fiche_eleve - Physique chimie Dijon

Dans un laboratoire d’astrophysique …
Mademoiselle Fortiche, assistante du Professeur Génius : Cette fois, j’en suis certaine ! Il y a bien de l’hydrogène et de
l’hélium dans l’atmosphère du Soleil. Tenez, regardez Professeur Génius ce que j’ai réussi à obtenir :
Le professeur Génius : Effectivement, effectivement … C’est intéressant …
Quelles interrogations, questions, vous suggèrent ce document?
La question retenue :
Quelles expérimentations peut-on mener ?
1. Comment obtenir un spectre lumineux au laboratoire ?
 Comment faut-il procéder pour obtenir un spectre lumineux au laboratoire ?
 Appeler le professeur pour vérification.
 Mettre en place le dispositif permettant d’obtenir le spectre lumineux.
 Appeler le professeur pour faire vérifier le spectre.
1. Reproduire le spectre de la lumière blanche dans le
rectangle ci-contre.
2. Quelle est l’action du prisme sur la lumière blanche ?
3. Doit-on qualifier la lumière blanche de monochromatique ou de polychromatique ? Justifier.
 Reprendre l’expérience en remplaçant le prisme par un réseau (film transparent sur lequel sont tracés de
nombreux traits équidistants et parallèles ; celui utilisé dans l’expérience comporte 530 traits par mm).
4. Quelle est l’action du réseau sur la lumière blanche ?
 Réaliser le montage et appeler le professeur.
Pour observer plus facilement les spectres lumineux, on peut utiliser un spectroscope, constitué d’une boite
parallélépipédique comportant d’un coté une fine fente par laquelle la lumière pénètre et de l‘autre un réseau qui
décompose la lumière et près duquel on place l’œil.
 Observer le spectre de la lumière solaire (pas directement le Soleil) avec un spectroscope.
La lumière du Soleil est constituée de plusieurs lumières colorées ; à chaque lumière colorée correspond une onde
électromagnétique caractérisée par une longueur d’onde dans le vide noté λ ; les valeurs de ces longueurs d’onde
sont indiquées, en nm, sur une graduation à l’intérieur du spectroscope.
5. A quelles longueurs d’ondes les radiations lumineuses violettes correspondent-elles ?
2. Tous les spectres lumineux ressemblent-ils au spectre de la lumière blanche ?
Le spectromètre utilisé précédemment donne plusieurs spectres, symétriques par rapport à la fente centrale. À
partir de maintenant, on ne prendra en considération que celui de droite.
 Observer le spectre de la lumière émise par la lampe à vapeur de sodium.
1.1. Décrire ce spectre en précisant la valeur de la longueur d’onde  de la radiation lumineuse correspondante
(en nm) de chaque raie.
1.2. Dessiner ce spectre avec précision dans le cadre ci-dessous.
Physique – Chimie – 2nde Thème : L’Univers
TP – De l’hydrogène et de l’hélium autour du Soleil ! ?

 Observer le spectre de la lumière émise par la lampe à vapeur de mercure.
2.1. Décrire ce spectre avec précision.
2.2. Le dessiner soigneusement dans le cadre ci-dessous.
3. Tous les spectres lumineux ressemblent-ils au spectre de la lumière blanche ?
Ce qu’il faut retenir
 La lumière blanche est une lumière polychroma tique car elle peut être
décomposée par un pris me ou un rése au en plusieurs lumières colorées :
cet ensemble de lumières colorées est appelé spectre d’émiss ion continu
de la lumière blanche.
 Chaque lumière colorée qui constitue la lumière blanche est une radiatio n lumineuse
monochromatiqu e, caractérisée par une grandeur appelée longue ur d'onde.
Elle est notée  ( : « lambda ») et s'exprime en m ètres.
 Certaines lampes contiennent un gaz à basse pression. Lorsque ce gaz est soumis à une
décharge électrique ou porté à haute température, il émet une lumière constituée d’un
nombre restreint de radiations monochromatiques. Le spectre est dit discontinu :
il contient des raies color ées sur fond n oir : c’est un spectre de raies d’émission.
 Un spectre de raies d’ém ission est caractéristique d’une entité
chimique : c’est « une signature lumineuse » ; pour une entité chimique donnée, les
radiations lumineuses présentes dans le spectre correspondent toujours à la même
longueur d’onde.

