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CHAPITRE I INTRODUCTION A LA SPECTROSCOPIE. Spectroscopie : Etude des interactions entre ondes électromagnétiques et matière. Interactions Matière effectue.

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1 CHAPITRE I INTRODUCTION A LA SPECTROSCOPIE

2 Spectroscopie : Etude des interactions entre ondes électromagnétiques et matière. Interactions Matière effectue une transition dun état quantique à un autre état quantique. I - DEFINITION

3 Domaine de la spectroscopie : Tout le spectre électromagnétique. Techniques nombreuses et variées. Phénomènes se manifestent de diverses manières mais tous gouvernés par un nombre limité de principes généraux, relativement simples

4 Explication dun nombre de phénomènes couleur de nos habits, couleur du ciel, arc en ciel, étoiles…

5 II – RAPPELS II.1 - Dualité onde-corpuscule nature ondulatoire : - Fréquence de l'oscillation périodique des champs - Longueur d'onde, distance séparant deux maxima successifs : = c/ - Rayonnement porteur dune énergie E dont la valeur dépend de la fréquence Cf cours SMC4

6 nature corpusculaire Rayonnement électromagnétique = flux de particules : les photons ou quanta, se déplaçant à la vitesse de la lumière Energie dun photon donnée par léquation de Bohr : E = hv E = hv h = 6, J.s ; constante de Planck ν : fréquence classique de londe

7 Double nature ondulatoire et corpusculaire

8 E = h E = h Spectre électromagnétique

9 ΔE = h Echanges dénergie entre matière et rayonnement se font par quantités finies et élémentaires dénergie appelées quanta quanta : pluriel de quantum, quantité en latin II.2 - Interaction matière-rayonnement

10 Quatre processus à la base des phénomènes spectroscopiques Absorption Emission spontanée Emission induite Diffusion

11 Interaction onde-molécule transition : changement énergétique dun niveau discret à un autre niveau discret Transition permise ou interdite selon sa probabilité II.3 - Probabilité de transition

12 Deux conditions pour que la transition soit permise: Le mouvement doit provoquer, à la même fréquence, la variation du moment dipolaire du système Fréquence de la lumière correspond à lécart énergétique ( E) entre les niveaux concernés

13 Types de transitions Couplage entre moment dipôlaire magnétique du système et champ magnétique de la radiation : Transition dipôlaire magnétique Couplage entre moment dipôlaire électrique du système et champ électrique de la radiation : Transition dipôlaire électrique

14 E T non quantifiée Les 3 autres énergies sont fonction des nombres quantiques : J pour la rotation v pour la vibration n pour lénergie électronique Lénergie du système est additive : E totale = E T + E r + E v + E e II.4 - Les différentes formes dénergie

15 Ordres de grandeurs des énergies très différents E e E v E r

16 Une particule élémentaire possède un ensemble unique d'états énergétiques. III - POPULATION DES NIVEAUX DENERGIE A LEQUILIBRE THERMODYNAMIQUE – LOI DE MAXWELL-BOLTZMANN Cette particule se trouve dans l'un ou l'autre de ces états.

17 Loi de distribution de Maxwell-Boltzmann N i / N 0 = (g i / g 0 ) e -(Ei-E0 / kT) N i : nombre de particules sur l'état excité i N 0 : nombre de particules sur l'état fondamental 0 g i et g 0 : dégénérescence des états i et 0 respectivement E i et E 0 : énergie des états i et 0 respectivement k : constante de Boltzmann (1, J.K -1 ) T : température en Kelvin Répartition dune population de molécules sur les divers niveaux dénergie

18 Soit kT : énergie A la température ordinaire (300 K), kT 2,5 kJ/mol premier niveau vibrationnel excité & premier niveau électronique excité énergies > kT }

19 Conséquence à T ambiante électronique: seul le niveau fondamental est peuplé vibrationnel: niveau vibrationnel fondamental peuplé par plus de 90 % des molécules, quelques % sur le premier niveau excité rotationnel: un certain nombre de niveaux rotationnels largement peuplés Selon la relation de Boltzmann

20 Population en fonction de T

21 Sauts dénergie possibles à partir de la quantification des énergies atomiques et moléculaires sur toute létendue du spectre électromagnétique Doù : Méthodes spectroscopiques extrêmement diverses VI - LES DIVERSES SPECTROSCOPIES

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23 Spectroscopies optiques : utilisant des radiations RX, UV, visibles et IR mécanisme dipôlaire électrique Spectroscopies hertziennes : utilisant micro- ondes et ondes radio mécanisme dipôlaire magnétique Remarque 1

24 Il existe une autre technique, qui ne fait pas appel à des niveaux d'énergie discrets : La spectrométrie de masse Elle connaît un champ dapplication considérable. Remarque 2 Cf Chapitre V

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