Transcription de la vidéo
Un astronome regarde le spectre de la lumière d’une étoile lointaine. Le spectre qu’il voit est représenté sur la figure. Il compare les raies d’émission dans le spectre aux raies d’émission dans les spectres d’éléments purs, qui sont également représentés sur la figure, afin d’identifier les éléments présents dans les couches extérieures de l’étoile. Indiquez tous les éléments présents dans les couches extérieures de l’étoile.
La figure dont on parle dans l’énoncé est celle-ci avec le spectre d’émission observé par l’astronome ainsi que cinq spectres de référence pour l’hydrogène, l’hélium, le bore, le carbone et l’oxygène.
Chaque fois que nous nous intéressons aux spectres d’émission ou d’absorption, nous devons toujours garder à l’esprit que les spectres atomiques et moléculaires sont uniques. Lorsque nous disons unique, nous voulons dire que tous les atomes d’hydrogène ont le même spectre, et ce spectre est différent de tous les atomes d’hélium et de tous les atomes de bore, et cetera. La raison pour laquelle cela est vrai, c’est parce que ces spectres proviennent d’électrons en transition entre les niveaux d’énergie dans l’atome ou la molécule. Et chaque atome et chaque molécule a son propre ensemble unique de niveaux d’énergie des électrons.
Nous pouvons utiliser ce fait pour identifier des atomes et des molécules en comparant un spectre inconnu à des spectres de référence, comme nous le faisons dans cette question. Lorsque nous avons un seul atome ou une seule molécule dans notre échantillon, cela suffit. Mais lorsque nous avons un mélange de plusieurs atomes ou molécules, nous devons rappeler que les spectres s’ajoutent. Donc, si nous avons un mélange d’hydrogène et d’oxygène, le spectre du mélange sera une combinaison du spectre pour l’hydrogène et du spectre pour l’oxygène.
Il est important de comprendre que ce ne serait pas le cas si l’hydrogène et l’oxygène réagissent pour former de l’eau. L’eau aura un spectre différent de celui de l’hydrogène ou de l’oxygène, car étant une molécule, elle possède son propre ensemble unique de niveaux d’énergie des électrons.
Quoi qu’il en soit, nous devons maintenant comparer chacun de ces spectres de référence au spectre observé pour voir si les raies correspondent ou non. En regardant le spectre de référence de l’oxygène, nous voyons qu’il existe plusieurs raies qui s’étendent de la partie jaune à la partie rouge du spectre. Et ces raies sont complètement absentes du spectre que nous avons observé. Si l’oxygène se trouvait dans les couches extérieures de l’étoile, nous verrions ces raies rouges et jaunes dans le spectre observé. Comme ce n’est pas le cas, nous pouvons conclure que l’oxygène ne se trouve pas dans les couches extérieures de l’étoile.
En regardant le spectre de référence du carbone, la première chose que nous remarquons est cette très large raie brillante dans la partie jaune du spectre autour de 600 nanomètres. Cette caractéristique est très distincte et apparaît effectivement dans le spectre observé. Nous commençons avec des caractéristiques distinctes parce qu’il peut souvent être très difficile de faire la distinction entre deux raies très proches ou très faibles. Ainsi, lorsque nous avons une importante caractéristique comme cette raie jaune, il est bon de commencer par l’examiner car cela sera vraiment évidente si elle est présente ou absente.
Puisque cette raie jaune apparaît à la fois dans le spectre du carbone et dans le spectre observé, examinons les autres raies du spectre du carbone. Toutes les autres raies du spectre du carbone ont des correspondances exactes avec le spectre observé, à l’exception de cette raie verte. Dans le spectre observé, il y a une large raie verte brillante à cette position. Cela peut être simplement le résultat de l’ajout de deux raies très proches, mais cela pourrait être une autre caractéristique. Nous ne pouvons donc pas encore déterminer si le carbone se trouve ou non dans les couches extérieures de l’étoile.
En ce qui concerne le bore, nous pouvons immédiatement conclure que le bore ne se trouve pas dans les couches extérieures de l’étoile, car cette raie orange et cette raie violette n’ont pas d’équivalent dans le spectre observé. Bien que les trois autres raies semblent apparaître dans le spectre observé - et en fait, il peut être difficile de déterminer si oui ou non - les deux raies que nous avons marquées n’apparaissent certainement pas dans le spectre observé. Nous sommes donc certains que le bore ne contribue pas à ce que nous voyons.
Le spectre de l’hélium a quelques caractéristiques notables que nous pouvons vérifier immédiatement : deux raies dans la région violette et un groupe de trois raies dans la région bleue. Si nous ignorons cette raie bleue et cette raie violette du spectre observé, nous voyons que nous avons exactement ces deux raies violettes et le groupe de trois raies bleues que nous voyons dans l’hélium. Donc, si ces deux raies proviennent d’un autre spectre, ce qui est tout à fait probable, nous avons de très bonnes preuves que l’hélium est dans le spectre observé.
En jetant un coup d’œil aux raies restantes, nous voyons que la raie bleue, la raie turquoise, la raie orange et les deux raies rouges ont toutes les deux des correspondances exactes dans le spectre observé. Cependant, lorsque nous arrivons à la paire de raies vertes, nous rencontrons exactement la même large raie verte qui nous a posé des problèmes pour le carbone. En fait, cela résout notre problème. La combinaison de la raie du carbone et de la raie de l’hélium nous donnerait une large raie verte dans le spectre observé si leurs longueurs d’onde étaient si légèrement différentes. Donc, la combinaison de la double raie de l’hélium et de la simple raie du carbone nous donnerait cette caractéristique dans un spectre observé.
Par conséquent, nous concluons que toutes les raies du carbone et toutes les raies de l’hélium correspondent toutes deux au spectre observé. Le spectre observé contient donc du carbone et de l’hélium.
Les raies restantes du spectre observé que nous n’avons pas encore représentées sont cette raie violette, cette raie bleue, cette raie turquoise et cette raie rouge, qui sont exactement les raies du spectre d’hydrogène. L’hydrogène est donc également l’un des éléments qui contribuent au spectre observé. En fait, entre l’hydrogène, l’hélium et le carbone, nous avons représenté toutes les raies du spectre observé.
Nous concluons donc que parmi les cinq éléments avec lesquels nous avons commencé, l’hydrogène, l’hélium et le carbone sont les trois présents dans la couche externe de l’étoile.
