Livret de découverte Spectromètre Lhires Lite Lhires Lite
Contents
1. Describe what you see E E E Can you see any lines Why Than look at a energy saving lamp Describe what you see Use a blank piece of paper cut at the size of our scales and draw the spectrum you see Compare to the reference spectrum scales sodium neon mercury What do you conclude on the gaz in an economy saving lamp This experiment can be made with miscellaneous lamps including laboratory lamps Be of course very careful as some lamp can be dangerous to watch visually example mercury Imaps emitting UV 1 14 4 Sodium spectrum Sodium Na is a chemical element you can find in lot of places It is for exemple a componant of the salt With an adult and with lot of care due to the fire risk for exemple watch out for your hairs experiment by putting salt in the flame of a candle just upfront the flit of the Lhires Lite Look at the emission lines at the same position as the absorption lines in the solar spectrum 7 Raney e Lite User Manual Dcooosc 50 60 Spectrum of salt burning in the flame of a candle Sodium lamp spectrum Solar spectrum Star spectrum Betelgeuse Exemples of spectra with sodium lines images taken with a Lhires III same resolution as the Lhires Lite Look for the same lines in high pressure sodium lamps street lamps fro exemple When the lamp is switched on spectrum shows a yello emission line doublet When temperature gets high a plasma is formi2. 16 Annexes 1 16 1 How does the Lhires Lite works Light entrance Focus plane This figure describe light path in your Lhires Lite Sunlight enters through a slit There is no optic in front of the slit so it s the relative solar disk size around 30 on the sky which gives the input focal ratio around f 50 Light is then reflected by a 45 mirror It goes through an optical doublet to bring slit image into parallel beams that are dispersed by a reflective 2400 grooves mm grating Dispersed light goes back through the lens which focus the spectrum into your eyepiece This spectroscope is in Littrow mode thus the name of Littrow HIgh REsolution Spectroscope LHIRES By turning the index you rotate the grating inside and change the wavelength you look at into the eyepiece 1 16 2 Specifications of the spectrum With some care you can watch for some interesting features in the spectrum which can be explained by the optical path For some of them you can even correct them Absorption lines are curved This is due to geometrical distortion of the light path which goes Slightly off axis the internal doublet in a Littrow spectroscope Phenomena can be more or less visible depending of the grating position and how grooves are perpendicular or not to the optical path Lines are tilted not exactly perpendicular to the dispersion axis This means the grating grooves are not exactly parallel to the slit It could come
3. Huggins est consid r comme le p re de la spectroscopie astronomique Il con u et construisit la plupart de ses instruments et inventa le principe du spectre de comparaison permettant une calibration pr cise en longueur d onde Cela lui permit de mesurer les d calages li s aux vitesses radiales Par exemple en 1868 il mesura la vitesse radiale de Sirius 47km s Huggins d veloppa l utilisation de la photographie spectrale il observa les spectres de la chromosph re des protub rances et de la couronne solaire il observa le spectre d une nova et investigua le proche UV dans les spectres d toiles Herman Vogel mesura galement les vitesses radiales de plusieurs toiles En 1871 il mesura par effet Doppler la vitesse de rotation du Soleil un d calage de 0 03A En 1868 Sir Norman Lockyer 1836 1920 d tecta dans le Soleil la presence d un l ment alors inconnu sur Terre on le d couvrit par la suite dans du gaz naturel mais il conserva son nom d origine solaire l h lium Le Coronium fut aussi d couvert et nomm du fait de sa presence dans la couronne solaire le N bulium fut d couvert dans des spectres de n buleuses interstellaires Mais le Coronium n existe pas il s agit d un haut niveau d ionisation d atomes d j existants Le N bulium provient lui de transitions interdites et n est pas non plus la trace d un nouvel l ment En 1889 Antonia Maury d couvrit par le d doublement p riodique des raies spectral
4. We memorize this sequence with the famous Oh Be A Fine Girl Guy Kiss Me Types R S and N have been added later one Right Now Sweetheart Annie Jump Cannon was one of the most famous assistant of Edward Charles Pickering in Harvard She was an expert in stellar classification For the Henry Drapper catalog she classified more than 300000 stars an example of productivity 1 13 5 Spectral class If the spectral type is a characteristic of the surface temperature a more precise classification should take into account their luminosity In Yerkes William Morgan Philip Keenan and Edith Kellman MMK established a classification I to V which takes into account the shape of some absoprtion lines characteristics of gravity forces Class I stars are super giants while class V like the Sun are sub giants stars Astrophysists position stars on a graph based on their temperature and luminosity This is the Hertzsprung Russell diagram 1 13 6 Chemical composition and metallicity Two stars of same class and same type have a different history a different genealogy We note Z the metallicity or the ratio of atom different than hydrogen and helium One can position each star on a 3 dimension HR Z diagram temperature luminosity and metallicity We classify sars in two populations 1 Population I stars rich in metal ie non hydrogen or helium atoms often second or third generation stars Part of their matter has been cre
5. de cette situation Plus tard il ne connut pas de femme et ne se maria jamais De cette p riode on ne retient pas de traits particuliers de la personnalit du jeune Isaac sinon une pr dilection pour les constructions m caniques et une grand habilit manuelle SbeLuak emuwws LeS Lite User Manual DC0005C 21 60 En 1661 Isaac Newton entra au Trinity College de Cambridge ou il fit ses tudes sup rieures Il devint bachelor of arts en Juin 1665 L pid mie de peste ayant occasionn la fermeture de l universit il mis a profit son s jour de dix huit mois dans le Lincolnshire pour se livrer la r flexion et a la recherche posant les jalons de son ceuvre scientifique Isaac Newton fut aussi bien math maticien et astronome que physicien et m canicien exp rimentateur que th oricien Il renouvela l analyse et la g om trie en inventant le calcul diff rentiel et int gral dont il partage la paternit avec Leibnitz Il unifia les lois de Kepler en astronomie et celles de la m canique terrestre de Galil e en fondant m canique rationnelle par une d finition pr cise de ses concepts fondamentaux espace temps masse force acc l ration par l nonc des lois g n rales du mouvement et la formulation math matique des lois particuli res locales et instantan es c est dire causales pour des forces donn es et en tablissant sa th orie de la gravitation universelle Son analyse exp riment
6. en conclure que la lumi re tait constitu e de particules discr tes les photons Depuis la double personnalit de la lumi re la fois onde et particule a fait l objet de nombreuses exp riences Un photon est une particule lectriquement neutre et sans masse qui voyage en ligne droite la vitesse de la lumi re 299792 Km s Son nergie est inversement proportionnelle sa longueur d onde E hc Comme les ondes sonores les ondes lumineuses se m langent et peuvent se d placer ensemble dans l espace formant des ondes composites comme la lumi re blanche du Soleil A l inverse les ondes peuvent tre s par es ou dispers es en composantes ou couleurs l mentaires un spectre La spectroscopie stellaire est l analyse des spectres d toiles E Les ute User Manual Dcooosc 10 60 1 4 2 Le modele atomique L aspect g n ralement accept de l atome bien que simpliste par rapport p la r alit bas sur le travail du physicien A danois Niels Bohr 1885 1962 est celui d un noyau constitu de neutrons et de protons avec des lectrons tournant autour L identit chimique de chaque atome est d termin e par le nombre de protons dans son noyau son nombre atomique Le noyau le plus simple est celui de l hydrog ne 1 proton puis vient celui de l h lium 2 protons ensuite vient celui du lithium 3 protons etc Les atomes neutres contiennent autant d lectrons que de protons
7. exp rience peut tre fait avec des lampes diverses voir des lampes spectrales de laboratoire en faisant bien entendu attention car certaines lampes peuvent tre dangereuses observer visuellement ex lampe au Mercure qui met des UV 1 7 4 Spectre du Sodium Le Sodium Na est un l ment qu on peut trouver plusieurs endroits Il est par exemple pr sent dans le sel de cuisine L exp rience faire avec un adulte et en faisant tr s attention au feu est de faire br ler du sel dans une flamme de bougie situ e juste devant la fente du Lhires Lite Observer alors les raies en mission correspondantes au spectre du Sodium RR 01065 Lite User Manual DCO005C 30 60 Ces raies se retrouvent mais en absorption dans le spectre du Soleil Spectre du Sel dans une flamme Spectre d une lampe au sodium Spectre du Soleil Spectre d une toile Betelgeuse Exemples de spectres images au Lhires III m me r solution que le Lhires Lite Observer ces raies sur une lampe au Sodium a haute pression lampadaire de rue ou lampe de jardin par exemple A l allumage le spectre montre un doublet du Sodium en emission Avec la temp rature qui augmente un plasma se forme il met un continuum Des atomes de Sodium absorbent alors une partie de cette emission du plasma et le spectre montre deux larges raies en absorption Ce ph nom ne complexe est expliqu sur http www lac u psud fr e
