Tp – De l’hydrogène et de l’hélium autour du Soleil ! ?








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date de publication19.10.2016
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Physique – Chimie – 2nde Thème : L’Univers

TP – De l’hydrogène et de l’hélium autour du Soleil ! ?


CONTENUS ET NOTIONS : Les spectres d’émission : spectres continus d’origine thermique.

Raies d’émission d’un atome ou d’un ion.

Caractérisation d’une radiation par sa longueur d’onde.

Dispersion de la lumière blanche par un prisme.

Les spectres d’absorption et spectres de raies. Raies d’absorption d’un atome ou d’un ion.
COMPETENCES ATTENDUES : Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu.

Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission.

Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.

Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.

Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique. Connaître la composition chimique du Soleil.
COMPETENCES MISES EN JEU : Réaliser, raisonner, communiquer, savoir être (voir détails dans fiche signalétique)
Déroulement. L’étude se fait sur 3 séances.

On distribue le document ci-dessous : (le spectre est imprimé en couleur)


Dans un laboratoire d’astrophysique …

Mademoiselle Fortiche, assistante du Professeur Génius : Cette fois, j’en suis certaine ! Il y a bien de l’hydrogène et de l’hélium dans l’atmosphère du Soleil. Tenez, regardez Professeur Génius ce que j’ai réussi à obtenir :

Le professeur Génius : Effectivement, effectivement … C’est intéressant …


Quelles interrogations, questions, vous suggèrent ce document?

La question retenue :



Quelles expérimentations peut-on mener ?


La situation de départ choisie doit permettre de faire émerger diverses questions élèves qu’ils doivent noter sur la feuille distribuée (la réflexion est individuelle).
Réponses d’élèves :

Comment l’assistante du Pr. Génius arrive-t-elle à dire qu’il y a de l’hydrogène et de l’hélium à partir du document ?

Comment peut-on obtenir un tel document ? (on introduit à l’oral le mot spectre)

L’hélium et l’hydrogène produisent peut-être ces couleurs ?

L’hélium et l’hydrogène correspondent peut-être aux traits noirs ?
Après mise en commun, on note la question retenue:

Pourquoi les scientifiques peuvent-ils affirmer qu’il y a de l’hydrogène et de l’hélium dans l’atmosphère solaire à partir de ce document ?
Les élèves réfléchissent ensuite à l’investigation à mener pour répondre à la question précédente : il faut savoir comment ce document a été obtenu.

Donc dans un premier temps, il faut reproduire un spectre similaire (fond coloré d’une part, raies noires d’autre part) puis comprendre pourquoi à partir de ce spectre on peut affirmer qu’il y a de l’hydrogène et de l’hélium.

Le travail se déroule donc en 3 parties correspondant à 3 séances :

  • Séance 1 : Activité expérimentale : Comment obtenir des spectres lumineux ?

  • Séance 2 : Activité expérimentale : Comment expliquer la présence de raies noires sur le spectre de l’assistante du Professeur ?

  • Séance 3 : Activité documentaire, de recherche et d’analyse : Comment peut-on affirmer qu’il y a de l’hydrogène et de l’hélium à partir du spectre obtenu par la scientifique ?

Séance 1 : Comment obtenir des spectres lumineux ?

CONTENUS ET NOTIONS : Les spectres d’émission : spectres continus d’origine thermique.

Raies d’émission d’un atome ou d’un ion.

Caractérisation d’une radiation par sa longueur d’onde.

Dispersion de la lumière blanche par un prisme.
COMPETENCES ATTENDUES : Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu.

Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’émission.

Savoir que la longueur d’onde caractérise dans l’air et dans le vide une radiation monochromatique.
A distribuer :
1. Comment obtenir un spectre lumineux au laboratoire ?

 Comment faut-il procéder pour obtenir un spectre lumineux au laboratoire ?

Appeler le professeur pour vérification.

Investigation élève. Tout le matériel n’est pas sur les tables.

