2GT.15. Analyse spectrale des ondes lumineuses

Les élèves doivent savoir
  • Citer la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide ou dans l’air et la comparer à d’autres valeurs de vitesses couramment rencontrées.
  • Caractériser le spectre du rayonnement émis par un corps chaud.
  • Caractériser un rayonnement monochromatique par sa longueur d’onde dans le vide ou dans l’air.
  • Exploiter un spectre de raies.

Vitesse de la lumière et Année Lumière

Comme vous l’avez vu au collège, la lumière se propage en ligne droite et les premières mesures précises de la vitesse de la lumière dans le vide ont été faites au milieu du XIXe siècle.

La vitesse de la lumière dans le vide est une constante de la physique qui sert à la définition du mètre dans le Système International (S.I.) (http://www.bipm.org/fr/publications/si-brochure/metre.html)

La vitesse de la lumière est notée c et s’exprime en mètres par secondes (m.s-1). Dans le vide sa valeur est la suivante :

                      c = 299 792 458 m.s-1

On utilisera donc l’approximation : c = 300 000 000 m.s-1

Les astrophysiciens utilisent cette vitesse pour exprimer des distances entre la Terre et des objets situés hors de notre système solaire. Ils ont créé une unité nommée « année lumière » (al). Il ne s’agit pas d’une durée ( !!) mais de la distance parcourue par la lumière durant une année terrestre.

Sachant que l’année comporte 365,25 jours de 24 heures comportant chacune 60 minutes de 60 secondes :

1 al = 365,25 × 24 × 60 × 60 × c = 9,46.1015 m

Soit environ 9 460 milliards de kilomètres. Un chiffre vertigineux mais qui rend compréhensible les distances entre les étoiles. Ainsi Proxima Centauri, l’étoile la plus proche du Soleil, se trouve à « seulement » 4,24 al !

Pour des distances plus lointaines, certains astrophysiciens utilisent aussi le parsecs qui correspond à : 1 pc = 3,26 al.

Les ondes

Une onde est une « ondulation » qui peut se transmettre par différents types de supports : surface de l’eau, molécules dans l’air, lumière…

Les ondes possèdent deux caractéristiques principales : leur fréquence (vue précédemment) et leur amplitude (« hauteur » de l’onde).

Pour les rayonnements électromagnétiques, dont font partie la lumière, les rayons X ou les ondes radios, on associe généralement la fréquence et la période à la longueur d’onde.

La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde au cours d’une période

Les ondes peuvent aussi être les vagues à la surface de la mer ou les compressions et décompressions de molécules sous l’effet d’un son (ondes sonores).

Longueur d’onde

La longueur d’onde représente la distance entre deux sommets consécutifs si on représentait l’onde sur une feuille de papier. La période représente, elle, le temps qui s’écoule entre deux sommets consécutifs.

Exemple : une onde électromagnétique d’une fréquence de 300 000 000 Hz (3.108 Hz) qui se propage dans le vide, a une longueur d’onde l = c / f = 3.108 / 3.108 = 1 m

Une onde électromagnétique est plus communément définie par sa longueur d’onde que par sa fréquence, l’une pouvant être calculée à partir de l’autre.

Ondes lumineuses et électromagnétiques

La lumière visible fait partie des ondes électromagnétiques dont le spectre complet est représenté ci-dessous :

Une onde électromagnétique peut se propager dans le vide et est associée à un faisceau de photons. Ces photons ne seront « visibles » (par l’œil humain) que lorsque leur longueur d’onde est comprise entre 380 et 800 nm (nanomètre = 10-9 m).

Spectre de la lumière

Nos yeux ne perçoivent que la partie du spectre électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 380 nm et environ 780 nm :

La représentation ci-dessus correspond au spectre d’émission de la lumière blanche, qui contient toutes les couleurs.

Cette lumière est émise par les étoiles, comme le Soleil, car ce sont des corps chauds. C’est également le cas des ampoules à incandescence ou même de n’importe quel corps porté à haute température, comme on peut le voir dans une fonderie où l’acier se met à émettre de la lumière quand on le chauffe pour lui donner une forme.

La lumière émise par les corps chauds dépend de leur température. Plus un corps est chaud, plus la longueur d’onde de sa couleur dominante, on parle aussi du maximum d’émission du corps, est courte.

Un corps chaud émet toujours un spectre continu. Si le corps est porté à une température de 4 000°C, son maximum d’émission va se situer dans le rouge. Comme il émettra peu de radiations à des longueurs d’ondes plus courtes, il apparaitra rouge.

Si le corps est porté à une température de 5500 °C, comme notre Soleil, son maximum d’émission sera situé dans le bleu-vert et sera plus élevé que celui du corps plus froid. Comme c’est une source chaude il émettra tout de même l’ensemble du spectre lumineux (avec une intensité supérieure à son maximum d’émission) et émettra une lumière “blanche” (dans le sens où elle contient tout le spectre lumineux)..

La couleur des étoiles nous donne donc une indication de leur température en surface. Plus l’étoile est chaude, plus elle va virer vers le bleu et plus elle est froide, plus elle va virer vers le rouge.

Les étoiles très « froides », comme les naines brunes, dont la température de surface est située entre 1000 °C et 2000 °C ne vont pas émettre de lumière visible à l’œil. Mais nous disposons d’appareils d’observation de l’espace sensibles à un spectre électromagnétique bien plus large que nos capacités de perceptions oculaires et pouvons donc détecter ce type d’étoiles.

Lumière monochromatique

Certaines sources de lumière, comme les lasers, émettent une lumière dans une seule longueur d’onde. On parle alors de lumière monochromatique. Par exemple un laser vert va émettre une lumière dont la longueur d’onde sera de 520 nm (il existe plusieurs variétés de lasers de chaque couleur), qui correspond au vert si l’on regarde le spectre de la lumière blanche ci-dessus.

La couleur de la source de lumière monochromatique est donc définie par sa longueur d’onde.

Spectre de raie

Un atome, ou un ion, à qui l’on transmet de l’énergie par chauffage ou décharge électrique, va restituer cette énergie sous la forme de rayonnements électromagnétiques dont certains sont situés dans le domaine visible. Cela est du au fait que les électrons de cet élément vont temporairement changer de couche et ensuite émettre un photon avec une certaine énergie en revenant à leur couche de départ (cela sera détaillé dans les classes supérieures).

Comme chaque élément chimique a une répartition électronique différente, chaque élément va avoir un spectre d’émission différent et caractéristique. Une analyse du spectre d’émission d’une lampe à décharge ou à vapeur métallique permet de savoir quelle est sa composition.

Inversement, lorsque la lumière d’une étoile lointaine traverse un nuage de gaz froid dans l’espace, ce gaz va absorber certaines radiations de la lumière, laissant autant de bandes noires dans son spectre. Le résultat est un spectre d’absorption par l’élément (ou les éléments) présents dans le nuage de gaz. Ces raies d’absorption sont complémentaires des raies d’émission et caractéristiques d’un élément chimique donné :

Analyse des étoiles

En combinant la mesure de l’intensité lumineuse d’une étoile, qui nous donne une indication de sa température, comme vu précédemment, et l’analyse de son spectre d’émission, nous pouvons déterminer un grand nombre d’informations sur celle-ci.

En effet, la lumière de l’étoile traverse son atmosphère, la chromosphère, que l’on peut considérer comme « froide » par rapport à l’étoile et les raies d’absorption du spectre recueillies nous indique quels éléments se trouvent dans cette chromosphère.

Nous savons ainsi que notre Soleil est constitué essentiellement d’hydrogène et d’hélium, avec quelques traces d’oxygène, de carbone et de fer.

Plus une étoile est âgée, plus elle fabrique des éléments lourds qui sont rejetés, et donc détectables, dans sa chromosphère. Le spectre lumineux d’une étoile nous donne donc également des informations sur son âge.

Et quand la lumière d’une étoile traverse l’atmosphère d’une exo-planète, nous pouvons analyser son atmosphère grâce aux raies d’absorption.

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