Chapitre 10 : La lumière des étoiles

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.
V. Pourquoi le prisme disperse-t-il la lumière ?
ƒ Première loi de Descartes
Le plan d’incidence est défini par le rayon incident et la normale (perpendiculaire) à la surface de
séparation des deux milieux.
Normale à la surface
de séparation
Rayon incident
Rayon réfléchi
i’
i
Milieu 1
d’indice n1
Surface de séparation
I
Milieu 2
d’indice n2
r Rayon réfracté
Le rayon incident et le rayon réfracté sont dans un même plan appelé plan d’incidence.
Le rayon réfracté et le rayon incident sont situés de part et d’autre de la normale à la surface de
séparation.
ƒ Deuxième loi de Descartes
On a la relation suivante :
n1 × sin (i) = n 2 × sin (r)
n1, sans unité, indice de réfraction du milieu 1
n2, sans unité, indice de réfraction du milieu 2
i, en °, angle d’incidence
r, en °, angle de réfraction
La dispersion de la lumière est observée si l’indice de réfraction n d’un milieu transparent homogène est
fonction de la longueur d’onde λ de la radiation monochromatique qui le traverse.
C’est le cas du prisme avec la lumière blanche
Pour un angle d’incidence i ≠ 0, la radiation bleue est la plus déviée à la sortie du prisme que la
radiation rouge : n air ⋅ sin (i) = n verre ⋅ sin (r)
Or nair et i sont identiques pour toutes les radiations monochromatiques (pour les différentes λ) qui
composent la lumière blanche ainsi le terme n air ⋅ sin (i) = Cst
Mais r est différent selon la couleur donc selon la longueur d’onde λ.
Donc n verre dépend de la longueur d’onde λ.
Ex : Une radiation monochromatique rouge (λ = 656 nm) arrive en un point I d’une surface séparant
l’air (indice de réfraction nair = 1,00) de l’eau (indice de réfraction neau = 1,33) en faisant un angle de
60° par rapport à la surface de séparation. Le rayon est d’abord dans l’air.
1) Faire un schéma représentant la situation et calculer la valeur de l’angle d’incidence i.
2) Calculer la valeur de l’angle de réfraction r du rayon réfracté et le représenter sur le schéma.
1) Il faut bien respecter l’énoncé : « Le rayon est d’abord dans l’air » et « en faisant un angle de 60° par
rapport à la surface de séparation ».
On calcule l’angle d’incidence i du rayon incident sachant qu’il est défini par rapport à la normale
(perpendiculaire) à la surface de séparation :
i = 90° − 60° = 30°
Méthode :
ƒ On trace une surface de séparation (verticale ou horizontale au choix)
ƒ On prend un point I de cette surface
ƒ On trace tout de suite la normale à ce point (perpendiculaire en pointillé)
ƒ On trace le rayon qui fait un angle de 60° par rapport à la normale
ƒ On place l’angle i = 30° par rapport à la normale.
i = 30°
Eau
Air
60°
60°
i = 30°
I
Air
I
r = 22°
Eau
r = 22°
2) On peut faire un tableau pour identifier ce qu’on connait par rapport à la deuxième loi de Descartes :
Dans la formule
n1
i
n2
r
Dans l’énoncé
nair
i = 30°
neau
r=?
On applique la deuxième loi de Descartes avec les données de l’énoncé :
nair × sin (i) = neau × sin (r)
n × sin (i)
sin (r) = air
neau
1, 00×sin (30°)
A.N. : sin (r) =
= 0,376
1,33
On en déduit donc : r = sin −1 (0,376) = 22°