Les élèves proposent une expérience et établissent la liste du matériel.

Aide facultative : Comment obtenir le fond coloré ? Que reconnaissez-vous ? Arc en ciel

Que faut-il pour obtenir un arc en ciel ? Gouttes d’eau et du soleil

Au laboratoire, comment peut-on un arc en ciel ? On utilise un prisme (vu au collège), que l’on place dans la lumière blanche.
Ce qui est attendu :

  • Projeter de la de lumière blanche sur un prisme.

  • Observer le spectre lumineux de cette lumière blanche sur l’écran.

Matériel : source de lumière blanche, prisme, écran.

Remarque : quelques élèves ont déjà vu la décomposition de la lumière avec un réseau ; ils utilisent le terme de « diapo » ; donner alors le réseau à la place du prisme et rétablir le vocabulaire.
Mettre en place le dispositif permettant d’obtenir le spectre lumineux.

Appeler le professeur pour faire vérifier le spectre.

A distribuer lorsque le spectre lumineux est obtenu.

1. Reproduire le spectre de la lumière blanche dans le rectangle ci-contre.
2. Quelle est l’action du prisme sur la lumière blanche ? La lumière blanche est décomposée.

3. Doit-on qualifier la lumière blanche de monochromatique ou de polychromatique ? Justifier.

La lumière blanche est une lumière polychromatique car elle est composée de plusieurs lumières colorées appelées radiations lumineuses.
 Reprendre l’expérience en remplaçant le prisme par un réseau (film transparent sur lequel sont tracés de nombreux traits équidistants et parallèles ; celui utilisé dans l’expérience comporte 530 traits par mm).

4. Quelle est l’action du réseau sur la lumière blanche ? Le réseau décompose également la lumière blanche.

Réaliser le montage et appeler le professeur.
Pour observer plus facilement les spectres lumineux, on peut utiliser un spectroscope, constitué d’une boite parallélépipédique comportant d’un coté une fine fente par laquelle la lumière pénètre et de l‘autre un réseau qui décompose la lumière et près duquel on place l’œil.

 Observer le spectre de la lumière solaire (pas directement le Soleil) avec un spectroscope.
La lumière du Soleil est constituée de plusieurs lumières colorées ; à chaque lumière colorée correspond une onde électromagnétique caractérisée par une longueur d’onde dans le vide noté λ ; les valeurs de ces longueurs d’onde sont indiquées, en nm, sur une graduation à l’intérieur du spectroscope.

5. A quelles longueurs d’ondes les radiations lumineuses violettes correspondent-elles ?

Elles sont comprises entre 400-420 nm.

A distribuer
2. Tous les spectres lumineux ressemblent-ils au spectre de la lumière blanche ?

On étudie les spectres de raies d’émission du sodium et du mercure.

Le spectromètre utilisé précédemment donne plusieurs spectres, symétriques par rapport à la fente centrale. À partir de maintenant, on ne prendra en considération que celui de droite.
 Observer le spectre de la lumière émise par la lampe à vapeur de sodium.

1.1. Décrire ce spectre en précisant la valeur de la longueur d’onde  de la radiation lumineuse correspondante (en nm) de chaque raie.

Il est constitué d’une seule raie jaune de longueur d’onde  = 589 nm

1.2. Dessiner ce spectre avec précision dans le cadre ci-dessous.

Spectre d'une lampe à vapeur de sodium



Remarque : le doublet à 588,9nm et 589,5 nm n’est pas visible.
 Observer le spectre de la lumière émise par la lampe à vapeur de mercure.

2.1. Décrire ce spectre avec précision.

2.2. Le dessiner soigneusement dans le cadre ci-dessous.

Spectre d'une lampe à vapeur de mercure



Remarque : il existe d’autres raies : violet : 404,7 nm ; bleu : 435,8 nm ; vert : 491,6 - 496 - 546,1 nm ; jaune : 577 - 579,1 nm; orange : 623,4 nm ; rouge : 690,7 nm
3. Tous les spectres lumineux ressemblent-ils au spectre de la lumière blanche ?

