Avec ce laboratoire de making, vous dècouvrirez des aspects de la lumière, en costruisant un véritable instrument scientifique, qui s’appelle spectroscope. C’est un outil fondamental dans l’Astronomie, parce qu’il permets d’étudier la composition chimique et l’état physique des corps célestes que nous observons. Bien sûr, le spectroscope que vous construirez n’est pas du tout pareil à ceux que les astronomes utilisent pour observer les étoiles, mais il fonctionne assez bien, et vous permettra de décomposer la lumière des sources qui vous entourent dans un arc–en-ciel de couleurs, et vous découvrerez certaines caractéristiques des sources lumineuses qui vous entourent, que vous ne verriez pas autrement. C’est un outil portable, tout à vous, que vous pourrez utiliser quand vous voulez, à la maison, ou bien dehors dans la rue, pour chercher les spectres!
Avant de commencer, essayons nous de comprendre ce qu’est un spectre.
La lumière est une forme d’énergie qui nous permet de voir ce qui nous entoure. Les corps qui «font» la lumière s’appellent «sources lumineuses», et peuvent être de deux types: naturel et artificiel.
La lumière semble blanche (ou plutôt, transparente), mais, en réalité, est composée de tous les couleurs de l’arc-en-ciel, mélangés ensemble. On s’aperçoit que les choses ont une couleur seulement quand la lumière (naturel ou artificiel) les frappe, et est en partie réfléchie, pour ensuite entrer dans nos yeux. Par example, si vous avez devant vous un objet rouge, vous le voyez rouge puisque la lumière qui le frappe est absorbé toute, sauf la couleur rouge, qui est réfléchie, entre dans vos yeux et se montre comme ça. La même chose arrive pour les autres couleurs, sauf noir et blanc, qui en réalité ne sont pas couleurs vrais, mais plutôt l’absence de couleur, dans le cas du noir (parce que la lumière incidente sur l’objet noir est absorbée complétament), et le blanc (qui reflète toutes les couleurs de la lumière). Vour comprenez alors pourquoi, en été, il est préférable de s’habiller avec des couleurs claires!
Ci-contre, vous voyez des ondes colorées, qui répresentent les ondes qui entrainent les différentes couleurs. La distance entre deux sommets (ou entre deux avals, ou entre deux débuts de la forme de l’onde) s’appelle longueue de l’onde et est un élément clé de la lumière. Chaque couleur a sa longueur d’onde, de la plus courte (violet) à la plus longue (rouge). L’unité de mesure indiquée à côté du nombre est le nanomètre (son symbole est “nm”), qui correspond à une longueur qui est un milliard de fois plus courte du mètre.
En passant du violet au rouge, comme vous voyez, la longueur de l’onde augmente, et dans le même espace il y a moins de vagues, parce que un cycle complet prend plus d’espace. On pourrait faire une analogie avec des gouttes d’eau qui tombent dans un verre: chaque fois que un “pic” de l’onde arrive, on pourrait imaginer qu’elle transfère une quantité “fixe” d’énergie… comme si c’était une goutte d’eau qui tombe dans le verre. Dans un temps donné, la lumière bleue porte plus de gouttes que la lumière rouge. C’est à dire, la lumière bleue porte plus d’ènergie que la lumière rouge.
Normalement les couleurs dans la lumière sont toutes mélangées, et vous ne pouvez pas les distinguer. Pour mettre de l’ordre dans les couleurs de la lumière, il faut quelque chose pour les sépararer. Ça pourrait être une petite goutte d’eau (ça vous rappelle rien?), un petit morceau de cristal (vous savez les lustres en cristal de grand-mère?) ou bien un “morceau de verre” appelé prisme.
Le prisme est un object transparent, comme indiqué dans l’image à gauche. Le faisceau de lumière (blanc) entre, et est réfracté (c’est un mot un peu difficile, je m’en rends compte, mais ainsi est appelé le phénomène physique qui se produit: réfraction). Qu’est-qui se passe? Chaque couleur de la lumière souffre une déviation, quand’elle entre dans le prisme, qui dépend de la longueur d’onde de la couleur même.
Comme on peut voir, les ondes rouges son deviées moins que celles violets. La même chose arrive quand les rayons de lumière sortent du prisme. Dans cette façon, la lumière qui sorte du prisme n’est plus blanche, mais est plutôt une bande de couloreurs toutes triées, du rouge au violet: l’arc-en-ciel! L’arc-en-ciel de la lumière est son spectre. Vous verrez de vos propres yeux (grâce au spectroscope) que pas toutes les lumières peuvent faire l’arc-en-ciel.
Maintenant, nous allons construire l’outil qui vous permettra de chasser les spectres. Les matériaux dont vous avez besoin sont les suivants:
- ciseaux, régle, stylo, scotch, colle, carton noir format A4, un CD ou DVD (peut être de tout type: nouveau/enregistré/vidéo, mais la surface doit, le cas échéant, être nettoyèe);
- une impression de la feuille téléchargeable à ce link;
- un cutter qui doit être utilisé par un adulte, car il pourrait être dangereux.
Comme vous voyez, nous n’avons pas un prisme disponible, mais je vous assure qu’il sera bon tout de même. Dans ce cas, nous allons exploiter un autre phénomène physique: la diffraction, que vous étudierez quand vous serez plus grands.
D’abord, attacher la feuille sur laquelle le spectroscope est imprimé sur un carton noir. Il est important qu’il soit noir, car l’intérieur du spectroscope que nous allons construire ne doit pas refléter la lumière qui entre. Utilisez de préférence une colle adhésive, en donnant une main légère (sans créer des grumeaux sur la feuille).