1. Comment obtenir des zones noires sur un spectres lumineux ?
 Comment faut-il procéder pour obtenir des zones noires sur un spectre lumineux ?
 Appeler le professeur pour vérification.
 Mettre en place le dispositif permettant d’obtenir le spectre lumineux avec des zones noires.
 Appeler le professeur pour faire vérifier le spectre.
2. Comment obtenir des raies noires et non des bandes noires sur le spectre ?
Expérience : On vaporise, dans une flamme, une solution d’eau salée située entre une source de lumière blanche et un système
dispersif (réseau). Lorsque l’eau salée tombe sur la flamme, il se forme des vapeurs de sodium.
1.1. Qu’observe-t-on sur l’écran avant de vaporiser l’eau salée dans la flamme ?
1.2. Qu’observe-t-on sur l’écran quand on vaporise l’eau salée dans la flamme ?
1.3. Comment expliquer la présence d’une raie noire lorsque l’on vaporise de l’eau salée ?
1.4. Sachant que la radiation lumineuse absorbée a une longueur d’onde égale à 589 nm, représenter le spectre
d’absorption du sodium dans le cadre ci-dessous.
2. Sachant que les longueurs d’onde des radiations lumineuses absorbées par le mercure sont de 405 nm, 436
nm, 546 nm et 579 nm, représenter le spectre d’absorption du mercure dans le cadre ci-dessous.
3.1. Les éléments absorbent-ils tous les mêmes radiations lumineuses ?
3.2. Sachant qu’il existe autour du Soleil une atmosphère gazeuse constituée par de nombreux éléments
chimiques, comment expliquer la présence de raies noires sur le spectre coloré de la scientifique ?
Ce qu’il faut retenir
Si on éclaire un filtre ou une solution colorée par une lumière blanche, la lumière
transmise donne un spectre constitué de bandes som bres se détachant sur le fond
c o du spectre continu de la lumière blanche : c’est un spectre d’absorption de
bandes.
Si on éclaire un gaz d’entités chimiques par une lumière blanche, la lumière
transmise donne un spectre constitué de raies noires se détachant sur le fond
col oré du spectre continu de la lumière blanche : c’est un spectre d
’absorption de raies.
Les raies noires correspondent aux radiations abs orbées par les
entités chimiques (atomes, ions).
Réseau

Recherche
En s’aidant des parties 1 et 2 du TP, répondre aux questions suivantes.
1.1. Combien de radiations lumineuses l’élément sodium est-il capable d’absorber ?
1.2. Quelle(s) radiation(s) lumineuse(s) l’élément sodium est-il capable d’émettre ?
2. Reprendre les questions précédentes pour le mercure.
3. D’une manière générale, quelle(s) radiation(s) un élément est-il capable d’absorber ?
4.1. De quelles données les scientifiques doivent-ils disposer pour affirmer qu’il y a de l’hélium et de l’hydrogène
autour du Soleil ?
4.2. Comment procèdent-ils ?

La lumière émise par le Soleil provient de sa photosphère, couche de gaz chaud situé à
la périphérie : si cette lumière pouvait être décomposée, on devrait observer un spectre continu
d’émission (Spectre 1). Cependant, ce n’est pas ce qui est réellement observé : en effet, il existe
autour du Soleil, une atmosphère gazeuse constituée de divers éléments chimiques qui
absorbent certaines radiations : le spectre observé, avec des appareils performants, est un
spectre de raies d’absorption (Spectre 2).
1. D’après le spectre lumineux obtenu par la scientifique et les données ci-dessous, comment
faut-il procéder pour savoir quels sont les éléments présents autour du Soleil ?
Tableau indiquant les longueurs d’onde des radiations émises par divers éléments.
2.1. Sachant que la graduation 400 nm coïncide avec le bord gauche du spectre de la scientifique, déterminer la
longueur d’onde de la radiation absorbée matérialisée par la raie noire la plus à gauche sur le spectre. Justifier.
Echelle : 3,4 cm sur le spectre correspond à 100 nm.
2.2. En déduire l’élément responsable de l’absorption de cette radiation, sachant qu’il est forcément présent dans
le tableau de données. Justifier.
3. Reprendre les questions 2 pour les autres raies noires.
4. La scientifique avait-elle raison ?
Ce qu’il faut retenir
Sur Terre, on peut observer le spectre lumineux de chaque élément chimique en
décomposant par un pris me ou un rés eau la lumière émise par une lampe
contenant le gaz de cet élément : à partir du spectre de raies d’é mission
obtenu, on peut déterminer les longu eurs d’onde des radiations
lumineuses que peuvent émettre chaque élément chimique.
Sur Terre, on peut également décomposer la lumière émise par différentes étoiles :
on observe des spectres de raies d’absor ption :
 Le fond colo ré est continu : il provient de la décomposition de
la lumière émise par la surface de l’étoile, appelée photo sph ère.
 Les raies n oires correspondent à des radiations lumineuses
absorbées par les éléments chimiques présents dans l’atmosphère de l’étoile. On
peut déterminer la longueur d’onde de chaque radiation lumineuse absorbée.
Comme une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu’elle est capable
d’émettre, les raies noires de ce spectre d’absorption permettent de déterminer les
entités chimiques présentes dans l’atmosphère d’une étoile.
Le Soleil est une étoile essentiellement constituée d’hydr ne (79 %) et d’hé um
(20%).
Elément
λ1
λ2
λ3
λ4
λ5
λ6
λ7
H : hydrogène
434,0
486,1
532,8
656,3
Mg : magnésium
470,3
516,7
518,4
Ca : calcium
394,4
396,8
422,7
458,2
526,2
527,0
Fe : fer
438,3
489,1
491,9
495,7
537,1
539,7
Ti : titane
466,8
469,1
498,2
Mn : manganèse
403,6
Li : lithium
497,0
N : azote
409,9
410,9
424,0
444,0
465,0
Hg : mercure
404,6
435,8
546,1
He : hélium
414,4
438,7
447,1
471,3
492,5
501,6
504,8
Na : sodium
569
589
615
1
2