5.E : Rayonnement et spectres (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Augensen, H. et Woodbury, J. « Le spectre électromagnétique ». Astronomie (juin 1982) : 6.

Darling, D. « Visions spectrales : les longues longueurs d'onde ». Astronomie (août 1984) : 16 ; « Les courtes longueurs d'onde ». Astronomie (septembre 1984) : 14.

Gingerich, O. « Dévoiler les secrets chimiques du cosmos ». Sky & Telescope (juillet 1981) : 13.

Stencil, R. et coll. « Spectroscopie astronomique ». Astronomie (juin 1978) : 6.

Sites Web

Effet Doppler : http://www.physicsclassroom.com/clas...Doppler-Effect. Explication d'un bug qui secoue et de l'effet Doppler.

Spectre électromagnétique : http://imagine.gsfc.nasa.gov/science...spectrum1.html. Une introduction au spectre électromagnétique tirée de Imagine the Universe de la NASA ; notez que vous pouvez cliquer sur le bouton « Avancé » en haut pour obtenir une discussion plus détaillée.

Arcs-en-ciel : comment ils se forment et comment les voir : http://www.livescience.com/30235-rai...explainer.html. Par le météorologue et astronome amateur Joe Rao.

Vidéos

Effet Doppler : www.esa.int/SpaceInVideos/Vid... ION_Video_VP05. Vidéo de l'ESA avec démonstration de la balle Doppler et effet Doppler et satellites (4:48).

Comment fonctionne un prisme pour créer des couleurs arc-en-ciel : https://www.youtube.com/watch?v=JGqsi_LDUn0. Courte vidéo sur la façon dont un prisme déforme la lumière pour créer un arc-en-ciel de couleurs (2:44).

Visite guidée du spectre électromagnétique : https://www.youtube.com/watch?v=HPcAWNlVl-8. Visite vidéo des bandes du spectre électromagnétique de la NASA Mission Science (huit courtes vidéos).

Initiations à la mécanique quantique

Ford, Kenneth. Le monde quantique. 2004. Une introduction récente bien écrite par un physicien/éducateur.

Gribbin, John. À la recherche du chat de Schroedinger. 1984. Introduction claire et très basique aux idées fondamentales de la mécanique quantique, par un physicien et écrivain scientifique britannique.

Rae, Alastair. Physique quantique : un guide pour débutants. 2005. Introduction largement saluée par un physicien britannique.

Activités de groupe collaboratives

1. Demandez à votre groupe de dresser une liste de toutes les technologies d'ondes électromagnétiques que vous utilisez au cours d'une journée normale.
2. À combien d'applications de l'effet Doppler votre groupe peut-il imaginer dans la vie de tous les jours ? Par exemple, pourquoi la patrouille routière trouverait-elle cela utile ?
3. Demandez aux membres de votre groupe de rentrer chez eux et de « lire » le recto de votre poste de radio, puis de comparer leurs notes. Si vous n'avez pas de radio, recherchez les « fréquences radio de diffusion » pour trouver les réponses aux questions suivantes. Que signifient tous les mots et tous les symboles ? Sur quelles fréquences votre radio peut-elle être syntonisée ? Quelle est la fréquence de votre station de radio préférée ? Quelle est sa longueur d'onde ?
4. Si votre professeur vous fournissait un spectromètre, quels types de spectres votre groupe pense-t-il que vous verriez de chacun des objets suivants : (1) une ampoule domestique, (2) le soleil, (3) les « néons de Broadway », (4) une lampe de poche domestique ordinaire et (5) un lampadaire dans une rue commerçante animée ?
5. Supposons que les astronomes souhaitent envoyer un message à une civilisation extraterrestre vivant sur une planète dont l'atmosphère est très similaire à celle de la Terre : ce message doit traverser l'espace, traverser l'atmosphère de l'autre planète et être perceptible par les habitants de cette planète. Demandez à votre groupe de discuter de la bande du spectre électromagnétique qui convient le mieux à ce message et pourquoi. (Certaines personnes, dont le célèbre physicien Stephen Hawking, ont averti les scientifiques de ne pas envoyer de tels messages et de révéler la présence de notre civilisation à un éventuel cosmos hostile. Êtes-vous d'accord avec cette préoccupation ?)

