Spectroscopie

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Specte d'absorption d'extrême haute résolution du Soleil, laissant apparaître les lignes d'absorption de Fraunhofer

La spectroscopie, ou spectrométrie, est l'étude du spectre électromagnétique d'un phénomène.

Le suffixe « -scopie » fait référence à l'observation visuelle, par exemple l'impression sur un film photographique, la projection sur un écran ou bien l'utilisation d'une lunette d'observation (par exemple lunette montée sur un goniomètre pour la dispersion de la lumière par un prisme). Le suffixe « -métrie » fait référence à l'enregistrement d'un signal par un appareil (table traçante ou enregistrement électronique).

Cette grandeur peut être un rayonnement électromagnétique, mais aussi une onde mécanique comme le son ou les ondes sismiques, ou encore des particules ou des masses . L'instrument de mesure permettant d'obtenir un spectre est un spectromètre.

La spectroscopie est utilisée dans de nombreux domaines : astronomie, biophysique, chimie, physique atomique, physique nucléaire, physique du solide...

Il existe différents types de spectroscopies classées suivant la grandeur physique mesurée ou le processus de la mesure.

Sommaire

1 Notion de spectre
- 1.1 Spectre électromagnétique
2 Différents types de spectroscopie
3 Processus de mesure
4 Voir aussi
5 Liens externes

[modifier] Notion de spectre

Voir l’article Analyse spectrale.

La lumière visible, lorsqu'elle est « dispersée » par un prisme ou un réseau de diffraction, révèle sa composition ou spectre. L'arc-en-ciel en est l'illustration la plus connue, obtenu par la dispersion d'une lumière, celle du Soleil, par les gouttes d'eau de la pluie jouant le rôle de disperseur en direction de la lumière du soleil : chaque couleur ou fréquence part dans une direction différente.

On voit ainsi que la lumière peut être décomposée en plusieurs couleurs, et que c'est ce « dosage » entre les différentes couleurs qui donne la couleur finale.

Lorsqu'un instrument joue un son musical, ce son comporte plusieurs harmoniques, et l'oreille exercée d'un musicien peut y déceler plusieurs hauteurs ; par exemple si un piano joue un do, on entendra de manière faible un do à l'octave supérieure, puis un sol plus aigu, puis encore un do... C'est le dosage entre ces harmoniques qui caractérise entre autre le timbre de l'instrument. Tous les sons comprennent ainsi une série de partiels ou d'harmoniques, qui définissent ses principales caractéristiques (hauteur, intensité, sonorité, ...), visualisées depuis le début du siècle par un appareil appelé sonagraphe, appareil qui donne une représentation à peu près exacte du spectre sonore, évolutif.

Mais la notion de spectre est plus générale. Prenons par exemple un flot d'automobiles sur une route. On peut déterminer le nombre n(x) de voitures se trouvant dans une bande de 100 m autour du point kilométrique x, c'est la densité de circulation. On peut aussi déterminer le nombre N(v) de voitures ayant une vitesse v, quelque soit leur position sur la route. On peut dire que N est le spectre en vitesse de la densité de circulation n ; il s'agit de deux manières complémentaires de décrire le même objet.

De manière générale, on peut parler de spectre lorsque l'on a deux variables duales, c'est-à-dire lorsqu'une fonction ƒ d'une variable x peut se décomposer en une suite de fonctions g dépendant d'un paramètre y multipliée par une fonction a, a dépendant du produit x·y :

$f(x) = \sum_y g(y) \cdot a(y \cdot x)$ soit $f(x) = g(1) \cdot a(x) + g(2) \cdot a(2x) + g(3) \cdot a(3x)...$

ou de manière plus générale

$f(x) = \int_y g(y) \cdot a(y \cdot x) \cdot dy$

a(X) étant une fonction standard ; en physique, on ne considère en général que des fonctions sinusoïdales ou des exponentielles complexes pour a(X), par exemple

$a(X) = \cos \left ( X\frac{2\pi}{T} \right )$ ou bien $e^{-j X \frac{2\pi}{T}}$ .

j étant l'imaginaire noté i en mathématiques.

