TP Physique N° 5 Les Messages de la lumière. Correction.

Objectifs :

Réaliser divers spectres lumineux, les comparer, les classer et en déduire des

informations sur la température et la composition d’un objet inaccessible (étoile,

nébuleuse,..)

I- Dispersion de la lumière blanche.

II- Spectres d’émission

III- Spectres d’absorption

IV- Applications à l’Astrophysique.

Matériel :

Rétroprojecteur, projecteur de diapositives, réseaux, lampes à vapeur de mercure et de sodium, lampe cadmium,

nickel, zinc.

Générateurs, lampes de 12 V (pour 8 groupes), bec bunsen, pulvérisateurs, solution de permanganate de potassium

(0,01 mol / L), solution de chlorure de sodium, solution de sulfate de cuivre II, solution de chlorure de calcium,

chlorure de baryum, spectroscopes de poche, solution de colorant jaune, solution de colorant bleu, seringues.

Rétroprojecteur, projecteur de diapositives, réseaux, lampes à vapeur de mercure et de sodium, lampe cadmium, nickel, zinc.

Générateurs, lampes de 12 V (pour 8 groupes), bec bunsen, pulvérisateurs, solution de permanganate de potassium (0,01 mol / L), solution de chlorure de

sodium, solution de sulfate de cuivre II, solution de chlorure de calcium, chlorure de baryum, spectroscopes de poche, solution de colorant jaune, solution de

colorant bleu, seringues.

I- Dispersion de la lumière blanche.

1)- Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Placer un prisme sur le trajet de la lumière provenant d’une lampe à incandescence.

Observer et dessiner le spectre en indiquant les différentes couleurs.

- 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

2)- Dispersion de la lumière 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).

Observer et dessiner le spectre obtenu.

- Un réseau décompose la lumière blanche. Il dévie plus le rouge que le violet.

- Spectres : ils sont situés de part et d’autre de la fente centrale.

3)- Comparaison.

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.

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)

Montage : brancher la lampe aux bornes du générateur (alimentation ajustable).

- Régler la tension sur zéro puis mettre le générateur sous tension.

- Augmenter la tension tout en observant avec le spectroscope la lumière émise par la lampe.

- Attention : ne pas dépasser 6V.

Observations et conclusion.

- Quelle influence a la variation de tension sur la lampe ?

- Lorsque la tension augmente, l’éclat de la lampe augmente aussi. Au départ, la lumière est jaune puis devient blanche.

- Quelle est la conséquence de cette variation sur les spectres observés ?

- Le spectre devient plus lumineux et il s’étale vers le bleu et le violet.

- De quelle grandeur physique dépend ces changements ?

- Le spectre d’un corps incandescent dépend de la température de ce corps. Plus le corps est chaud et plus le spectre s’étend vers le violet.

2)- Spectres 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.

Représenter les différents spectres. Les comparer. Quelle conclusion peut-on tirer ?

- Spectre de la lampe à vapeur de mercure (les principales) : longueurs d’ondes : 405 nm, 436 nm, 546 nm, 577 nm, 579 nm, 580 nm, 615 nm.

- Spectre de la lampe à vapeur de sodium :

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

3)- Les couleurs de flammes.

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

- Observer la couleur de flamme.

- Reproduire l’expérience avec d’autres solutions ioniques et indiquer chaque fois la couleur de flamme.

- Représenter les résultats sous forme d’un tableau.

Conclusion.

- Quelques couleurs de flamme :

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 cuivreux

Sulfate de cuivre

Poudre de zinc

CuCl

CuSO4

Zn

Vert Baryum

Nitrate de baryum

Chlorure de baryum

Chlorate de baryum

Ba(NO3)2

BaCl2

Ba(ClO3)2

Jaune Sodium

Oxalate de sodium

Oxyde de sodium

Nitrate de sodium

Na2C2O4

Na2O

NaNO3

Orangé Calcium Nitrate de calcium Ca(NO3)2

Rouge Strontium

Nitrate de strontium

Hydroxyde de strontium

Chlorure de strontium

Sr(NO3)2

Sr(OH)2

Oxyde de strontium

Carbonate de strontium

SrCl2

SrO

SrCO3

Baryum

Calcium

Cuivre

Potassium

Lithium

Sodium

Strontium

III- Spectres d’absorption

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

1)- Spectres de raies d’absorption.

- Visualisation du tableau des spectres de raies d’absorption.

