OPTIQUE - 2 Nature et propriétés de la lumière : dualité ondes-particules Les lois de propagation, diffusion et diffraction de la lumière Bases sur le rayonnement Laser Les spectrométries optiques, l’oxymétrie de pouls Emmanuel DURAND Biophysique - CHU Bicêtre

Avertissement : ce cours comporte quelques redondances avec celui d’avril 2009 dans un ensemble plus large, certaines notions auraient probablement été traitées dans un ordre différent

QCS 1 Le principe de fonctionnement du LASER repose, de manière principale, sur : A – une absorption B – une émission spontanée C – une émission stimulée D – une transition non radiative E – un effet Raman

QCS 2 Le principe de fonctionnement des oxymètres repose sur : A – une absorption dans l’ultraviolet B – une émission dans l’ultraviolet C – une absorption dans l’infrarouge D – une émission dans l’infrarouge E – un effet Raman

QCS 3 Parmi les rayonnements suivants, certains peuvent déclencher directement une réaction chimique ; choisir parmi eux celui d’énergie la plus faible A – ondes radio B – micro-ondes C – infrarouge D – visible E – ultraviolet

QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES quantification des niveaux d'énergie à l'échelle moléculaire / atomique / nucléaire énergie valeurs spécifiques (spectre) "empreintes digitales" SPECTROSCOPIE

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 1- en unité d'énergie du Système International exprimée en joule (J) peu usité (énergies très faibles)

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 2- en électron-volt exprimée en électron-volt (eV) physique atomique et nucléaire (radioactivité)

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 3- en unité d'énergie rapportée à la quantité de matière exprimée en J/mol ou kJ/mol chimie

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 4- en fréquence fréquence exprimée en hertz (Hz) constante de Planck électronique, ondes radio, basses énergies

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 5- en longueur d'onde longueur d'onde exprimée en km, m, mm, µm, nm, Å... optique, ondes radio

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 6- en nombre d'onde exprimée en cm-1 = nombre d'ondes par unité de longueur spectroscopie fréquence nombre d'onde

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? 7- en équivalent de température exprimée en kelvin (K) constante de Boltzmann la température correspond en fait à une énergie (translation, vibration… des molécules)

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NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES exemple : 1,0 eV = 1,6 10-19 J = 96,5 kJ/mol = 2,42 1014 Hz = 1240 nm = 12400 Å = 8065 cm-1 = 11600 K

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE énergie les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques plutôt aspect ondulatoire plutôt aspect corpusculaire

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 1 kHz -1 GHz (ex: France info 105.5 MHz) longueur d'onde 1 m - 1000 km phénomène microscopique = magnétisme nucléaire (RMN/IRM)

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 10 GHz -100 GHz longueur d'onde 1 mm - 1 cm phénomène microscopique = rotation des molécules

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde 1 mm - 1 µm nombre d'onde 10 - 10 000 cm-1 1 kJ/mol (forces de Van der Waals) - 100 kJ/mol (liaisons covalentes) phénomène microscopique = vibration moléculaire

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde 300 - 800 nm nombre d'onde 10 000 - 100 000 cm-1 phénomène microscopique = niveaux d'énergie électroniques 300 nm 800 nm

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde 1 - 100 nm 10 eV - 1 keV phénomène microscopique = ionisation rayonnements ionisants risques : cancers, mutations

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 1 keV - 100 keV phénomène microscopique = ionisation rayonnements ionisants risques : cancers, mutations

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques typiquement : 100 keV - 1 MeV phénomène microscopique = ionisation + phénomènes nucléaires rayonnements ionisants risques : cancers, mutations

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques viennent du cortège électronique viennent du noyau

SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE les ondes radio les micro-ondes l'infrarouge le visible l'ultraviolet les rayons X les rayons  les rayons cosmiques

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STATISTIQUE DE BOLTZMANN récipient avec des billes au repos

STATISTIQUE DE BOLTZMANN récipient avec des billes (secoué)

STATISTIQUE DE BOLTZMANN récipient avec des billes (secoué très fort)

STATISTIQUE DE BOLTZMANN à l'équilibre énergie

STATISTIQUE DE BOLTZMANN les niveaux les plus bas sont les plus peuplés

STATISTIQUE DE BOLTZMANN l'énergie d'agitation thermique (kT) permet d'aller dans les niveaux excités