8. les charges lectriques tant oppos es C est l attraction entre ces charges qui assurent la coh sion de l atome lectron Quand l atome contient plus de protons que d lectrons on dit qu il est ionis positivement Quand il contient plus d lectron que de protons il est ionis n gativement Un noyau atomique est constitu s de 1 environ 260 protons et neutrons Les atomes sont class s dans une table p riodique des l ments bien connue des lyc ens Li Lithium Be B ryllium B Bore C Carbone N azote O Oxyg ne F Fluorine Ne N on Na Sodium Mg Magn sium Al Aluminium Si Silicium P Phosphore S Soufre Cl Chlore Ar Argon 84 85 Po At An rrr Pa frac r po Su Fem Hs me Ds Ra uo Ue ug ups sLartnanite DES Pr wa Pm Sm Eu Gaf m bv Ho er 1m Yo ne EE Sn i Fm vr Les mol cules sont des assemblages d atomes Ainsi l eau est constitu e de deux atomes d hydrog ne et d un atome d oxyg ne on le note H20 be Luak emmwww hires Lite User Manual bC0005C 11 60 1 4 3 Les lois de Kirchhoff L analyse de la lumi re d objets astronomiques ne montre pas toujours un arc en ciel continu Les spectres peuvent tre class s et interpr t s selon les lois formul es en 1859 par Gustav Kirchhoff 1824 1887 avec l aide de Robert Bunsen 1811 1899 Il existe trois types de spectres e spectre continu e spectre de raies d mission e spectre de ra
9. our Sun and spectral analysis 1 14 Some pratical activities 1 14 1 Discover visible spectral somain Use the graduated scale in nm nanometre 1 nm 1 1000000000 of a meter and scan the visible domain on the Sun or a standard lamp with a continuous spectrum You can see the spectrum between _nm and nm List here all colors you can see Color Position Of what make you think these colours 1 14 2 Solar spectrum Put the solar scale on your Lhires Lite Look at the solar spectrum specially where there are indication on the scale Look at the sodium doublet Na how many line can you count between those two sodium lines Compare what you see with the solar spectrum sheet provided with your Lhires Lite What element can you recognized with the absorption line right in the middle of the two Na sodium lines EN 49 60 Shelual Lhires Lite User Manual bC0005C 49 60 In 1802 william Wollaston discovered dark lines in the solar spectrum Those lines were studied afterwards by Joseph von Fraunhofer who published a catalog of several hundred lines in 1814 Scan the spectrum how may lines can you count Professional astronomers identified dozen of thousands lines in the solar spectrum Lhires Lite performance allows you to see couple of thousands lines 1 14 3 Experiment with spectral lamps Look at a standard light bulb do not use energy saving lamps
10. parall le Elle est dispers e par le r seau par r flexion 2400 t mm Elle repasse par la lentille qui la focalise dans l oculaire En jouant sur l angle du curseur on fait tourner le r seau ce qui modifie la longueur d onde observ e sur l axe optique Ch 1 9 2 Caract ristiques du spectre Avec un peu d attention vous pourrez observez quelques caract ristiques int ressantes du spectre qui s expliquent toutes par des consid rations optiques Pour certaines d entre elles vous pourrez aussi apprendre les corriger Les raies d absorption sont galb es Ceci est in vitable et est d une distorsion g om trique du faisceau Le ph nom ne est plus 04 moins marqu selon que les traits du r seau sont positionn s parfaitement perpendiculaires l axe optique Les raies d absorption sont inclin e pas exactement perpendiculaires au spectre Ce ph nom ne appara t si les traits du r seau ne sont pas rigoureusement parall les la fente Cela peut en particulier tre provoqu si le miroir de renvoi ne fait pas un angle de 90 exactement avec le ch ssis On voit des raies noires dans le sens du spectre Cela peut avoir plusieurs causes Il est possible qu une poussi re se soit gliss e dans la fente il faut alors la d monter et la nettoyer La fente est r gl e la limite de sa qualit optique En effet plus la fente est fine plus on pourra voir des raies mais si on ferme trop cette fe
11. prismes ni moins distincts ni autrement color s que lorsqu on regardait simplement avec l il La couleur n en tait nullement chang e par la r fraction du prisme interpos Je parle ici d un changement sensible de couleur Car la lumi re que je nomme ici homog ne n tant pas homog ne absolument toute rigueur son h t rog n it doit produire un petit changement de couleur Mais lorsque cette h t rog n it diminuait jusqu au point ou on peut la r duire par les exp riences mentionn es ci dessus ce changement de couleur tait insensible et par cons quent dans des exp riences o les sens sont juges il doit tre compt pour rien Et comme ces couleurs ne pouvaient point tre chang es par des refractions elles ne l taient pas non plus par des r flexions Car tout corps blanc gris rouge jaune vert bleu violet comme le papier les cendres le vermillon l orpiment l indigo l azur l or l argent le cuivre l herbe les fleurs bleues les violettes les bulles d eau teint es de diff rentes couleurs les plumes de paon la teinture du bois n phr tique et autres telles choses tout cela expos une lumi re homog ne rouge paraissait enti rement rouge une lumi re verte enti rement vert et ainsi des autres couleurs Dans la lumi re homog ne de quelque couleur que ce fut tous ces corps paraissaient totalement de cette m me couleur avec cette seule diff rence que quelques uns r fl c
12. que sous certaines circonstances chaque l ment chimique met un jeu sp cifique de couleurs comme une empreinte digitale Le spectre solaire fut photographi pour la premi re fois en 1842 par Alexandre Becquerel En 1852 Jean Foucault d montra que la lumi re traversant une flamme de Sodium contient des raies sombres coincidant avec les raies D du spectre du Soleil La spectroscopie a r ellement d but dans les laboratoires de Bunsen et du physicien allemand Gustav Kirchhoff 1824 1887 l universit d Heidelberg A partir de ses exp riences Kirchhoff a pu formul ses trois lois empiriques de la spectroscopie Une des premi res applications de ces lois fut d essayer la composition chimique du Soleil et wemeews hires Lite User Manual DC0005C 126 900 des toiles De nouveaux l ments comme le Caesium et le Rubidium sont d couverts sur Terre par Kirchhoff et Bunsen partir de leur spectres Kirchhoff d couvrit dans le Soleil une demi douzaine d l ments dont le Fer En 1862 Anders Angstrom identifia l hydrog ne dans le Soleil En 1864 l astronome anglais Sir William Huggins 1824 1910 avait d j identifi neuf l ments dans l toile Ald baran La m me ann e il montra qu une n buleuse plan taire avait un spectre en mission expliqu par la pr sence d un gaz chaud mettant de la lumi re Une com te brillante observ e a la m me poque montra galement un spectre en mission
13. vitesses des toiles taient beaucoup trop faibles par rapport la vitesse de la lumi re pour provoquer une modification appr ciable de leurs couleurs Il conclut par contre que l on pouvait esp rer d tecter de faibles variations des longueurs d onde des raies dans leur spectre L exp rience fut r alis e pour la premi re fois avec succ s par l astronome anglais W INSTRUMENTS Lhires Lite User Manual DCO005C 17 60 Huggins en 1868 Il mesura le d calage des raies d hydrog ne dans le spectre de Sirius et en d duisit que Sirius s loigne du Soleil avec une vitesse de l ordre de 45Km s L effet Doppler Fizeau se traduit donc par une modification des ondes mises par une source en mouvement Dans le cas d une toile en mouvement l effet Doppler appara t par un d calage des raies du spectre Plus la source va vite par rapport l observateur plus ce d calage sera important Pour des objets tr s rapides comme les galaxies ou les quasars les d calages sont particuli rement importants Quand la source s approche de l observateur les raies sont d cal es vers le Bleu quand la source s en loigne elles sont d cal es vers le rouge C est toutefois un abus de langage car les ondes radio lectriques dont les longueurs d ondes sont au del du rouge sont d cal e en fait vers les longueurs d ondes Je sup rieures Mais le terme est rest redshift en anglais car c est ce d calage quasiment syst matiq
