La lumière d’

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TP : SPECTROSCOPIE

La lumière d’une étoile nous renseigne sur sa composition, sa température…. Pour décrypter ces messages, on doit décomposer la lumière en faisant des spectres.

Un spectre est la séparation ou dispersion de la lumière en couleurs élémentaires (le plus connu est l’arc en ciel).

Il en existe plusieurs types de spectres:

o Les spectres d’émission : Spectre de la lumière directement issue de la source.

 Des spectres d’émission continu : émis par des corps condensés et chauds (lampes à incandescence, étoile…)

 Des spectres de raies d’émission (discontinus) : émis par un gaz sous faible pression et chauffé ou des ions simples et indépendants.

o Les spectres d’absorption d’une substance : Spectre de la lumière obtenu après traversée de cette substance par de la lumière blanche.

 Des spectres de bandes d’absorption : obtenu en faisant passer de la lumière blanche à travers un liquide ou un gaz coloré.

 Des spectres de raies d’absorption : obtenu en faisant passer de la lumière blanche à travers un gaz sous faible pression composés d’atomes ou d’ions simples et indépendants.

Poste 1 : Le prisme et le réseau permettent de décomposer la lumière. Spectre continu d’émission

1/ Place le prisme sur le trajet de la lumière blanche de la lampe à incandescence afin d’obtenir le spectre sur l’écran.

Dessine ce spectre :

b/ Remplace le prisme par le réseau.

Tu peux aussi utiliser le spectroscope de poche, tube muni d’une fente à une extrémité et d’un réseau à l’autre extrémité. Pour observer, place ton œil contre le réseau et la fente vers la source lumineuse.

Dessine le spectre :

c/ Regarde, avec ton spectroscope de poche, la lumière émise par le soleil (sans le regarder évidemment) et un néon de la classe. Que remarques-tu ?...

d/ Quelle est la nature des spectres observés ?

………

Poste 2 : Spectres d’émissions

Réalise successivement les trois expériences ci-dessus avec les 3 sources lumineuses différentes : Lampe à gaz (vapeurs de sodium), lampe à incandescence et LASER.

SAUF pour le LASER, observe les spectres avec le spectroscope de poche.

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Complète le tableau :

Lampe Dessin du spectre obtenu Nature du spectre

lampe à vapeur de sodium lampe à incandescence

LASER

Poste 3 : Spectre d’absorption

Expérience : On utilise le rétroprojecteur comme source de lumière blanche.

Un réseau (spectroscope) est placé sur la lentille de projection.

Deux plaques en carton sont posées sur la vitre pour limiter le faisceau lumineux (fente).

La substance à analyser est placée dans une cuve sur la vitre.

1/ Complète le tableau suivant.

Ne fais pas tout le spectre à chaque fois, note seulement les différences.

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Cuve Dessin du spectre Couleur absorbée Nature du spectre Cuve vide

Cuve avec permanganate de potassium (Violet / Magenta)

Cuve avec colorant vert

Cuve avec colorant rouge Cuve avec colorant bleu

2/ Utilise la roue des couleurs pour en déduire quelle couleur sera absorbée si on remplit la cuve de liquide JAUNE ?

………..

……….

Poste 4 : Température et couleur

Expérience 1 : On alimente une lampe grâce à un alternostat (variateur de courant).

Comment évolue la température quand le courant augmente ?...

Augmente progressivement le courant et note le changement de couleur :

Courant nul Faible courant Courant normal ou fort Couleur du

filament

Expérience 2 : Recommence l’expérience en regardant le filament avec ton spectroscope de

poche. Comment varie le spectre de la lumière lorsque l’intensité augmente ?

………

Expérience 3 : On refait la même expérience en remplaçant le dispositif par un rétroprojecteur

alimenté par un alternostat.

Augmente progressivement la tension d’alimentation avec l’alternostat en regardant les variations du spectre sur l’écran.

3/ Essaie de construire une phrase avec mes mots suivants : Corps, rayonnement, température, violet / bleu, augmente, chaud, s’enrichit, spectre.

………

4/ Quelle est la nature de tous les spectres observés dans cette partie ?

………

………..

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Application à l’astrophysique :

C'est au début du 19ème siècle que l'on a découvert le secret des spectres : il manquait certaines couleurs dans le spectre du soleil et des étoiles ! Il a fallu attendre le 20ème siècle pour comprendre pourquoi.

L'astrophysique nait : On applique des lois de la physique à l'astronomie.

Les spectrographes (instrument d'optique qui disperse les différentes couleurs de la lumière d'un astre, puis les enregistre. Une couleur est définie par sa longueur d’onde  en nm) sont construits un peu partout (Exemple : Observatoire de Haute Provence en 1937) pour découvrir le secret des étoiles.

Le spectre d'une étoile montre un grand nombre de couleurs manquantes : ces sont les raies d'absorption.

L'analyse des raies d'absorption dans le spectre d'une étoile nous renseigne sur l'étoile elle-même et son environnement :



La température de sa surface.



La taille et la distance de l'étoile



la composition chimique de son atmosphère

Si l'on arrive à bien comprendre le message codé d'un spectre, son étude permet donc de presque tout savoir sur une étoile ! La surface de l'étoile très chaude, la photosphère, émet un spectre continu de lumière.

Lorsque la lumière passe dans l’atmosphère gazeuse de l’étoile (chromosphère), les atomes absorbent une partie du rayonnement et on obtient un spectre de raies d’absorption.

Voici le spectre de la lumière du Soleil montré à la fois comme une image colorée et aussi comme une courbe qui trace l'intensité du spectre en fonction de la longueur d'onde.

Le spectre du Soleil est donc la superposition de tous les spectres d’atomes qui le composent. Pour l’analyser, il suffit donc de connaître tous les spectres d’atomes.

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TRAVAIL SUR ORDINATEUR :

Ouvre le logiciel « analyse spectrale ». Clique sur une étoile.

1/ Le spectre émis par une étoile est-il d’émission ou d’absorption ? Est-il continu ou discontinu ?

...

2/ Avec les spectres des étoiles et des éléments, déterminer la composition de 3 étoiles : Bételgeuse, Pollux et Véga. Expliquez votre démarche « d’apprenti astrophysicien » en 2 lignes :

...

3/ Coche les espèces chimiques contenues dans chaque étoile : Espèce

chimique H

(hydrogène) Ti (titane) Na

(sodium) Ar

(argon) Ca

(calcium) Li

(lithium) Hg

(mercure) Fe (fer) Etoile

Véga Pollux Bételgeuse