o Rechercher, extraire et organiser l`information utile o Mobiliser ses

Thème : Énergie, matière et rayonnement / Analyse spectrale
Type de ressources : Exercice
Notions et contenus :
Transferts quantiques d’énergie
Émission et absorption quantiques.
Émission stimulée et amplification d’une onde lumineuse.
Oscillateur optique : principe du Laser.
Spectres UV-visible
Lien entre couleur perçue et longueur d’onde au maximum d’absorption de substances organiques
ou inorganiques.
Compétence travaillée ou évaluée :
o Rechercher, extraire et organiser l’information utile
o Mobiliser ses connaissances
o Mettre en œuvre un raisonnement
o Présenter les résultats obtenus
Nature de l’activité : Exercice (type tâche complexe).
Résumé (en 5 lignes au plus) :
Cette exercice introduit la technique LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) d’analyse
spectroscopique induite par ablation laser à partir d’un exemple concret : le module CHEMCAM du
rover MSL Curiosity qui devrait atterrir en août 2012 sur la surface de la planète Mars.
Cet exercice propose deux versions : une détaillée et une plus libre (type tâche complexe) en
proposant pour les deux des indices pour guider les élèves.
Mots clefs : UV, Visible, spectre, mars, LASER, puissance
Académie où a été produite la ressource : Toulouse

Analyse des roches martiennes en direct et à distance !
1. Exercice
A] Présentation de la mission MSL :
La mission MSL :
Mars Science Laboratory (MSL) est une mission du programme d'exploration de la planète
Mars de la NASA. MSL est un rover (véhicule d'exploration), baptisé Curiosity, conçu pour évaluer si
Mars fut, ou est encore actuellement, un environnement habitable. Le lancement de cette mission a eu
lieu le 26 novembre 2011 et l’arrivée correspondante aura lieu en août 2012.
Le rover Curiosity est équipé notamment d’un instrument CHEMCAM (CHEMistry CAMera)
qui analysera par spectrométrie la lumière d'un plasma(1) issu d'un tir laser (jusqu'à 7 m de distance)
sur des roches et des sols martiens.
(1) Plasma : matière partiellement ou totalement ionisée. Un plasma est un milieu constitué d'un
mélange de particules neutres, d'ions positifs (atomes ou molécules ayant perdu un ou plusieurs
électrons) et d'électrons négatifs. Un plasma est électriquement neutre et ses particules
interagissent les unes avec les autres.
Principe du CHEMCAM :
Le CHEMCAM met en œuvre la technique LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy)
d’analyse spectroscopique induite par ablation laser.
Le laser de puissance qui équipe le module CHEMCAM est un laser pulsé qui émet un
rayonnement à 1067 nm délivrant 30 mJ pour une durée d’impulsion de 6 ns. Son mode de
fonctionnement consiste en des séquences de tirs de 10 secondes à 10 Hz toutes les 5 minutes.
L’interaction du faisceau laser pulsé de forte puissance avec un matériau provoque un
échauffement brutal de la surface éclairée et sa vaporisation sous forme d’un plasma. Il est important
de comprendre que le plasma se formera si, au niveau de la cible, l’irradiance I (puissance par unité
de surface) est supérieure à Iseuil =1,0 GW/cm2. C’est pourquoi, le CHECAM est pourvu d’un système
de focalisation du faisceau LASER qui est tel qu‘au niveau de la cible le diamètre du faisceau est
D=350 µm.
Dans ces conditions, les atomes et les ions éjectés et portés dans des niveaux d’énergie
excités émettent, en se désexcitant, un rayonnement qui est analysé par spectroscopie entre 250 et
900 nm et donne un spectre d’émission atomique. Les longueurs d’onde des raies d’émission
permettent alors d’identifier les éléments présents et l’intensité est proportionnelle à la densité des
atomes émetteurs.
D’après : http://www.msl-chemcam.com/

1- Exprimer puis calculer la puissance P générée par le LASER du module CHEMCAM lors
d’une impulsion.
2- Calculer l’irradiance I au niveau de la cible. L’impact du faisceau LASER sur la cible va-t-il
produire un plasma ? Justifier.
3- Indiquer, en expliquant, le domaine du rayonnement produit par ce LASER.
4- En déduire le type de spectroscopie utilisé par le module CHEMCAM.
B] Analyse d’un spectre :
En laboratoire, des tests sur des roches ont été effectués et pour une roche , voici le spectre
obtenu par le module CHEMCAM :
A partir du spectre proposé et des données, déterminer l’élément le plus abondant dans la roche  .
Indices :
- Déterminer les longueurs l’onde des raies numérotées
- Dans le texte de présentation il y a une information intéressante sur le lien entre l’intensité des raies
et la densité de l’élément dans le plasma et donc dans la roche sondée.
Données : (Pour les deux versions)
Wavelenght = longueur d’onde
Surface d’un disque S=.R2
Tableau des raies d’émission de certains éléments
Eléments
Raies d’émission en nm entre 380 nm et 460 nm
Al
390.178
394.512
396.264
458.710
Ca
393,477
396,959
422,792
442.668
443.692
445.714
Fe
426.167
427.236
432.698
438.478
448.351
430.911
Si
385.711
390.663
412.923
413.206
2
3
1

2. Approfondissement
* http://www.msl-chemcam.com
Site dédié à la mission MSL
* http://www.cea.fr/content/download/4309/22163/file/73_79_mauchien_54fr.pdf
Document extrait du magazine « CLEFS CEA – N°54 » qui traite de l’analyse chimique des roches
martiennes
* http://www.culture.gouv.fr/culture/conservation/fr/methodes/atome.htm
Présentation simple sur la spectroscopie d’absorption atomique
* http://www.rdv-routedeslasers.com/libs/programme.php
Colloque national sur le LIBS (Spectroscopie de Plasma Induit par LASER)
* http://www.universcience.tv/media/2944/l-analyse-a-distance-libs.html
Analyse d’un carré de chocolat par le LIBS
3. Eléments de correction
Partie A]
 Puissance P=
 = = 5,0.106 W
 Irradiance I= 
=  =  =5,2.1013 W/m2=5,2 GW/cm2
Partie B]
Raies
1
2
3
Longueurs d’onde
(nm)
393,4
396,9
422,4
Ces raies correspondent aux raies d’émission de l’élément Calcium.
Merci à Sylvestre Maurice, Agnès Cousin et Olivier Forni de l’IRAP (Institut de Recherche en
Astrophysique et Planétologie) pour leur aide dans la conception de cet exercice.