Atelier A12 :

Étude de la composition chimique du Soleil à partir de son spectre.

Présentation

L'activité proposée montre que l'analyse de la lumière provenant du Soleil permet de détecter certains éléments chimiques présents dans celui-ci. Elle est à rapprocher de la démarche historique.

Objectifs :

- Déterminer les longueurs d'onde de certaines raies d'absorption présentes dans le spectre solaire ;

- Retrouver les éléments chimiques responsables de ces absorptions et donc présents dans le Soleil.

Principe et lien avec l'éclipse de 1999 :

On utilise une photographie du spectre solaire allant du violet au rouge encadré d'un spectre de référence, en émission, qui est celui de l'Argon.

Le spectre de l'Argon, fourni par ailleurs, permet, par identification des raies, d'étalonner le spectre solaire. On mesure ensuite les positions d'un certain nombre de raies d'absorption du spectre solaire dont on détermine les longueurs d'onde.

On dispose d'un tableau donnant les longueurs d'onde des raies caractéristiques d'un ensemble d'éléments chimiques, à partir duquel on peut identifier les raies du spectre solaire. On en tire aussi une information sur la température de la photosphère solaire.

Les spectres obtenus lors d'une éclipse totale révèlent la chromosphère et la couronne. Le spectre de la chromosphère (spectre éclair) comporte les mêmes raies que la photosphère, mais elles sont vues en émission au moment de l'éclipse. Le spectre de la couronne présente des raies en émission et de très grande excitation qui témoignent de conditions physiques différentes de celles de la photosphère.

Produit fini :

Liste d'éléments chimiques dans différents états d'ionisation présents dans la photosphère solaire.

Résultat :

22 raies, simples ou multiples, sont identifiées, caractérisant les éléments suivants :

H, Na, Mg, Ca, Ca+, Ti, Fe, Mn, ainsi que O2 atmosphérique.

Les principales raies découvertes par Fraunhöfer en 1814 sont également identifiées.

Réinvestissement en classe

Cette manipulation s'intègre facilement dans les objectifs pédagogiques définis par les programmes du niveau lycée.

- En classe de seconde :

a- Mathématiques (également possible en troisième) :

Support : spectre de raies.

Objectif : Approche et utilisation concrète des notions suivantes : échelles et proportionnalité, la fonction affine.

Calculs numériques et programmation sur calculatrice.

b- Sciences Physiques :

Thème : optique.

Objectifs : associer une couleur à une longueur d'onde.

Principe : étalonnage d'un spectre continu en utilisant la diffraction d'un faisceau LASER par un réseau.

- En classe de première S : option Sciences Expérimentales.

a- Sciences de la vie et de la Terre :

Thème : Le Soleil, son activité et ses influences sur la Terre.

Objectifs : les caractéristiques du Soleil.

Origine et abondance des éléments chimiques dans le système solaire et l'univers.

b- Sciences Physiques :

Thème :lumière et couleur (unité U3)

Objectif :analyse et exploitation d'un spectre solaire.

Dans le cadre d'une approche interdisciplinaire de ce thème, l'étude du spectre serait assumée par un professeur de sciences physiques (observation, étalonnage, détermination des longueur d'onde du spectre solaire).

Cette étude de document doit absolument être précédée d'une observation réelle avec un matériel élémentaire (voir atelier A13)

Son exploitation pour la recherche des éléments, par rapport à une liste de référence pourrait être augmentée de quelques molécules non présentes dans le soleil (méthane, eau, dioxygène , ..), ensuite son interprétation (composition du soleil et du système solaire, débat sur la présence des raies des molécules d'eau et de dioxygène) relèverait des activités du professeur de SVT.

- En classe de terminale :

a- Sciences de la vie et de la Terre :

Thème : du big-bang à la formation du système solaire

Objectifs :montrer que le soleil contient des éléments résultant de l'évolution d'une étoile préexistante.

Ces éléments ont contribué à la formation des planètes.

b- Sciences Physiques :

Thème :nature ondulatoire de la lumière

Objectifs: étude et interprétation d'un spectre d'émission et d'absorption.

Dans un souci de cohérence des programmes, il serait utile que les élèves connaissent l'existence et la signification du spectre de raies avant d'aborder l'étude de l'évolution du système solaire en SVT.

- En club d'astronomie :

Cette manipulation mériterait de s'inscrire dans un projet à long terme.

Les étapes principales pourraient être :

• fabrication d'un spectroscope.

• photographie du spectre solaire.

• analyse et exploitation du spectre.-

• numérisation du spectre solaire par caméra CCD.

• visites d'observatoires afin de connaître les méthodes et les résultats obtenus par les professionnels.

Autres propositions

- Exploitation informatique :

On peut envisager un traitement informatique des résultats de mesures à l'aide d'un tableur :

• introduction des longueurs d'onde du spectre d'étalonnage et des positions respectives des raies dans le spectre ;

• modélisation de la relation entre la position et la longueur d'onde ;

utilisation du modèle obtenu pour déterminer les longueurs d'onde cherchée.

- Vidéo :

Fabrication d'un support vidéo montrant la réalisation d'un dispositif expérimental pour obtenir un spectre solaire de qualité ayant une large couverture spectrale (du violet au rouge) et une bonne résolution.

- TP TOP :

Cet atelier peut être conduit dans une démarche pédagogique moins directive du type ‘‘TP TOP''. On pourra se reporter à l'article publié dans le Bulletin de l'Union des Physiciens (cf bibliographie ci-après).

 

Pour en savoir plus...

le matériel :

- Atelier A13 : "réalisation d'un spectroscope élémentaire permettant d'observer en particulier le spectre solaire".

- La fiche d'activité détaillée, avec 12 planches de reproduction photographique du spectre solaire, est publiée par le CLEA dans le hors série numéro 7 des Cahiers Clairaut.

Éléments bibliographiques :

- Astrophysique, 18 fiches d'activités. CLEA. Edition Belin.

- Compte rendu de l'université d'été d'astronomie du CLEA (Grasse 1983).

- Cahiers Clairaut hors série n° 4 Astronomie en quatrième.

- BUP : n° 770 sur le TP Top.

- Astrophysique - Connaissance des astres par leur rayonnement : livret avec série de 20 diapositives, CNDP.

Sur internet, le serveur de Lyon1,

rubrique : "enseignement", puis choisir : "formation continue", puis : "mafpen".