Bac S Novembre 2014 Nouvelle Calédonie EXERCICE I CHEMCAM (5 points)

Le 6 août 2012, Curiosity, le Rover de la mission martienne, a posé ses bagages sur Mars pour y étudier son sol. Laboratoire de haute technologie, Curiosity comprend de nombreux instruments dont un sur lequel la France a beaucoup travaillé : ChemCam. Cet appareil analyse par spectrométrie la lumière d’un plasma issue d’un tir laser sur les roches, permettant de remonter à la composition du sol. Données : constante de Planck : h = 6,63×10–34 J.s ; célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00×108 m.s-1 1 eV = 1,602×10-19 J

1. Le laser de ChemCam Document 1. Principe de fonctionnement de Chemcam ChemCam met en œuvre la technique LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) d’analyse spectroscopique induite par ablation laser. Son laser pulsé émet un rayonnement à 1067 nm délivrant environ 15 mJ pour une durée d’impulsion de 5 ns. L’interaction du faisceau laser pulsé de forte puissance avec un matériau provoque un échauffement brutal de la surface éclairée, une vaporisation et une ionisation sous forme d’un plasma. Il est important de comprendre que le plasma se formera si, au niveau de la cible, la puissance par unité de surface (ou l’irradiance) est supérieure à un seuil de 1,0 GW.cm-2. C’est pourquoi ChemCam est pourvu d’un système de focalisation du faisceau laser qui est tel qu’au niveau de la cible le diamètre du faisceau est d’environ D = 350 µm. Dans ces conditions, les atomes et les ions éjectés sont alors dans des niveaux d’énergie excités. En se désexcitant, ils émettent un rayonnement qui est analysé par spectroscopie entre 250 et 900 nm. On obtient ainsi un spectre d’émission atomique. La détermination des longueurs d’onde de raies présentes sur ce spectre permet d’identifier les atomes ou ions présents dans la cible. D’après : http://www.msl-chemcam.com/

1.1. Donner deux propriétés du laser. Deux propriétés du laser à choisir parmi les suivantes : la lumière émise est monochromatique, un laser émet un faisceau lumineux très directif, un laser émet un faisceau lumineux très cohérent, il présente une très grande puissance par unité de surface, pour le laser pulsé, comme celui de Chemcam, il permet une concentration temporelle de l’énergie Rq : les deux premières sont les plus couramment citées. 1.2. Le laser de ChemCam émet-il de la lumière visible ? Justifier. D’après le document 1, le laser émet un rayonnement de longueur d’onde égale à 1067 nm, donc supérieure à 800 nm : il s’agit d’un rayonnement infrarouge et non pas de la lumière visible.

1.3. Montrer que les caractéristiques du faisceau laser utilisé par ChemCam permettent bien d’obtenir une irradiance suffisante pour créer un plasma. Afin d’obtenir une irradiance suffisante pour créer un plasma, le document 1 nous indique qu’elle doit être supérieure à 1,0 GW.cm-2. On apprend aussi que l’irradiance I correspond à la puissance P par unité de surface A : I = Or P = et l’aire d’un disque vaut A = π.R² = π. Donc mJ Conversion en J = 3 × 109 W.cm-2 = 3 GW.cm-2 Conversion en s ns µm Conversion en m Conversion en cm L’irradiance est supérieure à 1,0 GW.cm-2. Les caractéristiques du laser de Chemcam permettent donc bien d’obtenir une irradiance suffisante pour créer des plasmas.

2. Test de fonctionnement de l’analyseur spectral de ChemCam. Afin de vérifier que l’analyseur spectral de ChemCam fonctionne bien, on réalise au laboratoire le spectre d’émission atomique d’une roche témoin contenant l’élément calcium. 2.1. Justifier pourquoi deux atomes (ou ions) différents ne donnent pas le même spectre d’émission. L’énergie d’un atome est quantifiée. Or chaque atome (ou ion) possède des niveaux d’énergie qui lui sont propres (comme celui de l’élément calcium donné au document 2). La désexcitation spontanée d’un niveau d’énergie Ej à un niveau d’énergie Ei (Ei<Ej) tels que ΔE = Ej-Ei s’accompagne de l’émission d’un photon d’énergie ΔE = . Les niveaux d’énergie étant différents d’un atome à l’autre, les longueurs d’ondes λ des radiations émises seront différentes. Ceci explique pourquoi deux atomes (ou ions) différents ne donnent pas le même spectre d’émission. Chaque spectre est unique et constitue « la carte d’identité » ou « l’empreinte digitale » de l’élément.

2.2. À l’aide du document 2, identifier, pour l’ion Ca+, la transition énergétique correspondant à la raie de longueur d’onde 423 nm. Détailler votre démarche. D’après la relation ΔE= : Conversion en eV directement insérée dans le calcul Cela correspond donc à la transition énergétique entre le deuxième niveau excité et le niveau fondamental : Rq : vous prenant encore pour des enfants, le document 2 indique bien diagramme simplifié, et vous aurez donc remarqué des énergies positives, ce qui est totalement faux physiquement….

La roche témoin analysée par Chemcam contient l’élément calcium. 2.3. Le document 4 présente le spectre de la roche témoin. L’analyseur spectral de ChemCam fonctionne-t-il correctement ? Justifier. La roche témoin analysée par Chemcam contient l’élément calcium. Si l’analyseur spectral de Chemcam fonctionne bien, nous devons retrouver dans le spectre d’émission atomique du document 4, les longueurs d’onde de toutes les raies d’émission de l’élément calcium présentées au document 3. Ceci est en effet le cas : Longueur d’onde des raies d’émission de l’élément Ca (doc.3)(nm) 394 397 423 443 444 446 Correspondance dans le spectre de la roche témoin (doc.4) C D F J K L Rq :Compte tenu de la précision du document 3, il serait souhaitable de faire des mesures à la règle, de trouver l’échelle du document et de faire des produits en croix pour trouver les longueurs d’onde en nm des raies A à L.