Spectroscopie microonde

La spectroscopie est une discipline expérimentale qui étudie l’émission, la diffusion et l’absorption d’un rayonnement électromagnétique par des atomes ou des molécules.

Les méthodes expérimentales en spectroscopie ont débuté dans le domaine le plus accessible du spectre électromagnétique, le visible, où l’œil pouvait être utilisé comme détecteur. C’est ainsi qu’en 1655, Newton entreprend ses expériences sur la dispersion de la lumière blanche à l’aide d’un prisme en verre. Cependant, il a fallu attendre environ 1860 pour que Bunsen et Kirchhoff construisent le spectroscope à prisme utilisable en tant qu’instrument.

En 1885 Balmer établit de façon empirique une relation mathématique qui permet de calculer les longueurs d’ondes des raies visibles du spectre de l’atome d’hydrogène. C’est ainsi que démarre la relation étroite entre l’expérience et la théorie en spectroscopie, l’expérience fournissant les résultats et une théorie appropriée essayant de les expliquer et de prédire des résultats dans des expériences voisines.

Cependant, la théorie rencontre de plus en plus de difficultés tant qu’elle est basée sur la mécanique classique de Newton, et cela jusqu’au développement de la mécanique quantique par Schrödinger en 1926. À cette époque, les données provenant des expériences de spectroscopie, sauf celles effectuées sur des atomes très simples, dépassent les prédictions de la théorie, limitée par les approximations faites pour que les calculs puissent aboutir.

La première expérience où les fréquences microondes ont été utilisées pour étudier une molécule est réalisée par Cleeton et Williams en 1934. Ils avaient construit des oscillateurs magnétron sur mesure pour effectuer une étude de l’inversion du mode vibrationnel de la molécule NH ₃ .

La spectroscopie microonde est utilisée dans le domaine de la physico-chimie dans le but de déterminer la structure des molécules en phase de gaz avec une grande précision. La difficulté de l’utilisation des spectres dans la détermination de la structure géométrique d’une molécule augmente avec sa taille et sa complexité. Les fréquences de transition de rotation pouvaient déjà être mesurées avec haute précision à cette époque, mais les chercheurs n’étaient pas en mesure de fournir des informations sur la structure des molécules avec une précision correspondante à celle issue de l’expérience. Cette situation s’est améliorée grâce aux progrès des méthodes numériques. À partir des années 1960, avec l’arrivée d’ordinateurs puissants permettant de réduire les approximations, la théorie commence à prédire des propriétés spectroscopiques avec une précision comparable à celle...