Non, les spectres du sodium et du mercure sont des spectres d’émission qui ne comporte pas toutes les couleurs. On dit que c’est un spectre de raies d’émission.
"

Ce qu’il faut retenir :
 La lumière blanche est une lumière polychromatique car elle peut être décomposée par un prisme ou un réseau en plusieurs lumières colorées : cet ensemble de lumières colorées est appelé spectre d’émission continu de la lumière blanche.
 Chaque lumière colorée qui constitue la lumière blanche est une radiation lumineuse monochromatique, caractérisée par une grandeur appelée longueur d'onde. La longueur d’onde est notée  ( : « lambda ») ; elle s'exprime en mètres.
 Certaines lampes contiennent un gaz à basse pression. Lorsque ce gaz est soumis à une décharge électrique ou porté à haute température, il émet une lumière constituée d’un nombre restreint de radiations monochromatiques. Le spectre est dit discontinu : il contient des raies colorées sur fond noir : c’est un spectre de raies d’émission.
 Un spectre de raies d’émission est caractéristique d’une entité chimique : c’est « une signature lumineuse » ; pour une entité chimique donnée, les radiations lumineuses présentes dans le spectre correspondent toujours à la même longueur d’onde.

Fin de la séance n°1
Séance 2 : Comment expliquer la présence de raies noires sur le spectre de l’assistante du Professeur ?

CONTENUS ET NOTIONS : Les spectres d’absorption et spectres de raies.

Raies d’absorption d’un atome ou d’un ion.

COMPETENCES ATTENDUES : Utiliser un système dispersif pour visualiser des spectres d’absorption et comparer ces spectres à celui de la lumière blanche.
A distribuer

1. Comment obtenir des zones noires sur un spectres lumineux ?

 Comment faut-il procéder pour obtenir des zones noires sur un spectre lumineux ?

Appeler le professeur pour vérification.

Ils disposent sur la paillasse du matériel nécessaire à l’obtention du spectre d’émission de la lumière blanche (un réseau et non un prisme). Par contre, ils doivent demander le matériel qui leur manque (filtres, solutions colorées, …). Au bureau (ils ne les voient pas), on dispose des filtres de couleur primaires et secondaires et d’une solution colorée de permanganate de potassium (le plus souvent non utilisée).

Aide facultative : Comment obtenir ce type de spectre?

- Y a-t-il de la lumière au niveau des raies noires ? Non.

- Pourquoi ? elle a été absorbée.

- Quel est le « dispositif » qui permettrait d’absorber la lumière ? un filtre, une solution colorée.

Remarque : certains proposent d’intercaler des objets pour faire des ombres.
Ce qui est attendu :

1. En premier, il faut obtenir le spectre de la lumière blanche sur l’écran avec le réseau.

  • Projeter de la de lumière blanche sur un prisme.

  • Observer le spectre lumineux de cette lumière blanche sur l’écran.

2. On place ensuite le filtre après le réseau.

Matériel : source de lumière blanche, réseau, écran, filtre coloré (ou solution colorée : jamais demandée …)

Remarque : donner des filtres de couleurs primaires et secondaires.
Mettre en place le dispositif permettant d’obtenir le spectre lumineux avec des zones noires.

Appeler le professeur pour faire vérifier le spectre.
Bilan à l’oral : A-t-on obtenu exactement le spectre souhaité ? Non, on n’obtient des bandes sombres et non des raies sombres.

Pour obtenir des raies noires et non des bandes noires sur le spectre, il faut que certaines radiations lumineuses constituant la lumière blanche soient absorbées : seuls des entités chimiques (atomes, ions) en sont capables.

A distribuer
2. Comment obtenir des raies noires et non des bandes noires sur le spectre ?
Expérience : On vaporise, dans une flamme, une solution d’eau salée située entre une source de lumière blanche et un système dispersif (réseau). Lorsque l’eau salée tombe sur la flamme, il se forme des vapeurs de sodium.

