Spectroscopie - Spectroscopy

Un exemple de spectroscopie : un prisme analyse la lumière blanche en la dispersant dans ses couleurs composantes.

La spectroscopie est l'étude de l' interaction entre la matière et le rayonnement électromagnétique en fonction de la longueur d'onde ou de la fréquence du rayonnement. En termes plus simples, la spectroscopie est l'étude précise de la couleur telle qu'elle est généralisée de la lumière visible à toutes les bandes du spectre électromagnétique ; en effet, historiquement, la spectroscopie est née de l'étude de la dépendance à la longueur d'onde de l'absorption par la matière en phase gazeuse de la lumière visible dispersée par un prisme . Les ondes de matière et les ondes acoustiques peuvent également être considérées comme des formes d'énergie radiative, et récemment les ondes gravitationnelles ont été associées à une signature spectrale dans le contexte de l' Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO).

La spectroscopie, principalement dans le spectre électromagnétique, est un outil exploratoire fondamental dans les domaines de la physique , de la chimie et de l' astronomie , permettant d'étudier la composition, la structure physique et la structure électronique de la matière à l'échelle atomique, moléculaire et macro, et plus astronomique. distances . Des applications importantes découlent de la spectroscopie biomédicale dans les domaines de l' analyse tissulaire et de l'imagerie médicale .

introduction

La spectroscopie et la spectrographie sont des termes utilisés pour désigner la mesure de l'intensité du rayonnement en fonction de la longueur d'onde et sont souvent utilisés pour décrire des méthodes spectroscopiques expérimentales . Les appareils de mesure spectrale sont appelés spectromètres , spectrophotomètres , spectrographes ou analyseurs spectraux .

Les observations quotidiennes de la couleur peuvent être liées à la spectroscopie. L'éclairage au néon est une application directe de la spectroscopie atomique . Le néon et d'autres gaz rares ont des fréquences d'émission caractéristiques (couleurs). Les lampes au néon utilisent la collision d'électrons avec le gaz pour exciter ces émissions. Les encres , les colorants et les peintures comprennent des composés chimiques sélectionnés pour leurs caractéristiques spectrales afin de générer des couleurs et des teintes spécifiques. Un spectre moléculaire couramment rencontré est celui du dioxyde d'azote . Le dioxyde d'azote gazeux a une caractéristique d'absorption rouge caractéristique, ce qui donne à l'air pollué par le dioxyde d'azote une couleur brun rougeâtre. La diffusion Rayleigh est un phénomène de diffusion spectroscopique qui explique la couleur du ciel.

Les études spectroscopiques étaient au cœur du développement de la mécanique quantique et comprenaient l' explication de Max Planck sur le rayonnement du corps noir , l' explication d' Albert Einstein de l' effet photoélectrique et l' explication de Niels Bohr de la structure et des spectres atomiques . La spectroscopie est utilisée en chimie physique et analytique car les atomes et les molécules ont des spectres uniques. En conséquence, ces spectres peuvent être utilisés pour détecter, identifier et quantifier des informations sur les atomes et les molécules. La spectroscopie est également utilisée en astronomie et en télédétection sur Terre. La plupart des télescopes de recherche ont des spectrographes. Les spectres mesurés sont utilisés pour déterminer la composition chimique et les propriétés physiques des objets astronomiques (telles que leur température et leur vitesse ).

Théorie

L'un des concepts centraux de la spectroscopie est une résonance et sa fréquence de résonance correspondante. Les résonances ont d'abord été caractérisées dans des systèmes mécaniques tels que les pendules . Les systèmes mécaniques qui vibrent ou oscillent subiront des oscillations de grande amplitude lorsqu'ils sont entraînés à leur fréquence de résonance. Un tracé de l'amplitude en fonction de la fréquence d'excitation aura un pic centré sur la fréquence de résonance. Ce tracé est un type de spectre , le pic étant souvent appelé raie spectrale , et la plupart des raies spectrales ont une apparence similaire.