STATISTIQUE DE BOLTZMANN énergie

STATISTIQUE DE BOLTZMANN énergie

STATISTIQUE DE BOLTZMANN énergie

STATISTIQUE DE BOLTZMANN énergie

STATISTIQUE DE BOLTZMANN énergie

QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

TRANSITION ENTRE NIVEAUX niveau excité différence d'énergie DE niveau fondamental

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : absorption DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : émission spontanée DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : émission stimulée DE DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : absorption

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : transition non radiative

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER niveau surpeuplé DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER DE

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER absorption = pompage désexcitation spontanée (émission spontanée) émission induite (stimulée) = lumière LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LASER CARACTÉRISTIQUES DE LA LUMIÈRE LASER : monochromatique cohérente (tous les photons sont en phase) rayons quasiment parallèles grande intensité spectre : infrarouge  ultraviolet APPLICATIONS MÉDICALES DE LA LUMIÈRE LASER : chirurgie (ORL, ophtalmo, dermato, gynéco…) analyses biologiques (imagerie des structures superficielles)

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX absorption émission spontanée émission stimulée transition non radiative principe du laser luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE 1- on éclaire 2- désexcitation 3- rayonnement de plus basse énergie = luminescence

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE fluorescence : la luminescence s'arrête dès qu'on arrête l'éclairement luminescence phosphorescence : la luminescence continue lorsqu'on arrête l'éclairement

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE exemples : aiguilles des montres phosphorescentes substances fluorescentes qui émettent une lumière (jaune…) lorsqu'elles sont éclairées en UV (ophtalmologie, biologie…)

TRANSITION ENTRE NIVEAUX : LUMINESCENCE 1- on éclaire 1- on excite 2- désexcitation chimiluminescence… 3- rayonnement de plus basse énergie = luminescence

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INTRODUCTION 300 nm 800 nm

INTRODUCTION niveaux d'énergie (noyaux / atomes / molécules) = quantifiés physique quantique : complexe transitions entre niveaux  photons d'énergies spécifiques spectre = spécifique de l'atome ou de la molécule spectroscopie = méthode d'analyse

E INTRODUCTION énergie du photon = spectre énergie du photon = spectre énergie de l'atome (molécule…)

E INTRODUCTION En fait, il existe des règles de sélection liées à la physique quantique et toutes les transitions ne sont pas possibles (transitions interdites) le détail de ces règles est compliqué et hors programme du PCEM 1 énergie de l'atome (molécule…)

énergie du photon = spectre INTRODUCTION énergie du photon = spectre

énergie du photon = spectre INTRODUCTION énergie du photon = spectre

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NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES K n = 1

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES L n = 2

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES énergie limite électron lié / électron libre K n = 1

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES énergie limite électron lié / électron libre L n = 2

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES énergie limite électron lié / électron libre M n = 3

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES énergie limite électron lié / électron libre N n = 4

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES énergie limite électron lié / électron libre électrons libres

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES atome d’hydrogène atome hydrogénoïde autre plus complexe

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES énergie de l'électron

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES L n = 2 énergie limite électron lié / électron libre K n = 1 l’électron gagne de l’énergie un photon est absorbé

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES L n = 2 énergie limite électron lié / électron libre K n = 1 l’électron perd de l’énergie un photon est émis

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES atome d'hydrogène énergie série de Lyman > 10 eV U.V. K n = 1

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES atome d'hydrogène énergie série de Balmer ~ 2 eV visible (première découverte) L n = 2

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES ATOMIQUES atome d'hydrogène énergie M n = 3 série de Paschen < 1 eV I.R.