14. 1 HIRES Livret de d couverte Spectrom tre Lhires Lhires Spectrometer User Guide Shelyak Instruments Les Roussets 38420 Revel France Phone 33 476 413 681 http www shelyak com Email olivier thizy shelyak com November 2009 DCO005C INSTRUMENTS Table des matieres Table of Content RATS 4 ge efa 17 Tev Ta y a co 4 1 2 Prise en main et installation 5 PSU METAM 5 L22 MISS Ci DIdCOredoscou ci A ae aan SUEDE 6 3 QUE VOVEZ VOUS cenexasQsepcsuspic ISPSTPIRRARMEERERE ICO PEUT RD RETO i 9 1 4 Un peu s ct 10 1 4 1 La lumi re est une onde lectromagn tique 10 124 2 Le modele IONIQUE a Dor PRU EOD 11 1 4 3 Les lois de Kirchhoff een nnnm nnn 12 1 4 4 Spectre continu du corps noir 15 1 4 5 L effet Doppler Fizeau Re 17 L5 POP ela se uns 19 1 6 et un peu d AISTOIRS css sese eee 19 16 1 Lere avant NW a eee use 19 102 1S aC NON ON ean I Ea 21 1 6 3 L volution de la spectroscopie 25 1 7 Quelques travaux pratiques ss 29 1 7 1 D couvrir le domaine visible nnne 29 1 7 2 Le spectre du SOIR a ss ne 29 1 7 3 Exp rience avec des lampes spectrales 30 1 7 4 Spectre du SOI seau r3 vaa ti visitas ea guru 30 1 7 5 Mettre des filtres devant le spectrom tre 31 1 7 6 Catalogue de raies spectrales eese 32 DO RE OIC CS ETE
15. 142 60 1 12 What do you see You mainly see two things First you see all rainbow colors from red to blue with numerous nuances do not hesitate to ask the public to play with the scale index and enumerate colors they see This is a perfect exemple of the fact that solar light which appears white is actually made of an infinite number of colors Note that those are pure colors made from a single wavelength you won t see pink or white for exemple which are combinations of primary colors Second you see thousands of absorption lines those dark horizontal lines are like ID signature of several chemical elements that are on the Sun s photosphere This illustrates how light from the Sun and other stars carries rich information on the nature of the source Decoding this information is the job of astrophysists who time after time understood how stars work Welcome to the great world of Astrophysics 1 13 Introduction to Spectroscopy 1 13 1 In the beginning Spectroscopy really started around 1666 when sir Isaac Newton dispersed sunlight with a prism But it s in 1802 that William Wollaston discovered dark absorption lines lines studied later by Joseph von Fraunhofer who published a catalog of several hundred of those lines in 1815 We now have classified thousands of absorption lines in the solar spectra In 1849 L on Foucault studied emission lines produced by a Sodium lap Gustav Kirchoff and Robert Bunsen identified
16. La loi de Wien C est en analysant les spectres mis par des corps noirs a diff rentes temp ratures que Wilhelm Wien 1864 1928 d couvrit en 1893 que le sommet de la courbe de Planck qui correspond la longueur d onde du pic d missivit est donn e par la loi de Wien 070 2 90 10 3 T K Ainsi le Soleil qui a son pic d missivit vers 500nm dans le vert a une temp rature de surface de 5800K Une toile plus chaude aura son pic d missivit dans le bleu une toile plus froide que le Soleil aura son pic dans le rouge Le tableau suivant donne la couleur apparente d une toile en fonction de sa temp rature de surface T K Couleur apparente 4000 Rouge 6000 Blanc Notez toutefois qu une toile quelque soit sa temp rature de surface met dans toutes les longueurs d onde Notez galement que si l oeil humain est sensible au domaine de longueur d onde o l nergie du soleil est maximale ce n est probablement pas du au hasard mais une adaptation de notre esp ce son environnement La loi de Stefan Boltzmann Quand la temp rature d un corps noir augmente la loi de Wien indique que la longueur d onde du pic d missivit d croit Mais l aire d finie par le profil spectral l nergie totale de la lumi re augmente En 1879 Josef Stefan 1835 1893 d couvrit que la lumi re mise par chaque m tre carr de la surface d un objet chauff est proportionnelle la puissance quatre de la te
17. Na dans le jaune le triplet du magn sium Mg dans le vert les raies HB amp Hy dans le bleu etc emer 7 Lhires Lite User Manual DCO00SC 18 60 Pour mener diff rents types d observations voir a la fin de ce livret vouS pouvez remplacer facilement la fiche vernier Le Lhires Lite est fourni avec plusieurs fiches mais vous pouvez ais ment cr er vos propres fiches Vous voil pied d oeuvre 1 3 Que voyez vous Vous voyez principalement deux choses D une part vous balayez toutes les couleurs de l arc en ciel du rouge au bleu en passant par toutes les nuances imaginables n h sitez pas inciter les utilisateurs jouer avec le curseur sur le c t de l instrument Vous avez l une magnifique illustration du fait que la lumi re blanche est en fait la somme de toutes les couleurs Notez que ce ne sont que des couleurs pures c est dire constitu es d une seule longueur d onde par exemple vous ne verrez pas de rose qui est un m lange D autre part vous voyez des centaines de raies d absorption ces lignes noires horizontales sont la signature des diff rents l ments chimiques pr sents dans les couches ext rieures du Soleil Ceci illustre de mani re spectaculaire que la lumi re qui vient du Soleil c est vrai aussi pour chaque toile arrive charg e d une information extr mement riche sur la nature de sa source C est partir de cette observation extr mement simple que les cherc
18. Royal Society Cela provoque beaucoup de critiques hostiles car les couleurs taient suppos es tre une forme modifi e par la mati re d une lumi re blanche homog ne Le scepticisme de Christiaan Huygens et les tentatives rat es du physicien fran ais Edm Mariotte de dupliquer en 1681 l exp rience de r fraction de Newton mont rent les scientifiques du continent contre Newton pour une g n ration Il publia bien plus tard en 1704 une synth se avec son ouvrage Optique les critiques tant plus faibles alors Il proposa une explication de la distribution des couleurs de l arc en ciel et des positions respectives des diff rents arcs par rapport l arc primaire compl tant ainsi la th orie qu en avait donn Descartes en suivant le trajet de la lumi re dans une goutte de pluie en suspension S il concevait des ondes associ es la lumi re tout en pr f rant voir en celle ci des corpuscules de diff rentes vitesses il ne se prononca pas sur la raison profonde de ce lien Il h sita quand la nature de la lumi re entre une conception purement corpusculaire et une th orie vibratoire de l ther puis abandonna cette derni re pour une th orie des acces de facile r flexion et transmission Isaac Newton fut donc le premier montrer que la lumi re blanche du Soleil est en fait un m lange de toutes les couleurs de l arc en ciel Il fit l exp rience suivante dans une pi ce noire il fit une fente dans un cran
19. TTE 33 1 95 41 DIDMOG ODA nes ee oo acc on 33 1 8 2 Sites web amp listes de distrubution eee ees 33 S FINO XC de 34 1 9 1 Fonctionnement du Lhires Lite eere 34 1 9 2 Caract ristiques du spectre eee 35 1 9 3 Calibration du curseur en longueur d onde 36 hires Lite User Manual DCOOOSC 27 60 ze NR PP et E ee ee er ee 37 LLO E Ta gestel e le crigesacesahaetiaseasissdseancateetsaeane ado as coder hou 38 1 11 Setup and PSC US a ass dans desc aue ome RD connus 39 DLL MO a a de aus ANE 39 RSR m 40 1 12 What do Voll 666 7 seen aan Gd X ora eb sounds RR arta 43 1 13 Introduction to Spectroscopy nnn nn nnn 43 111 Im tne 1069111111116 euer andre dues sc PU kone 43 1 13 2 Different types of spectra 44 1 13 3 Message from 11911 soon ac c tu m Unas 45 1 13 4 Effective temperature and spectral types 46 p e Ree es va S os essa RPIAD PNE tUe EMEN EU ARM MURUS 47 1 13 6 Chemical composition and metallicity 47 1 157 DODDIGI ar e a ea ae star denies 47 LESO CON OSION Se ae es ui 48 1 14 Some pratical activities 49 1 14 1 Discover visible spectral somain eese 49 1 14 2 Soldi SDecHlUliisesensseieniesis23ii ii d bru DD is 49 1 14 3 Experiment with spectral lamps esee 50 1 14 4 Sodium Spectrum sss s ce e ce ee eee 50 1 14 5 Put filt
20. ale et th orique des propri t s physiques de la lumi re et des couleurs ouvrit un nouveau domaine riche de perspective sur la constitution de la mati re l optique physique Travaillant dans la suite de Kepler et du scientifique philosophe fran ais Ren Descartes la recherche des dioptres parfaits par la taille et le polissage de lentilles non sph riques il se rendit compte de la persistance d une aberration chromatique importante m me lorsque l aberration sph rique tait diminu e En 1664 toujours tudiant Newton lu les travaux r cents sur l optique et la lumi re des physiciens anglais Robert Boyle 1627 1691 et Robert Hooke Il effectua alors ses observations sur la lumi re du Soleil l aide de prismes par lesquels il conclut au caract re composite de la lumi re blanche et l in gale r frangibilit des rayons de couleurs diff rentes Il con ut ensuite l id e du t lescope r flexion pour viter les limitations de la lunette dues la dispersion chromatique Newton avait conclu de ses recherches sur la lumi re que les be Luak emmwww hires Lite User Manual DCO005C 22 60 couleurs ne sont pas des qualifications de la lumi re provoqu es par la r flexion ou la r fraction sur les corps naturels comme on le croyait alors mais par des propri t s originelles et sp cifiques diff rentes pour les diff rents rayons Il poursuivit ses recherches qu il communiqua de 1672 a 1676 a la