Réseau



    1. Qu’observe-t-on sur l’écran avant de vaporiser l’eau salée dans la flamme ?

On observe le spectre de la lumière blanche.

1.2. Qu’observe-t-on sur l’écran quand on vaporise l’eau salée dans la flamme ?

On observe le spectre de la lumière blanche avec une raie noire dans la partie jaune du spectre.

1.3. Comment expliquer la présence d’une raie noire lorsque l’on vaporise de l’eau salée ?

L’élément sodium absorbe une radiation jaune présente dans la lumière blanche : toutes les radiations de la lumière blanche sont transmises, d’où le spectre coloré, sauf celle qui a été absorbée.

1.4. Sachant que la radiation lumineuse absorbée a une longueur d’onde égale à 589 nm, représenter le spectre d’absorption du sodium dans le cadre ci-dessous.



2. Sachant que les longueurs d’onde des radiations lumineuses absorbées par le mercure sont de 405 nm, 436 nm, 546 nm et 579 nm, représenter le spectre d’absorption du mercure dans le cadre ci-dessous.


3.1. Les éléments absorbent-ils tous les mêmes radiations lumineuses ? Non.

3.2. Sachant qu’il existe autour du Soleil une atmosphère gazeuse constituée par de nombreux éléments chimiques, comment expliquer la présence de raies noires sur le spectre coloré de la scientifique ?

Le Soleil émet de la lumière : s’il n’y avait pas d’atmosphère gazeuse, lorsqu’on décomposerait cette lumière on observerait un spectre continu coloré ; or, chaque élément présent dans l’atmosphère gazeuse absorbe certaines radiations lumineuses ce qui se manifestent par la présence de plusieurs raies noires sur le spectre lumineux du Soleil.
Réponse à la question de la partie 2 : Les traits noirs présents sur le spectre obtenu par la scientifique correspondent à des radiations lumineuses absorbées. Un élément absorbe un ensemble de radiations lumineuses précises.

Ce sont les éléments présents dans l’atmosphère solaire qui sont responsables des traits noirs : ils ont absorbés des radiations lumineuses précises.

Ce qu’il faut retenir

Si on éclaire un filtre ou une solution colorée par une lumière blanche, la lumière transmise donne un spectre constitué de bandes sombres se détachant sur le fond coloré du spectre continu de la lumière blanche : c’est un spectre d’absorption de bandes.

Si on éclaire un gaz d’entités chimiques par une lumière blanche, la lumière transmise donne un spectre constitué de raies noires se détachant sur le fond coloré du spectre continu de la lumière blanche : c’est un spectre d’absorption de raies.

Les raies noires correspondent aux radiations absorbées par les entités chimiques (atomes, ions).
Fin de la séance n°2



Questionnement à faire avant d’aborder la partie 3 A préparer pour la séance suivante :

En s’aidant des parties 1 et 2 du TP, répondre aux questions suivantes.
1.1. Combien de radiations lumineuses l’élément sodium est-il capable d’absorber ?

L’élément sodium absorbe une seule radiation lumineuse colorée jaune.
1.2. Quelle(s) radiation(s) lumineuse(s) l’élément sodium est-il capable d’émettre ?

Il est capable d’émettre une radiation lumineuse jaune. Ce résultat est généralisable aux autres éléments.
2. Reprendre les questions précédentes pour le mercure.

Le mercure émet les radiations de longueurs d’onde 405 nm, 436 nm, 546 nm et 579 nm.

Il est capable d’absorber les radiations de longueurs d’onde 405 nm, 436 nm, 546 nm et 579 nm.
3. D’une manière générale, quelle(s) radiation(s) un élément est-il capable d’absorber ?