Dans les systèmes de mécanique quantique, la résonance analogue est un couplage de deux états stationnaires de mécanique quantique d'un système, tel qu'un atome , via une source d'énergie oscillatoire telle qu'un photon . Le couplage des deux états est le plus fort lorsque l'énergie de la source correspond à la différence d'énergie entre les deux états. L'énergie E d'un photon est liée à sa fréquence ν par E = hv où h est la constante de Planck , et ainsi un spectre de la réponse du système par rapport à la fréquence de photon sera à son maximum à la fréquence de résonance ou de l' énergie. Les particules telles que les électrons et les neutrons ont une relation comparable, les relations de Broglie , entre leur énergie cinétique et leur longueur d'onde et fréquence et peuvent donc également exciter des interactions résonantes.

Les spectres d'atomes et de molécules consistent souvent en une série de raies spectrales, chacune représentant une résonance entre deux états quantiques différents. L'explication de ces séries, et les modèles spectraux qui leur sont associés, ont été l'une des énigmes expérimentales qui ont conduit au développement et à l'acceptation de la mécanique quantique. La série spectrale de l'hydrogène en particulier a été expliquée pour la première fois avec succès par le modèle quantique de Rutherford-Bohr de l'atome d'hydrogène. Dans certains cas, les raies spectrales sont bien séparées et distinguables, mais les raies spectrales peuvent également se chevaucher et apparaître comme une transition unique si la densité d'états énergétiques est suffisamment élevée. Les séries de lignes nommées comprennent les séries principales , nettes , diffuses et fondamentales .

Classification des méthodes

Un immense réseau de diffraction au cœur du spectrographe ultra-précis ESPRESSO .

La spectroscopie est un domaine suffisamment large pour qu'il existe de nombreuses sous-disciplines, chacune avec de nombreuses implémentations de techniques spectroscopiques spécifiques. Les différentes implémentations et techniques peuvent être classées de plusieurs manières.

Type d'énergie radiative

Les types de spectroscopie se distinguent par le type d'énergie radiative impliquée dans l'interaction. Dans de nombreuses applications, le spectre est déterminé en mesurant les changements d'intensité ou de fréquence de cette énergie. Les types d'énergie radiative étudiés comprennent :

Nature de l'interaction

Les types de spectroscopie peuvent également être distingués par la nature de l'interaction entre l'énergie et le matériau. Ces interactions comprennent :

  • Spectroscopie d'absorption : L'absorption se produit lorsque l'énergie de la source radiative est absorbée par le matériau. L'absorption est souvent déterminée en mesurant la fraction d'énergie transmise à travers le matériau, l'absorption diminuant la portion transmise.
  • Spectroscopie d'émission : L'émission indique que l'énergie radiative est libérée par le matériau. Le spectre du corps noir d' un matériau est un spectre d'émission spontanée déterminé par sa température. Cette caractéristique peut être mesurée dans l'infrarouge par des instruments tels que l'interféromètre à rayonnement atmosphérique émis. L'émission peut également être induite par d'autres sources d'énergie telles que des flammes , des étincelles , des arcs électriques ou des rayonnements électromagnétiques dans le cas de la fluorescence .
  • La diffusion élastique et la spectroscopie de réflexion déterminent comment le rayonnement incident est réfléchi ou diffusé par un matériau. La cristallographie utilise la diffusion de rayonnements à haute énergie, tels que les rayons X et les électrons, pour examiner la disposition des atomes dans les protéines et les cristaux solides.
  • Spectroscopie d'impédance : L'impédance est la capacité d'un milieu à entraver ou à ralentir la transmittance de l'énergie. Pour les applications optiques , cela se caractérise par l' indice de réfraction .
  • Les phénomènes de diffusion inélastique impliquent un échange d'énergie entre le rayonnement et la matière qui décale la longueur d'onde du rayonnement diffusé. Il s'agit notamment de la diffusion Raman et Compton .
  • La spectroscopie cohérente ou par résonance sont des techniques où l'énergie radiative couple deux états quantiques du matériau dans une interaction cohérente qui est entretenue par le champ rayonnant. La cohérence peut être perturbée par d'autres interactions, telles que les collisions de particules et le transfert d'énergie, et nécessite donc souvent le maintien d'un rayonnement de haute intensité. La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode de résonance largement utilisée, et la spectroscopie laser ultrarapide est également possible dans les régions spectrales infrarouge et visible.
  • Les spectroscopies nucléaires sont des méthodes qui utilisent les propriétés de noyaux spécifiques pour sonder la structure locale de la matière, principalement de la matière condensée , des molécules dans des liquides ou des liquides congelés et des biomolécules.