Le passage de ƒ à g est appelé « développement en série de Fourier » lorsqu'il s'agit d'une suite discrète (y prenant des valeurs entières), et « transformée de Fourier » lorsqu'il s'agit d'une fonction continue de y.

En physique, on s'intéresse souvent au spectre en énergie (y = E), c'est-à-dire au nombre de particules ayant une énergie E donnée ; ou bien, on s'intéresse à des variables duales dont le produit est l'énergie (x·y = E). Mais ce n'est pas systématique.

[modifier] Spectre électromagnétique

Voir l’article Spectre électromagnétique.

Chaque objet a une couleur caractéristique qui est produite par l'émission de lumière issue des molécules qui le composent ; c'est ainsi que la chimie est née de la production de colorants ou molécules pures par chromatographie, qui est l'art de séparer les molécules en les dispersant physiquement par capillarité ou diffusion. Il faut bien sûr éclairer la molécule avec de la lumière.

On arrive ainsi à considérer que la lumière est constituée d'une superposition d'ondes monochromatiques ayant des intensités bien définies en fonction de la fréquence. On peut alors, en principe, reconstituer une lumière lorsqu'on connaît son spectre, il faut pour cela réussir à superposer des ondes monochromatiques ayant l'intensité indiquée par la courbe spectrale : l'intensité lumineuse I en fonction de la fréquence ν : I(ν). Les mathématiciens expriment cela en disant que la fonction ƒ(x,t) peut être exprimée dans une base de fonctions et cela s'écrit

$f(x,t)= \int \;I( \omega)e^{j (\omega \cdot t - k \cdot x)} dt \ ;$

où ω = 2π·ν et k = 2π/λ. Dans le cas des ondes électromagnétiques, ƒ est soit le vecteur du champ électrique, soit le vecteur du champ magnétique (les deux étant étroitement liés par les équations de Maxwell) en un point donné.

Le spectre peut être décrit par une fonction de la variable énergie ou fréquence (grandeurs reliées par l'équation de Planck (E = h·ν) où h est une constante fondamentale de la physique appelée constante de Planck.

[modifier] Différents types de spectroscopie

Le type de spectroscopie dépend du type d'objet mesuré. On distingue les trois classes suivantes:

Les radiations électromagnétiques émises ou absorbées qui sont étudiées par la spectroscopie électromagnétique.
Les vibrations macroscopique d'un milieu qui sont étudiées par la spectroscopie acoustique et la spectroscopie mécanique dynamique.
Les ions accélérés dans un champ électromagnétique qui sont étudiés par la spectrométrie de masse.

Dans le cas des radiations électromagnétiques, le spectre analysé peut être :

un spectre émis par l'objet à analyser, on parle de spectrométrie d'émission ; ce spectre a en général :
- une partie continue : c'est le rayonnement d'origine thermique appelé « rayonnement du corps noir » ; ce rayonnement permet de déterminer la température de l'objet ;
- une partie discrète : les raies d'émission caractéristique des atomes ;
un spectre émis par un source (une lampe) et modifié par l'objet à analyser, on parle de spectrométrie d'absorption ; ce spectre est en général un « spectre cannelé » il s'agit d'un spectre continu, provenant de la source, et présentant des « trous », les raies d'absorption caractéristique.

[modifier] Processus de mesure

Différents types de spectroscopie utilisent des processus variés.

[modifier] Spectroscopie par rayons X

Voir l’article Spectrométrie de fluorescence X.

Quand les rayons X d’une fréquence (énergie) suffisante interagissent avec une substance, les électrons des couches internes sont excités vers des orbites externes, ou éjectés (effet photoélectrique). La desexcitation de l'atome se produit suivant deux processus : la fluorescence ou l'émission Auger. Les fréquences d’absorption et d’émission sont caractéristiques d’un atome.

