U2 - Etude de l`étoile GLIESE - SECONDE
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U2 - Etude de l’étoile GLIESE PARTIE 1 : COMPOSITION DE LA CHROMOSPHERE DE L’ETOILE GLIESE Les zouzous ont profité de leur voyage sur Terre pour faire une analyse spectrale de leur étoile à l’aide d’un spectroscope. L’objectif de cette analyse est de renseigner sur la composition chimique, soit du corps qui émet la lumière (spectre d’émission), soit du milieu qui a été traversé par cette lumière et en a absorbé une partie (spectre d’absorption). I. Découverte de la spectroscopie – les spectres de raies En effet, lorsque les atomes ou les ions d’un gaz, sous faible pression, sont excités soit par chauffage soit par décharges électriques, ces entités peuvent émettre de la lumière : le spectre obtenu est composé d’un nombre limité de radiations monochromatiques bien distinctes, qu’on visualise sous forme de raies. Un spectroscope est un système dispersif comme le prisme ou les réseaux qui permet de décomposer la lumière en ses différentes radiations. Par exemple, la décomposition de la lumière blanche par un prisme donne le spectre ci-contre. 1. Observez à l’aide d’un spectroscope le spectre de raies d’émission d’une lampe à néon ou d’une lampe à sodium et reproduisez le. 2. A votre avis, pourquoi la lumière des lampes au sodium nous apparait jauneorangé ? A chacune des raies du spectre est associée une radiation lumineuse caractérisée par une grandeur bien précise appelée « longueur d’onde », allant de 400 nm pour le violet à 700 nm pour le rouge. Longueur d’onde en nm Couleur 405 408 Violet 436 492 496 Bleu 546 Vert 577 579 Jaune 623 691 Orange Rouge 3. Donner un encadrement de longueurs d’onde des radiations émises par la lampe au sodium. La lumière émise par l’étoile GLIESE traverse l’atmosphère de cette étoile avant de parvenir au spectroscope des zouzous. Les gaz constituant cette atmosphère vont alors absorber certaines radiations : les radiations absorbées sont de même longueur d’onde que celles que le gaz émettrait s’il était chaud. Par exemple, le spectre obtenu lorsque la lumière blanche traverse une flamme contenant du sodium (expérience de Kirchhoff, voir schéma cicontre) est le suivant : a. Spectre d’émission du sodium b. Spectre d’absorption du sodium 4. Quelle est la couleur des raies d’absorption obtenues ? 5. En comparant les spectres d’absorption et d’émission du sodium, expliquer pourquoi l’analyse d’un spectre d’absorption permet d’identifier le gaz qui a été traversé par la lumière. 6. Quel serait le spectre d’absorption correspondant au néon ? Vérification : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_abs_em.swf II. Etude de l’Etoile GLIESE Les zouzous obtiennent le cliché suivant : Pour pouvoir exploiter ce cliché, les zouzous ont emportés avec eux une référence réalisée avec le même spectroscope : le spectre d’émission de l’argon. Les deux spectres juxtaposés, ci-dessous, ont la même échelle de longueur d’onde. Quatre raies très fines intriguent les zouzous, il s’agit peut-être d’un élément inconnu dans leur atmosphère ! Spectre d’émission de l’Argon : Spectre de l’étoile de GLIESE : 1. Le spectre de l’étoile GLIESE est-il un spectre d’émission ou d’absorption ? Justifier. 2. Le spectre de l’argon est-il un spectre d’émission ou d’absorption ? Justifier. 3. Les zouzous n’ont pas encore identifié les gaz responsables des raies d’absorption numérotées de 1 à 6. A toi de les aider ! Proposez une démarche permettant de déterminer les entités chimiques gazeuses responsables des raies non identifiées. Tableau des longueurs d’onde, en nm, absorbées ou émises par quelques entités chimiques gazeuses : Eléments chimiques Longueur d’onde en nm Hydrogène (H) Hélium (He) Sodium (Na) Magnésium (Mg) Calcium (Ca) Fer (Fe) Titane (Ti) Manganèse (Mn) Nickel (Ni) 397 402 589 470 397 438 467 404 508 410 447 590 517 423 489 469 434 502 458 492 498 486 587 526 496 656 668 527 533 706 537 540 PARTIE 2 : TEMPERATURE DE LA PHOTOSPHERE DE L’ETOILE GLIESE L’analyse spectrale de la lumière provenant des étoiles montre également un fond continu coloré (non visible sur le cliché en noir et