Questions de révision

1. Qu'est-ce qui distingue un type de rayonnement électromagnétique d'un autre ? Quelles sont les principales catégories (ou bandes) du spectre électromagnétique ?
2. Qu'est-ce qu'une vague ? Utilisez les termes longueur d'onde et fréquence dans votre définition.
3. Votre manuel est-il le genre d'objet idéalisé (décrit dans la section sur les lois des radiations) qui absorbe tout le rayonnement qui lui tombe dessus ? Expliquez. Que diriez-vous du pull noir porté par l'un de vos camarades de classe ?
4. Où peut-on s'attendre à trouver des électrons dans un atome ? Des protons ? Des neutrons ?
5. Expliquez comment se forment les raies d'émission et d'absorption. Dans quels types d'objets cosmiques vous attendriez-vous à voir chacun d'eux ?
6. Expliquez comment fonctionne l'effet Doppler pour les ondes sonores et donnez quelques exemples familiers.
7. Quel type de mouvement pour une étoile ne produit pas d'effet Doppler ? Expliquez.
8. Décrivez comment le modèle de Bohr a utilisé le travail de Maxwell.
9. Expliquez pourquoi la lumière est appelée rayonnement électromagnétique.
10. Expliquez la différence entre le rayonnement tel qu'il est utilisé dans la plupart des langages courants et le rayonnement tel qu'il est utilisé dans un contexte astronomique.
11. Quelles sont les différences entre les ondes lumineuses et les ondes sonores ?
12. Quel type d'onde a une longueur d'onde plus longue : ondes radio AM (avec des fréquences de l'ordre du kilohertz) ou ondes radio FM (avec des fréquences de l'ordre du mégahertz) ? Expliquez.
13. Expliquez pourquoi les astronomes croyaient depuis longtemps que l'espace devait être rempli d'une sorte de substance (l' « éther ») au lieu du vide que nous connaissons aujourd'hui.
14. Expliquez ce qu'est l'ionosphère et comment elle interagit avec certaines ondes radio.
15. Qu'est-ce qui est le plus dangereux pour les êtres vivants, les rayons gamma ou les rayons X ? Expliquez.
16. Expliquez pourquoi nous devons observer des étoiles et d'autres objets astronomiques au-dessus de l'atmosphère de la Terre afin de connaître pleinement leurs propriétés.
17. Expliquez pourquoi les objets plus chauds ont tendance à émettre plus de photons énergétiques que les objets plus froids.
18. Expliquez comment on peut déduire la température d'une étoile en déterminant sa couleur.
19. Expliquez ce qu'est la dispersion et comment les astronomes utilisent ce phénomène pour étudier la lumière d'une étoile.
20. Expliquez pourquoi les prismes de verre dispersent la lumière.
21. Expliquez ce que Joseph Fraunhofer a découvert sur les spectres stellaires.
22. Expliquez comment nous utilisons les raies spectrales d'absorption et d'émission pour déterminer la composition d'un gaz.
23. Expliquez les résultats de l'expérience sur la feuille d'or de Rutherford et comment ils ont modifié notre modèle de l'atome.
24. Est-il possible que deux atomes de carbone différents aient un nombre différent de neutrons dans leur noyau ? Expliquez.
25. Quels sont les trois isotopes de l'hydrogène et en quoi diffèrent-ils ?
26. Expliquez comment les électrons utilisent l'énergie lumineuse pour se déplacer entre les niveaux d'énergie d'un atome.
27. Expliquez pourquoi les astronomes utilisent le terme « décalé vers le bleu » pour désigner les objets qui se déplacent vers nous et « décalé vers le rouge » pour désigner les objets qui s'éloignent de nous.
28. Si les longueurs d'onde des raies spectrales changent pour les objets en fonction de la vitesse radiale de ces objets, comment pouvons-nous déduire quel type d'atome est responsable d'une raie d'absorption ou d'émission particulière ?

