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Sources de lumières colorées

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by

Morey Laurent

on 26 November 2015

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Transcript of Sources de lumières colorées

Sources de lumières colorées
I-Le spectre électromagnétique
Objectifs :
Distinguer une source polychromatique d'une source monochromatique caractérisée par sa longueur d'onde.
Connaître le domaine du visible en longueur d'onde et situer les rayonnements infrarouges et ultraviolets.
Connaître et savoir utiliser la relation reliant fréquence et longueur d'onde d'une onde électromagnétique.
a) Le rayonnement électromagnétique.
b) Fréquence et longueur d'onde d'un rayonnement
une animation pour comprendre...
http://scphysiques.free.fr/TS/physiqueTS/OMP4.swf
Le spectre de la lumière visible contient une multitude de radiations, elle est
polychromatique
(plusieurs couleurs).
La lumière possède un caractère
ondulatoire
, c'est
à dire qu'elle se comporte comme une onde. Il s'agit
d'une
onde électromagnétique
.
Chaque radiation du spectre est caractérisée par sa
longueur d'onde λ
qui s'exprime en m ou sous multiple du m. Il s'agit d'une
radiation monochromatique
(une couleur).
L'oeil humain n'est sensible qu'aux radiations de longueurs
d'onde comprises entre 400 nm(violet) et 700 nm(rouge).
une vidéo pour comprendre...
La fréquence et la longueur d'onde peuvent être reliées :
Lorsque l'onde a parcourue sa longueur d'onde λ...
...il s'écoule une durée correspondant à la période de l'onde T.
La vitesse ou célérité c du rayonnement se calcule comme suit :
Une radiation monochromatique
III-Spectre continu des corps denses
Objectif :
Savoir exploiter la loi de Wien.
a) Lien entre rayonnement et température d'un corps noir.
Une animation pour comprendre...
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_temperature.swf
En première approximation, le rayonnement des
corps denses
(solides, liquides et gaz à haute pression) peuvent être assimilés à celui d'un objet théorique idéal appelé
corps noir
.

Un corps noir est un objet qui absorbe entièrement le rayonnement qu'il reçoit.
Le rayonnement qu'il émet ne dépend que de sa température.
b) Loi de Wien.
Analysons le spectre d'émission d'un corps noir (attention à ne pas confondre avec un spectre d'absorption)
La température du corps noir et la longueur d'onde λmax sont liées par la relation suivante appelée loi de Wien :
Attention ! L'expression diffère selon les unités. La température est ici exprimée en kelvin (K).

T(K) = T(°C) + 273.15
température en kelvin
température en degrès celsius
ex : 25°C = 298.15 K
II-Spectres à raies d'émission des gaz à basse pression.
Objectifs :
Interpréter les échanges d'énergie entre lumière et matière à l'aide du modèle corpusculaire de la lumière.
Connaître la relation E=hυ et l'exploiter dans un diagramme de niveaux d'énergie.

a) Quantification de l'énergie des atomes d'un gaz à basse pression.
Les électrons des atomes sont répartis en couches (2de) de numéro n.

L'énergie des électrons (et donc celle de l'atome) ne peut prendre que
quelques valeurs
et non une infinité : elle est
quantifiée.
Plus la couche est éloignée du noyau plus l'électron a d'énergie.
b) Émission de lumière des gaz sous basse pression
Ce modèle permet d'expliquer l'allure des spectres de raies d'émission. Comme l'énergie des atomes ne peut prendre que
certaines valeurs
alors seul un
nombre limité
de radiations ne peuvent apparaître dans le spectre.
radiation correspondant à une transition énergétique d'un électron.
Les radiations de longueurs d'onde inférieures à 400 nm correspondent aux
ultraviolets (UV)
. Les radiations de longueurs d'onde supérieures à 700 nm correspondent aux
infrarouges (IR)
.
Dans le vide, la célérité de l'onde est c = 3.00x108 m.s-1
a) Absorption de lumière par les gaz sous basse pression.
Cela explique l' allure des spectres d' absorption lorsqu'on éclaire un gaz à basse pression. Certaines radiations sont absorbées : celles correspondantes aux transitions énergétiques possibles de l' atome.
Radiation absorbée correspondante à une transition énergétique possible
En première approximation, une étoile peut être considérée comme constituée d'un gaz à haute pression entouré d'un gaz à basse pression.
Les raies absorbées permettent d'identifier les éléments chimiques présents dans la chromosphère.
Les raie émises dépendent des énergies possibles pour l'atome donc de sa nature.
Les raies absorbées correspondent aux énergies possibles de l' atome donc à sa nature.
Lorsque tous les électrons sont aux niveaux d'énergie les plus bas, alors on dit que l' atome est dans l'
état fondamental
.
c) Énergie d'une onde électromagnétique.
L'énergie d'une onde électromagnétique est liée à sa
fréquence

