1. Lycée Murat Issoire
TP05 Spectres lumineux et découvertes astrophysiques
Objectifs :
Comprendre : les lois de Kirchhoff en utilisant un dispositif de dispersion de la lumière.
Connaitre : des découvertes concrètes liées à l’étude des spectres.
Réinvestir : représentations schématiques conventionnelles.
Activités:
Repères historiques
1896 : J’écris une loi
Je donne mon nom au bec de gaz
permettant de calculer une
créé par mon assistant en 1855 1860 Nous découvrons le Césium température à partir d’un
et le Rubidium spectre
En 1868 nous découvrons
BUNSE KIRCHHOFF (en même temps !) par
N LOCKYER
J’écris des lois décrivant les différents spectroscopie un nouvel
spectres et fonde ainsi la spectroscopie élément dans le soleil :
WIEN
l’Hélium
I- Comprendre les lois de Kirchhoff JANSSEN
En 1859, Gustav Kirchhoff propose une série de lois décrivant les spectres de différentes lumières
colorées. Chacune d’elles correspond à une situation expérimentale donnée.
Associez un spectre à une loi et à une situation expérimentale
Un objet chaud Un gaz excité produit un Un objet chaud entouré d'un gaz froid produit
incandescent produit un spectre de raies (donc non un spectre presque continu, et présentant des
spectre continu. continu), les raies ainsi raies manquantes à certaines longueurs
formées sont caractéristiques d'onde bien séparées, les raies ainsi formées
du gaz utilisé. sont caractéristiques du gaz utilisé. C’est un
spectre de raies d’absorption

2. II- Observations expérimentales
Le but cette seconde partie est d’observer quelques spectres au travers d’un spectroscope. (L’observation
de spectres d’absorption est trop technique pour être réalisée en classe)
1) spectre thermique d’une lampe à filament.
Réalisez le circuit électrique proposé par votre professeur et qui a pour objectif de contrôler l’éclat
de la lampe (en fait la température du filament)
Observez le spectre à travers un spectroscope.
Compte-rendu :
description (schéma du montage électrique et phrase d’explication)
observation (une phrase avec les mots en gras dans le tableau précédent)
conclusion (reconnaitre le type de spectre selon Kirchhoff)
2) Spectre de raies d'émission
Observez au spectroscope la lumière émise par quelques lampes spectrales.
Faites un compte-rendu suivant la même structure que le précédent.
Notez le nom du gaz présent dans chacune d’entre elles
3) Spectre de raies d’absorption
Ce montage est trop technique à réaliser
Rendez-vous sur
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_abs_em.swf
Utiliser l’animation pour afficher les spectres d’émission et d’absorption des éléments présents dans les
lampes spectrales du lycée.
Quelles différences, quels points-communs y a-t-il entre le spectre d’absorption et le spectre d’émission
d’un même élément ?

3. III- Applications concrètes
1) Les caractères physico-chimiques du soleil.
Expérience préliminaire : baisser la température du filament de l’ampoule et observez son spectre.
Quels changements observez-vous ?
Ci-dessus, un schéma représentant le spectre du soleil et au dessus, une courbe précisant l’intensité de la
lumière correspondante.
De quel type de spectre s’agit-il ?
Rendez-vous sur
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_temperature.swf
et expliquez comment on peut connaitre la température du soleil (en fait de la partie du soleil qui émet de la
lumière (chromosphère))
A quel type de spectre (tableau Kirchhoff) peut-on associer le spectre du soleil ?
Rendez-vous sur
http://www.ostralo.net/3_animations/swf/spectres_soleil.swf
Cochez « afficher le spectre du soleil » et retrouvez quelques éléments de la partie « froide » du soleil
parmi les suivants :
Quel point commun y a-t-il entre les spectres d’un gaz qui émet de la lumière à chaud et ce même gaz
« froid » qui est traversé par de la lumière blanche ?
Conclure : Quelles informations peut-on déduire du spectre d’une étoile ?
2) Quel est cet élément ? Si nous avons le temps :
Observez la flamme donnée par l’incandescence d’un sel.
Décrire ce spectre. Pourriez-vous identifier l’atome qui est dans la flamme ?