Type de materiel

Les études spectroscopiques sont conçues de manière à ce que l' énergie rayonnante interagisse avec des types spécifiques de matière.

Atomes

La spectroscopie atomique a été la première application de la spectroscopie développée. La spectroscopie d'absorption atomique et la spectroscopie d'émission atomique impliquent la lumière visible et ultraviolette. Ces absorptions et émissions, souvent appelées raies spectrales atomiques, sont dues aux transitions électroniques des électrons de la couche externe lorsqu'ils montent et descendent d'une orbite électronique à une autre. Les atomes ont également des spectres de rayons X distincts qui sont attribuables à l'excitation des électrons de la couche interne à des états excités.

Les atomes de différents éléments ont des spectres distincts et la spectroscopie atomique permet donc l'identification et la quantification de la composition élémentaire d'un échantillon. Après avoir inventé le spectroscope, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff ont découvert de nouveaux éléments en observant leurs spectres d'émission. Des raies d'absorption atomique sont observées dans le spectre solaire et appelées raies de Fraunhofer d' après leur découvreur. Une explication complète du spectre de l' hydrogène a été l'un des premiers succès de la mécanique quantique et a expliqué le décalage de Lamb observé dans le spectre de l'hydrogène, qui a ensuite conduit au développement de l'électrodynamique quantique .

Implémentations modernes de spectroscopie atomique pour étudier les transitions visibles et ultraviolets comprennent la spectroscopie d'émission de la flamme , à couplage inductif spectroscopie d'émission atomique à plasma , spectroscopie de décharge luminescente , le plasma induit par micro - ondes spectroscopie et étincelle ou par spectroscopie d'émission arc. Les techniques d'étude des spectres de rayons X comprennent la spectroscopie des rayons X et la fluorescence des rayons X .

Molécules

La combinaison d'atomes en molécules conduit à la création de types uniques d'états énergétiques et donc de spectres uniques de transitions entre ces états. Les spectres moléculaires peuvent être obtenus grâce aux états de spin des électrons ( résonance paramagnétique électronique ), aux rotations moléculaires , aux vibrations moléculaires et aux états électroniques. Les rotations sont des mouvements collectifs des noyaux atomiques et conduisent généralement à des spectres dans les régions spectrales des micro-ondes et des ondes millimétriques. La spectroscopie rotationnelle et la spectroscopie micro-ondes sont synonymes. Les vibrations sont des mouvements relatifs des noyaux atomiques et sont étudiées par spectroscopie infrarouge et Raman . Les excitations électroniques sont étudiées par spectroscopie visible et ultraviolette ainsi que par spectroscopie de fluorescence .

Des études en spectroscopie moléculaire ont conduit au développement du premier maser et ont contribué au développement ultérieur du laser .

