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Friday, 26 July 2024

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Les rayonnements émis par une étoile chaude seront le plus souvent bleutés, à cause de la forte température du corps céleste. Expression de la loi de Wien (et lois associées) La loi de Wien s'applique aux sources chaudes (aussi appelées corps noirs) et permet de relier la température T d'une source chaude à la longueur d'onde de l'intensité lumineuse maximale λ max La loi de Wien est définie pour de hautes fréquences de rayonnements, alors que la loi de Rayleigh est, de façon équivalente, adaptée aux faibles fréquences de rayonnements. Il existe une loi adaptée aux fréquences intermédiaires, la loi de Planck, qui relie les deux lois précédemment citées. Cette loi est basée sur la notion de quantum, définie par Planck comme un « élément d'énergie e » proportionnel à la fréquence ν, avec une constante de proportionnalité h. Elle exprime la luminescence d'un corps noir à la température T. [L_lambda^0=frac{2times h times c_2^0}{lambda^{5}(e^{frac{h times c_{0}}{lambda times k_{B}times T}}-1)}] Le résultat de cette formule est exprimé en W. m -2. m -1 -1.

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Première S Physique-Chimie Méthode: Utiliser la loi de Wien pour déterminer la longueur d'onde correspondant au maximum d'émission d'une source La loi de Wien permet de déterminer la longueur d'onde correspondant au maximum d'émission d'un corps incandescent à partir de sa température de surface. La température de surface du Soleil est d'environ 5500°C. En déduire la longueur d'onde correspondant à son maximum d'émission.

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Si θ est la température exprimée en degrés Celsius et T la température exprimée en Kelvin, alors la relation entre les deux est: [T=theta + 273, 15] Il est important de noter qu'on ne parle pas de « degré Kelvin », mais bien de Kelvin. Utilisation de la loi de Wien La loi de Wien peut être utilisée pour déterminer la température d'une source chaude dont le spectre et λmax sont connus, ou inversement il est possible de déterminer λmax à partir de la température d'une source chaude. Mesure de la température des étoiles La première utilisation est la plus courante, elle permet notamment de déterminer la température de la surface d'une étoile. Pour cela, il suffit d'observer le spectre d'une étoile donnée, et de déterminer la longueur d'onde pour laquelle on obtient un maximum d'intensité lumineuse (aussi appelé « luminance spectrale »). La lumière émise par la source chaude est caractéristique de la température de cette source: on obtient alors une intensité maximale différente pour des longueurs d'onde différentes selon la température de la source.

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Une fois simplifiée, avec la constante de Boltzmann k B égale à 1, 38064852 x 10 -23 J. K -1, c 0 la vitesse de la lumière dans le vide (approximativement 3, 00 x 10 8 m. s -1) et h la constante de Planck (6, 62607004 x 10 -34 m 2), on obtient la loi de Wien précédemment évoquée. La loi peut alors s'écrire sous forme de la formule suivante: [lambda_{max}times T=2, 898times10^{-3}] Dans cette formule, λ max est en mètre (m), T est en Kelvin (K). La constante 2, 898 x 10 -3 est exprimée en Kelvin mètre (K. m). La loi arrondie correspond alors à une luminescence maximale égale à: [L_{lambda max}^0=4, 096times10^{-12}times T^{5}] Le Kelvin Dans la loi de Wien, la température s'exprime en kelvin (K). C'est cette unité qui permet de mesurer la température dans le système international de mesure (SI). Le Kelvin permet une mesure absolue de la température. C'est à l'aide de cette unité que l'on peut mesurer le zéro absolu, température la plus basse qui puisse exister sur Terre. Elle correspond à 0 K, soit – 273, 15 °C.

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Rayonnement des corps noirs La loi de Wien a été initialement définie pour caractériser le lien entre le rayonnement d'un corps noir et sa longueur d'onde. Un corps noir est défini comme une surface idéale théorique, capable d'absorber tout rayonnement électromagnétique peu importe sa longueur d'onde ou sa direction (expliquant ainsi la qualification de « corps noir », car tous les rayonnements visibles sont absorbés), sans réfléchir de rayonnement ou en transmettre. Ce corps noir va produire un rayonnement isotrope supérieur à ceux d'autres corps à température de surface équivalente, afin de restituer l'énergie thermique absorbée. Le rayonnement émis ne dépend pas du matériau constituant le corps noir: le spectre électromagnétique d'un corps noir ne dépend que de sa température. La quantification de l'énergie des rayonnements restitués correspond à des « paquets d'énergie » multiples de h x (c/λ), assimilables à l'énergie d'un photon. C'est ainsi que Max Plank, physicien du XXe siècle, définit un quantum d'énergie.

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Mesures courantes De la même façon, on peut déterminer la température d'une source chaude à courte distante à l'aide d'un spectromètre. Il est cependant nécessaire de garder à l'esprit que la lumière provenant d'un objet n'est pas nécessairement de nature thermique: couleur et température ne sont pas toujours liés. En effet, si on suivait strictement la loi de Wien en calculant la « température du ciel » avec une longueur d'onde maximale de 400 nm, on obtiendrait une température de 7200°C!

Si cette température est suffisamment élevée, les rayonnements peuvent devenir visibles. Ces sources produisent un spectre continu qui peut être analysé par un spectromètre. Néanmoins, l'intensité n'est pas la même pour toutes les longueurs d'onde: il existe une valeur de longueur d'onde notée λmax pour laquelle l'intensité lumineuse est maximale. Ce spectre est caractéristique de la source et de la température à laquelle la source est soumise: les premières radiations visibles seront rouges, puis elles tireront vers l'orange ou le jaune jusqu'à l'obtention d'une lumière blanche. Plus la source sera chauffée, plus les radiations tireront vers le bleu. Il faut donc comprendre que plus la température d'un corps chauffé est élevée, plus son profil spectral s'enrichit de rayons de courtes longueurs d'onde. La longueur d'onde correspondant à l'intensité maximale devient également plus faible plus la température du corps est élevée. On peut donc supposer qu'il existe une constante qui relie la température du corps à la longueur d'onde maximale.