o Rechercher, extraire et organiser l`information utile o Mobiliser ses
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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) (1) qui analysera par spectrométrie la lumière d'un plasma 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 2 de surface) est supérieure à Iseuil =1,0 GW/cm . 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 : 1 2 3 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 2 Surface d’un disque S=.R Tableau des raies d’émission de certains éléments Eléments Al Ca Fe Si 390.178 393,477 426.167 385.711 Raies d’émission en nm entre 380 nm et 460 nm 394.512 396.264 458.710 396,959 422,792 442.668 443.692 427.236 432.698 438.478 448.351 390.663 412.923 413.206 445.714 430.911 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= Irradiance I= = 6 = 5,0.10 W = = 13 2 =5,2.10 W/m =5,2 GW/cm 2 Partie B] Raies Longueurs d’onde (nm) 1 2 3 393,4 396,9 422,4 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.
