INTRODUCTION A LA SPECTROSCOPIE

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1 INTRODUCTION A LA SPECTROSCOPIE
CHAPITRE I INTRODUCTION A LA SPECTROSCOPIE

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

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 couleur de nos habits, couleur du ciel, arc en ciel, étoiles…
Explication d’un nombre de phénomènes couleur de nos habits, couleur du ciel, arc en ciel, étoiles…

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

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

7 Double nature ondulatoire et corpusculaire

8 E = h Spectre électromagnétique

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

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

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

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

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

14 L’énergie du système est additive : Etotale = ET + Er + Ev + Ee
II.4 - Les différentes formes d’énergie L’énergie du système est additive : Etotale = ET + Er + Ev + Ee ET non quantifiée Les 3 autres énergies sont fonction des nombres quantiques : J pour la rotation v pour la vibration n pour l’énergie électronique

15 Ordres de grandeurs des énergies  
très différents Ee  Ev  Er

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

17 Ni / N0 = (gi / g0) e-(Ei-E0 / kT)
Répartition d’une population de molécules sur les divers niveaux d’énergie  Loi de distribution de Maxwell-Boltzmann Ni / N0 = (gi / g0) e-(Ei-E0 / kT) Ni : nombre de particules sur l'état excité i N0 : nombre de particules sur l'état fondamental 0 gi et g0 : dégénérescence des états i et 0 respectivement Ei et E0 : énergie des états i et 0 respectivement k : constante de Boltzmann (1, J.K-1) T : température en Kelvin

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 électronique: seul le niveau fondamental est peuplé
Conséquence  Selon la relation de Boltzmann 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

20 Population en fonction de T

21 VI - LES DIVERSES SPECTROSCOPIES
Sauts d’énergie possibles à partir de la quantification des énergies atomiques et moléculaires sur toute l’étendue du spectre électromagnétique D’où : Méthodes spectroscopiques extrêmement diverses

22

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

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

25 FIN DU CHAPITRE I