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I. Spectres d’absorption. Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé une substance. 1) Spectre de raies d’absorption. LOI DE KIRCHHOFF : - Un gaz froid, à basse pression, s’il est situé entre l’observateur et une source de rayonnement continu, absorbe certaines longueurs d’onde (ou ‘’couleurs’’), produisant ainsi des raies (ou bandes) sombres dans le spectres continu. Ces longueurs d’onde sont celles qu’il émettrait s’il était chaud. - Un gaz, à basse pression et à basse température, traversé par une lumière blanche, donne un spectre d’absorption. Ce spectre est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche. Ce spectre est caractéristique de la nature chimique d’un atome ou d’un ion.

I.Spectres dabsorption. Un spectre dabsorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé une substance. 1)Spectre de raies dabsorption

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I. Spectres d’absorption.

Un spectre d’absorption est un spectre obtenu en analysant la lumière blanche qui a traversé une substance.

1) Spectre de raies d’absorption.

LOI DE KIRCHHOFF : -  Un gaz froid, à basse pression, s’il est situé entre l’observateur et une source de rayonnement continu, absorbe certaines longueurs d’onde (ou ‘’couleurs’’), produisant ainsi des raies (ou bandes) sombres dans le spectres continu. Ces longueurs d’onde sont celles qu’il émettrait s’il était chaud.

- Un gaz, à basse pression et à basse température, traversé par une lumière blanche, donne un spectre d’absorption. Ce spectre est constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre de la lumière blanche. Ce spectre est caractéristique de la nature chimique d’un atome ou d’un ion.

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Cliquer pour faire apparaître le spectre d’émission de l’hydrogène.

Spectre d’absorption

Spectre d’émission

Spectre de l’atome d’hydrogène

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2) Spectre de bandes d’absorption.

On analyse à l’aide d’un spectroscope la lumière transmise à travers différentes solutions colorées.

Spectre d’absorption de la solution jaune :

vert–  jaune – orange –rouge : bande noire qui va du bleu au violet.

Remarque :

Filtre jaune ou solution jaune

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Spectre d’absorption de la solution bleue :

Filtre cyan ou solution bleu clair

Remarque :

violet – bleu – vert – jaune :bande noire qui va de l’orange au rouge.

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Spectre d’absorption de la solution magenta :

Remarque :

violet – vert – jaune - orange  - rouge :bande noire qui va du bleu au vert

Filtre magenta ou solution violette

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II. Application à l’Astrophysique.

La surface chaude des étoiles émet une lumière dont le spectre est continu. Certaines radiations de cette lumière blanche traversant l’atmosphère de l’étoile sont absorbées par des atomes qui y sont présents. On obtient le spectre d’absorption de l’étoile.

-   La couleur de l’étoile permet de déterminer sa température de surface.

-   Le but de l’exercice est de déterminer les longueurs d’onde de certaines raies d’absorption dans une partie du spectre du Soleil.

-   On va identifier certaines entités chimiques présentes dans la chromosphère, enveloppe gazeuse qui entoure le Soleil.

-  « Dès 1814, le physicien allemand Fraunhofer remarque la présence de raies noires dans le spectre du Soleil Kirchhoff mesure la longueur d’onde de plusieurs milliers de ces raies et montre qu’elles coïncident avec celles émises par diverses entités chimiques : hydrogène, calcium, cuivre, fer, zinc, …Il publie, en 1861, le premier atlas du système Solaire. »

1) Introduction

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2) Document.

Le document fourni, représente : - En noir et blanc, un extrait du spectre visible du Soleil. Les principales raies d’absorption (repérées par un numéro) sont représentées par un trait noir.- Un extrait du spectre de raies de l’argon obtenu avec le même spectroscope. Ces raies servent de référence de longueur d’onde.

- Les deux spectres ont été obtenus avec le même spectroscope à réseau. Dans ce cas, la distance entre deux raies, mesurée sur le spectre, est proportionnelle à la différence entre les longueurs d’onde correspondantes.

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2) Exploitation du document.

a) Étude du spectre de l’argon.

Mesurer la distance L, en mm, entre la raie d’émission de 390 nm et les autres raies d’émission et remplir le tableau suivant.

Compléter le tableau suivant : Longueur d’onde l en

nm390

Distance L en mm

0

404

14,5

430

43,5

451

67

470

88,5

519

142,5

545

172,5

b) Étude du spectre du Soleil.

Mesurer les distances L, en mm, entre la raie d’émission de 390 nm et les différentes raies d’absorption du spectre du Soleil. Remplir la ligne correspondante du tableau de la page suivante :

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Tableau 2 :

numéro 1 2 3 4 5 6 7 8

Distance L en mm

numéro 9 10 11 12 13 14 15

Distance L en mm

3 6,5 22 35 48,5 53 85 106,5

113 117 120 140,5 151,5 158,5 163

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Questions

Que représentent les raies noires dans le spectre du Soleil de Fraunhofer ?

Quel est l’intérêt des travaux de Fraunhofer et de Kirchhoff ?

À quoi sert le spectre de l’argon ?

Expliquer la différence de nature qui existe entre les deux spectres.

Tracer sur papier millimétré, le graphique donnant la longueur d’onde l en

fonction de L pour les raies d’émission de l’argon. En déduire une relation simple entre ces deux grandeurs.

Compléter la dernière ligne du tableau 2.