4. Salle 214 ou 211
matériel
eleves :
spectroscopes
Matériel électrique : générateur 6-12, rhéostat, ampoule et 5 fils de connexion
Paillasse
becs électriques avec cartouche flamme et nitrate de sodium (ou eau saturée de sel et alcool)
lampes spectrales
Panneau spectres.
spectrophotomètre
Photocopies oui pages 1 et 2
Déroulement ()
I- 15’
II- 1) 40’ 2) 15 ‘
Démontage circuits
III- 30’ (réinvestissement (AD9)
Après expérience, le III peut se faire à la maison.
Le TP peut se poursuivre ou être coupé en deux (voir AD 9 une étoile bien mystérieuse)
Bunsen et la découverte de nouveaux atomes
Joseph Lockyer découvrit que le spectre solaire manifestait la présence d'un élément inconnu, qu'il baptisa
hélium….
AS 2011-2012 : intégrer l’utilisation de Spid HR.

5. A projeter après partie I :
Un objet chaud Un gaz excité produit un Un objet chaud entouré d'un gaz froid produit
incandescent produit un spectre de raies (donc non un spectre presque continu, et présentant des
spectre continu. continu), les raies ainsi raies manquantes à certaines longueurs
formées sont caractéristiques d'onde bien séparées, les raies ainsi formées
du gaz utilisé. sont caractéristiques du gaz utilisé. C’est un
spectre de raies d’absorption

6. Application 1: Détermination de la température de surface du Soleil
Plus un corps est chaud plus il émet de lumière dans les courtes longueurs
d’ondes. Ainsi, un métal peu chauffé émet dans le rouge ; il émet de plus en plus
lu m in a n c e
dans le bleu lorsque sa température s’élève, la lumière étant alors perçue de plus
en plus blanche. La loi de Wien rend compte de ce phénomène. Elle le modélise U .V v is i b le I.R .
par la relation :
λ m T = 2900 (enµ m K)
Dans laquelle λ m représente la longueur d’onde qui correspond au rayonnement le
plus intense dans le spectre continu. 300 500 700 900 lo n g u e u r
d 'o n d e ( n m )
Le spectre continu de la lumière solaire présente un maximum d’intensité
lumineuse dans le vert comme le montre la courbe ci-dessous :
Munis de ces renseignements, calculez la valeur approximative de la
température de surface du Soleil. Cette valeur est-elle compatible avec celle que vous avez trouvée lors de l’analyse du
spectre de raies d’absorption ?
Application 2 Raies d’absorption et composition des étoiles
Les étoiles émettent un spectre continu produit par les régions internes qui sont très chaudes ; le rayonnement
traverse ensuite les régions superficielles qui sont plus froides et jouent le rôle d’un absorbant. Le spectre d’une
étoile se présente donc comme un spectre continu comportant de nombreuses raies noires (raies d’absorption).
Ce spectre nous renseigne :
- sur la température de l’étoile : plus une étoile est chaude, plus son spectre s’étend sur le violet. On en déduit, de cette manière, la
température de surface de l’étoile.
- sur la composition chimique de l’étoile : les raies d’absorption du spectre continu d’une étoile permettent de déterminer la nature
des éléments présents dans les couches superficielles de l’étoile (où ces éléments existent à l’état atomique). De plus, ces raies
d’absorption caractéristiques d’un élément sont d’autant plus noires que cet élément est présent en plus grande quantité.

7. Etude d’un spectre de lumière.
1. Le spectre de la lumière provenant d’une étoile comporte des raies noires sur un fond continu. A quoi correspond le fond
continu ? Pourquoi observe-t-on des raies noires sur ce spectre ?
2. Les fonds continus des spectres de trois étoiles différentes sont les suivants :
Etoile 1
Etoile 2
Etoile 3
Classer ces étoiles par température de surface croissante.
3. L’observation du spectre de la lumière provenant d’une étoile mystérieuse donne :
On sait que la couche superficielle de cette étoile n’est constituée que d’un seul élément, X ou Y. Les spectres
d’émission de ces éléments sont connus et donnés ci-dessous. Quel est celui contenu dans la couche qui entoure
l’étoile ?
X
Y