SPECTROSCOPIE
Lorsqu'elle traverse les gouttes d'eau de la pluie, la lumière blanche du Soleil ou d'une lampe à incandescence se décompose en ses constituants colorés : c'est l'arc-en-ciel. Cet effet est dû à la réfraction, phénomène par lequel la lumière subit un changement de direction quand elle passe d'un milieu à un autre. La même décomposition s'observe lorsque la lumière traverse un prisme transparent dont l'indice de réfraction et par conséquent l'angle de réfraction dépendent de la couleur de la lumière. La spectroscopie est une technique d'analyse fondée sur ce phénomène. Elle constitue aussi un domaine de la physique fondamentale, qui a eu un impact considérable lors de la naissance de la physique moderne : compréhension de la structure de l'atome et élaboration de la mécanique quantique. De nos jours, c'est une méthode d'analyse très puissante qui a des applications dans de très nombreux domaines scientifiques et technologiques : industrie, environnement, approvisionnement en énergie, biologie et médecine, etc.
Du point de vue expérimental, la spectroscopie utilise des instruments qui permettent de disperser la lumière et, de manière générale, tous les rayonnements électromagnétiques. Ces appareils sont appelés spectroscopes quand ils permettent une observation visuelle directe, spectrographes quand la lumière dispersée est enregistrée par une plaque photographique, ou encore spectromètres quand ils permettent la mesure des longueurs d'onde. L'image donnée par le système dispersif constitue un spectre : c'est une représentation graphique de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde. En effet, le rayonnement électromagnétique se caractérise par sa vitesse de propagation c, par sa fréquence ν ou nombre d'oscillations par seconde (unité : Hz ou s–1), ou par sa longueur d'onde dans le vide. Cette longueur est la distance parcourue par l'onde pendant une oscillation : λ = c/nν (exprimée en nanomètres, 1 nm = 10–9 m, ou en mètres suivant le domaine de fréquence). Dans cette relation, n représente l'indice de réfraction du milieu dans lequel se propage la radiation, il désigne le rapport entre la vitesse de propagation dans le vide c (c = 299 792 458 m/s) à celle, plus faible, dans le milieu matériel considéré (n ≥ 1). Les spectres se présentent soit sous forme discontinue lorsque la lumière analysée comprend un nombre restreint de composantes, chacune d'entre elles ayant une longueur d'onde bien définie (spectre de raie), soit sous forme continue si les composantes sont trop larges et trop serrées pour être distinguées par le système dispersif (spectre continu). Les spectres d'émission sont constitués de toutes les composantes de la source lumineuse, tandis que les spectres d'absorption résultent de l'arrêt d'une partie de la lumière de la source par un échantillon matériel placé sur le trajet du rayonnement. Les raies d'absorption apparaissent alors en noir sur le fond coloré du spectre de la source, et sont caractéristiques de la composition de l'échantillon, permettant ainsi de caractériser celui-ci.
Historique
Isaac Newton
Hulton Archive/ Getty Images
Isaac Newton est le fondateur de la spectroscopie. Il a été le premier à comprendre que l'étalement des couleurs par le prisme est lié à la nature intrinsèque de la lumière et n'est pas inhérent au prisme (1666). En adjoignant au prisme un trou d'entrée pour mieux définir la source et un dispositif de focalisation, il a construit le premier spectroscope. Le domaine de la lumière visible, alors seul connu, s'est étendu grâce à William Herschel, qui a découvert en 1800 les effets thermiques du rayonnement infrarouge, tandis que, l'année suivante, Johann Wilhelm Ritter et William Hyde Wollaston[...]
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Écrit par
- Michel de SAINT SIMON : directeur de recherche au C.N.R.S., centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse (Institut national de physique nucléaire et de physique des particules)
Classification
Médias
Isaac Newton
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Hulton Archive/ Getty Images
Robert Bunsen
SSPL/ Getty Images
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