À partir des données figurant dans le tableau ci-dessous, associer à chaque raie d’absorption l’élément chimique présent dans l’atmosphère du Soleil.

Cliquer sur les carrés rouges ou bleus pour afficher la réponse

Exploitation avec Excel

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Réponses

Que représentent les raies noires dans le spectre du Soleil de Fraunhofer ?

L’atmosphère du Soleil contient des éléments chimiques. La

partie haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière

émise dans la partie basse. Il en résulte des raies d’absorption

dans le spectre continu. Ce sont les raies d’absorption des

éléments chimiques présents dans l’atmosphère du Soleil. Si le Soleil ne comportait pas d’atmosphère, le spectre de la

lumière émise serait continu. L’existence des raies d’absorption

est due à la présence d’une atmosphère autour du Soleil, appelée

chromosphère. Le gaz présent est principalement de l’hydrogène. On trouve

aussi des ions He+, Ca2+, Fe2+, …

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Réponses

Quel est l’intérêt des travaux de Fraunhofer et de Kirchhoff ?

Les travaux de Fraunhofer et Kirchhoff ont permis de connaître la

composition de l’atmosphère du Soleil.

Un spectre d’émission ou d’absorption est caractéristique des atomes

ou des ions.

Un spectre de raies d’émission ou d’absorption permet d’identifier une

entité chimique (atome ou ion). C’est sa carte d’identité, sa signature.

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Réponses

À quoi sert le spectre de l’argon ?

Le spectre de l’argon sert de référence. Il permet de connaître la

relation l = f(L).

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Réponses

Expliquer la différence de nature qui existe entre les deux spectres.

Le spectre de l’argon est un spectre de raies d’émission. Le spectre

de la chromosphère est un spectre de raies d’absorption.

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RéponsesGraphique donnant la longueur d’onde l en fonction de L pour les raies

d’émission de l’argon : l = f (L).

Tableau de valeurs :Longueur d’onde l en nm 390 404 430 451 470 519 545

Distance L en mm 0 14,5 43,5 67 88,5 142,5 172,5

Choix des échelles : une étude rapide permet de choisir les échelles suivantes : échelle des abscisses : 1 cm 1 cm échelle des ordonnées : 1 cm 10 nm

Remarque : En abscisse, on met la grandeur LEn ordonnée, on met la grandeur λ. On peut partir de la valeur λ = 390 nm

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390

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

l - l0 = f(L)l en nm

L en mm

Tracé du graphique : l = f(L).

λ = f (L)

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Le but est de trouver la relation qui lie les deux grandeurs physiques étudiées.

Comme les points semblent alignés, on représente l’ensembles des points par une droite.

Cette droite passe par le maximum de points expérimentaux

Les écarts entre les points et la droite sont les plus petits possibles

Il doit rester autant de points au-dessus qu’en dessous de la droite tracée

On dit que l’on trace la droite moyenne.

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390

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

l - l0 = f(L)l en nm

L en mm

l = f(L)

Droite moyenne

Tracé du graphique : l = f(L).

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390

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

560

0 50 100 150 200

l - l 0 = f(L)l en nm

L en mm

l = f(L)

Droite moyenne

Relation entre et L : Les deux grandeurs ne sont pas proportionnelles.

L’équation de la droite est du type : = a.L. + b a est le coefficient de

proportionnalité. a s’exprime le plus

souvent avec une unité. a est le coefficient

directeur de la droite tracée

b est l’ordonnée à l’origine : b = 390 nm

Détermination de la valeur de a :

Pour une variation de la distance ΔL, on détermine la variation correspondante Δλ.

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390

400

410

420

430

440

450

460

470

480

490

500

510

520

530

540

550

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

l - l0 = f(L)l en nm

L en mm

l = f(L)

Droite moyenne

Relation entre et L : (Suite)

9

3

7

106 10

117,5 10

9,021 10

La

a

a

l

-

-

-

m

m

On écrit:

ΔL ≈ 117,5 mm

Δλ ≈ 106 nm

(nm) ≈ 0,9021 x L (mm) + 390 (nm)

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Numéro 1 2 3 4 5 6 7

Distance L en mm 3 6,5 22 35 48,5 53 85

Longueur d’onde λen mm

393 396 410 422 434 438 467

Numéro 8 9 10 11 12 13 14 15

Distance L en mm 106,5 113 117 120 140,5 151,5 158,5 163

Longueur d’onde λen mm

486 492 496 498 517 527 533 537

Pour connaître la valeur de la longueur d'onde de la radiation λ en nm, on utilise la relation : (nm) ≈ 0,9021 x L (mm) + 390 (nm)

Compléter la dernière ligne du tableau 2.

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Élément chimique Longueurs d’onde λ en nm de certaines raies caractéristiques

H 556,3

Na 589,0 589,6

Mg 470,3

Ca 458,2

Fe 489,1 539,7

Ti 469,1

Mn 403,6

Ni 508,0

À partir des données figurant dans le tableau ci-dessous, associer à chaque raie d’absorption l’élément chimique présent dans l’atmosphère du Soleil.

410,3 434,2 484,1

516,7

396,8 422,7 526,2

438,3 491,9 495,7 532,8 537,1

466,8 498,2

527,0

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• Récapitulatif : réalisé avec Excel

λ (nm) ≈ 0,8975 L (mm) + 390,66 (nm)

λ 0 ≈ 390,66 nm

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Fin