Avec les ciseaux, découpez la forme indiquée sur la feuille, le long des lignes continues de son bord. Ne coupez pas le long des lignes pointillées.
Maintenant, vous avez bésoin d’un adulte, pour quelques minutes. Vous voyez les deux petites fissures étroites et longues? On doit les couper avec un cutter, pour créer deux fissures fines (comme indiqué). Les coupures doivent être precises, sur les lignes, et droites.
À ce stade, on doit plier toutes les lignes pointillées, comme vous le voyez. Mais les plis doivent être parfaits. Je vais vous dire un secret pour faire les plis parfaits: prenez un régle, et alignez-le sur la ligne pointillée. Avec un stylo (peu importe la couleur, tant qu’il a la pointe d’un stylo) allez en avant et arrière 5 fois, en poussant le stylo sur le carton. Vous verrez que, à la fin, quand vous irez plier le carton, il se pliera parfaitement. Faite la même chose pour toutes les lignes pointillées, courtes et mélangées (les deux ailes latérales).
Maintenant, on plie. Là où il y a des hachures courtes, pliez vers le bas. Par contre, pliez vers le haut les deux ailes (hachures mixtes).
Preparez une bande de scotch d’environ 5 cm. Fermez la petite boîte au niveau des deux ailes courtes, mettez le scotch sous la fente (ne la couvrez pas) de sorte que la boîte soit bien fermée. Si vous avez des doutes, regardez le vidéo avec les instructions de montage, en bas de la page.
Preparez une bande de scotch d’environ 10 cm.
Maintenant, prenez le CD/DVD et placez votre doigt dans le trou central, en gardand la partie réfléchissant tournée vers le haut. Puis, insérez le CD/DVD dans la boîte, comme si c’était le bec d’un canard qui veut le manger.
La languette doit embrasser le CD/DVD. Dans la partie inférieure, tirez legérèment le carton vers la languette, et utiliser du scotch pour les retenir toutes les deux, en partant de la languette, et arrivant à l’autre morceau de carton, sous la boîte. Placez deux bandes de scotch sur les ailes aussi, de sorte qu’elles soient bien fixées sur le CD/DVD, e qu’il ny ait pas de lumière.
Vérifiez qu’il ny a pas d’echappatoire d’où la lumière puisse entrer dans la boîte, sauf que les deux fentes.
Maintenant que vouz avez construit votre outil, voyons comment vous pouvez l’ utiliser. Dans une des deux fentes, il est écrit “oeil”. Tournez-vous vers une source lumineuse, comme par example la lumière de la pièce où vous êtes. Gardez le CD/DVD avec une ou deux mains, comme vous voulez, devant vous, et inclinez-le d’environ 45 degrés, la fente avec écrit “oeil” vers vous. Approchez l’oeil à la fissure et regardez à l’intérieur du spectroscope, la surface du CD/DVD. Vous devrez voir le spectre de la lumière que vous êtes en train d’observer. Si vous ne le voyez pas, inclinez le CD/DVD plat, jusq’à ce que vous le trouvez!
Le Solei est une source très simple à observer, mais attention: ne pointez pas le spectroscope directement vers le Soleil, il suffit de le pointer vers le ciel (bleu ou nuageux qu’il soit).
Si vous chassez les spectres, vous verrez que, en utilisant le spectroscope avec des ampoules à économie d’énergie, on ne verra pas l’arc-en-ciel, mais plutôt des lignes colorées, sur un fond noir. Ce sont des spectres rayés, à la difference de l’arc-en-ciel, qui est appelé spectre lumineux continu. La lumière, en ce cas, est émise par différents processus physiques. Dans le cas d’une ampoule normale (ou du Soleil), la lumière est émise parce que la source est très chaude (milliers de degrés), tandis que, dans le cas de l’ampoule à économie d’énergie, il y a un gas (froid) dont les électrons, qui normalement orbitent à une certaine distance des noyaux, sont excités et sautent sur des orbites plus éloignées, pour ensuite retomber peu après sur l’orbite originale. Ce faisant, ils émettent de la lumière! Pourtant, la lumière qu’ils émettent dépend de la différence d’énergie des deux orbites, donc elle a une couleur bien precise, qui répresente l’énergie de ce saute.
Chaque gaz, de chaque élément chimique, a ses électrons, plus ou moins éloignés du noyaux, et peut faire seulement certains sauts. Donc le spectre d’un gaz (c’est-à-dire l’ensemble des lignes colorées qui sont émises par les électrons de ce gaz, dans leurs sauts) est typique de ce gaz. En fait, seulement ce gaz agit comme ça, et a cettes lignes colorées. En ce sense, on peut dire que le spectre est l’empreinte digitale du gaz, de cet élement. Si nous voyons certaines lignes, nous pouvons dire qui les a émises. Est-ce que vous comprenez pourquoi c’est important de regarder les étoiles avec un spectroscope? Parce qu’il nous permet de comprendre de quoi elles sont faites.
En realité, cet outil est beaucoup plus puissant: il nous permet de comprendre quels élements constituent la source astrophysique, et nous pouvons aussi déduire sa température, la densité du gaz, et comprendre s’il s’approche ou s’éloigne de nous!
Ce laboratoirie est basé sur un concept de Arvind Paranjpye (Inter-University Centre for Astronomy & Astrophysics – India), adapté par Association GAPPIC (Groupe d’accompagnement pédagogique du Pic du Midi), traduit en italien par Luciano Nicastro, pour INAF, et traduit en français par Giuliana Giobbi, pour INAF.
Regardez le video avec les instructions de montage (en italien)
