La lumière qui nous vient des étoiles
Document 1 : Lumière blanche et longueur d’onde
La lumière blanche est la lumière émise par le soleil. Elle est formée d'un mélange de couleurs : ce sont les couleurs de l'arc-en-ciel qui composent le "spectre" de la lumière visible. On distingue sept couleurs : le rouge, l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet. Chacune de ces couleurs se décline en une infinité de nuances.
Pour décrire un rayonnement d’une couleur précise, on fait référence à sa longueur d’onde (λ) :
Les longueurs d’onde correspondant aux rayonnements qui composent le spectre de la lumière blanche sont comprises entre 400nm et 800nm.
On appelle rayonnement monochromatique un rayonnement comportant une seule longueur d'onde et rayonnement polychromatique un rayonnement qui en contient plusieurs.
Document 2 : Spectres de Rigel et Bételgeuse
Rigel et Bételgeuse sont deux étoiles de la constellation d’Orion. L’observation à l’œil nu de ces étoiles (par temps clair et en éliminant la pollution atmosphérique) montre que Bételgeuse
est une étoile bleuâtre alors que Rigel apparait plutôt rougeâtre.
L’analyse des lumières émises donne les spectres suivants : Bételgeuse
Rigel :
Document 3 : Modèle simplifié d’une étoile
Une étoile peut être modélisée par une boule de plasma de température élevée émettant de la lumière, entourée d’une atmosphère de gaz appelée
chromosphère contenant des atomes de différents éléments chimiques.
Après avoir réalisé le travail correspondant aux 4 ateliers qui suivent, interpréter les spectres de Rigel et Bételgeuse. Rédigez une réponse en suivant le plan suggéré par les questions qui suivent :
Décrire les spectres des deux étoiles et relever leurs différences (décrire le fond et les raies)
Que nous apprend le fond du spectre pour chaque étoile ? Pour quelle raison observe-t-on des raies dans les spectres de ces étoiles. Quelles informations pourraient nous fournir ces raies ?
Lampe à incandescence (filament chauffé)
Fente Lentille
Prisme
I. Spectre de la lumière blanche
1. Expérience : spectres continus de lumière
On cherche à décomposer la lumière émise par une lampe à filament à l’aide d’un prisme afin d’obtenir son spectre.
Protocole pour obtenir le spectre :
Placer la fente devant la source de lumière
Placer la lentille et positionner la lentille de façon à obtenir une image nette de la fente éclairée sur le mur de la salle (rectangle lumineux aux bords nets)
Placer le prisme à environ 30cm de la lentille. Veiller à ce que la fente, la lentille et le prisme soient bien alignés
Tourner lentement le prisme jusqu’à faire apparaître le spectre recherché (sur un mur, par exemple).
Choisir la position du prisme qui donne le spectre le plus lumineux.
Attention, celui-ci ne se forme pas dans l’alignement de la fente et de la lentille.
Intercaler l’écran dans le faisceau afin d’obtenir le spectre sur l’écran.
Ajuster la position de la lentille afin d’obtenir le spectre le plus net possible.
2. Schéma du montage : compléter le schéma en dessinant ce qu’on observe sur l’écran.
3. Interprétation : Décrire le spectre obtenu.
4. Intercaler des filtres au niveau de la fente et observer l’allure du spectre.
Représenter dans tableau ci-contre les spectres observés.
Décrire l’influence d’un filtre sur le spectre de la lumière obtenu. Filtre rouge
Filtre bleu
II. Influence de la température de la source
Pour qu’il émette de la lumière, le filament d’une lampe doit être chaud. Plus le courant qui le parcourt est important, plus le filament de la lampe est chaud.
Dans cet atelier, on décompose la lumière émise par le filament d’une lampe. On fait varier le courant qui traverse le filament de la lampe afin de faire varier la température du filament.
1. Protocole
On utilise le montage précédent
Diminuer l’intensité lumineuse de la source en agissant sur la tension du générateur et observer l’évolution du spectre
2. Résultats :
Représenter dans tableau ci-contre les spectres observés. Préciser quelle est la couleur de la lumière émise : Spectre Couleur de la lumière émise
Filament chaud Filament peu chaud
Qu’observerait-on si on chauffait fortement le filament : Filament
très chaud
Décrire l’influence de la température de la source de lumière sur le spectre observé.
III. SPECTRES DE RAIES d’émission
Certaines lampes, comme les tubes néons, ne nécessitent pas d’être chauffées pour émettre de la lumière (cas des lampes à filament). Ils sont constitués d’un gaz d’atomes à basse pression qui reçoivent de l’énergie
électrique et émettent alors de la lumière.
Dans cet atelier on cherche à obtenir les spectres obtenus à partir de telles lampes.
1. Spectre d’une lampe à vapeur de mercure :
Attention : ne pas regarder directement la lumière émise par la lampe utilisée dans cette expérience ! On utilise le montage précédent dans lequel on remplace la lampe à filament par une lampe à vapeur de mercure (Hg).
2. Schéma du montage : compléter le schéma en dessinant sur l’écran le spectre observé
3. Quelle est la différence entre la lumière émise par un corps chauffé (filament d’une lampe) et la lumière émise par un gaz d’atomes à basse pression.
Lampe à décharge (gaz à basse pression excité)
Fente Lentille
Prisme
Fente Lentille
Prisme
Gaz froid Lampe à incandescence (filament chauffé)
IV. Spectres de raies
On décompose la lumière blanche produite par une lampe à filament fortement chauffée après qu’elle ait traversé un gaz froid.
Pour cela on utilise la simulation sur le site : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_abs_em.swf
Allumer les deux montages (cliquer sur « ON ») et choisir dans le tableau l’atome d’hydrogène « H » (cela revient à choisir de ampoules remplies de gaz hydrogène).
Comparons les deux montages : compléter le tableau ci-dessous
Montage
Source de lumière (filament ou gaz ?) Rôle du gaz
(émet ou absorbe ?) Dessin des spectres
Fond (coloré ou
noir ?) Raies (colorées
ou noires ?)
Nom du spectre
Dessiner sur l’écran ci-dessous le spectre qu’on observe par décomposition de la lumière blanche qui a traversé un gaz froid (hydrogène).
Comparer les raies du spectre d’émission et celles du spectre d’aborption obtenus avec le même gaz.
Changer d’élément chimique (choisir le mercure : Hg). Les spectres obtenus sont-ils les mêmes que ceux obtenus pour l’hydrogène ?
V. Résumé
VI. Tableau : aide à la réponse
Dans les spectres des étoiles, je vois…
D’après les ateliers, je sais que…
D’après les documents, je sais que…..
J’en déduis que…
