La spectroscopie est une branche de la physique et de la chimie qui étudie très précisément l'interaction de la lumière ou de tout rayonnement électromagnétique, tel que les ondes radio, avec la matière. Selon le type d'onde, les quantités d'énergie transportées diffèrent et donnent lieu à des interactions différentes. La spectroscopie est un outil très puissant permettant de détecter et d'analyser les molécules. La spectroscopie :

• est sensible et nécessite généralement une infime quantité de substance pour permettre une identification ;
• peut être utilisée sur des échantillons très éloignés et est donc utilisée en astronomie ;
• est une méthode non destructive utilisée le plus souvent pour l'analyse ;
• peut fournir des informations spatiales et temporelles détaillées.

L'oeil peut être considéré comme un « appareil » spectroscopique car il est capable de détecter des différences de couleur. Cependant, des appareils scientifiques peuvent observer même des objets très flous et discerner les plus infimes détails de la lumière alors que les êtres humains et les animaux ne le peuvent pas.

Un arc-en-ciel parfait

Le rayonnement électromagnétique, dont la lumière visible est un exemple, peut être envisagé en termes d'ondes. Ces dernières présentent une longueur d'onde qui est inversement proportionnelle à la fréquence. Plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée et plus l'énergie est transportée par le rayonnement. L'énergie est transmise par petits paquets (quanta), également appelés photons. Examinons le spectre électromagnétique en commençant par de petites longueurs d'onde :

• Rayons cosmiques (inférieurs à 1 pm)
• Rayons gamma (10 pm à 1 pm)
• Rayons X (10 nm à 1 nm)
• Ultraviolet (UV) (380 nm à 10 nm)
• Lumière visible (VIS) (rouge 780 nm à violet 380 nm)
• Infrarouge (IR) (1 mm à 1 micro m)
• Micro-ondes (1 cm à 1 mm)

• Ondes radio (supérieures à 1 cm)

Comme vous pouvez le constater, la lumière visible représente seulement une très petite zone du spectre.

Influence sur les molécules

Les molécules et les atomes peuvent interagir avec les photons (ondes électromagnétiques) en absorbant leur énergie. Ceci diminue l'intensité du rayonnement, qui peut être mesurée. Cette technique porte le nom de spectroscopie par absorption. Il est également possible que les molécules et les atomes émettent des photons, qui peuvent être détectés. On parle alors de spectroscopie d'émission. Il existe en outre toute une gamme de techniques qui sont traitées dans des ouvrages spécialisés.

La quantité d'énergie qu'un photon transporte détermine son influence sur les molécules et les atomes. Les micro-ondes imposent aux molécules un mouvement de rotation, le rayonnement infrarouge provoque des vibrations sur les liaisons des molécules, alors que la lumière visible et les ultraviolets excitent les électrons des liaisons. Tout rayonnement d'intensité plus élevée interagit avec les électrons proches du noyau d'un atome ou avec le noyau lui-même.

A de très petites longueurs d'ondes, l'énergie de la « lumière » est si élevée qu'elle casse les liaisons et, par conséquent, détruit ou modifie les produits chimiques. C'est ainsi que la lumière ultraviolette, par exemple, a des effets nocifs sur la peau.

La relation entre la longueur d'onde et la force d'absorption (« spectre ») peut fournir des indices importants sur la structure chimique de la molécule. C'est ainsi que nous connaissons le type des molécules présentes dans les nuages de gaz interstellaire.

	Le premier graphique illustre le spectre du méthane (CH4), un gaz naturel utilisé pour la cuisine et le chauffage. Lorsque la ligne rouge est proche du sommet du graphique, cela indique que le méthane transmet de l'énergie à cette longueur d'onde. Un pic vers le bas signifie que l'énergie à cette longueur d'onde est absorbée et, par conséquent, invisible.
	Le second graphique correspond au spectre infrarouge de l'éthanol (C2H5OH), un type d'alcool. Le modèle d'absorption est différent de celui du méthane. L'utilisation d'appareils qui reçoivent le rayonnement infrarouge émis par le méthane et l'éthanol permet d'identifier ces substances en raison de leurs caractéristiques d'absorption et d'émission dans l'infrarouge.

Il existe également un lien important entre la symétrie et la spectroscopie, qui stipule que plus la symétrie d'une molécule est importante, plus son spectre semble simple. Ce fut un indice important dans la découverte du C₆₀, qui était supposé n'avoir que quatre lignes d'absorption dans son spectre infrarouge (une molécule de 60 atomes peut présenter plusieurs centaines de lignes d'absorption).

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