Un élément est capable d’absorber les radiations qu’il est capable d’émettre.
4.1. De quelles données les scientifiques doivent-ils disposer pour affirmer qu’il y a de l’hélium et de l’hydrogène autour du Soleil ?

Il faut connaître les longueurs d’onde des radiations que peuvent émettre l’hélium et l’hydrogène.
4.2. Comment procèdent-ils ? Ils déterminent les longueurs d’onde des radiations manquantes et les comparent avec celles que peuvent émettre He et H.
Séance 3 : Comment peut-on affirmer qu’il y a de l’hydrogène et de l’hélium à partir du spectre obtenu par la scientifique ?

COMPETENCES ATTENDUES : Repérer, par sa longueur d’onde dans un spectre d’émission ou d’absorption une radiation caractéristique d’une entité chimique.

Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et entités chimiques présentes dans l’atmosphère de l’étoile. Connaître la composition chimique du Soleil.
Dans cette séance, les élèves retrouvent les longueurs d’onde manquantes et en déduisent les éléments présents, donc H et He. On a enfin répondu à la question posée.
A distribuer


1
La lumière émise par le Soleil provient de sa photosphère, couche de gaz chaud situé à la périphérie : si cette lumière pouvait être décomposée, on devrait observer un spectre continu d’émission (Spectre 1). Ce n’est pas ce qui est réellement observé : en effet, il existe autour du Soleil, une atmosphère gazeuse constituée de divers éléments chimiques qui absorbent certaines radiations : le spectre observé, avec des appareils performants, est un spectre de raies d’absorption (Spectre 2).
1. D’après le spectre lumineux obtenu par l’assistante du professeur Génius et les données ci-dessous, comment faut-il procéder pour savoir quels sont les éléments présents autour du Soleil ?
Les éléments présents dans l’atmosphère solaire ont forcément absorbés certaines radiations lumineuses, matérialisées par des traits noirs. Comme ils ne peuvent absorber que les éléments qu’ils sont capables d’émettre, il faut déterminer la longueur d’onde correspondant à chaque radiation absorbée, et en utilisant le tableau de données, retrouver l’élément qui en est responsable.

Tableau indiquant les longueurs d’onde des radiations émises par divers éléments.


Elément

λ1

λ2

λ3

λ4

λ5

λ6

λ7

H hydrogène

2 434,0

5 486,1

532,8

10 656,3










Mg magnésium

470,3

516,7

518,4













Ca calcium

394,4

396,8

422,7

458,2

526,2

8 527,0




Fe fer

438,3

489,1

6 491,9

495,7

537,1

539,7




Ti titane

466,8

469,1

498,2













Mn manganèse

403,6



















Li lithium

497,0



















N azote

409,9

410,9

424,0

444,0

4 465,0







Hg mercure

404,6

435,8

546,1













He hélium

1 414,4

3 438,7

447,1

471,3

492,5

7 501,6

504,8

Na Sodium

569

9 589

615















2.1. Sachant que la graduation 400 nm coïncide avec le bord gauche du spectre obtenu par l’assistante du Professeur Génius, déterminer la longueur d’onde de la radiation absorbée matérialisée par la raie noire 1 la plus à gauche sur le spectre. Justifier.numérisation0001

Echelle : 3,4 cm sur le spectre correspond à 100 nm. (Spectre en taille réduite élève format A5)

On mesure 0,5 cm entre le bord gauche et la première raie noire.

3,4 cm 100 nm

0,5 cm x d’où x = (0,5 × 100) / 3,4 = 15 nm

La longueur d’onde de la radiation absorbée est donc 400 + 15 = 415 nm.
2.2. En déduire l’élément responsable de l’absorption de cette radiation, sachant qu’il est forcément présent dans le tableau de données. Justifier.

L’élément hélium est capable d’émettre une radiation de 414,7 nm, càd une radiation de 415 nm aux incertitudes de mesure près. Il est donc capable d’absorber cette même radiation : l’élément hélium est donc présent dans l’atmosphère solaire.

