids » autour de l ’étoile. c) Retour sur les spectres des étoiles

En déduire quelle est, de Rigel ou de Bételgeuse, l’étoile la plus jeune. En début de vie, les étoiles contiennent essentiellement de l ’hydrogène et de l ’hélium. Au cours de leur vie, elles fabriquent d ’autres éléments chimiques, des ions, des molécules tandis que leur température de surface diminue.