Questions de réflexion

1. Dressez une liste des nombreuses conséquences pratiques de la théorie des ondes électromagnétiques de Maxwell (la télévision en est un exemple).
2. Avec quel type de rayonnement électromagnétique observez-vous :
   1. Une étoile avec une température de 5800 K ?
   2. Un gaz chauffé à une température d'un million de K ?
   3. Une personne dans une nuit noire ?
3. Pourquoi est-il dangereux d'être exposé aux rayons X alors que l'exposition aux ondes radio n'est pas (ou du moins beaucoup moins) dangereuse ?
4. Sortez par une nuit claire, attendez 15 minutes que vos yeux s'adaptent à l'obscurité et observez attentivement les étoiles les plus brillantes. Certains devraient être légèrement rouges et d'autres légèrement bleus. Le principal facteur qui détermine la couleur d'une étoile est sa température. Qu'est-ce qui est le plus chaud : une étoile bleue ou une étoile rouge ? Expliquez
5. Les robinets d'eau sont souvent étiquetés avec un point rouge pour l'eau chaude et un point bleu pour l'eau froide. Compte tenu de la loi de Vienne, cet étiquetage a-t-il du sens ?
6. Supposons que vous vous trouviez exactement au centre d'un parc entouré d'une route circulaire. Une ambulance fait le tour complet de cette route, avec une sirène retentissante. Comment change la tonalité de la sirène lorsqu'elle tourne autour de vous ?
7. Comment mesurer la vitesse orbitale de la Terre en photographiant le spectre d'une étoile à différents moments de l'année ? (Conseil : supposons que l'étoile se trouve dans le plan de l'orbite de la Terre.)
8. Les astronomes veulent créer des cartes du ciel montrant les sources de rayons X ou de rayons gamma. Expliquez pourquoi ces rayons X et gamma doivent être observés au-dessus de l'atmosphère terrestre.
9. L'effet de serre s'explique facilement si vous comprenez les lois du rayonnement du corps noir. Un gaz à effet de serre bloque la transmission de la lumière infrarouge. Étant donné que la lumière entrante vers la Terre est la lumière solaire dont la température caractéristique est de 5 800 K (pic dans la partie visible du spectre) et que la lumière sortante de la Terre a une température caractéristique d'environ 300 K (pic dans la partie infrarouge du spectre), expliquez comment les gaz à effet de serre provoquent De la terre pour se réchauffer. Dans le cadre de votre réponse, expliquez que les gaz à effet de serre bloquent la lumière infrarouge entrante et sortante. Expliquez pourquoi ces deux effets ne s'annulent pas simplement et n'entraînent aucun changement de température nette.
10. Un objet rayonnant idéalisé ne réfléchit ni ne diffuse aucun rayonnement, mais absorbe toute l'énergie électromagnétique qui lui tombe dessus. Pouvez-vous expliquer pourquoi les astronomes appellent un tel objet un corps noir ? Gardez à l'esprit que même les étoiles, qui brillent de mille feux dans une variété de couleurs, sont considérées comme des corps noirs. Expliquez pourquoi.
11. Pourquoi les gaz ionisés ne sont-ils généralement présents que dans des environnements à très haute température ?
12. Expliquez pourquoi chaque élément possède un spectre unique de raies d'absorption ou d'émission.

Se débrouiller par vous-même

1. Quelle est la longueur d'onde de l'onde porteuse d'une station de radio de campus, diffusant à une fréquence de 97,2 MHz (millions de cycles par seconde ou million de hertz) ?
2. Quelle est la fréquence d'un faisceau laser rouge, d'une longueur d'onde de 670 nm, que votre professeur d'astronomie pourrait utiliser pour pointer vers des diapositives lors d'une conférence sur les galaxies ?
3. Vous allez dans un club de danse pour oublier à quel point votre astronomie à mi-parcours a été difficile. Quelle est la fréquence d'une onde de lumière ultraviolette provenant d'une lumière noire dans le club, si sa longueur d'onde est de 150 nm ?
4. Quelle est l'énergie du photon avec la fréquence que vous avez calculée lors de l'exercice précédent ?
5. Si le rayonnement infrarouge émis par Pluton a une longueur d'onde d'intensité maximale à 75 000 nm, quelle est la température de Pluton en supposant qu'elle respecte la loi de Vienne ?
6. Quelle est la température d'une étoile dont la lumière maximale est émise à une longueur d'onde de 290 nm ?