[modifier] Spectroscopie de rayons X

En astronomie, on fait aussi de la spectroscopie des rayons X émis par les étoiles, les galaxies etc. La technique utilisée est soit celle qui consiste à enregistrer l'énergie de chaque photon émis dans une gamme d'énergie donnée. C'est le cas de satellites comme INTEGRAL. La prouesse technologique consistant à faire converger des rayons de haute énergue comme en optique classique a été réussie avec le satellite Chandra. Dans ce cas, les photons sont défléchis par incidence rasante sur des mirroirs spéciaux.

[modifier] Radiocristallographie

Voir l’article Radiocristallographie.

La cristallographie à rayons X, ou radiocristallographie, est un processus dans lequel les cristaux sont éclairés par un faisceau de rayons X sous un certain angle ; on peut obtenir des figures similaires avec un faisceau d'électrons ou de neutrons. La mesure de la diffraction des rayons X sur le cristal permet de connaître les dimensions de la maille cristalline. La structure du cristal peut être déterminée en combinant toutes les informations.

Il s'agit ici d'un spectre en distances interréticulaires : la variable initiale est la position de l'atome dans la maille cristalline, la variable duale, celle qui est déterminée par le diffractogramme, est la distance séparant les plans cristallographiques. Pour être plus rigoureux : la variable initiale est la fonction d'onde du nuage électronique, la figure de diffraction est une transformée de Fourier de cette fonction d'onde (voir l'article Physique du solide).

Toutefois, cette méthode est rarement considérée comme une méthode spectroscopique, bien que le diffractogramme soit parfois appelé « spectre de diffraction ».

[modifier] Spectroscopie visible

De nombreux atomes émettent ou absorbent la lumière visible. Afin d’obtenir un spectre suivant une ligne fine, ou « raie », les atomes doivent être dans une phase gazeuse. Cela signifie que la substance doit être vaporisée. Le spectre est étudié en absorption et émission.

[modifier] Spectroscopie UV

Les atomes absorbent ou émettent dans la région des ultraviolets. Ce sont les couches externes du nuage électronique qui sont impliquées dans ce processus. Les molécules absorbent également le rayonnement ultraviolet et visible : l'absorption d'un photon ultraviolet peut provoquer la promotion d'un électron d'une orbitale moléculaire liante ou non-liante en une orbitale anti-liante, typiquement de la HOMO dans la LUMO.

[modifier] Spectrométrie d'électrons

La spectrométrie par déviation est une méthode simple pour mesurer le spectre d'un faisceau d'électrons, est de faire passer celui-ci dans un champ magnétique constant et uniforme. Chaque électron sera dévié d'un angle dépendant de son énergie cinétique, ce qui permet d'acquérir le spectre, par exemple, sur une plaque photo.

[modifier] Spectrométrie de masse

Voir l’article Spectrométrie de masse.

Il s'agit de déterminer les masses (et éventuellement d'avoir des informations sur la structure chimique) des molécules dont est composé l'échantillon, en les ionisant et en mesurant leur rapport masse / charge ( m / z ). La notion de « spectre en masse » est assez différente de celle de spectre d'un signal, mais il s'agit bien de déterminer la répartition d'une valeur (combien de particules ont une masse donnée) d'un système.

[modifier] Spectroscopie astronomique

Voir l’article Spectroscopie astronomique.

En astronomie la spectroscopie est une technique largement utilisée aussi bien dans l'UV, l'optique et l'infrarouge. On distingue:

La spectroscopie longue-fente qui utilise les premiers ordres de diffraction et est utilisée généralement pour la spectroscopie d'un seul objet à la fois
La spectroscopie échelle qui utilise les ordres élevés de diffraction, et qui permet d'atteindre de très haute résolutions spectrales
La spectroscopie multi-objets qui est dédiée à la spectroscopie simultanée de plusieurs objets àa la fois, soit grâce à des masques, soit grâce à des fibres optiques.