Spectres d'émission Cours |
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1)- Exercice 3 page 234 :
Exprimer une valeur de vitesse. 2)- Exercice 5 page 234 :
Utiliser la valeur de la vitesse de la lumière. 3)- Exercice 9 page 234 :
Comparer des spectres. 4)- Exercice 11 page 234 :
Reconnaître des spectres. 5)- Exercice 13 page 235 :
étudier un spectre.
6)- Exercice 14 page 235 :
Représenter un spectre. 7)- Exercice 15 page 235 : étude
d’un profil spectral. 8)- Exercice 19 page 236 : Toute
la lumière sur les lampes. 9)- Exercice 19 page 236 :
Identification d’un gaz. 10)- Exercice 23 page 237 : La
distance Terre-Lune. 11)- Exercice 24 page 237 : Les
couleurs de flamme. 12)-
Exercice 29 page 239 :
Diagramme d’Hertzprung-Russel. 13)- Exercice
31 page 240 : Aurions-nous raison avec cette hypothèse ?
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I- Vitesse de propagation de la lumière.
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En 1674, étudiant les
éclipses de la planète Jupiter sur son satellite Io,
- Le Danois Römer donne une première estimation de la vitesse de la lumière dans le vide.
- La valeur fixée
pour la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est :
c =
299 792 458 m / s |
- C’est une constante Universelle.
- Cette vitesse
est une vitesse limite.
-
Aucun objet matériel
ne peut atteindre cette vitesse dans le vide.
- Dans les milieux transparents, la lumière se déplace moins vite que dans le vide.
- La vitesse de
la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide.
-
Comme valeur approchée
dans l’air et le vide, on choisit la valeur suivante :
cair
≈
c
≈
3,00 × 108
m / s |
-
Cette valeur est très
élevée.
-
Tableau de valeurs de
vitesses :
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TGV |
Son dans
l’air |
Terre sur
son orbite |
Valeur de
la vitesse |
300 km . h–1
Ou
86,3 m .s–1 |
1,24 × 103
km . h–1
Ou
345 m .s–1
|
1,08 × 105
km . h–1
Ou
2,99 × 104
m . s–1 |
|
3,60 × 106 |
8,70 × 105 |
1,00 × 104 |
1)- Expérience : Expérience de Newton (1642 – 1727).
- Le prisme :
- On éclaire une fente
avec une lumière blanche et on envoie le faisceau obtenu sur la face d’un
prisme.
- Observations : la lumière est déviée par le prisme.
- De plus le faisceau qui émerge du prisme est
étalé et présente les différentes couleurs de l’arc-en-ciel (rouge,
orange,
jaune,
vert,
bleu,
indigo,
violet).
-
La lumière rouge est
moins déviée que la lumière violette.
-
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.
- La lumière blanche est constituée de plusieurs couleurs ou radiations :
- C’est une lumière
polychromatique
-
Arc en Ciel :
-
La lumière blanche est
dispersée par les gouttelettes d’eau.
-
Le 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.
2)- Expérience avec la lumière émise par un Laser.
-
On éclaire une fente
avec un faisceau laser et on envoie le faisceau obtenu sur la face d’un prisme.
539 nm
-
Conclusion : La
lumière produite par un laser est constituée d’une seule radiation, elle est
monochromatique.
3)- Lumière et longueur d’onde.
a)-
Récapitulatif :
-
La lumière blanche
peut être dispersée à l’aide d’un réseau, d’un prisme et même de gouttes d’eau.
-
La figure lumineuse
obtenue est appelée spectre de la lumière blanche.
-
Ce spectre est
continu.
b)-
Longueur d’onde :
-
Une lumière
monochromatique ne peut être décomposée par un prisme.
- C’est une radiation lumineuse qui est caractérisée par sa longueur d’onde λ dans le vide ou l’air.
- Son unité légale est le mètre
(m).
-
On utilise aussi le nanomètre : 1 nm = 10–9 m
-
Le laser rouge utilisé au lycée est une radiation de
longueur d’onde λ
= 633 nm.
-
C’est une lumière
monochromatique.
-
Remarque :
- Une lumière complexe est un mélange de plusieurs radiations.
- Elle n’est pas
caractérisée par une longueur d’onde. On lui associe une plage de longueurs
d’onde.
-
L’œil humain n’est
sensible qu’aux radiations dont les longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm
et 800 nm.
-
La lumière blanche est
un mélange de toutes les radiations visibles.
-
Spectre de la lumière
blanche :
-
Images (Chroma v.3.6)
-
La lumière blanche est
composée de radiations qui dans le vide ou dans l’air, ont une longueur d’onde
comprises entre 400 nm (violet)
et 800 nm (rouge).
-
La lumière blanche est
polychromatique. |
5)- Lumière et température de surface
-
Exemple : lampe à
incandescence.
-
On branche la lampe aux bornes du générateur
(alimentation ajustable).
