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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 modulation sélective5. Spectromètres par transformation de Fourier
La spectrométrie par transformation de Fourier est une technique très différente des techniques spectrométriques classiques. Elle a longtemps été considérée comme une technique indirecte nécessitant un calcul a posteriori sur ordinateur, alors que c’est en réalité la technique d’analyse spectrale la plus directe, les autres méthodes exploitant une conversion fréquence-déviation introduite par les disperseurs.
5.1 Un peu d’histoire
Travaux de A. Michelson, P. Fellgett, P. Jacquinot et J. Connes.
C’est A. Michelson qui donna les principes de cette analyse en 1982, après avoir étudié les variations du facteur de visibilité en fonction de la différence de marche avec une radiation imparfaitement monochromatique. Il établit, pour la première fois, un profil spectral rendant compte de la structure isotopique et hyperfine de la radiation verte émise par une lampe à mercure. Michelson ne faisait qu’une observation visuelle du facteur de visibilité sans enregistrer la phase des franges, c’est pourquoi il ne pouvait voir le signe de l’écart de fréquences entre deux composantes. Sous réserve de cette ambiguïté, ce fut la première étude spectrométrique effectuée avec un pouvoir de résolution proche de 106.
C’est en 1954, que simultanément et indépendamment, un astronome anglais, P. Fellgett, et un physicien français, P. Jacquinot, proposèrent à des fins spectrométriques l’analyse de Fourier d’un interférogramme à deux ondes. Une élève de P. Jacquinot, J. Connes, soutient en 1961 sa thèse à la Sorbonne sur une analyse approfondie de la méthode, illustrée d’un spectre particulièrement difficile : celui du ciel nocturne dans le proche infrarouge.
À la suite de ces travaux, le développement de la nouvelle spectrométrie fut très rapide, tirant profit des progrès conjoints obtenus avec les interféromètres, les calculateurs et les algorithmes de calcul. Il fallait plusieurs heures en 1960 à l’unique ordinateur IBM de la Place Vendôme pour calculer un spectre de quelques milliers de points avec une forte probabilité de panne en cours de calcul. Un gros ordinateur moderne calcule en moins d’une minute un spectre de plus d’un million de points. Les mini-ordinateurs personnels permettent à moindre coût et en temps presque réel...
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Spectromètres par transformation de Fourier
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - TERRIEN (J.) - Le spectroscopie. - PUF (1958).
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(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
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Bruker Spectrospin
Dilor
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Jobin-Yvon (Instruments SA)
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Sopra
Spectra France
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