blanc étudié précédemment) d’origine thermique renseignant sur la température de surface de l’étoile appelée photosphère. Fig.a et b : Spectre d’émission continu à deux températures différentes I. Spectre continu d’émission des corps chauds En effet une étoile peut être assimilée à une boule de gaz très chaud et sous haute pression. Un corps chaud émet un rayonnement continu, c'est-à-dire un rayonnement où toutes les radiations d’un certain intervalle de longueurs d’onde sont présentes. http://phet.colorado.edu/sims/blackbodyspectrum/blackbody-spectrum_en.html Comme montre le graphe ci-contre, plus la température est élevée, plus le spectre contient des radiations de faibles longueurs d’onde (violet-bleu). A l’inverse, quand le fond se situe surtout dans les longueurs d’onde correspondant à un rayonnement rouge, c’est que la température de l’étoile est plus faible (de l’ordre de 103 °C). Température de la surface de l’étoile (en °C) 1 000 – 2000 2 000 – 3 200 3 200 – 7 000 (cas du soleil) 7 000 – 10 000 Plage de longueurs d’onde d’intensité maximale (en nm) 1 000 – 4 000 350 – 2 500 180-900 100-500 1. Observez le spectre d’une lampe à incandescence dont on fait varier l’intensité du courant la traversant pour augmenter progressivement la température du filament. 2. Décrivez l’évolution du spectre observé à travers le spectroscope lorsque la température du filament augmente et dessinez le spectre de la lumière blanche. 3. Depuis la Terre, en observant les étoiles, les zouzous remarquent que certaines leur paraissent bleues et d’autres plutôt oranges (images ci-dessous). En vous appuyant sur vos observations précédentes, expliquez ce phénomène et comparer les températures de ces étoiles. II. Température de GLIESE La lumière émise par la photosphère de GLIESE, donne le spectre continu ci-dessous. Pour plus de précision sur la température de GLIESE, les zouzous enregistrent également l’intensité en fonction de la longueur d’onde de la lumière émise par leur étoile. 1. De quelle couleur apparait l’étoile de GLIESE depuis la Terre ? Justifier votre réponse en vous référant aux mesures réalisées par les zouzous. 2. Comparer la température de cette étoile à la température de notre étoile, le soleil. DEVOIR MAISON : Les messages codés du soleil – livre Bordas page 261 BILAN : U2 - Les messages de la lumière - Savoir que la longueur monochromatique : d’onde caractérise une radiation Chaque radiation monochromatique est caractérisée par sa longueur d’onde. Les longueurs d’onde des radiations visibles sont comprises entre 400 nm (violet) et 700 nm (rouge). Ex 11 page 267 - Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu : Un corps fortement chauffé émet un rayonnement dont le spectre continu ne dépend pas de la nature de ce corps, mais de sa température. Plus sa température est élevée plus le spectre d’émission se déplace vers le violet (faible longueurs d’onde). Ex 10 page 267 - Reconnaitre un spectre de raies d’absorption ou de raies d’émission : Un gaz excité sous faible pression peut émettre de la lumière composée d’une ou plusieurs radiations monochromatiques, formant un spectre de raies d’émission. Un rayonnement d’origine thermique qui a traversé un gaz chauffé sous faible pression ne présente plus un spectre continu, mais un spectre de raie d’absorption : le gaz absorbe les radiations qu’il est capable d’émettre. Ex 7,8,9 page 267 - Savoir identifier une entité chimique par ses raies caractéristiques : Les longueurs d’onde des radiations du spectre d’émission et d’absorption d’une entité chimique sont égales. Elles caractérisent cette entité chimique et permettent de l’identifier. Ex 12 page 267 - Interpréter un spectre stellaire : La photosphère d’une étoile est une couche de gaz chaud responsable du spectre d’émission continu d’origine thermique. Les étoiles les plus chaudes sont bleues, les plus froides sont oranges. Les longueurs d’onde des raies d’absorption du spectre de l’étoile permettent d’identifier les entités chimiques présentes dans son atmosphère. Ex 16, 17 page 268 - Connaitre la composition du soleil : Hydrogène : 79 % ; Hélium : 20 % ; autres : 1 %. Activité page 261