21. ated during the explosion of a supernova Our Sun and matter that constitutes us is a good exemple 2 Population II stars poor in metal very old We can find them typically in globular clusters 1 13 7 Doppler Effect Doppler effect explained by Christian Doppler in 1842 is a wavelength shift between emitted light and received light when object and observer are moving from each other If they approach themselves shift is toward blue if they are moving away it is toward the red such as the redshift of galaxies Doppler effect allows to measure radial velocity rotational speed and expansion speed It is the key to study binary systems and it has been the key of the discovery of the first exoplanet in 1995 Line profiles are also modified by wave movement at the surface of stars Asterosismology allow to better understand the internal structure of stars Even if one can t see the star surface visually their light brings us a message full of learning 1 13 8 Conclusion Spectrography is like archeology or a criminal case study With clues included in spectra the astrophysist tries to go back to the root of the phenomena Almost all professional observations are done today in spectrography Large telescope are equiped with powerful spectrographs to analyse large spectral domain and several targets at once With your Lhires Lite you can explain to the public the link between Star light using the closest star we know
22. bolt so index can move firmly but properly emewr LeS Lite User Manual bC0005C 56 60 NOTES E RNA Les ute user Manuel Dcooosc 57 60 E E Reseau Grating 2400 traits mm ae als 12A mm Ho Spectre du Soleil Solar Spectrum 1500125 2000 ARRET Fel 4183 A i a m i un oo n m Triplet du Magnesium 5515 ALLIES LOT TT D T 4 Il 5676 Ri TET ERE iR 1 HL L 5825 A Cal Fel SII 5978 A IE HUE Li 6126 9 21 HH Cal Bat tal rel fel Fel 6221 dl MINE 2 Fel Ala iih e d Fel o Fel i i 6396 1 n n Doublet du Sodium Fel Fel Cal Cai Cal fm 6533 AN ec MEE IRI 6660 AMI Lr IRL m slad r i ca Fel LE 69067 T TT T Atm A 6998 A LS TRUMENTS ek WWW SHEL YAK COM T l phone France UZ 76 41 35 31 International 733 4 5 41 35 31 Mail contacti shelyak com Creat O Garde Leadbeater
23. ce terme pour indiquer que ce corps ne r fl chit pas une lumi re ext rieure mais en met basse temp rature il est noir Ainsi le filament d une ampoule lectrique est noir port haute temp rature par un courant lectrique il met de la lumiere Une toile est aussi un corps noir mais une temp rature telle qu on peut la voir dans le domaine visible 7 SNE Les ute User Manual 0600056 12 60 Spectre de raies d mission Deuxieme loi de Kirchhoff un gaz chaud a basse pression bien moins que la pression atmosph rique met un rayonnement uniquement pour certaines couleurs bien sp cifiques le spectre de ce gaz pr sente des raies d mission sur un fond noir Dans un gaz ne contenant qu une sorte d atome et tres basse temperature les lectrons sont tous leur niveau de stabilit Au fur et mesure que la temp rature augmente les atomes gagnent de l nergie cin tique et entrent en collision entre eux provoquant la transition des lectrons vers des niveaux d nergie plus lev s pr d finis par le type d atome Quand les lectrons reviennent leur tat stable ils mettent des photons autant de longueurs d ondes correspondant aux diff rences d nergie existant dans ce type d atome Avec l mission de ces photons le gaz va devenir lumineux ces longueurs d ondes de transition d nergie A temp rature mod r e seul le premier niveau d nergie est vraiment visible et le spec
24. d calages Doppler qui permet de faire de l astrophysique partir des spectres d toiles On peut mesurer des temp ratures des compositions chimiques des vitesses des masses des distances 1 6 et un peu d histoire L histoire de la compr hension de la lumi re est une longue pop e un volet passionnant de l Histoire des Sciences Ce que vous observez dans le Lhires Lite est nettement plus pouss que ce qu vu Newton durant toute sa vie et pourtant ses d couvertes on t magnifiques En nous merveillant devant le spectre du Soleil nous mettons nos pas la suite des g n rations de chercheurs qui nous ont pr c d s et l aventure continue Spectre n m lat Spectrum de spectare regarder v 1570 Ensemble de rayons color s r sultant de la d composition d une lumi re complexe le spectre solaire comprend les couleurs de l arc en ciel Ainsi d finit le dictionnaire Larousse la d composition de la lumi re en spectre Apr s une averse il n est pas rare d observer un arc en ciel Ce ph nom ne est le r sultat de la d composition de la lumi re du Soleil par les fines gouttelettes d eau en suspension dans l atmosph re 1 6 1 L re avant Newton Vers 300 avant JC Euclide enseignait les math matiques a Alexandrie Il a crit les l ments un ouvrage de r f rence sur la g om trie et optique un ouvrage dans lequel il met en exergue quelques d finitions fondamentales dont la
25. er in front of the spectrometer 51 1 146 Spectral line Catalog 8 hi ii ns 52 bebo RISO NC OS ne a datant aa ne to en 53 LEL BIDI ADO a de tra 53 1 5 2 OD te e aa ad aa a UNIES 53 RSA ss eenseueads oceeemeaner 54 1 16 1 How does the Lhires Lite works e eee 54 1 16 2 Specifications of the spectrum 55 1 16 3 Index calibration in wavelength 56 hires Lite User Manual DCOOOSC 13 60 FRANCAIS 1 1 Introduction Vous avez entre les mains votre nouveau spectroscope haute r solution le Lhires Lite Nous avons voulu rassembler dans ce livret tous les l ments qui vous permettront de mener des animations autour de la lumiere du soleil en partant de l installation tr s simple jusqu a la pr sentation de quelques travaux pratiques en passant par des rappels th oriques et historiques Vous verrez rapidement que l observation du spectre du soleil suscite beaucoup de curiosit parmi le public c est beau toutes les couleurs de l arc en ciel d filent volont et c est intriguant mais pourquoi donc il y a des raies qui barrent le spectre C est une occasion merveilleuse d inviter a r fl chir sur la nature de la lumi re sur le fonctionnement des toiles et de proche en proche sur tout le cheminement qui a permis des g n rations de chercheurs de mieux connaitre notre Univers Nous esp rons que cet instrument vous permettra d offr
26. es que Mizar tait une toile binaire Le m me ph nom ne fut montr sur Algol ce qui tait d j soup onn de part la forme de sa courbe de luminosit A partir de 1863 sous l impulsion du p re Secchi la spectroscopie prend un tournant important C est le wemeews Lhires Lite User Manual DC0005C 27 60 d but de la classification spectrale En 1882 Henry Rowland fit des progres dans la fabrication de r seaux outil largement utilis de nos jours en spectroscopie Les r seaux de diffraction se pr sentent d un grand nombre de fentes parall les tres fines et tr s rapproch es typiquement entre 100 fentes par millimetre et plus de 2000 traits mm de nos jours Par un ph nom ne assez complexe d interf rences des ondes lumineuses les r seaux a diffraction produisent a peu pres le m me effet que les prismes mais avec une meilleure r solution et un meilleur talement Au d but du XXi me si cle les liens se sont resserr s entre les chercheurs chimistes ou physiciens dans leurs laboratoires et les astronomes dans leurs observatoires De cette collaboration est n e une nouvelle facon de voir le monde et l univers qui nous entoure Nos yeux se sont ouverts avec l analyse des ondes lectromagn tique qui nous parvient des astres aussi bien dans le domaine du visible que dans d autres domaines comme les rayons X Gamma radio infrarouge ultraviolet etc Avec la possibilit d utiliser des capteurs sensib
27. eur niveau stable et re mettrent des photons de m me nergie que celle absorb e mais ces re missions vont se faire dans toute les directions et pas seulement sur notre ligne de vis e Ainsi peu de photons r mis arrivent dans notre direction par rapport aux autres photons qui traversent le gaz sans tre captur s par les atomes spectre du Soleil autour du doublet du sodium Les raies d absorption tout comme les raies d mission forment une empreinte digitale spectrale de la composition du gaz observ Comme Sherlock Holmes l astronome retrouve partir du spectre la composition de l objet observ ou des milieux travers s par la lumi re avant de parvenir au spectrographe y compris l atmosph re terrestre La lumi re solaire est un exemple de spectre d absorption le Soleil fournit le spectre continu les raies d absorption sont produites lorsque la lumi re traverse les couches t nues et transparentes de l atmosph re solaire l astronome tudie ainsi la composition chimique de cette atmosph re 2006 Olivier GARDE spectre du Soleil Olivier Garde avec un Lhires ITI SbeLuak emmuwsr Lhires Lite User Manual DCO005C 114 60 Identification des lements chimiques Une source lumineuse astronomique comme une toile ou une n buleuse gazeuse contient un m lange de particules chimiques qui absorbent 04 mettent des ondes lectromagn tiques de longueurs d onde pr d finies En comparant les lo