Cristaux et matériaux étendus

La combinaison d'atomes ou de molécules en cristaux ou autres formes étendues conduit à la création d'états énergétiques supplémentaires. Ces états sont nombreux et ont donc une forte densité d'états. Cette densité élevée rend souvent les spectres plus faibles et moins distincts, c'est-à-dire plus larges. Par exemple, le rayonnement du corps noir est dû aux mouvements thermiques des atomes et des molécules à l'intérieur d'un matériau. Les réponses acoustiques et mécaniques sont également dues aux mouvements collectifs. Les cristaux purs, cependant, peuvent avoir des transitions spectrales distinctes, et l'arrangement cristallin a également un effet sur les spectres moléculaires observés. La structure réticulaire régulière des cristaux diffuse également des rayons X, des électrons ou des neutrons permettant des études cristallographiques.

Noyaux

Les noyaux ont également des états d'énergie distincts qui sont largement séparés et conduisent à des spectres de rayons gamma . Des états de spin nucléaire distincts peuvent avoir leur énergie séparée par un champ magnétique, ce qui permet la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire .

Autres types

D'autres types de spectroscopie se distinguent par des applications ou des mises en œuvre spécifiques :

Applications

UVES est un spectrographe haute résolution sur le Very Large Telescope .

Il existe plusieurs applications à la spectroscopie dans le domaine de la médecine, de la physique, de la chimie et de l'astronomie. Profitant des propriétés d' absorbance , la spectroscopie peut être utilisée pour identifier certains états de la nature. De tels exemples incluent :

  • Suivi du durcissement des composites par fibres optiques .
  • Estimez les temps d'exposition du bois altéré à l'aide de la spectroscopie proche infrarouge.
  • Mesure de différents composés dans des échantillons alimentaires par spectroscopie d'absorption à la fois dans le spectre visible et infrarouge.
  • Mesure des composés toxiques dans les échantillons de sang
  • Analyse élémentaire non destructive par fluorescence X .
  • Recherche de structure électronique avec divers spectroscopes.
  • Radar pour déterminer la vitesse et la vélocité d'un objet distant
  • Trouver les propriétés physiques d'une étoile lointaine ou d'une exoplanète proche en utilisant l' effet Doppler relativiste .
  • Sexage in-ovo : la spectroscopie permet de déterminer le sexe de l'œuf pendant l'éclosion. Développé par des entreprises françaises et allemandes, les deux pays ont décidé d'interdire l' abattage des poussins , principalement effectué au moyen d'un macérateur, en 2022.

Histoire

Article détaillé : Histoire de la spectroscopie

L'histoire de la spectroscopie a commencé avec les expériences d'optique d' Isaac Newton (1666-1672). Selon Andrew Fraknoi et David Morrison , "En 1672, dans le premier article qu'il a soumis à la Royal Society , Isaac Newton a décrit une expérience dans laquelle il a permis à la lumière du soleil de passer à travers un petit trou puis à travers un prisme. Newton a découvert que la lumière du soleil , qui nous semble blanc, est en fait composé d'un mélange de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel." Newton a appliqué le mot "spectre" pour décrire l'arc-en-ciel de couleurs qui se combinent pour former la lumière blanche et qui sont révélées lorsque la lumière blanche passe à travers un prisme.

Fraknoi et Morrison déclarent que "En 1802, William Hyde Wollaston a construit un spectromètre amélioré qui comprenait une lentille pour focaliser le spectre du Soleil sur un écran. Lors de son utilisation, Wollaston s'est rendu compte que les couleurs n'étaient pas réparties uniformément, mais qu'il manquait plutôt des taches de couleurs, qui apparaissaient sous forme de bandes sombres dans le spectre." Au début des années 1800, Joseph von Fraunhofer a fait des progrès expérimentaux avec des spectromètres dispersifs qui ont permis à la spectroscopie de devenir une technique scientifique plus précise et quantitative. Depuis lors, la spectroscopie a joué et continue de jouer un rôle important en chimie, en physique et en astronomie. Par Fraknoi et Morrison, « Plus tard, en 1815, le physicien allemand Joseph Fraunhofer a également examiné le spectre solaire et a trouvé environ 600 raies sombres (couleurs manquantes), qui sont maintenant connues sous le nom de raies de Fraunhofer ou raies d'absorption.

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes