TP Physique N° 05 : Les messages de la lumière

I. Dispersion de la lumière blanche.

1) Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Prisme

orange

rouge

jaune

vert

bleu

indigo

violet

Fente Lentille

On utilise une lampe à incandescence

Observer et dessiner le spectre en indiquant les différentes couleurs.

Conclusion : Le prisme dévie et décompose la lumière blanche en lumières colorées du rouge au violet. C'est un phénomène de dispersion. L'ensemble des couleurs obtenues constitue le spectre de la lumière blanche. Le spectre est continu du rouge au violet

Simulation avec le logiciel Crocodile Physics

2) Dispersion de la lumière blanche par un réseau. Un réseau est constitué d'un film transparent sur lequel on a gravé des traits parallèles,

équidistants et très fins ( exemple le réseau noté : 580 : on a gravé 580 traits par millimètre).

Fente

Réseau + lentille

Observer et dessiner le spectre en indiquant les différentes couleurs.

Rétroprojecteur

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3) Comparaison :

Conclusion :Un réseau décompose la lumière blanche en lumières colorées du violet au rouge. Il dévie plus le rouge que le violet. Les spectres sont situés de part et d’autre de la fente centrale.

Quels sont les points communs et les différences entre les deux spectres ?

On obtient des spectres continus constitués des mêmes radiations. Le prisme dévie plus le violet que le rouge et le réseau dévie plus le rouge que le violet.

Prisme Réseau

- D

éviat

ion

+

- D

éviat

ion

+

II. Spectres d’émission

Un spectre d’émission est un spectre produit par la lumière directement émise par une source.

1) Spectre continu d’origine thermique

a) Analyse de la lumière émise par une lampe (6 V)

G

1

2

3

4

5

On augmente la valeur de la tension

Fente

Réseau

Spectroscope

2) Spectre de raies.

On analyse à l’aide du spectroscope la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure puis une lampe à vapeur de sodium. La lampe à vapeur de mercure contient des atomes (Hg) de mercure sous faible pression. Ces atomes subissent des décharges électriques et sont excités. La lampe à vapeur de sodium contient des atomes de sodium (Na). Eux aussi subissent des décharges électriques et sont excités.

-          Spectre de la lampe à vapeur de sodium :

-          Spectre de la lampe à vapeur de mercure (les principales) :

Cliquer pour agrandir

Le doublet du sodium : radiations jaunes de longueur d’onde voisine de 590 nm ( 589,0 nm et 589,6 nm)

Autres spectres de raies

2) Les Couleurs de flamme.

Pulvériser sur une flamme non éclairante d’un bec bunsen une solution contenant des ions sodium Na+.

Observer la couleur de flamme à l’aide du spectroscope

Vaporiser la flamme avec :

une solution aqueuse de chlorure de sodium

une solution aqueuse de chlorure de calcium

une solution aqueuse de nitrate de potassium

une solution aqueuse de nitrate de strontium

2) Les Couleurs de flamme.

Pulvériser sur une flamme non éclairante d’un bec bunsen une solution contenant des ions sodium Na+.

Observer la couleur de flamme à l’aide du spectroscope

Vaporiser la flamme avec :

une solution aqueuse de chlorure de sodium

2) Les Couleurs de flamme.

Pulvériser sur une flamme non éclairante d’un bec bunsen une solution contenant des ions calcium Ca 2+.

Observer la couleur de flamme à l’aide du spectroscope

Vaporiser la flamme avec :

une solution aqueuse de chlorure de calcium

2) Les Couleurs de flamme.

Pulvériser sur une flamme non éclairante d’un bec bunsen une solution contenant des ions potassium K+.

Observer la couleur de flamme à l’aide du spectroscope

Vaporiser la flamme avec :

une solution aqueuse de nitrate de potassium

2) Les Couleurs de flamme. Pulvériser sur une flamme non éclairante d’un bec

bunsen une solution contenant des ions strontium Sr 2+.

Observer la couleur de flamme à l’aide du spectroscope

Vaporiser la flamme avec :

une solution aqueuse de nitrate de strontium

Couleurs émises par quelques composés lors de la combustion

Couleur Éléments Composés Formule

Violet Potassium Nitrate de potassium

Chlorate de potassium

KNO3

KClO

Bleu Cuivre

Zinc

Chlorure cuivreuxSulfate de cuivrePoudre de zinc

CuClCuSO4

Zn

Vert Baryum

Cu métalNitrate de baryum

Chlorure de baryumChlorate de baryum

Ba(NO3)2

BaCl2Ba(ClO3)2

Jaune Sodium

Oxalate de sodiumOxyde de sodiumNitrate de sodium

Na2C2O4

Na2ONaNO3

Orangé Calcium Nitrate de calcium Ca(NO3)2

Rouge Strontium

Nitrate de strontiumHydroxyde de strontiumChlorure de strontiumOxyde de strontium

Carbonate de strontium

Sr(NO3)2

Sr(OH)2

SrCl2SrO

SrCO3

II. 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.

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

- 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. - Un gaz absorbe les radiations qu’il est capable d’émettre

Conclusion : Spectre d’absorption

Spectre d’émission

Spectre d’absorption

Spectre d’émission

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

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.

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

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

a)- Quel type de spectre donne la lumière émise par le Soleil ?b)- Pourquoi l’atmosphère du Soleil empêche-t-elle d’observer un spectre continu ?c)- Qu’es-ce que la photosphère ? Quelle est sa température ?d)- Qu’est-ce que la chromosphère ? Quelle est sa température ?e)- Expliquer pourquoi la présence des raies noires est liée à l’existence de la chromosphère.f)-  Pourquoi l’étude des longueurs d’onde des raies noires a-t-elle permis de connaître la composition de la chromosphère ?g)- Quels sont les deux éléments les plus abondants (en fraction de masse) dans la composition chimique du Soleil ?

a

b

c

d

e

f

g

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

-  Le spectre de la lumière émise par le soleil est un spectre continu qui va du violet au rouge.

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

-  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.

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

- La photosphère est une fine couche de gaz de 350 km d’épaisseur qui enveloppe le Soleil. Sa température est voisine de 6000 ° C à 5500 ° C.

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

- On appelle chromosphère l’atmosphère située autour du Soleil. Son épaisseur est de l’ordre de 2000 km environ. Cette atmosphère est constituée de gaz sous faible pression avec des régions où la température atteint 10 4 ° C.

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

- 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+, … La partie haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière émise dans la partie basse.

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

- 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.

IV. 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 document suivant représente le spectre de la lumière solaire.

-   Hydrogène et Hélium : H, He

Température

Moyenne ° C3000 5500 8000 10000

Couleur Rouge

orangée Jaune Blanche bleutée

Exemple Bételgeuse Le Soleil Sirius Rigel

IV. Quelques exemples.

Fin de la première partie