- Spectre d'absorption de l'hydrogène :

- Spectre d'absorption de l'argon :

- Spectre d'absorption du cadmium :

- Spectre d'absorption du calcium :

- 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.

2)- Spectres de bande d’absorption

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

- Placer dans l’orifice du spectroscope les différentes solutions colorées

Représenter les différents spectres et conclure.

- Spectre d’absorption de la solution jaune : rouge – orange – jaune – vert : bande noire qui va du bleu au violet.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution jaune.

- Spectre de la solution bleue : jaune – vert – bleu – violet : bande noire qui va du rouge à l’orange.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution bleue.

- Spectre de la solution violette : rouge – orange – jaune – violet : bande noire qui va du vert au bleu.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution violette.

IV- Applications 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 ?

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

b)- Pourquoi l’atmosphère du Soleil empêche-t-elle d’observer un spectre continu ?

- 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.

c)- Qu’es-ce que la photosphère ? Quelle est sa température ?

- 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.

d)- Qu’est-ce que la chromosphère ? Quelle est sa température ?

- 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.

e)- Expliquer pourquoi la présence des raies noires est liée à l’existence de la chromosphère.

- 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+, Ca

2+, Fe

2+, …

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

f)- Pourquoi l’étude des longueurs d’onde des raies noires a-t-elle permis de connaître la composition de la chromosphère ?

- 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.

g)- Quels sont les deux éléments les plus abondants (en fraction de masse) dans la composition chimique du Soleil ?

- H, He

Température

Moyenne ° C

3000 5500 8000 10000

Couleur

Rouge

orangée

Jaune Blanche bleutée

Exemple Bételgeuse Le Soleil Sirius Rigel

TP Phys. N° 06 Les Messages de la Lumière (2) : Correction.

Objectifs :

Montrer des spectres d’absorption et identifier des espèces chimiques présentes dans

l’atmosphère du Soleil.

Matériel :

Rétroprojecteur, projecteur de diapositives, bec bunsen, pulvérisateurs, solution de permanganate de potassium (0,01 mol / L), solution de chlorure de

sodium, spectroscopes de poche, solution de colorant jaune, solution de colorant bleu, solution de colorant violet, seringues, tableau des spectres.

I- Spectres d’absorption

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

1)- Spectres de raies d’absorption.

- Visualisation du tableau des spectres 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.

- Spectre d'émission :

- Spectre d'absorption :

2)- Spectres de bande d’absorption

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

Placer dans l’orifice du spectroscope les différentes solutions colorées

- Représenter les différents spectres et conclure.

- Spectre d’absorption de la solution jaune : rouge – orange – jaune – vert : bande noire qui va du bleu au violet.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution jaune.

- Spectre de la solution bleue : jaune – vert – bleu – violet : bande noire qui va du rouge à l’orange.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution bleue.

- Spectre de la solution violette : rouge – orange – jaune – violet : bande noire qui va du vert au bleu.

Spectre de la lumière blanche

Spectre de la lumière blanche ayant traversé la solution violette.

II- Applications 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.

1)- Document.

« 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. »

ʘ 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.

- Document en couleur :

- 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.

2)- Exploitation du document.

a)- Étude du spectre de l’argon.(Voir le document fourni)

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

- Compléter le tableau 1 :

Longueur d’onde

λ 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

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 2.

numéro 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Distance L

en mm 3 6,5 22 35 48,5 53 85 106,5 113 117 120 140,5 145,5 158,5 163

Longueur

d’onde λ

en nm

c)- Questions.

- 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 +, Ca 2+

, Fe 2+, …

La partie haute de l’atmosphère absorbe une partie de la lumière émise dans la partie basse.

- 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.

- À quoi sert le spectre de l’argon ?

Le spectre de l’argon sert de référence. Il permet de connaître la relation λ = f (L).

- 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 d’absorption.

- Tracer sur papier millimétré, le graphique donnant la longueur d’onde λen fonction de L pour les raies d’émission de l’argon. En déduire une relation

simple entre ces deux grandeurs.

Longueur d’onde λ 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

- Compléter la dernière ligne du tableau 2.

- Pour connaîtrela valeur de la longueur d'onde de la radiation λen nm, on multiplie la valeur de la distance L en mm par le nombre 0,8975.

numéro 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Distance L

en mm 3 6,5 22 35 48,5 53 85 106,5 113 117 120 140,5 145,5 158,5 163

Longueur

d’onde λ

en nm

363,4 396,5 410,4 422,1 434,2 438,2 466,5 486,2 492,1 495,7 498,4 516,8 526,6 532,9 537

- 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.

