INTERPRETER LE SPECTRE DE LA LUMIERE EMISE PAR UNE

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?
Savoir repérer la longueur d’onde d’une radiation caractéristique d’un élément
chimique dans un spectre d’émission
? Savoir que l’étude du spectre d’une étoile permet de connaître la composition de
son enveloppe
externe. DE LA LUMIERE EMISE
Document
3/7 INTERPRETER
LE SPECTRE
PAR professeur
UNE ETOILE
! Nom :
Physique - Chimie
1. Comprendre
le spectre solaire
Prénom
:
: L’Univers
Classe
: est une
ACTIVITÉ
1 :boule
Comprendre
leThème
spectre
Le
Soleil
de 7 × 105 km
de
rayon, solaire!
soit environ 110 fois celui de la Terre ! Au coeur, la
INTERPRETER
LE SPECTRE DE LA LUMIERE
Date !:
température
est de l’ordre de 15 millions
de
degrés.
Chaque seconde, la fusion des protons en hélium produit
E
PAR UNEà 6,4
ETOILE
@.!A82.92!.3-!7,.!B872.!5.!C!D!+*
!FG!5.!/;H8,I!389-!.,J9/8,!++*!K893!4.279!5.!2;!L.//.!M!!
une énergie
de 383 × 1024 J, soit uneEMISE
énergie
équivalente
× 1012 fois celle de la bombe d’Hiroshima !
N7!
48.7/I!
2;!
-.G01/;-7/.!
.3-!
5.!
268/5/.!
5.!
+E!
G92298,3!
5.!
5.</13O! PQ;R7.!
3.48,5.I! 2;!n’est
K7398,!
5.3!
L’énergie produite doit traverser plusieurs couches jusqu’à
la photosphère
où la température
plus
que
)T
+)
0/8-8,3!.,!Q1297G!0/8579-!7,.!1,./<9.!5.!=S=!D!+*
!UI!389-!7,.!1,./<9.!1R79J;2.,-.!V!WIT!D!+*
!K893!
d’environ 6 000 °C. Mais c’est cette fine couche gazeuse qui émet la lumière du soleil. A l’extérieur de la
4.22.!5.!2;!B8GB.!56X9/83Q9G;!M!
photosphère,
Objectifs
: l’atmosphère de l’étoile (ou chromosphère) contient un grand nombre d’éléments sous formes
0/8579-.!
589-!
02739.7/3!
4874Q.3!certaines
Y73R76V! 2;!
0Q8-830QZ/.!8[!
2;! -.G01/;-7/.!
,6.3-!
d’ions@61,./<9.!
ou d’atomes
isolés.
Ce -/;J./3./!
sontlaeux
qui
vont
absorber
radiations
du rayonnement
continu
émis
? Savoir
repérer
longueur
d’onde
d’une radiation
caractéristique
d’un élément
0273!R7.!56.,J9/8,!W!***!\PO!];93!46.3-!4.--.!K9,.!4874Q.!<;^.73.!R79!1G.-!2;!27G9Z/.!57!382.92O!!
par la photosphère.
chimique dans un spectre d’émission
N! 26._-1/9.7/!
5.! 2;!que
0Q8-830QZ/.I!
26;-G830QZ/.!
5.!
261-892.!
:87!
Compléter
la conclusion
ci-dessous
les bons
termes
parmi
les suivants
: 48,-9.,-! 7,!de</;,5!
? Savoir
l’étudeen
duchoisissant
spectre
d’une
étoile
permet
de4Q/8G830QZ/.>!
connaître
la composition
,8GB/.!56121G.,-3!3873!K8/G.3!5698,3!87!56;-8G.3!938213O!P.!38,-!.7_!R79!J8,-!;B38/B./!4./-;9,.3!
continu, raies, émission,
absorption,
bandes.
son enveloppe
externe.
/;59;-98,3!57!/;H8,,.G.,-!48,-9,7!1G93!0;/!2;!0Q8-830QZ/.O!
! spectre de la lumière émise par la photosphère est un spectre ………... Les éléments de la chromosphère
Le
P8G021-./!2;!48,427398,!49?5.33873!.,!4Q893933;,-!2.3!B8,3!-./G.3!0;/G9!2.3!379J;,-3!`!!
absorbent une1partie
de ce rayonnement.
Le spectre
de la lumière reçue sur Terre contient des ………
ACTIVITÉ
: Comprendre
le spectre
solaire!
continu, raies,
émission, absorption,
bandes.
d’……….. !
!
@.!A82.92!.3-!7,.!B872.!5.!C!D!+*E!FG!5.!/;H8,I!389-!.,J9/8,!++*!K893!4.279!5.!2;!L.//.!M!!
!
@.!30.4-/.!5.!2;!27G9Z/.!1G93.!0;/!2;!0Q8-830QZ/.!.3-!7,!30.4-/.!!561G93398,!48,-9,7O!
N7! 48.7/I! 2;! -.G01/;-7/.! .3-! 5.! 268/5/.! 5.! +E! G92298,3! 5.! 5.</13O! PQ;R7.! 3.48,5.I! 2;! K7398,! 5.3!
!
)T
+) 27G9Z/.!
@.3!
121G.,-3! 5.! 2;! 4Q/8G830QZ/.! ;B38/B.,-! 7,.! 0;/-9.!
5.! 4.! /;H8,,.G.,-O! @.! 30.4-/.! 5.! 2;!
0/8-8,3!.,!Q1297G!0/8579-!7,.!1,./<9.!5.!=S=!D!+*
!UI!389-!7,.!1,./<9.!1R79J;2.,-.!V!WIT!D!+*
!K893!
!
/.c7.!37/!L.//.!48,-9.,-!5.3!/;9.3!56;B38/0-98,O!
4.22.!5.!2;!B8GB.!56X9/83Q9G;!M!
!
@61,./<9.! 0/8579-.! 589-! -/;J./3./! 02739.7/3! 4874Q.3! Y73R76V! 2;! 0Q8-830QZ/.!8[! 2;! -.G01/;-7/.! ,6.3-!
!
0273!R7.!56.,J9/8,!W!***!\PO!];93!46.3-!4.--.!K9,.!4874Q.!<;^.73.!R79!1G.-!2;!27G9Z/.!57!382.92O!!
2. O
rigine
des
franges
de
Fraunhofer
Pour aller plus loin : origine des franges de Fraunhofer
N! 26._-1/9.7/! 5.! 2;! 0Q8-830QZ/.I! 26;-G830QZ/.! 5.! 261-892.! :87! 4Q/8G830QZ/.>! 48,-9.,-! 7,! </;,5!
!
,8GB/.!56121G.,-3!3873!K8/G.3!5698,3!87!56;-8G.3!938213O!P.!38,-!.7_!R79!J8,-!;B38/B./!4./-;9,.3!
Les éléments
de la chromosphère
absorbent;B38/B.,-!
l’énergie 261,./<9.!
de certaines
la photosphère
@.3! 121G.,-3!
5.! 2;! 4Q/8G830QZ/.!
5.!radiations
4./-;9,.3! provenant
/;59;-98,3!de
0/8J.,;,-!
5.! 2;! ce
/;59;-98,3!57!/;H8,,.G.,-!48,-9,7!1G93!0;/!2;!0Q8-830QZ/.O!
qui provoque
leur
excitation
:
étant
excités,
ces
éléments
émettent
alors
les
mêmes
radiations
que
celles
0Q8-830QZ/.!4.!R79!0/8J8R7.!2.7/!._49-;-98,!`!1-;,-!._49-13I!4.3!121G.,-3!1G.--.,-!;28/3!2.3!GaG.3!
! qu’ils ont absorbées ! Pourquoi voit-on alors des raies noires dans le spectre de la lumière solaire ?
/;59;-98,3!R7.!4.22.3!R76923!8,-!;B38/B1.3!M!
P8G021-./!2;!48,427398,!49?5.33873!.,!4Q893933;,-!2.3!B8,3!-./G.3!0;/G9!2.3!379J;,-3!`!!
#87/R789!J89-?8,!;28/3!5.3!/;9.3!,89/.3!5;,3!2.!30.4-/.!5.!2;!27G9Z/.!382;9/.!b!
continu, raies, émission, absorption, bandes.
!
!"#0),1'+,#1&2'324#56&+3732,#'%,+.384,#9.3(#):+#
@.3! 121G.,-3! 5.! 2;! 4Q/8G830QZ/.! ;B38/B.,-! 5.3! /;59;-98,3! R79! J8,-! 2.3! ;G.,./! 5;,3! 7,! 1-;-! ._49-1I!
! !"############################################$%&'&()%*+,#
;:#)%&'&()%*+,#<(4+=:1,#5,#;69'&3;,#>#5,2(,#,'#
@.!30.4-/.!5.!2;!27G9Z/.!1G93.!0;/!2;!0Q8-830QZ/.!.3-!7,!30.4-/.!!561G93398,!48,-9,7O!
