Qu'est-ce que la spectroscopie optique?
La spectroscopie optique est un moyen d’étudier les propriétés des objets physiques en se basant sur la mesure de l’émission et de l’interaction d’un objet avec la lumière. Il peut être utilisé pour mesurer des attributs tels que la composition chimique, la température et la vitesse d'un objet. Elle implique la lumière visible, ultraviolette ou infrarouge, seule ou en combinaison, et fait partie d'un groupe plus vaste de techniques spectroscopiques appelé spectroscopie électromagnétique. La spectroscopie optique est une technique importante dans les domaines scientifiques modernes tels que la chimie et l'astronomie.
Un objet devient visible en émettant ou en réfléchissant des photons, et les longueurs d'onde de ces photons dépendent de la composition de l'objet, ainsi que d'autres attributs tels que la température. L'œil humain perçoit la présence et l'absence de différentes longueurs d'onde sous forme de couleurs différentes. Par exemple, les photons dont la longueur d'onde est comprise entre 620 et 750 nanomètres sont perçus en rouge. Ainsi, un objet qui émet ou réfléchit principalement des photons dans cette plage apparaît en rouge. À l'aide d'un appareil appelé spectromètre, la lumière peut être analysée avec une précision bien supérieure. Cette mesure précise, combinée à une compréhension des différentes propriétés de la lumière que différentes substances produisent, réfléchissent ou absorbent dans diverses conditions, constitue la base de la spectroscopie optique.
La manière dont ils émettent ou interagissent avec les photons varie en fonction de la mécanique quantique des atomes et des molécules qui les composent. La lumière mesurée par un spectromètre après que la lumière a été réfléchie par, passée à travers ou émise par l'objet étudié a ce qu'on appelle des raies spectrales. Ces lignes sont des discontinuités nettes de la lumière ou de l'obscurité dans le spectre qui indiquent des nombres inhabituellement élevés ou inhabituellement faibles de photons de longueurs d'onde particulières. Différentes substances produisent des lignes spectrales distinctes pouvant être utilisées pour les identifier. Ces raies spectrales sont également affectées par des facteurs tels que la température et la vitesse de l'objet. La spectroscopie peut donc également être utilisée pour les mesurer. Outre la longueur d'onde, d'autres caractéristiques de la lumière, telles que son intensité, peuvent également fournir des informations utiles.
La spectroscopie optique peut être réalisée de différentes manières, en fonction de ce qui est étudié. Les spectromètres individuels sont des appareils spécialisés qui se concentrent sur l'analyse précise de parties étroites du spectre électromagnétique. Ils existent donc dans une grande variété de types pour différentes applications.
L'un des principaux types de spectroscopie optique, appelée spectroscopie d'absorption, consiste à identifier les longueurs d'onde de la lumière qu'une substance absorbe en mesurant les photons qu'elle permet de traverser. La lumière peut être produite spécifiquement à cette fin avec des équipements tels que des lampes ou des lasers ou peut provenir d’une source naturelle, telle que la lumière des étoiles. Il est généralement utilisé avec des gaz suffisamment diffus pour interagir avec la lumière tout en lui permettant de passer. La spectroscopie d'absorption est utile pour identifier des produits chimiques et peut être utilisée pour différencier des éléments ou des composés dans un mélange.
Cette méthode est également extrêmement importante en astronomie moderne et est souvent utilisée pour étudier la température et la composition chimique d'objets célestes. La spectroscopie astronomique mesure également la vitesse d'objets distants en tirant parti de l'effet Doppler. Les ondes lumineuses d'un objet qui se dirige vers l'observateur semblent avoir des fréquences plus élevées et donc des longueurs d'onde inférieures à celles d'un objet au repos par rapport à l'observateur, tandis que les ondes d'un objet qui s'éloigne semblent avoir des fréquences plus basses. Ces phénomènes sont appelés blueshift et redshift, respectivement, parce que le fait d'augmenter la fréquence d'une onde de lumière visible la déplace vers l'extrémité bleue / violette du spectre, tandis qu'une diminution de la fréquence la déplace vers le rouge.
Une autre forme importante de spectroscopie optique est appelée spectroscopie d'émission. Lorsque des atomes ou des molécules sont excités par une source d'énergie extérieure telle que la lumière ou la chaleur, leur niveau d'énergie augmente temporairement avant de retomber dans leur état fondamental. Lorsque les particules excitées retournent à leur état fondamental, elles libèrent l'excès d'énergie sous forme de photons. Comme dans le cas de l'absorption, différentes substances émettent des photons de différentes longueurs d'onde qui peuvent ensuite être mesurés et analysés. Dans une forme courante de cette technique, appelée spectroscopie à fluorescence, le sujet analysé est alimenté avec de la lumière, généralement de la lumière ultraviolette. Dans la spectroscopie des émissions atomiques, on utilise le feu, l'électricité ou le plasma.
La spectroscopie de fluorescence est couramment utilisée en biologie et en médecine, car elle est moins dommageable pour les matériaux biologiques que d’autres méthodes et que certaines molécules organiques sont naturellement fluorescentes. La spectroscopie d'absorption atomique est utilisée en analyse chimique et est particulièrement efficace pour détecter les métaux. Différents types de spectroscopie d'absorption atomique sont utilisés à des fins telles que l'identification de minéraux précieux dans les minerais, l'analyse d'éléments de preuve provenant de lieux de crime et le contrôle de la qualité en métallurgie et dans l'industrie.