ou sa

longueur d'onde

par la relation :
E=h
υ
=hc/
λ
constante de Planck avec h =6.63x10-34 J.s
Energie du rayonnement en J
Fréquence de l'onde en s-1 ou Hz
vitesse de la lumière dans le vide avec c=3.00x108 m.s-1
longueur d'onde de la radiation en m
Ex : pour l' atome de lithium (Z=3) : (K)2(L)1 : A l'
état fondamental
, il y a 2 électrons sur la couche K et 1 électron sur la couche L.
2 électrons sur la couche K
1 électron sur la couche L
L' énergie de cet atome à l'
état fondamental
est égal à la somme des énergies des électrons qu'il contient : E
fondamental
=2xE1 + E2
Lorsqu'on fourni de l'énergie (électrique, thermique...) à un gaz atomique, certains électrons vont pouvoir passer à des niveau d'énergie supérieurs : l' atome passe dans un
état excité
.
Ex : Si on fourni de l'énergie à un gaz d' atomes de lithium (Z=3), on aura,
par exemple,
un électron de la couche L qui ira sur la couche M :
2 électrons sur la couche K
1 électron sur la couche L (grâce à l'apport énergétique)
L' énergie de l' atome dans
cet état excité
est :
E
excité
= 2xE1+E3

Lorsqu'un électron "tombe" sur une couche inférieure, il y a émission d'un photon.
Ex :
Perte d'énergie d'un électron
émission d'un
photon
(particule associée au rayonnement émis)
Ainsi lorsqu'un électron "tombe" sur une couche inférieure, il y a perte d'énergie
de l' atome
. Cette énergie perdue est convertie en
énergie de rayonnement E=hν=hc/λ
Ex : Dans le cas ci-dessous, la perte d'énergie de l' atome est ΔE=E3-E1
On peut alors écrire :
hν=hc/λ=ΔE
=E3-E1. Cette relation permet de trouver la longueur d'onde du rayonnement émis lors de cette transition énergétique.
Exercice : On considère une ampoule contenant du sodium atomique gazeux à basse pression. On porte ce gaz à haute température en lui apportant de l' énergie thermique. On constate que ce gaz émet alors une radiation monochromatique de longueur d' onde 589 nm.

A quelle transition énergétique correspond ce rayonnement ?
Lorsqu'un rayonnement (ou photon) est envoyé vers un gaz atomique à basse pression, les atomes du gaz
peuvent
utiliser l'énergie de ce rayonnement afin de gagner de l'énergie. Cela se produit
uniquement si l'énergie du rayonnement correspond exactement à l'une des transitions énergétiques possibles de l' atome (pas plus, pas moins).
rayonnement émis
Ex :
Dans l'exemple ci-dessous, le rayonnement est absorbé car son énergie E=hν correspond exactement à la transition énergétique ΔE=E3-E2
rayonnement incident
Exercice : On considère une ampoule contenant du sodium atomique sous basse pression à température ambiante.

1) On considère un atome de sodium initialement dans son état fondamental. On envoie une radiation monochromatique de longueur d'onde 387.3 nm vers cet atome. Ce rayonnement est-il absorbé ?
2) Même question avec une radiation monochromatique de longueur d'onde 400 nm.


IV-Spectre d'une étoile.
Objectif : Savoir interpréter le spectre d'une étoile
Le spectre d'un corps noir possède les caractéristiques suivantes :
-Le spectre est
continu
: il n'y a pas de variations brutales de la courbe. Par contre le rayonnement n'est pas uniforme.
-Le spectre présente un
maximum
: il existe une longueur d'onde
λmax
pour laquelle le rayonnement émis est maximum.
b) Spectre d'une étoile.
Les éléments chimiques présents dans la chromosphère absorbent certaines radiations de la lumière émise par la photosphère (celles qui leur sont caractéristiques). Le spectre d'une étoile est donc un
spectres de raies d'absorption
.
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