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Auteur(s)
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Patrick BOUCHAREINE : Ancien Élève de l’École Normale Supérieure - Professeur à l’École Supérieure d’Optique et à l’Université Paris Sud, Orsay
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La spectrométrie est l’étude de la distribution d’amplitude ou de puissance (carré de l’amplitude) d’une grandeur en fonction de la fréquence. En optique, le terme « spectrométrie » désigne plus particulièrement l’ensemble des techniques instrumentales d’analyse de la densité spectrale de puissance, la spectroscopie étant plutôt la science des spectres (spectroscopies atomique et moléculaire). La spectrométrie recouvre aussi d’autres domaines, qui ne seront pas étudiés dans cet article : la spectrométrie des rayons X, qui s’apparente à la spectrométrie optique, mais avec des analyseurs très différents, la spectrométrie des rayonnements ionisants, qui étudie leur répartition en fonction de l’énergie des particules ou des quanta, la spectrométrie des signaux électriques (analyseurs de spectres), la spectrométrie des radiofréquences (résonance magnétique nucléaire, RMN, ou résonance paramagnétique électronique, RPE), enfin la spectrométrie de masse, qui n’a plus de lien avec les fréquences et qui sépare les espèces chimiques par leur masse moléculaire.
La spectrométrie optique a joué un rôle essentiel dans l’histoire de la physique. C’est d’abord Isaac Newton qui fit progresser notre connaissance du monde avec l’analyse et la synthèse de la lumière blanche. Ce fut ensuite Max Planck qui, voulant interpréter le spectre d’émission du corps noir incandescent, résolut l’une des plus grandes énigmes scientifiques connue sous le terme de « catastrophe ultraviolette ». Il apporta une réponse magistrale au problème de l’émission du corps noir dans l’ultraviolet en introduisant la notion du quantum, dont l’existence fut confirmée par Einstein dans l’interprétation de la photoémission électronique. Ce fut enfin l’étude du spectre de l’atome d’hydrogène par Niels Bohr que la mécanique quantique, introduite par Louis de Broglie d’après les idées initiales de Planck, permit d’expliquer de manière exemplaire, avant de résoudre les innombrables phénomènes qui se manifestent dans les interactions entre atomes ou molécules et rayonnements électromagnétiques.
La majeure partie de notre connaissance actuelle de la structure des atomes et des molécules d’une part, et de celle des étoiles, des nébuleuses et des galaxies d’autre part, est issue de la spectrométrie optique.
La formidable quantité d’informations contenue dans un spectre optique à moyenne ou haute résolution, liée aux progrès récents faits dans la construction des spectromètres et leur automatisation, fait de la spectrométrie optique une technique aux applications nombreuses, depuis les contrôles de processus en génie chimique jusqu’aux analyses biomédicales, en passant par la surveillance de l’environnement ou le contrôle du fonctionnement d’un moteur à explosion. La spectrométrie d’émission ou d’absorption est un moyen de contrôle non destructif donnant des informations très sûres sur la composition chimique de corps solides, liquides ou gazeux (température, pression, pollution) en particulier sur des milieux fragiles ou inaccessibles (plasmas, milieux dilués, flammes, inclusions minérales ou biologiques, etc.). Les isotopes très instables d’éléments chimiques synthétisés en très faible quantité dans les réactions nucléaires provoquées dans les accélérateurs de particules ne sont souvent décelables, et leur structure électronique ne peut être étudiée que par spectrométrie optique.
Le lecteur se reportera utilement :
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à la rubrique Physique du traité Sciences fondamentales des Techniques de l’Ingénieur ;
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à la rubrique Spectrométries des rayonnements électromagnétiques du traité Analyse et Caractérisation.
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Spectromètres à réseau3. Spectromètres à prisme
Le prisme est le premier disperseur mis en œuvre par Newton. Son faible pouvoir disperseur, comparé à celui des réseaux, l’a fait abandonner progressivement dans la construction des spectromètres, mais il possède certains avantages qui justifient son emploi dans la résolution de problèmes instrumentaux de bas pouvoir de résolution. C’est, d’autre part, un excellent outil pédagogique pour faire comprendre le rôle du disperseur dans les qualités de luminosité et de résolution d’un spectromètre.
3.1 Relations de base
Un faisceau parallèle de rayons monochromatiques est incident sur la face d’entrée avec l’angle i 1 , est réfracté dans le verre (d’indice n ) avec l’angle r 1 , puis tombe sur la face de sortie avec l’angle d’incidence r 2 pour émerger avec l’angle i 2 . Tous ces angles sont les angles des rayons avec la normale aux faces du prisme (figure 10). Si l’angle du prisme est A (en général A = 60o), les angles i 2 et i 1 sont liés par l’ensemble des relations de Descartes et des relations géométriques suivantes :
( 5 )
D’où l’on peut tirer, d’après les règles de calcul des fonctions trigonométriques, les relations suivantes :
( 6 )
Dans le domaine optique, l’indice de réfraction des substances transparentes est toujours une fonction croissante de la fréquence. Les radiations bleues sont donc plus déviées que les radiations rouges. Elles sont également plus dispersées.
HAUT DE PAGE3.2 Pouvoir de résolution
Le pouvoir de résolution pour une largeur angulaire de...
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Spectromètres à prisme
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TERRIEN (J.) - Le spectroscopie. - PUF (1958).
-
(2) - SAWYER (R.A.) - Experimental spectroscopy (Spectroscopie expérimentale). - Prentice Hall (1944).
-
(3) - GIRARD (A.), JACQUINOT (P.) - Spectroscopie. - La Recherche, janv. 1970.
-
(4) - CONNES (P.) - How light is analysed (Comment on analyse la lumière). - Scientific american, sept. 1968.
-
(5) - BOUSQUET (P.) - Spectroscopie instrumentale. - 222 p., 16 × 25, Dunod (1969).
-
(6) - JAMES (J.F.), STERNBERG (R.S.) - The design of optical spectrometers (La conception des spectromètres optiques). - 240 p., 15 × 22, 133 fig., Chapman and Hall (1969).
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...
ANNEXES
Beckman Instruments
Bionis
Bomem, distribué par Durr et Cosmic
Bruker Spectrospin
Dilor
Finnigan Mat
Hewlett-Packard
Jobin-Yvon (Instruments SA)
Lérès
Optilas
Perkin Elmer
R.C. Durr
Secomam
Sopra
Spectra France
Spex
Techmation
Techno 2000
Varian
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