-
On règle la
tension sur zéro et on met le générateur sous tension.
-
On augmente la
tension tout en observant avec le spectroscope la nature de la lumière émise par
la lampe.
-
Observations :
- Lorsque la tension augmente, l’éclat de la lampe augmente aussi.
-
Au départ, la lumière est jaune orangé puis
devient blanche.
-
Le spectre devient plus
lumineux et il s’étale vers le
bleu
et le
violet.
-
Conclusions :
-
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.
-
Le spectre de la lumière
émise par un corps chaud est continu.
-
Ses caractéristiques
dépendent de la température de surface de ce corps.
-
La radiation émise
avec le maximum d’intensité dépend de la température de surface du corps.
-
Le spectre est plus
lumineux et il s’enrichit vers le
violet
quand la température de surface du corps augmente.
III- Les spectres de raies d’émission.
-
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 mercure :
-
Les principales longueurs d’ondes (les plus
visibles) : 615 nm, 568 nm, 546 nm, 542 nm, 436 nm,
405 nm.
-
Spectre de la lampe à
vapeur de sodium :
-
Le
doublet du sodium : radiations jaunes de longueur d’onde voisine de 590 nm (en
réalité, il s’agit d’un doublet :589,0 nm et 589,6 nm)
-
Les spectres de ces
lumières ne sont pas continus.
-
On parle de spectre de
raies d’émission
-
Chaque spectre est
composé de raies colorées sur fond noir
-
Chaque raie colorée
correspond à une radiation émise par l’entité.
-
Conclusion :
-
Les radiations émises
par une entité chimique (atome, ion) sont caractéristiques de cette entité.
-
Dans un spectre de
raies d’émission, les longueurs d’onde des différentes radiations présentes
permettent d’identifier l’entité chimique.
-
Un gaz, à faible
pression et à température élevée, émet une lumière constituée d’un nombre limité
de radiations.
-
On obtient un spectre
de raies.
-
Le spectre obtenu est
caractéristique des atomes du gaz qui émet les radiations.
-
Un spectre de raies
constitue la signature d’un élément chimique et révèle sa présence.
-
Il permet d’identifier
une entité chimique (atome ou ion).
a)-
Analyse spectrale de la
lumière émise par une étoile.
-
Document : Extrait du
spectre visible du Soleil :
-
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 les 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.
b)-
Profil spectral d’une
étoile :
-
Document : Profil
spectral de la lumière émise par le
Soleil :
-
Le profil spectral
d’une étoile est la courbe qui représente l’intensité lumineuse des radiations
émises par cette étoile en fonction de la longueur d’onde.
- Les entités chimiques présentes dans l’atmosphère du Soleil absorbent certaines radiations lumineuses.
- Ceci se traduit par l’apparition de raies sombres dans le spectre de la lumière
émise par le Soleil et par des minima d’intensité lumineuse dans le profil
spectral.
-
Les longueurs d’onde
correspondantes permettent d’identifier les entités chimiques présentes dans
l’atmosphère du Soleil.
- La température de surface du Soleil a une influence sur l’allure globale du profil spectral.
- La
longueur d’onde du maximum d’intensité lumineuse est notée
λmax.
-
La valeur de
λmax
diminue lorsque la température de surface de l’étoile augmente.
-
Une étoile bleue est
plus chaude qu’une étoile rouge.
- Le profil spectral de la lumière émise par le Soleil permet de déterminer la valeur de λmax.
-
λmax = 480 nm.
-
Cette valeur permet de
déterminer la valeur de la température de la surface du Soleil.
-
Cette température est
voisine de 5700 °C.
-
D’autre part, les
minima d’absorption montrent que l’atmosphère du Soleil contient essentiellement
de l’hydrogène et de l’hélium.
c)-
Conclusions ;
-
- L’analyse de la
lumière provenant d’une étoile permet de connaitre :
-
-
Sa température de
surface
-
- La composition
chimique de son atmosphère.
3)- Exercices :
1)- Exercice 3 page 234 :
Exprimer une valeur de vitesse. 2)- Exercice 5 page 234 :
Utiliser la valeur de la vitesse de la lumière. 3)- Exercice 9 page 234 :
Comparer des spectres. 4)- Exercice 11 page 234 :
Reconnaître des spectres. 5)- Exercice 13 page 235 :
étudier un spectre.
6)- Exercice 14 page 235 :
Représenter un spectre. 7)- Exercice 15 page 235 : étude
d’un profil spectral. 8)- Exercice 19 page 236 : Toute
la lumière sur les lampes. 9)- Exercice 19 page 236 :
Identification d’un gaz. 10)- Exercice 23 page 237 : La
distance Terre-Lune. 11)- Exercice 24 page 237 : Les
couleurs de flamme. 12)-
Exercice 29 page 239 :
Diagramme d’Hertzprung-Russel. 13)- Exercice
31 page 240 : Aurions-nous raison avec cette hypothèse ? |
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