Chapitre 2 : La lumière des étoiles

Le prisme est un système optique, taillé dans un milieu transparent comme le verre ou le plexiglas, constitué de 3 faces planes rectangulaires et de deux faces planes triangulaires. On le représente par un triangle.

représentation symbolique:

2) Décomposition de la lumière blanche par un prisme : Expérience de Newton

Animation dispersion par un prisme

En passant à travers le prisme, la lumière blanche est déviée et décomposée lumières colorées. On dit que le prisme décompose la lumière blanche. La figure colorée obtenue est appelée spectre. La lumière blanche est constituée de plusieurs lumières (ou radiations) colorées. C’est une lumière polychromatique.

Remarque : Les gouttes d’eau se comportent comme un prisme. Elles décomposent la lumière du Soleil pour donner les couleurs de l’arc-en-ciel.

Animation : l’arc en ciel

3) Le laser

Contrairement à la lumière blanche, la lumière du laser, en traversant un prisme, n'est pas décomposée en un spectre mais en une seule radiation lumineuse. Le laser est constitué d'une seule radiation: c’est une lumière monochromatique.

4) Longueur d’onde

Chaque onde électromagnétique est caractérisée, dans l’air ou dans le vide, par une grandeur appelée longueur d’onde, notée. Elle s’exprime en mètre ou plus souvent en nanomètre (nm). 1nm = 10^-9 m

Spectre de la lumière blanche

L’œil humain n’est sensible qu’aux radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400nm et 800nm. A chaque couleur correspond une longueur d’onde.

Exemple :

longueur d’onde d’un violet

longueur d’onde d’un rouge

II) les spectres d’émission

1) Spectres d'émission continus

Animation : lumière émise par un corps chauffé

Un spectre d’émission est un spectre produit par la lumière directement émise par une source (lampe à incandescence, corps chauffé).

2) Spectre et température :

A l'aide du curseur du rhéostat, on fait varier l'intensité lumineuse. On analyse la lumière en la décomposant avec un prisme. On obtient des spectres d’émission continus.

Exemple: on chauffe le filament d'une lampe progressivement à une température T1 puis T2 et enfin T3 avec T1<T2<T3. On analyse la lumière, on obtient les spectres continus suivants:

Un corps chaud émet un spectre d'émission continu dont la composition dépend de la température.

La couleur émise par un corps chauffé ne dépend pas de sa composition chimique, mais uniquement de sa température.

Exemple: couleur et température de surface d'un objet quelconque

3) Spectre de raies d'émission

Animation : spectres d’émission discontinus de quelques éléments

Lorsqu’on excite par une tension électrique un gaz enfermé dans une enceinte sous basse pression, il émet une lumière que l’on peut décomposer grâce à un prisme. Le résultat de cette décomposition est un spectre d’émission discontinu.

Un spectre d'émission discontinu est constitué de raies fines et colorées entrecoupées de bandes noires. A Chaque élément chimique correspond un spectre d'émission.

Exemple : Le spectre d’émission produit par une lampe à vapeur de mercure ou une lampe à vapeur de sodium est discontinu.
La lumière émise par ces lampes est composée d'un nombre limité de radiations.

Spectre d’émission d'une lampe à vapeur de sodium

Spectre d’émission d'une lampe à vapeur de mercure

III) les spectres de raies d’absorption

1) montage

Animation : comparaison entre des spectres d’absorption et d’émission de quelques éléments

Pour obtenir un spectre de raies d’absorption d’un élément :

- produire une lumière blanche possédant un spectre d'émission continu. Cette lumière blanche doit traverser une lampe contenant un gaz à basse pression et haute température. Ce gaz est constitué de l'élément chimique qui nous intéresse

- décomposer la lumière qui sort de la lampe et la récupérer sur un écran.

2) spectre d’absorption

Le spectre d’absorption d'un élément chimique est constitué d'une bande colorée entrecoupée de raies noires. Ces raies noires correspondent aux raies d'émission de l'élément chimique.

Spectre d'absorption du sodium

Spectre d'émission du sodium

Spectre d'absorption du mercure

Spectre d'émission d’une lampe à vapeur de mercure

3) interprétation

L’élément chimique absorbe certaines radiations. Les raies noires d'absorption correspondent aux raies d'émission de l’élément. Un élément chimique absorbe les radiations qu'il est capable d'émettre. Les raies noires d'absorption et les raies colorées d'émission ont la même longueur d'onde.

Exemple : La raie noire du spectre d'absorption du sodium correspond à la raie jaune de son spectre d'émission.

IV) application à l’astrophysique

1) analyse de la lumière des étoiles

Une étoile est une boule de gaz sous haute pression dont la température varie beaucoup entre le centre et sa surface. Le rayonnement que l’on perçoit d’une étoile provient de la photosphère qui se trouve sur le bord externe de l'étoile. La couleur de la photosphère nous renseigne sur sa température: les bleues sont les plus chaudes et les rouges les plus froides.

A la périphérie de la photosphère, il existe donc une atmosphère constituée d’un gaz sous faible pression. C’est dans cette partie de l’étoile que certaines radiations sont absorbées par les éléments chimiques présents. Le spectre de la lumière émise par une étoile est donc un spectre d’absorption.

Le spectre d’absorption du soleil contient certaines raies noires d’absorption correspondant aux raies d’émission de l’hydrogène. Par conséquent l’hydrogène est présent dans l’atmosphère de l’étoile.

La couleur de surface d'une étoile nous renseigne sur sa température de surface (voir tableau ci dessous, source wikipedia).

Classe	température¹	couleur	raies d'absorption
O	> 25 000 K	bleue	azote, carbone, hélium et oxygène
B	10 000 - 25 000 K	bleue-blanche	hélium, hydrogène
A	7 500 - 10 000 K	blanche	hydrogène
F	6 000 - 7 500 K	jaune-blanche	métaux : fer, titane, calcium, strontium et magnésium
G	5 000 - 6 000 K	jaune (comme le Soleil)	calcium, hélium, hydrogène et métaux
K	3 500 - 5 000 K	jaune-orange	métaux et monoxyde de titane
M	< 3 500 K	rouge	métaux et monoxyde de titane

2) conclusion

En observant le spectre de la lumière émise par une étoile, on peut déterminer la composition chimique de son atmosphère et sa température de surface.

vu en cours ou TP	code	Compétences attendues : ce que je dois savoir (♥) ou savoir faire. *En italique : vu en général en TP*	Commentaire éventuel (rajouté par l’élève) :	Mon évaluation :
Les étoiles
	U5♥	Je sais qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température.
	U6	Je sais repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique.
	U7	Je sais utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission et d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.
	U8♥	Je sais que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.
	U9	Je sais interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile.
	U10	Je connais la composition chimique du Soleil.
	U11	Je sais pratiquer une démarche expérimentale pour établir un modèle à partir d’une série de mesures et pour déterminer l’indice de réfraction d’un milieu.
	U12	Je sais interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme.