Chapitre 10 : La lumière des étoiles
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Chapitre 10 : La lumière des étoiles (Physique UNIVERS) Objectifs : ¾ Connaître la définition de l’année de lumière et son intérêt ; ¾ Expliquer l’expression « Voir loin c’est voir dans le passé » ; ¾ Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu, dont les propriétés dépendent de la température ; ¾ Repérer par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption, une radiation caractéristique d’une entité chimique ; ¾ Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique ; ¾ Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans son atmosphère ; ¾ Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme. I. Qu’est-ce que la dispersion de la lumière blanche ? I.1. Décomposition de la lumière blanche Un arc-en-ciel est un phénomène naturel de décomposition de la lumière blanche émise par le Soleil. La dispersion de la lumière blanche correspond à sa décomposition en ses différentes lumières constitutives. Lorsqu’on envoie un faisceau de lumière blanche sur un système dispersif comme le prisme (ou un réseau), on observe sur un écran les couleurs de l’arc-en-ciel qui sont dans l’ordre : Rouge, Orange, Jaune, Vert, Bleu et Violet Lumière Blanche Écran Prisme Spectre de la lumière blanche Le rouge est le moins dévié (par rapport au rayon de départ) et le violet est le plus dévié. On en déduit que la lumière blanche correspond à la superposition de lumières colorées. L’ensemble des couleurs observées sur l’écran s’appelle spectre d’émission de la lumière blanche. Le spectre de la lumière blanche est continu. I.2. Lumière monochromatique – Lumière polychromatique La lumière blanche est en fait constituée de plusieurs couleurs. On dit que la lumière blanche est une lumière polychromatique. Une lumière polychromatique est la superposition de plusieurs lumières colorées appelées radiations monochromatiques (ou lumière monochromatique). Une radiation monochromatique est caractérisée par une grandeur appelée longueur d’onde dans le vide notée λ et exprimée en m (ou dans ses sous-multiples comme le nm ou le μm). Pour chaque valeur de λ (à chaque radiation monochromatique) on associe une couleur. Ex : Une source laser rouge est caractérisée par une radiation monochromatique rouge de longueur d’onde dans le vide λ = 633 nm ; UV Violet Bleu Vert Jaune Orange Rouge 500 450 570 610 590 380 Un peu avant 400 nm on est dans le domaine des Ultraviolets (UV) Un peu après 800 nm on est dans le domaine des Infrarouges (IR) IR 780 λ en nm Laser Rouge Écran Prisme Le prisme ne disperse pas les radiations monochromatiques ! Un système dispersif (prisme ou réseau) est un système qui permet de décomposer une lumière polychromatique en ses différentes lumières (radiations) monochromatiques qui la compose. I.3. Influence de la température d’un corps sur son spectre d’émission Températures croissantes Spectre d’émission d’une lampe à incandescence : la température du filament varie selon l’intensité du courant qui traverse la lampe Plus un corps est chaud plus son spectre d’émission s’enrichit en bleu. Plus un corps est « froid » plus son spectre d’émission s’enrichit en rouge. II. Spectres d’émission de raies d’un gaz à basse pression Le spectre de la lumière émise par un gaz à basse pression soumis à une décharge électrique est constitué de raies colorées sur un fond noir : c'est un spectre d’émission de raies. Les raies colorées sont caractéristiques du gaz et permettent de l'identifier. À chaque raie colorée correspond une radiation monochromatique (une couleur) à laquelle est associée une longueur d’onde λ déterminée (en nm). Ex : Spectre d’émission de raies d’une lampe mercure (Hg) – cadmium (Cd) à basse pression III. Spectres d’absorption des espèces colorées Pour réaliser le spectre d’absorption d’une espèce colorée on envoie de la lumière blanche sur la solution ou le gaz puis à la sortie on ajoute un système dispersif (prisme ou réseau). On obtient alors un spectre d’absorption de bandes (fond arc en ciel avec des bandes noires). Ex : solution de permanganate de potassium (magenta = bleu + rouge) absorbe plutôt les bandes jaunes et vertes. Le cercle chromatique permet d’avoir une idée des bandes de couleurs qui sont absorbées par une espèce colorée en solution. Absorbe dans le Émet dans le IV. Spectres des étoiles L’analyse de la lumière provenant d’une étoile donne des informations sur sa température de surface et la composition chimique de son atmosphère. La couleur de l’étoile permet d’évaluer sa température de surface. Une étoile bleue est plus chaude qu’une étoile rouge. Les raies noires d’absorption permettent d’identifier les entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile. Une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu’elle est capable d’émettre. Ex : Spectre d’émission de raies du Li Spectre d’absorption de raies du Li Les longueurs d’onde des raies d’émission du Lithium sont les mêmes que celles des raies noires d’absorption du Lithium Chromosphère Spicules Couronne Protubérances Photosphère Zone convective Zone radiative Coeur La lumière émise par la photosphère ressemble à celle d’un corps incandescent, son spectre d’émission est continu. En réalité, le spectre observé présente un fond continu strié par de nombreuses raies d’absorption : une partie de lumière émise par la photosphère est absorbée. Cette absorption est due à la présence d’espèces chimiques dans la zone située entre la photosphère et la chromosphère.