Élément

chimique Longueurs d’onde en nm de certaines raies caractéristiques

H 410,3 434,2 484,1 556,3

Na 589,0 589,6

Mg 470,3 516,7

Ca 396,8 422,7 458,2 526,2 527,0

Fe 438,3 489,1 491,9 495,7 532,8 537,1 539,7

Ti 466,8 469,1 498,2

Mn 403,6

Ni 508,0

Document.

Les spectres lumineux

I. Les spectres d'émission

1. Spectres continus d'émission:

Pour réaliser expérimentalement un spectre, il est possible de réaliser le montage suivant (voir TP spectres lumineux):

Sur l'écran, on observe un spectre d'émission

Conclusion:

Un corps chaud (le filament de la lampe) émet une lumière dont le spectre est continu.

2. Spectre et température:

Si à l'aide du curseur du rhéostat, on fait varier l'intensité lumineuse. On obtient les spectres suivants:

Lorsque l'intensité lumineuse de la lampe augmente ( donc lorsque la température du filament de la lampe augmente), on assiste à l'apparition progressive

des couleurs vers le bleu.

Conclusion:

Un corps chaud émet un rayonnement dont le spectre s'enrichit en longueurs d'ondes courtes (bleu et violet) lorsque sa température augmente.

3. Spectre de raies d'émission:

Le spectre donné par une lampe à vapeur de sodium ou à vapeur de mercure est discontinu.

La lumière émise par ces lampes est composée d'un nombre limité de radiations. Leur spectre est un spectre de raies d'émission.

Spectre d'une lampe à vapeur de sodium

Spectre d'une lampe à vapeur de mercure

A chaque raie correspond une radiation monochromatique.

Un spectre de raie permet d'identifier un élément chimique sans ambiguïté.

Le spectre de raies est la signature de l'élément chimique.

II. Les spectres d'absorption

1. Spectres de raies d'absorption:

Lorsqu'une substance est traversée par de la lumière blanche, le spectre obtenu est constitué de raies noires se détachant sur un spectre coloré.

Spectre d'absorption du sodium

Spectre d'absorption du mercure

Spectre de bandes d'absorption

La substance absorbe certaines radiations.

Le spectre de la lumière blanche traversant une substance est un spectre d'absorption.

Les raies d'absorption correspondent aux raies d'émission.

Un élément chimique absorbe les radiations qu'il est capable d'émettre.

Les raies d'absorption et d'émission ont la même longueur d'onde.

La raie noire du spectre d'absorption du sodium correspond à la raie jaune de son spectre d'émission.

Les raies noires du spectre d'absorption du mercure correspondent aux raies colorées de son spectre d'émission.

III Application à l'astrophysique:

En observant le spectre de la lumière émise par une étoile, on peut déterminer la composition chimique de son atmosphère et sa température de surface.

Dispersion de la lumière blanche par un prisme

Expérience

En passant à travers le prisme, la lumière blanche est transformée en lumières colorées.

On dit que le prisme décompose la lumière blanche.

La figure colorée obtenue est appelée spectre.

La lumière blanche est constituée de plusieurs lumières (ou radiations) colorées.

La lumière blanche est polychromatique.

Contrairement à la lumière blanche, la lumière du laser n'est pas décomposée en un spectre.

La lumière du laser est constituée d'une seule lumière (ou radiation) colorée.

La lumière du laser est monochromatique.

Notion de longueur d'onde

A chaque couleur correspond une grandeur physique appelée longueur d'onde et notée .

Spectre de la lumière blanche

Le spectre de la lumière blanche contient toutes les radiations auquel l'oeil humain est sensible, c'est à dire toutes les radiations dont la longueur d'onde est

comprise entre 400 et 800nm (1nm=10-9

m).

Milieu dispersif

Les différentes radiations qui composent la lumière blanche ne sont pas déviées de la même façon par le bloc de verre (le

bleu est plus dévié que le rouge).

L'indice de réfraction du bloc de verre dépend donc de la longueur d'onde de la radiation lumineuse qui le traverse.

On dit que le milieu (ici le bloc de verre) est dispersif.

On appelle milieu dispersif un milieu transparent dont l'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde.

C'est à cause du phénomène de dispersion que la lumière blanche est décomposée par un prisme.