28. from the internal mirror which is not at the nominal position There are dark line acros the spectrum This can have multiple causes Slit is dusty dispite the protective optical glass you can dismantle and clean it Slit is adjusted to the optical limit This is a choice we made to propose very thin slit which on one side provocates those dark line due to imperfection into the slit edge but on the other side make the resolution of the instrument This effect can be amplified if the instrument is not toward the Sun Readjust the pointing direction if you see those lines appearing Index doesn t stay in place Spring pressure is adjustable by a screw bolt on back of the instrument Look for next section E d Les ute user Manual Dcooosc 55 60 1 16 3 Index calibration in wavelength You may have to adjust index calibration in wavelength to ensure index and scale are adjusted Here is how to do so Dismantle the spring lock on back of the spectrometer Index becomes loose Replace it by a M4 screw plastic if possible around 20mm long to block the grating axis Before blocking adjust the grating orientation so a know feature is centered in the field of view ex sodium doublet Unscrew the index screw to loose it on its axis Position the index on the feature mark Na sodium on the scale Block the index screw Remove the temporary plastic screw Put back the spring lock and it s
29. heurs ont compris petit petit comment fonctionnent les toiles et plus g n ralement notre Univers Bienvenue dans le monde fascinant de l astrophysique _Fesvers 7 Lhires Lite User Manual DCO00SC 19 60 1 4 Un peu de th orie 1 4 1 La lumi re est une onde lectromagn tique Les ondes lectromagn tiques peuvent avoir des longueurs d onde tres courtes rayons gamma ou tr s lev es ondes radio sur un tres large domaine spectral L il n est sensible qu une partie de ce domaine spectral appel domaine Lumi re visible Le spectre visible Les longueurs m iR lectromagn tique d onde se mesurent 300 400 500 600 700 800 officiellement en metre Ou 1 T AN eer a 106 Longueur d onde nm en sous unit comme le mm Gamma Ultraviolet Infrarouge Radio 1 1000 me de m tre soit ME E E 1 3 T d EN ANE Rayonnement micro ondes 107m um un millionieme de m tre soit 10m o 10 10 10 10 _10 10 10 10 j nm 1 0 m x DOU r le qu Ponte m domaine visible il est aussi habituel d utiliser l Angstr m 14210 m il s tend entre 3500A violet et 7000A rouge ou entre 350nm et 700nm au choix hA Ah oe ae Oe ee SN UL PN CN Cx AINSA AAA YN YN ILL VL I X L LIN AAAF VAF VANE XU XU Albert Einstein 1879 1955 interpr ta les travaux du physicien allemand Max Planck 1858 1947 sur les corps noirs pour expliquer l effet photo lectrique et
30. hissaient cette lumi re d une mani re plus forte et d autres d une mani re plus faible Mais je n ai point trouv de corps qui en r fl chissant une lumi re homog ne put en changer sensiblement la couleur De tout cela il s ensuit videmment que si la lumi re du Soleil ne consistait qu en une seule sorte de rayons il n y aurait qu en une seule couleur dans le monde qu il ne serait pas possible de produire aucune nouvelle couleur par voie de r flexion et de r fraction et que par cons quent la diversit des couleurs d pend de ce que la lumi re est un compos de rayons de diff rentes esp ces A la mort d Isaac Newton en 1727 beaucoup reconnaissent son g nie Dans son pitaphe pour Newton le poete Alexandre Pope crit La nature et les loi de la nature se cachaient dans la nuit Dieu d clara Que Newton soit et la lumi re fut Newton n utilisa pas de rayons lumineux assez fins pour observer les raies sombres du spectre solaire La spectroscopie aurait pu sinon s viter une longue p riode pr s de un si cle et demi sans grande avanc e apres lui 1 6 3 L volution de la spectroscopie Bien apr s Newton en 1800 William Herschel fit l exp rience avec un thermometre de mesurer la temp rature le long du spectre solaire il montra qu une chaleur existait au del du rouge dans le domaine spectral Il appela ces radiations les infrarouges En 1801 Ritter d montra que des radiations similaires existaie
31. ie au f minin Ya l Naz dition Vuibert Adapt Astronomie et Astrophysique Introduction Agn s Acker dition Dunod M thodes de l astrophysique comment connaitre et comprendre l univers L Gouguenheim dition Hachette 1 8 2 Sites web amp listes de distrubution Site web du Lhires Lite http www shelyak comf fr lhires lite html Spectre du Soleil comment http ljr bagn obs mip fr observing spectrum index html Liste Spectro L http groups yahoo com group spectro l Fen tre sur l Univers http media4 obspm fr public FSU La lumi re CLEA http www ac nice fr clea C2 html Cours d Astrophysique Suisse http www sciences ch htmlfr cosmologie cosmoastrophysiqueO1 php Exp rience sur le Sodium http www lac u psud fr experiences optique fraunhofer fraunhofer htm be Luak wemeews Lhires Lite User Manual DC0005C 133 900 1 9 Annexes 1 9 1 Fonctionnement du Lhires Lite Entr e de la lumi re Fente tee EE m Oculaire rs 2 l hc 2 N Lentille Plan focal R seau La figure ci dessus d crit le parcours du faisceau optique dans le Lhires Lite La lumi re entre par la fente Comme il n y a aucune optique devant la fente c est la taille du soleil dans le ciel de l ordre de 30 qui d finit l ouverture du faisceau de l ordre de F 50 Elle est renvoy e par le miroir environ 459 Elle passe dans la lentille qui rend le faisceau
32. ies d absorption Le modele de Bohr de l atome m me s il est incomplet et n explique pas tout en spectroscopie permet d expliquer les trois lois de Kirchhoff Spectre continu dit du corps noir Premiere loi de Kirchhoff un gaz pression lev un liquide ou un solide s ils sont chauff s mettent un rayonnement continu qui contient toutes les couleurs Un feu de bois chauffe et claire une plaque lectrique chauffante met aussi de la lumi re Intuitivement il y a une relation entre la temp rature d un corps et la lumi re qu il met La lumi re est un ph nom ne lectromagn tique La th orie de James Maxwell 1831 1879 nous apprend que pour cr er de la lumi re il faut une charge lectrique dont le mouvement change Typiquement l lectron particule l g re tournant autour d un noyau de proton et le neutron plus lourd joue ce r le Quand la temp rature augmente les particules bougent plus tout comme l air chaud est plus agit que l air froid Toute substance a une certaine temp rature met de la lumi re A temp rature ambiante cette lumi re se situe dans l infrarouge et n est pas visible avec nos yeux Mais la plaque chauffante de notre cuisine par exemple met de la lumi re rouge dans le spectre visible Cette lumi re est appel rayonnement d un corps noir et s tend bien au dela du domaine visible de longueurs d ondes Bien qu haute temp rature un corps noir soit lumineux on utilise
33. ir des animations de qualit et nous sommes tr s int ress s par vos propres exp riences N h sitez pas nous en faire part Francois Cochard amp Olivier Thizy Shelyak Instruments Juin 2007 1 2 Prise en main et installation Note importante sur la s curit De maniere g n rale l observation du Soleil avec un instrument peut tre tres dangereuse risque de l sions irr versibles de l oeil Ce n est pas le cas pour le Lhires Lite pour au moins trois raisons Seule une petite quantit de lumi re passe par la fente quelques microns de large La lumi re est tr s dispers e par l instrument seule une petite partie du spectre est observ e un moment donn aucun moment nous n avons besoin de regarder le Soleil puisque le syst me de gnomon permet de pointer le soleil et utilisant son ombre N anmoins vous veillerez ce que l instrument soit toujours utilis dans des conditions normales et vous serez particuli rement attentif si vous le d montez le faire faire par des personnes comp tentes 1 2 1 Mat riel Vous trouverez dans la mallette les l ments suivants e le spectrom tre Lhires Ye e un oculaire diametre 31 75mm e des fiches vernier Soleil graduation Mercure Sodium e lespectre du Soleil comment Vous aurez besoin galement du mat riel suivant e tr pied photographique e crayon e lampe incandescence e lampe conomie d nergie e
34. is en plastique Remettez en place la but e ressort et son crou en veillant ce que le frottement du curseur soit suffisant pour que le curseur reste bien dans sa position emwer Lhires Lite User Manual bC0005C 136 960 ENGLISH 1 10 Introduction Congratulation You have now in your hands the new high resolution spectrometer Lhires Lite We wanted to put in this booklet material to help you using the Lhires Lite during public animations around solar spectroscopy starting from easy setup to some workshop proposals including some theoretical amp historical facts You will quickly see that watching solar spectrum in high resolution provokes lot of curiosity from the public it s beautiful and colorful scanning all rainbow colors and it s intriguing why are there black lines crossing this ranbow This is a wonderful opportunity to invite them to think about the nature of the light how stars such as the Sun work and how spectroscopy drastically changes how generations of astrophysists learn about our universe We at Shelyak Instruments are proud to bring you this product and wish that it will help you to provide high quality animations Do not hesitate to share with us your experience in that field Fran ois Cochard amp Olivier Thizy Shelyak Instruments October 2007 RR 01065 Lite User Manual DCO005C 58 60 1 11 Setup and first use Important notice on safet