3. Reprendre les questions 2 pour les autres raies noires.

Raie n°

2

3

4

5

6

7

8

9

10

x (cm)

1,1

1,3

2,1

2,9

3,1

3,4

4,4

6,4

8,6

exp (nm)

432

438

462

485

491

500

529

588

653

théo (nm)

434

438,3

465,0

486,1

491,9

501,6

532,8

589

656,3

Elément

H

Fe

N

H

Fe

He

Ca

Na

H


4. L’assistante du professeur Génius avait-elle raison ?

On constate que les éléments H et He sont effectivement présent autour du Soleil ; la scientifique avait raison.
Remarque : toutes les radiations absorbées ne donnent pas forcément des raies noires visibles : certaines absorptions s’effectuent dans des conditions de température et de pression particulières ; certaines raies noires ne sont pas visibles.


Ce qu’il faut retenir

Sur Terre, on peut observer le spectre lumineux de chaque élément chimique en décomposant par un prisme ou un réseau la lumière émise par une lampe contenant le gaz de cet élément : à partir du spectre de raies d’émission obtenu, on peut déterminer les longueurs d’onde des radiations lumineuses que peuvent émettre chaque élément chimique.
Sur Terre, on peut également décomposer la lumière émise par différentes étoiles : on observe des spectres de raies d’absorption :

  • Le fond coloré est continu : il provient de la décomposition de la lumière émise par la surface de l’étoile, appelée photosphère.

  • Les raies noires correspondent à des radiations lumineuses absorbées par les éléments chimiques présents dans l’atmosphère de l’étoile. On peut déterminer la longueur d’onde de chaque radiation lumineuse absorbée. Comme une entité chimique ne peut absorber que les radiations qu’elle est capable d’émettre, les raies noires de ce spectre d’absorption permettent de déterminer les entités chimiques présentes dans l’atmosphère d’une étoile.


Le Soleil est une étoile essentiellement constituée d’hydrogène (79 %) et d’hélium (20%).



Physique – Chimie – 2nde Thème : L’Univers

TP 4 – De l’hydrogène et de l’hélium autour du Soleil ! ?


Séance n°1
Bureau :

  • Vidéoprojecteur + portable

  • Réserve de lentilles de +8 dioptries

  • Réserve d’aimants

  • Lampe à vapeur de sodium : à mettre sur une table

  • Lampe à vapeur de mercure : à mettre sur une table

  • Réseaux 530 tr/mm (12)

  • Prismes en verre isocèle (12)

  • Lampe de bureau

  • Spectroscope de poche (rectangulaire) (12)

  • Lentille (+20dioptries) + pince à linge (pour la maintenir) (facultatif)



Pour 12 ateliers :

  • Lampe de bureau

  • Lanterne MAO + aimants

  • Alimentation pour lanterne

  • Support bois

  • Écran blanc




Physique – Chimie – 2nde Thème : L’Univers

TP – De l’hydrogène et de l’hélium autour du Soleil ! ?


Séance n°2

Bureau :

  • Vidéoprojecteur + portable

  • Montage spectre de raie d’absorption du sodium :

  • Projecteur diapo sur support

  • Condensateur

  • Diaphragme rond découpé dans grand carton noir

  • Coton dans coupelle sur support

  • Vaporisateur d’eau salée

  • Allumettes

  • Alcool

  • Diaphragme rond découpé dans grand carton noir

  • Fente

  • Lentille sur support

  • Réseau

  • Ecran

  • Jeu de filtres primaires et secondaires

  • Solution de permanganate de potassium à 2.10-4 mol/L

  • 1 bécher 50 mL

  • 1 pipette simple

  • 1 cuve de spectrophotomètre

  • Lentille (+ 20) + pince à linge support (12) : facultatif



Pour 12 postes :

  • Lampe de bureau

  • Lanterne MAO + aimants

  • Alimentation pour lanterne

  • 2 supports bois

  • Écran blanc + support

  • Réseau

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