Spectroscopy  Probe structure and dynamics of matter through its interaction with waves (usually electromagnetic) incoming radiation matteroutcoming radiation.

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1 Spectroscopy  Probe structure and dynamics of matter through its interaction with waves (usually electromagnetic) incoming radiation matteroutcoming radiation - may change its intensity - may change its energy (i.e., ) - may change its propagation direction (scattering)

2 Université Montpellier 2 Licence Pro « Contrôle et Mesure de la Lumière et de la Couleur » UE2 Spectroscopie Enseignants UM2: L. Alvarez, L. Cipelletti (responsable), J.-M. Huntzinger Intervenants extérieurs:M. J.C. Boulou : 7.5h M. L. Brunel, Formulaction : 5h M. J.P. Piel, Ingénieur SOPRA : 7.5h I)Cours-TD (17.5h) 1) Rappels sur le rayonnement électromagnétique(1h) Aspect ondulatoire et corpusculaire de la lumière, spectre électromagnétique, types de sonde de la matière 2) Diffusion dynamique de la lumière (DLS) (4h) Principe de la mesure. Description d’un dispositif typique. Traitement des données. Exemples. 1/2

3 3) Interaction rayonnement –matière(3h) Rappels d’atomistique (atome de Bohr….), relation de Bohr, mécanisme d’absorption et d’émission. Corps noir 4) Principes de la spectrométrie expérimentale(6h) - Instruments (Source, monochromateur, échantillon, détecteur). -analyse des données (échantillonnage, transformée de Fourier) 5) La spectroscopie électronique dans le domaine UV-visible (3h) 6) La spectroscopie vibrationnelle dans le domaine proche et moyen infrarouge (6h) II) Travaux Pratiques (16h + 1 séance de contrôle de 2h) 1)Spectroscopie infrarouge 2)Principe de fonctionnement d’un spectromètre (alignement, calibration) 3)Photoluminescence 4)Réflectométrie 2/2

4 Dynamic Light Scattering (DLS) Also known as : Photon correlation spectroscopy (PCS) Quasi-elastic light scattering (QUELS) Diffusion dynamique de la lumière Diffusion quasi-élastique de la lumière

5 Goals particle sizing (1 nm – 5 µm) : too small for microscopy! Electron microscopy fine, but expensive, not in-situ, poorer average... aggregation processes, gelation... Examples: proteins, biomolecules, emulsions, polymers, colloids... Industries that are concerned: Food, personal care, pharmaceutical, paint, oil recovery

6 Typical commercial setups Malvern Brookhaven ALV

7 Principle of the measurement Bead size: 2  m Brownian motion Source: D. Weitz's webpage µ-sized objects in a solvent move around due to collisions with solvent molecules (Brownian motion, diffusion) motion depends on particle size use DLS to measure motion -> get size

8 Brownian motion Mean Square Displacement D. Weitz's webpage 0.5  m T. Savin's webpage particle trajectory D diffusion coefficient (m 2 /sec) k B = 1.38 E-23 JK -1, Boltzman's const. T = abs. temperature (K)  viscosity (Pa sec or Stokes [St] H 2 0 @ room T: 1 mSt)

9 The DLS experiment laser sample detector Brookheven

10 Light scattering: the concept A light scattering experiment  Speckle image

11 Electromagnetic waves T period wave length 2  /T =  (angular frequency) 2  / = k (wave vector) Warning: = 0 /n n refractive index n H20 = 1.33

12 E.M. spectrum

13 Interférences: ondes en phase

14 Interférences: ondes en opposition de phase

15 Interférences: ondes (partiellement) déphasées

16 From particle motion to speckle fluctuations r(t)r(t) r(t+)r(t+)