35. lampes diverses e du Soleil eemuws hires Lite User Manual DC0005C 15 960 1 2 2 Mise en place Choisissez un jour de beau temps Installez le Lhires Lite sur un pied photo La vis situ e sous l instrument est au pas Kodak standard dans le monde de la photographie Installez l oculaire dans le porte oculaire bloquez le en serrant le vis Porte oculaire ancien mod le et nouveau mod le Orientez l instrument vers le Soleil Pour cela dirigez le gnomon b tonnet qui d passe du spectrometre vers le Soleil et orienter le pied photo de telle sorte que l ombre du gnomon disparaisse 7 Lhires Lite User Manual DCO00SC 6 60 Votre Lhires Lite est muni d une bague d extension qui permet d installer un oculaire plus confortablement Pour disposer d un plus grand tirage enlever la bague d extension avec un tournevis 6 pans Votre Lhires Lite peut maintenant recevoir une webcam par exemple lt ERER Lhires Lite User Manual DC0005C 17 60 Positionnez l index vers le milieu du spectre par exemple dans la partie jaune Observez le spectre du Soleil Faites la mise au point en tournant la bague du porte oculaire de mani re a voir les raies d absorption bien nettes D placer l index du vernier pour vous d placer dans le spectre visible Rep rer ainsi les raies bien visibles dans le spectre du Soleil la raie d hydrog ne Ha dans le rouge le doublet du Sodium
36. les comme les cam ra CCD et des r seaux des prix abordables les astronomes amateurs ont maintenant eux aussi acces a ce domaine qu est la spectroscopie Des amateurs comme Christian Buil ou Val rie Desnoux en mettant a notre disposition des outils logiciels comme Iris ou VisualSpec contribuent grandement l essor de ce type d observations L arriv e r cente du spectrographe Lhires III sur le march participe aussi de cette d mocratisation Dans leurs tudes les professionnels utilisent essentiellement la spectroscopie une tude men e par Frangois Colas IMCCE sur les mission a l ESO montre que plus de 75 du temps d observation est consacr l imagerie spectrale La spectrographie tant maintenant la port e des astronomes amateurs c est un nouveau et immense champ de collaboration qui s ouvre eux RR Fhires Lite User Manual DCOO05C 207 60 1 7 Quelques travaux pratiques 1 7 1 D couvrir le domaine visible Utiliser la fiche gradu e en nm nanometre 1 nm 1 milliardi me de metre et balayer le spectre visible soit sur le Soleil soit sur une lampe a incandescence a spectre continu Le spectre observ s tend de nm nm Faite ici la liste des couleurs observ es Couleur Position quoi vous font penser ces couleurs 1 7 2 Le spectre du Soleil Mettre le vernier Soleil sur le Lhires Lite Observer le spectre du Soleil notamment aux e
37. mp rature en kelvins cette loi fut d montr e E SNE Les ute User Manuel Dco00Sc 16 60 en 1884 par Ludwig Boltzmann 1844 1906 La quantit de lumi re mise par chaque metre carr d un corps noir est appel e luminosit surfacique l et est d finie par la loi de Stefan Boltzmann 5 67 10 T avec T en kelvins et l en W m K Bien entendu la luminosit globale L d un corps d pend aussi de sa surface S L S l S 5 67 10 T Grace aux lois de Wien et de Stefan Boltzmann on peut d terminer le diam tre des toiles dont la distance est connue par mesure de parallaxe par exemple 1 4 5 L effet Doppler Fizeau L effet Doppler n est pas directement visible avec le Lhires Lite parce que la distance au Soleil ne varie pratiquement pas au cours du temps N anmoins c est un effet qui a une importance primordiale en astrophysique et il nous parait utile de l voquer ici Il est courant d observer l effet source sonos OBSERVATEUR Doppler une voiture qui s approche met un son aigu qui devient grave quand elle s loigne Les ondes mises par la source mobile sont comprim es en avant et tir es en arri re Ceci s explique par le fait que la source rattrape les ondes de devant alors qu elle s loigne des ondes de derri re Doppler sugg ra que les couleurs des toiles pourraient tre dues un tel effet affectant leur lumi re En 1848 le physicien fran ais H Fizeau montra que les
38. nature de la lumi re et de la mati re La lumi re est elle un corps ou un mouvement d un corps Les diff rentes th ories proposent une interpr tation ni vraiment corpusculaire ni vraiment ondulatoire En 1637 Descartes fait paraitre son trait dioptrique la suite de son discours sur la m thode Sans plus d claircissement sur la nature de la lumi re il exprime pour la premi re fois sous forme math matique les lois de la r flexion et de la r fraction 1 6 2 Isaac Newton L uvre d Isaac Newton 1642 1727 fut charni re entre la renaissance et la relativit d Albert Einstein Comme ce dernier Newton a pu voir plus loin parce qu il tait assis sur des paules de g ants selon ses propres dires Son oeuvre inaugura par sa synth se magistrale une nouvelle re de la pens e scientifique qui dura plus de deux si cles et dont la science moderne est encore largement l h riti re m me apres les nombreux bouleversements survenus en math matique et en physique N le 25 D cembre 1642 quelques mois apr s le d c s de son p re dans une famille de petits propri taires terriens Isaac Newton fut un enfant de sant fragile Sa m re Hannah le confia lors de son remariage Isaac avait alors 3 ans sa grand m re et son oncle aupr s desquels il passa ses ann es de jeunesse dans la maison familiale dans la hameau de Woolsthorpe pr s de Grantham Lincolnshire Son caract re se ressentit
39. ndigo le bleu le vert le jaune l orang le rouge avec tous leurs degr s interm diaires dans une continuelle succession qui variait perp tuellement de sorte qu on voyait autant de degr s de couleurs qu il y avait d esp ces de rayons de diff rente r frangibilit Or que ces couleurs ne pussent point tre chang es par r fraction c est de quoi je m assurai en rompant avec un prisme tant t une tr s petite partie de cette lumi re et tant t une autre Car par cette r fraction la couleur de la lumi re ne fut jamais chang e le moins du monde Si quelque partie de lumiere rouge tait rompue elle demeurait enti rement du m me rouge qu auparavant Cette r fraction ne produisait ni orang ni jaune ni vert ni bleu ni aucune autre nouvelle couleur Et bien loin que la couleur f t chang e en aucune mani re par des r fractions r p t es c tait toujours le m me rouge que la premi re fois Je trouvai la m me immuabilit dans le bleu le jaune et les autres couleurs De m me lorsque je regardai au travers d un prisme quelque corps illumin de quelque partie que ce f t de cette lumi re blanche homogene il ne me fut pas possible d apercevoir aucune nouvelle couleur produite par ce moyen la Tous corps illumin s d une lumi re h t rog ne regard s au travers d un prisme paraissent confus et teints de diverses couleurs nouvelles Mais ceux qui sont illumin s d une lumiere homogene ne paraissent au travers des
40. ndroits indiqu s sur la fiche Rep rer le doublet du Sodium combien de raies pouvez vous discerner entre ces deux raies de l atome du Sodium Comparer avec le spectre du Soleil complet livr avec votre spectrom tre Quel l ment est reconnaissable par une raie en absorption situ e juste entre les deux raies du Sodium _ En 1802 William Wollaston d couvrit des raies sombres raies d absorption dans le spectre solaire Ces raies furent tudi es ensuite Ssuwters Lhires Lite User Manual DCO005C 29 7 60 par Joseph von Fraunhofer qui en catalogua plusieurs centaines en 1814 Balayer le spectre solaire combien de raie pensez vous pouvoir d nombrer Les astronomes professionnels ont identifi des dizaines milliers de raies dans le spectre du Soleil mais les performances du Lhires Lite permettent d en voir galement des milliers 1 7 3 Exp rience avec des lampes spectrales Regarder un spectre d une lampe incandescence D crire le spectre observ Pouvez vous observer des raies Pourquoi Regarder ensuite le spectre d une lampe conomie d nergie ou un spectre d un tube dit tube n on 1 D crire le spectre observ Utiliser une fiche vierge un papier blanc d coup la taille des fiches et dessiner le spectre observ Le comparer avec les fiches de r f rences Sodium N on Mercure Qu en d duisez vous sur la composition d une lampe conomie d nergie Cette
41. ng emitting a continuum Sodium atoms then obsorb part of this continuous emission and spectrum show two large absorption lines 1 14 5 Put filter in front of the spectrometer If you have color filters put them in front of the slit and look how it doesn impact the solar spectrum Look for difference between narrow band and large band filters E SNE es Lite User Manual Dcooosc 51 60 1 14 6 Spectral line catalog Here are some famous lines in spectroscopy 748 9 724 5 717 4 703 2 692 9 671 7 667 8 659 9 653 3 650 7 640 2 638 3 633 4 630 5 626 6 621 7 616 4 614 3 607 4 603 0 597 6 594 5 588 2 585 2 352 0 INSTRUMENTS 615 0 Ho 579 1 Sodium doublet Na 577 0 Sodium doublet Na 546 1 Magnesium triplet Mg 435 8 Magnesium triplet Mg 404 6 Magnesium triplet Mg Hp Hy H H line Ca Il K line Ca Il Lhires Lite User Manual DCOOO5C 656 3 589 6 589 0 518 4 517 2 516 7 486 1 434 0 410 2 396 9 393 4 52 60 1 15 References 1 15 1 Bibliography Want to go further Here are some references Foundations of Astronomy Mickael A Seed Brooks Cole edition 1 15 2 Onthe web Lhires Lite web site http www shelyak com en lhires lite html Commented high resolution solar spectrum http ljr bagn obs mip fr observing spectrum index html Spectro L discussion group http groups yahoo com group spectro l be Luak eemuws Lhires Lite User Manual DC0005C 53 60 1