4d.3-?V?59/.!2.3!08/-./!V!7,!,9J.;7!561,./<9.!3701/9.7/O!];93!4.--.!1,./<9.!J;!.,379-.!a-/.!29B1/1.!3873!
!
1%:45,?
@.3!
121G.,-3!
5.! 2;! 4Q/8G830QZ/.!
7,.! 0;/-9.!
5.!4.22.3!
4.! /;H8,,.G.,-O!
30.4-/.!
5.! 2;!1G93.!
27G9Z/.!
K8/G.!
5.! 27G9Z/.!
48,-.,;,-! 2.3! ;B38/B.,-!
GaG.3! /;59;-98,3!
R7.!
;B38/B1.3I!@.!
G;93!
R79! 3./;!
5;,3!
!
/.c7.!37/!L.//.!48,-9.,-!5.3!/;9.3!56;B38/0-98,O!
-87-.3!2.3!59/.4-98,3!`!V!4;73.!5.!4.--.!1G93398,!G72-959/.4-98,,.22.I!2;!27G9Z/.!59/9<1.!J./3!2;!L.//.!,.!
!
/"#0),1'+,#54#+:@&22,.,2'#(&+':2'#5,#
3./;!58,4!0273!;7339!9,-.,3.!.-!92!H!;7/;!K8/G;-98,!5.!/;9.3!,89/.3!5;,3!2.!30.4-/.!382;9/.O!
!
;6:'.&()%*+,#5,#;69'&3;,#<#);4(#=+&35,#?"
Pour aller plus loin : origine des franges de Fraunhofer
!
################################################-'.&()%*+,
@.3! 121G.,-3! 5.! 2;! 4Q/8G830QZ/.! ;B38/B.,-! 261,./<9.! 5.! 4./-;9,.3! /;59;-98,3! 0/8J.,;,-! 5.! 2;!
0Q8-830QZ/.!4.!R79!0/8J8R7.!2.7/!._49-;-98,!`!1-;,-!._49-13I!4.3!121G.,-3!1G.--.,-!;28/3!2.3!GaG.3!
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3./;!58,4!0273!;7339!9,-.,3.!.-!92!H!;7/;!K8/G;-98,!5.!/;9.3!,89/.3!5;,3!2.!30.4-/.!382;9/.O!
3. Estimation de la température de surface d’une étoile
On peut tracer le profil spectral d’une étoile en représentant l’intensité lumineuse des radiations émises par
! en fonction de leur longueur d’onde.
l’étoile
!
"!#$%&&'(!)*++!
$,-./0/1-./!2.!30.4-/.!567,.!1-892.!:#;<.!=>!
1 ACTIVITÉ 2 : Estimation de la température de surface d’une étoile!
!
',! 0.7-! -/;4./! 2.! 0/8?92! 30.4-/;2! 567,.! 1-892.! .,! /.0/13.,-;,-! 269,-.,39-1! 27@9,.73.! 5.3! /;59;-98,3!
[email protected]!0;/!261-892.!.,!?8,4-98,!5.!2.7/!28,<7.7/!568,5.A!!
INTERPRETER LE SPECTRE DE LA LUMIERE EMISE PAR UNE ETOILE Doc.2. Profil spectral du Soleil
Doc.2. Profil spectral du Soleil
!
!
!
!
B;!-.@01/;-7/.!5.!37/?;4.!5.!261-892.!9,?27.!37/!26;227/.!<28C;2.!5.!4.--.!487/C.A!
B;!-.@01/;-7/.!5.!37/?;4.!5.!261-892.!9,?27.!37/!26;227/.!<28C;2.!5.!4.--.!487/C.A!
!
!
B;!28,<7.7/!568,5.!O@;D!57!@;D9@7@!569,-.,39-1!27@9,.73.!59@9,7.!28/3E7.!2;!-.@01/;-7/.!5.!
B;!28,<7.7/!568,5.!O@;D!57!@;D9@7@!569,-.,39-1!27@9,.73.!59@9,7.!28/3E7.!2;!-.@01/;-7/.!5.!
261-892.!;7<@.,-.A!',!.,!51579-!E7.!2.3!1-892.3!C2.7.3!38,-!0273!4F;75.3!E7.!2.3!1-892.3!/87<.3A!
!
