ChemCam : analyser une roche martienne avec un laser

Ce premier exercice du bac S 2014 de Nouvelle-Calédonie, noté sur 5 points et prévu pour environ 50 minutes, part d'un instrument bien réel : ChemCam, installé sur le robot Curiosity. Un laser pulsé chauffe un point de la roche jusqu'à former un plasma, dont la lumière est ensuite décomposée par un spectromètre. L'exercice enchaîne donc deux parties : les caractéristiques du faisceau laser, puis la lecture des spectres d'émission. Il mobilise les ondes électromagnétiques, la relation entre puissance et énergie, et la quantification des niveaux d'énergie.

Question 1.1 : deux propriétés du laser

Il suffit d'en citer deux parmi la monochromaticité, la directivité du faisceau et la concentration de l'énergie dans l'espace, voire dans le temps pour un laser pulsé. Le laser figurait au programme de Terminale S ; il n'est plus étudié en spécialité aujourd'hui, mais la suite de l'exercice reste pleinement d'actualité.

Question 1.2 : une lumière visible ?

Le laser émet à 1067 nm. Le visible s'étend d'environ 400 à 800 nm dans le vide : la longueur d'onde est supérieure à 800 nm, le rayonnement appartient donc à l'infrarouge. Le verbe « justifier » impose de citer les bornes du visible et de nommer le domaine ; un simple « non » ne rapporte rien.

Question 1.3 : l'irradiance suffit-elle ?

C'est le calcul central de la première partie. La puissance d'une impulsion vaut P = E/Δt, soit 15 mJ divisés par 5 ns, donc 3 × 10⁶ W. La tache éclairée est un disque de diamètre 350 µm : son aire, calculée avec le rayon, vaut environ 9,6 × 10^-4 cm². L'irradiance, puissance par unité de surface, atteint ainsi environ 3 GW·cm^-2, au-dessus du seuil de 1,0 GW·cm^-2 nécessaire au plasma. Deux pièges guettent : oublier de convertir le diamètre en centimètres, puisque le seuil est donné en GW·cm^-2, et prendre le diamètre au lieu du rayon dans l'aire du disque. Le résultat ne garde qu'un chiffre significatif, comme la durée de 5 ns.

Question 2.1 : pourquoi chaque élément a son spectre

L'énergie d'un atome ou d'un ion est quantifiée, et ses niveaux sont propres à chaque espèce. Une transition d'un niveau supérieur vers un niveau inférieur émet un photon d'énergie ΔE = hc/λ : des niveaux différents donnent des longueurs d'onde différentes. Le spectre d'émission est ainsi la signature de l'élément.

Question 2.2 : la raie à 423 nm de l'ion Ca⁺

On calcule l'énergie du photon, environ 4,70 × 10^-19 J, puis on la convertit en électronvolts : 2,94 eV. On cherche ensuite, dans le diagramme du document 2, deux niveaux dont l'écart vaut cette énergie. Seule la transition du niveau 2,94 eV vers le niveau fondamental 0,00 eV convient. Il faut raisonner sur un écart entre niveaux et non chercher directement un niveau égal à 2,94 eV, même si la coïncidence existe ici.

Question 2.3 : l'analyseur fonctionne-t-il ?

La roche témoin contient du calcium : son spectre doit présenter les six raies de Ca⁺ données dans le document 3. On les retrouve toutes, aux pics B, D, F, J, K et L. Les autres pics viennent d'autres éléments de la roche et ne remettent pas en cause le test. Près de 394 nm, il faut retenir le pic intense B plutôt que le petit pic voisin C.

Conseils pour réussir

Soignez les conversions (nanomètres en mètres, micromètres en centimètres), écrivez toujours la formule littérale avant l'application numérique, et concluez chaque question par une phrase qui compare le résultat au critère demandé : seuil d'irradiance, bornes du visible ou liste de raies attendues.