42. ngueurs d onde associ es des l ments chimique en laboratoire avec les spectres obtenus par un instrument astronomique les astrophysiciens peuvent identifier les l ments contenus dans la source observ e La m thode pour identifier les raies au d part inconnues est la suivante l astronome observe l astre avec un spectroscope puis il observe un gaz connu comme le n on le titane ce qui lui donne une r f rence Ainsi calibr le spectre de l objet inconnu pr sente des raies des longueurs d onde mesur es L astronome peut alors identifier dans des catalogues ces raies par rapport des l ments chimiques observ s en laboratoire spectre de corps noir T 7000K en absorption v ga et en mission hydrog ne Ainsi les lois de Kirchhoff permettent d identifier la composition des toiles et n buleuses 1 4 4 Spectre continu du corps noir La loi de Planck Max Planck 1858 1947 a montr que la r partition de l nergie dans un spectre en fonction de la longueur d onde ne d pend que de la temp rature de la source et pas de sa composition Il a galement tablit la loi de distribution de cette nergie qui porte maintenant son nom Ej 1 fexplez AT 1 ES 400 eoo Wawe bengh nimm INSTRUMENTS Lhires Lite User Manual DCO005C 15 60 Par consequence connaitre la distribution d nergie d une toile c est acc der a sa temp rature
43. nt au dela du violet radiations qui taient capables de produire des r actions chimiques comme sur les plaques photographiques Cette partie du spectre est connue comme les ultraviolets Les infrarouges et les ultraviolets sont 7 RNA Les ute User Manual Dcooosc 25 60 absorb s par notre atmosphere et le meilleur moyen de les observer a bord de ballons en haute altitude ou avec des satellites artificiels En 1802 William Wollaston 1766 1828 en Angleterre observa des lignes sombres dans le spectre du Soleil mais les pris pour des limites naturelles entre les couleurs Joseph Fraunhofer 1787 1826 en Bavi re fut le premier en 1814 a utiliser une fente pour produire un faisceau lumineux tres fin Il d veloppa galement des m thodes pour fabriquer des prismes de meilleurs qualit qu auparavant Il r ussit ainsi observer presque 600 raies dans le spectre du Soleil En 1823 il pu mesurer les longueurs d onde et r pertoria 24 raies Il tiqueta les 9 raies ou groupes de raies les plus brillantes avec des lettres de l alphabet Cette notation est encore utilis e de nos jours Les raies du Sodium D et les raies du Calcium H amp K sont les plus connues des raies de Fraunhofer 7 N A zd E d VERS Od OF M Traunkofans tbh Gh ndet AVE CE William Wollaston et Joseph Fraunhofer utilisent ensemble des prismes pour tudier les couleurs mises par diff rents l ments chimiques Vers 1830 il est sugg r
44. nte on voit apparaitre les d fauts de rectitude de celle ci qui se traduisent par des variations de luminosit et donc des raies Enfin cet effet est tr s fortement amplifi si on ne pointe pas exactement le Soleil on vois alors un spectre tr s strit pensez a ajuster le pointage de l instrument sur le soleil si vous voyez ces raies verticales Le curseur ne tient pas en place La pression du ressort est r glable par la vis crou situ e l arri re de l instrument Reportez vous la partie qui d crit la calibration du spectrom tre en longueur d onde 7 RNA Les ute User Manual DcO00SC 35 60 1 9 3 Calibration du curseur en longueur d onde Vous pouvez tre amen reprendre la calibration du curseur en longueur d onde correspondance exacte entre la position du curseur et les raies effectivement observ es dans le Lhires lite La proc dure est la suivante D montez la but e ressort l arri re du spectrom tre avec son crou Le curseur devient alors tr s libre Mettez la place une vis M4 si possible en plastique suffisamment longue 20mm pour bloquer l axe du r seau Avant de bloquer r glez le curseur de telle sorte que le doublet du sodium se trouve bien au centre du champ de l oculaire Desserrez alors la vis qui maintient le curseur sur son axe Positionnez parfaitement le curseur sur le rep re du sodium Na MBloquez la vis du curseur D montez la v
45. opaque il fit passer la lumi re du Soleil travers cette fente puis travers un prisme en verre et une lentille convergente Il obtint des images color es de la fente sur un cran blanc L ensemble de ces images constituent un spectre pur de la lumi re blanche du Soleil Le prisme d vie la lumi re mais plus les rayons bleus que les rayons rouges Newton en tira la conclusion que les couleurs sont toutes pr sentes dans la lumi re blanche du Soleil et que le prisme a pour effet de les s parer en un spectre Newton montra ensuite que les couleurs du spectre ne peuvent pas se d composer en de nouvelles couleurs si on envoit de la lumi re verte sur un prisme on retrouve la m me lumi re en sortie Cette lumi re est dite RR 01765 Lite User Manual DCO005C 25 60 second prisme premier prisme monochromatique Par l ajout d un second prisme il recomposa la lumi re blanche Voici la relation que Newton donne lui m me d une suite d exp riences qui pr cisent en particulier ce qu il faut entendre par la couleur d un corps apres que j eus s par les rayons h t rog nes les uns des autres le spectre form par les rayons s par s en avangant depuis son extr mit sur laquelle tomb rent les rayons les plus r frangibles jusqu sont autre extr mit sur laquelle tomberent les rayons les moins r frangibles parurent les couleurs suivantes dans l ordre que je vais les nommer le violet l i
46. propagation des rayons lumineux en ligne droite emeer Lhires Lite User Manual DCO0OSC 19 60 Au I siecle avant JC le math maticien et m canicien grec H ron l Ancien crit catoptrique dont on a une traduction latine Il y expose une th orie de la vision et tudie les ph nom nes de r flexion de la lumi re sur les miroirs plans convexes ou concaves II expose le principe selon lequel la lumi re suit toujours le chemin le plus court d montrant ainsi la loi fondamentale de la r flexion l galit des angles de r flexion et d incidence Ces lois fondamentales sont tres importantes mais n expliquent pas la nature de la lumi re Un demi si cle avant JC le poete Lucr ce expose dans de natura rerum un texte didactique des th ories d Epicure le principe que les corps lumineux projettent dans l espace grande vitesse de fines pellicules qui se d tachent de leur surface m me et en reproduisent l apparence locales Recueillis par l il humain ces simulacres reconstituent l chelle r duite l aspect ext rieur des corps dont ils manent et dont ils sont suppos s conserver toutes les propri t s sensibles Cette th orie de grains se d plagant tr s grande vitesse bien que d nu e de fondement scientifique expos e ainsi va toutefois trouver des siecles plus tard un cho remarquable z Au d but du II si cle Ptol m e a compos une immense uvre sur l astronomie les ma
47. s Lite is a standard Kodak photographic thread Put the eyepiece in the eyepiece holder leaving 5mm of space the eyepiece holder is short to allow use of webcam Lock the screw Point the Lhires Lite toward the Sun Use the gnomon the stick that extend from the Lhires Lite like sundial stick so it s shadow disapears the solar light then goes straight into the slit Z ER Lhires Lite User Manual bC0005C 40 60 Your Lhires Lite includes an extension tube which allow better use of eyepieces To get more backfocus you can remove that extension tube Your Lhires III can then accept webcam and some other shoft backfocus camera emmwww Lhires Lite User Manual bC0005C 141 960 Position the scale index in the middle for exemple in the yellow area where human eye is the most sensitive Watch the solar spectrum adjust focus but turning the eyepiece holder so dark absorption lines are as sharp as possible Turn the scale index to move through the solar spectrum Look for very visible dark lines hydrogen Ha in the red a very large dark line sodium doublet Na in the yellow area magnesium Mg triplet in the green HB amp Hy in the blue etc To conduct miscelaneous projects through this booklet and more you can change the scale We provide a set of those but you can easily make your own You are now up and ready emmuwsr Lhires Lite User Manual DC0005C