261-892.!;7<@.,-.A!',!.,!51579-!E7.!2.3!1-892.3!C2.7.3!38,-!0273!4F;75.3!E7.!2.3!1-892.3!/87<.3A!
!
La température
de surface de l’étoile influeDoc.2.
sur l’allure
globale
de
cette
courbe.
Profil spectral du Soleil
!
G9,39H!2.!0/8?92!30.4-/;2!5.!2;!27@9I/.!57!J82.92!:K84A!)>!@8,-/.!E7.!O
La longueur
d’onde lmax du maximum d’intensité lumineuse
la !L!=M*!,@A!
température de l’étoile
! diminue lorsque@;D
G9,39H!2.!0/8?92!30.4-/;2!5.!2;!27@9I/.!57!J82.92!:K84A!)>!@8,-/.!E7.!O
@;D!L!=M*!,@A!
augmente.
On
en
déduit
que
les
étoiles
bleues
sont
plus
chaudes
que
les
étoiles
rouges.
%,!
0FN39E7.H!
2;!
289!
5.!
O9.,!
,873!
0./@.-!
5.!
/.29./!
4.--.!
28,<7.7/!
568,5.!
P! 2;!
-.@01/;-7/.! T! 5.!
B;!-.@01/;-7/.!5.!37/?;4.!5.!261-892.!9,?27.!37/!26;227/.!<28C;2.!5.!4.--.!487/C.A!
%,!
0FN39E7.H!
2;!
289!
5.!
O9.,!
,873!
0./@.-!
5.!
/.29./!
4.--.!
28,<7.7/!
568,5.!
P! 2;! -.@01/;-7/.! T!
Ainsi,!261-892.A!
le profil spectral de la lumière du Soleil (Doc. 2) montre que lmax = 480 nm. En physique, la loi de
261-892.A!
!
Wien B;!28,<7.7/!568,5.!O
nous
permet de relier @;D
cette
longueur d’onde à la température q de l’étoile.
!57!@;D9@7@!569,-.,39-1!27@9,.73.!59@9,7.!28/3E7.!2;!-.@01/;-7/.!5.!
!
)HMU u +* V
261-892.!;7<@.,-.A!',!.,!51579-!E7.!2.3!1-892.3!C2.7.3!38,-!0273!4F;75.3!E7.!2.3!1-892.3!/87<.3A!
Q.--.!289!3614/9-!R! T
))ST
T!.,!XQ!!!.-!!!O@;D!.,!,@>!
HMU u!!!!:;W.4!!
+* V
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Q.--.!289!3614/9-!R!
T
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O @;D
O @;D
G9,39H!2.!0/8?92!30.4-/;2!5.!2;!27@9I/.!57!J82.92!:K84A!)>!@8,-/.!E7.!O
!
@;D!L!=M*!,@A!
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T! 5.!
G!26;95.!5.!4.--.!/.2;-98,H!W1/9?9./H!5;,3!2.!4;5/.!49Y5.33873!E7.!2;!-.@01/;-7/.!5.!37/?;4.!57!J82.92!
G!26;95.!5.!4.--.!/.2;-98,H!W1/9?9./H!5;,3!2.!4;5/.!49Y5.33873!E7.!2;!-.@01/;-7/.!5.!37/?;4.!57!J82.
A l’aide
de
cette
relation,
vérifier,
dans
le
cadre
ci-dessous
que
la
température
de
surface
du
Soleil
avoisine
261-892.A!
;W8939,.!Z!S**!XQA!
;W8939,.!Z!S**!XQA!
5 700 !°C.
!
!
)HMU u +* V
Q.--.!289!3614/9-!R!
)ST !!!!:;W.4!!T!.,!XQ!!!.-!!!O@;D!.,!,@>!
! T
!
O @;D
T u ||qQ
!
T u||qQ
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;W8939,.!Z!S**!XQA!
4. Composition
de la chromosphère du Soleil
!
En 1814, Joseph von! Fraunhofer découvre les raies d’absorption présentes dans le spectre du Soleil et
!
entreprend
la mesureTprécise
de leurs||qQ
longueurs d’onde. Il étudie ainsi 570 raies et désigne les principales
u
!
par les lettres A, B, C, etc... (voir Document 4) En étudiant d’autres étoiles, il observe d’autres raies.