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES énergie niveaux électroniques moléculaires (~ 100 nm = 100 000 cm-1 = UV) vibrations des molécules (~ 10 µm = 1000 cm-1 = IR) rotations des molécules (~ 1 mm = 10 cm-1 = µ-ondes) × 100 × 100

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique couches électroniques atomiques : K, L, M… couches électroniques moléculaires : s, p, s*, p* ordre de grandeur : ~ 10 eV soit ~ 100 nm (U.V.) parfois domaine du visible : molécules colorées (groupements -NO2, -C=O, -N=N…)

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique orbitales moléculaires s s* p p* L K K L orbitales atomiques

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique chromophores : groupes absorbant une énergie spécifique ex : thymidine, guanoside, adénosine, cytidine (UV) TYR, TRY (UV) flavine (bleu) NADP/NADPH (violet) groupe >C=C< : absorbe autour de 180 nm (UV) groupe >CC< : absorbe autour de 190 nm (UV) groupe >C=C=C< : absorbe autour de 225 nm (UV)

NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES MOLÉCULAIRES : électronique photodissociation : le passage à un état électronique moléculaire excité rompt la liaison covalente et dissocie la molécule

QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE absorption amplitude atténuée émission fluorescence Raman diffusion avec changement de fréquence

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption raies (bandes) d'absorption

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption énergie de l'atome (molécule…) énergie du photon = spectre raies (bandes) d'absorption

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption transmittance absorbance

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption % transmittance Ho2O3 longueur d'onde (nm)

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption loi de Beer-Lambert

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption loi de Beer-Lambert : coefficient d'absorption molaire dépend de la substance et de la fréquence du rayonnement absorbance :

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption loi de Beer-Lambert si mélange de plusieurs substances :

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption APPLICATIONS : absorption X/UV pour les niveaux électroniques (atomiques ou moléculaires) absorption IR pour les niveaux de vibration moléculaire absorption micro-ondes ou IR pour les niveaux de rotation moléculaire INCONVÉNIENT : forte absorption des micro-ondes, IR et UV lointains par l'eau limites pour les solutions aqueuses (spectre visible et proche UV)

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption eau

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : absorption FENÊTRE DE L’EAU : problème similaire aux hautes énergies (1-5 keV)

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission fluorescence chromosomes

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission fluorescence 1- on éclaire 2- désexcitation 3- rayonnement de plus basse énergie = luminescence

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission fluorescence 2- désexcitation 1- autre apport d'énergie (réaction chimique, chauffage…) 3- rayonnement = luminescence

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission apport d'énergie (ex : éclairement UV) spectre d'émission

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : émission APPLICATIONS : détection de substances en faible concentrations (raies lumineuses sur fond noir) chimiluminescence (réactions chimiques qui provoquent une émission lumineuse : dosages biologiques)

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman effet Raman Stokes lumière incidente simple diffusion (Thomson-Rayleigh) effet Raman anti-Stokes

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman simple diffusion (Thomson-Rayleigh)

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman effet Raman Stokes DE

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman effet Raman anti-Stokes DE

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman est la fréquence Raman positive pour anti-Stokes négative pour Stokes

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman "fréquence" incidente

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman la fréquence détectée est autour de la fréquence émise (ici : visible = traverse l'eau) la fréquence Raman correspond aux énergies de transition (ici IR = absorbé par l'eau)

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman

DIFFÉRENTES MODALITÉS DE SPECTROSCOPIE : Raman APPLICATIONS : permet de travailler dans des énergies qui traversent l'eau (IR absorbé par l'eau) permet de détecter les rotations/vibrations des molécules apolaires

QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

APPLICATIONS DE LA SPECTROSCOPIE analyse qualitative de la composition de molécules atomes : Li, Fe, Na, … liaisons : C=C, C=O, CH3,… groupements : thymidine, …, TYR, TRY,… détection de substances (ex : CO, aéroports,…) analyse quantitative (dosages: lithium, oxygénation du sang) mesures de pH dosages biologiques par chimiluminescence suivi de vitesses de réaction mesures (ex : longueurs des liaisons chimiques) analyse de la composition des calculs rénaux

rayonnement visible (686 nm) APPLICATIONS coefficient d’extinction molaire rayonnement visible (686 nm) rayonnement IR (920 nm) Hémoglobine oxygénée eOV = 273 cm-1.L.mol-1 eOI = 1224 cm-1.L.mol-1 Hémoglobine réduite eRV = 2188 cm-1.L.mol-1 eRI = 777 cm-1.L.mol-1

APPLICATIONS résolution : calculer : disparaît on en déduit :