Spectrométrie
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La spectrométrie est l'analyse du spectre d'un rayonnement. Le terme « rayonnement » est à prendre au sens large, puisqu'il peut s'agir d'un rayonnement lumineux, de manière plus large d'un rayonnement électromagnétique, mais aussi d'une onde mécanique comme le son ou les ondes sismiques, ou encore des particules. L'instrument de mesure permettant d'obtenir un spectre est un spectromètre.
On parle parfois de spectroscopie, ce terme faisant référence à l'observation visuelle (scope) du spectre ; cela sous-entend une étude qualitative, par exemple l'étude des niveaux d'énergie dans les atomes et molécules, mais pas une quantification.
| Sommaire |
Notion de spectre
La lumière visible, lorsqu'elle est « dispersée » par un prisme ou un réseau, révèle sa composition ou spectre. L'arc-en-ciel est l'illustration la plus connue d'un spectre, 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 de voitures 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 crire 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 dépendant du produit x·y :
soit 
ou de manière plus générale
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
ou bien 
.
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.
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
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.
On parle de spectre toutes les fois que l'on a une fonction ayant comme variable l'énergie ou la fréquence (du fait de leur équivalence par la relation de Planck (E = h·ν) où h est une constante fondamentale de la physique appelée constante de Planck.
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 « canelé » il s'agit d'un spectre continu, provenant de la source, et présentant des « trous », les raies d'absorption caractéristique.
La spectrométrie est ainsi utilisée en astronomie pour déterminer la composition d'astres lointains ou pour détecter des nuages de gaz stellaires invisibles. On peut analyser le rayonnement émis par un astre, ou bien analyser le rayonnement absorbé par un nuage de gaz situé devant une étoile (l'étoile sert alors de lampe). C'est ainsi que l'on a découvert l'hélium à partir du spectre cannelé du soleil.
De manière globale, l'analyse du spectre peut se faire :
- soit par diffusion des ondes,
- par un milieu dont l'indice de réfraction varie sensiblement en fonction de la fréquence ;
- ou par diffraction sur un réseau ;
- il suffit alors de positionner un détecteur dans une direction donéée et de compter les photons, c'est l'analyse dispersive en longueur d'onde ;
- soit en déterminant directement l'énergie de chaque photon lorsque celui-ci est capté par le détecteur ; c'est la méthode d'analyse dispersive en énergie ;
- soit en éclairant l'objet successivement par des rayonnement monochromatiques.
Rayonnement particulaire
Lorsqu'il s'agit de particules, la spectrométrie consiste à distinguer les différentes particules :
- soit il s'agit de particules de même nature et l'on veut connaître la répartition de leurs vitesses ; c'est le cas de la spectrométrie Auger ;
- soit il s'agit de particule différentes, et l'on veut connaître leur nature et savoir combien de particule de telle ou telle sorte on a ; pour ce dernier point, on utilise la spectrométrie de masse ; il s'agit alors de déterminer toutes les masses obtenues en fractionnant une grosse molécule en plus petites que l'on sépare.
Voir aussi
- Biophysique
- Interaction rayonnement-matière
- Microsonde de Castaing
- Spectrométrie de fluorescence X
- Spectromètre
- Spectrofluorimètre
- Spectromètre Mössbauer
- Torche à plasma