48. t which has been isolated on Earth in 1895 Helium Johann Balmer developed an empiric formula in 1885 for the position of hydrogen emission line Ha Hb Hg This formula was extended to other elements by Johannes Rydberg But it s Niels Bohr who brought in 1920 a theory to the spectral line process The Bohr model is based on quantum theory and electronic clouds around atomic nucleus Astronomy faced a revolution an evolution toward Astrophysics The language of light was just decrypted INSTRUMENTS Lhires Lite User Manual DCO005C 45 60 Coded light is rich of lof of information on effective temperature at the surface Wien law e on radial rotation and expansion movement Doppler effect e on stellar density and pressure e on chemical composition 1 13 4 Effective temperature and spectral types Stars are almost like black bodies They emit energy at all wavelengths with a continuous spectra Its shape is a Planck curve whose maximum is directly linked to the effective temperature of the surface stellar atmosphere this is the Wien law 10000K RUN 3000K 3000K 4500 5500 6500 7500 8500 Continuous spectra of several black bodies Our Sun has an effective surface temperature around 6000K visible stars to us have temperature between 3000K and 30000K Stars are classified based on their temperature with historical letters O B A F G K M Stars with O type are the hottest while M type are the coolest
49. th matiques la physique la g ographie la musique etc Ce grand nom de Lila science alexandrine crivit optique un ouvrage sans JA nouveaut mais regroupant les connaissances de l poque S en un tout m thodique v ritable point de d part aux K recherches ult rieures L ouvrage a le m rite de pr senter pour la premi re fois une tude approfondie du ph nom ne de la r fraction Nous sommes galement redevables Ptol m e de consid rations d ordre philosophique sur la nature de la lumi re de la vision et des couleurs Au moyen ge Ibn al Haytham n vers 965 Bassora en Irak et plut t appel al Hazen en occident a laiss des crits tr s int ressants sur la vision Il s oppose en particulier la th orie antique selon laquelle l il met des rayonnements qui explorent les objets et transmettent les sensation visuelles l esprit Son optique publi e B te en 1572 offre la premi re description scientifique du fonctionnement de l il mentionnant clairement que l objet et non l il est la cause de la vision En 1304 Th odoric de Fribourg expliqua correctement le ph nom ne des arcs en ciel Par exp rimentation avec un bol sph rique rempli d eau il montra que l arc provient de la r flexion de la lumi re du Soleil par des gouttelettes d eau dans l atmosph re RR Lhires Lite User Manual DCO005C 20 60 A la fin du XVI si cle les physiciens s interrogent toujours sur la
50. the same lines in the solar spectra in 1857 solar spectra with a Lhires III O Garde 1 13 2 Different types of spectra Spectrography analyses light from sources away from us It allows the study if the chemical composition temperature pressure and movement Sy O emmwww Lhires Lite User Manual DCO005C 44 60 There are three types of spectra following the Kirchoff law 1 Continuous spectra it is emitted by any solid or gazeous body under high presure and high temperature Stars are under first approximation like black body whose continuous spectra has a shape which depends on its surface temperature 2 Absorption line spectra a low pressure low temperature gaz crossed by a continuous light absorbs some photons Spectra then shows dark lines in front of the continuous spectra 3 Emission line spectra a low pressure high temperature gaz emits a light made of few radiations characteristics of the atoms that constitutes this gaz Each chemical element has its own line spectra true identity card of its composition and state An important property of those absoprtion and emission spectra is that lines are emitted at the same wavelength that they are absorbed 1 13 3 Message from light Spectroscopy was extended to the study of stars and nebulae in which new elements were discovered Sir Norman Lockyer and Jule Janssen discovered in 1868 during a solar eclipse a new elemen
51. tre ne montre qu une seule raie d mission A plus haute temp rature plus de transitions sont possibles et le spectres montre plus de raies d mission caract ristiques du type d atome qui compose le gaz Spectre de raies d absorption Troisi me loi de Kirchhoff un gaz basse pression et basse temp rature s il est situ entre un observateur et une source de rayonnement continu absorbe certaines couleurs produisant des raies qui apparaissent en absorption superpos es un spectre continu Ces raies en absorption se retrouvent aux m mes longueurs d onde que celles mises lorsque le gaz tait chaud Une source de lumi re spectre continu un corps noir lumineux contient des photons de toutes longueurs d ondes de toutes nergies Pour qu un lectron transite d un niveau stable un niveau excit il est n cessaire que l atome absorbe un photon dont l nergie corresponde rigoureusement la diff rence d nergie entre ces deux niveaux stable et excite A l inverse lorsque l lectron redescend un niveau stable il met un photon d nergie gale la diff rence d nergie entre ces deux niveaux Chaque l ment chimique a ses niveaux d nergie qui lui sont E Raney es Lite User Manual penos 13 60 propres et qui constituent en quelque sorte sa signature Imaginons maintenant qu on regarde la source travers un gaz Dans les atomes constituant ce gaz les electrons vont bien entendu redescendre a l
52. ue de la lumi re des galaxies vers le rouge qui a d montr que l univers tait en expansion selon la fameuse loi de Hubble L effet Doppler Fizeau joue un r le tr s important en astrophysique parce que les astres sont anim s de vitesses les uns par rapport aux autres Comme la plupart d entre eux sont situ s des distances consid rables il n est g n ralement pas possible de mettre en vidence leurs d placements apparents et de d terminer la composantes transverse de leur vitesse la seul composante accessible est alors la composante radiale grace l effet Doppler Fizeau qu elle provoque dans leur spectre Le d calage en longueur d onde AX pour la lumi re d pend de la vitesse radiale v de l objet par rapport a l observateur AUX V C o c est la vitesse de la lumi re dans le vide Par convention lorsque la source s approche de l observateur la vitesse v est n gative lorsque la source s en loigne elle est positive Cette quation n est toutefois valable que pour des vitesses petites par rapport celle de la lumi re par exemple en dessous de O ic Cela permet d j 7 SNE e Lite User Manual Dcooosc 18 60 d tudier les vitesses des toiles et les rotations des galaxies Au dela de 0 16 il faut tenir compte d un effet relativiste qui ralentit le temps 1 5 Pour resumer C est l ensemble des ph nom nes d crits ici spectre continu de corps noir raies d absorption ou d mission
53. xperiences optique fraunhofer fraunhofer htm 1 7 5 Mettre des filtres devant le spectrometre Si vous disposez de filtres de couleur vous pourrez les placer devant la fente du spectrographe et observer ce qui se passe vous pourrez aussi montrer la diff rence entre des filtres larges qui laissent passer un grand domaine de longueurs d onde et les filtre bande troite qui sont tr s s lectifs 7 es Lite User Manual Dcooosc 21 60 1 7 6 Catalogue de raies spectrales Afin de vous aider dans vos observations voici quelques raies classiques en spectroscopie 748 9 724 5 717 4 703 2 692 9 671 7 667 8 659 9 653 3 650 7 640 2 638 3 633 4 630 5 626 6 621 7 616 4 614 3 607 4 603 0 597 6 594 5 588 2 585 2 352 0 INSTRUMENTS 615 0 579 1 577 0 546 1 435 8 404 6 Ha Doublet Sodium Na Doublet Sodium Na Triplet Magn sium Mg Triplet Magn sium Mg Triplet Magn sium Mg Hp Hy H Raie H Ca2 Raie K Ca2 Lhires Lite User Manual DCOOO5C 656 3 589 6 589 0 518 4 517 2 516 7 486 1 434 0 410 2 396 9 393 4 32 60 1 8 References 1 8 1 Bibliographie Vous avez envie d aller plus loin Alors voici quelques pistes Les couleurs de l Univers Ya l Naz dition Belin pour la science Les figures de l arc en ciel Michel Blay dition Belin pour la science Lumi re et luminescence Bernard Valeur dition Belin pour la science L astronom
54. y In general solar observation with an instrument can be very dangerouse and provocate severe damage on eyes for exemple This is not the case for the Lhires Lite because Only a few portion of the solar flux goes through the slit some micron large Light is dispersed by the instrument only a portion of total spectrum is watched at a certain moment Never look directly at the Sun but use the gnomon to point the Lhires Lite toward the right direction Still be always careful while using the Lhires Lite and ensure it is used in normal conditions If you dismantle it ensure this is done by qualified people On spectral lamps be careful to use low power ones as the intensity can be concentrated on few emission lines do not look at high power spectral lamp without being certain that the light emitted won t damage your eyes 1 11 1 Material You will find in the Lhires Lite bow the following items e Lhires spectrometer e an eyepiece 1 25 inch diameter e scaling sheets Sun numbered scale Mercury Hg Sodium Na e illustrated solar spectrum You will also need the folowwing e photographic tripod e apen e standard low power incandescent lamp INSTRUMENTS Lhires Lite User Manual DCO005C 39 60 low consumption lamp e miscaleneous low intensity lamps e the Sun 1 11 2 Set Up Choose a sunny day Setup your Lhires Lite on a photographic tripod mount at bottom of your Lhire
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