En même temps, il étudie les lumières artificielles et se rend compte qu’une double raie jaune se trouve dans
presque toutes les flammes. Ces deux raies occupent exactement la même position que deux raies noires
dans le spectre du Soleil, ce sont les raies D1 et D2. Ce fait sera interprété plus tard, les raies D sont dues au
sodium qui apparaît dans presque toutes les sources lumineuses. En effet, une trace insignifiante de sodium
suffit
pour faire apparaître ces raies.
!
1. A partir de deux longueurs d’onde de référence (raie A : 759,37 nm - raie K : 393,37 nm), proposer, dans
le carde ci après, une méthode permettant de mesurer le plus précisément possible les longueurs d’onde des
raies D! 1 et D2 présentes sur le document 4 ci-après.
!
!
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$,-./0/1-./!2.!30.4-/.!567,.!1-892.!:#;<.!=>!
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2 !!
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08339N2.!2.3!28,<7.7/3!568,5.!5.3!/;9.3!O
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INTERPRETER LE SPECTRE DE LA LUMIERE EMISE PAR UNE ETOILE Doc.2. Profil spectral du Soleil
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9,59V7./G!5;,3!
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49J5.33873G!V7.22.3!
V7.22.3!.30L4.3!
.30L4.3!
!! le spectre
3. Observer
du
Soleil
(doc.
4)
et
indiquer,
dans
le
cadre
ci-dessous,
quelles
espèces
chimiques
sont
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'N3./R./!
2.!
30.4-/.!
57!
U82.92!
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!
4M9I9V7.3!38,-!0/13.,-.3!5;,3!2;!4M/8I830ML/.!57!U82.92?!
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'N3./R./!
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9,59V7./G!
5;,3!
2.!
4;5/.!
49J5.33873G!
V7.22.3!
.30L4.3!
présentes
dans
la chromosphère
duU82.92!
Soleil.:584?!
4M9I9V7.3!38,-!0/13.,-.3!5;,3!2;!4M/8I830ML/.!57!U82.92?!
Longueurs
d’onde
dede.-!
raies
colorées
présentes
dans
lelespectre
d’émission
dede
H? Données
'N3./R./!
30.4-/.! 57!
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5;,3!
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49J5.33873G!
V7.22.3!
.30L4.3!
Données: :2.!
Longueurs
d’onde(en
(ennm)
nm)P>!
raies
colorées
présentes
dans
spectre
d’émission
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Données différents
:4M9I9V7.3!38,-!0/13.,-.3!5;,3!2;!4M/8I830ML/.!57!U82.92?!
Longueurs
d’onde
(en
nm)
de
raies
colorées
présentes
dans
le
spectre
d’émission
de
différents
Données
:
Longueurs
d’onde
(en
nm)
de
raies
colorées
présentes
dans
le
spectre
d’émission
de
différents
Données éléments
:éléments
Longueurs d’onde (en nm) de raies colorées présentes dans le spectre d’émission de
éléments
différents
éléments
!
Données :éléments
Longueurs d’onde (en nm) de raies colorées présentes dans le spectre d’émission de
différents
différents Hydrogène
éléments
HydrogèneHH : : 410
410––434
434––486,1
486,1––656,3
656,3
HydrogèneOH
:
410
–– –434
–– 486,1
–– 656,3
Dioxygène
627,7
–759,4
Hydrogène
H
410
434
486,1
656,3
2 2 :::
Dioxygène O
627,7
–686,7
686,7
–759,4
Dioxygène
O
627,7
686,7
–759,4
Fer
Fe
––759,4
––495,8
Hydrogène
410 ––––434
– 486,1
– 656,3
Dioxygène
OH22 :::: 430,8
627,7
686,7
Fer
Fe
430,8
–438,3
438,3
–466,8
466,8
495,8––516,9
516,9––527
527
+
Fer
Fe
:
430,8
–
438,3
–
466,8
–
495,8
–
516,9
––527
+
Dioxygène
:
627,7
–
686,7
–759,4
:
393,4
–
396,8
–
430,8
Calcium
Fer
Fe Ca
430,8
–
438,3
–
466,8
–
495,8
–
516,9
527
2
:
393,4
396,8
–
430,8
Calcium
CaO
+
+
: 393,4
396,8
– 430,8
Calcium
393,4
396,8
430,8
Calcium
CaMg
Fer Fe Ca
430,8––––517,3
438,3
466,8
Magnésium
518,4
Magnésium
Mg::: 516,7
516,7
517,3––––518,4
518,4 – 495,8 – 516,9 – 527
Magnésium
Mg
516,7
–
517,3
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Magnésium
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