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Spectromètre

Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses éléments simples qui constituent son spectre. En optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) il s'agit d'obtenir les longueurs d'ondes spécifiques constituant le faisceau lumineux (spectre électromagnétique) tandis que pour un mélange chimique il s'agira (Agira est une commune italienne de la province d'Enna dans la région Sicile en Italie.) d'obtenir les masses spécifique de chacune des molécules (spectre de masse). Des spectromètres sont également utilisés en acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux...) afin d'analyser la composition d'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes...) sonore. De façon générale l'étude des spectres est appelée la spectrométrie.

Dans le cas de l'optique (mais c'est également vrai en chimie), « spectromètre » est un terme qui désigne en pratique une grande famille d'instruments permettant de balayer un large éventail de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques...), des rayons gamma et des rayons X jusqu'à l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus...). Cependant chaque type de spectromètre est associé à une bande particulière et nécessite une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) spécifique.

Différents types de spectromètres sont employés :

  • Spectromètre électromagnétique (Spectromètre infrarouge, spectrofluorimètre, spectromètre à rayons X) ;
  • Spectromètre de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...)

Spectromètre

La variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une variable peut...) mesurée est le plus souvent l'intensité de la lumière mais pourrait être également, par exemple, l'état de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...). La quantité mesurée est habituellement la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde transporte...) de la lumière, normalement exprimée comme une fraction d'un mètre, mais parfois exprimée comme une certaine unité directement proportionnelle à l'énergie de photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...), telle que la fréquence ou l'électron-volt, qui est inversement proportionnelle à la longueur d'onde. En pratique les longueurs d'ondes sont observées sous forme de raies spectrales.

Généralement un appareil ne fonctionnera que sur une petite partie du spectre en raison de la variété des techniques employées pour mesurer chaque bande du spectre. Au-dessous des fréquences optiques (c'est-à-dire, les micro-ondes, les ondes radio, et aux fréquences sonores), on emploie un dispositif électronique étroitement lié, l'analyseur de spectre.

Spectroscopes

Des spectromètres connus sous le nom de spectroscopes sont utilisés dans l'analyse spectroscopique pour identifier les matériaux. Les spectroscopes sont souvent utilisés en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et...) et dans quelques branches de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.). Les premiers spectroscopes étaient simplement constitués d'un prisme avec des repères marquant les longueurs d'onde de la lumière. Les spectroscopes modernes, tels que des monochromateurs, emploient généralement un réseau de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les...), une fente mobile, et un détecteur photoélectrique. Le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) est automatisé et commandé par un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits...). Le spectroscope a été inventé par Gustav Kirchhoff et Robert Wilhelm Bunsen[réf. nécessaire].

Quand une matière est portée à incandescence, elle émet une lumière qui est caractéristique des constituants atomiques de cette matière. La lumière émise par un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. La théorie...) excité est constituée de différentes longueurs d'ondes très spécifiques que l'on peut considérer comme l'empreinte digitale de l'atome. Par exemple, le sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps pur dans la nature,...) a une double bande jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) très caractéristique connue sous le nom de D-lignes de sodium à 588.9950 et 589.5924 nanomètres : cette couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) est bien connue de ceux qui ont déjà observé une lampe à vapeur () de sodium à basse pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.).

Dans les spectroscopes du début du XIXe siècle, la lumière entrait (L'entrait (ou tirant) - terme de charpente - est un élément de la ferme. C'est une pièce de bois horizontale servant à réunir les...) par une fente et une lentille de diffraction transformait la lumière en fins rayons lumineux parallèles. La lumière traversait ensuite un prisme (dans des spectroscopes portatifs, habituellement un prisme d'Amici) qui réfractait le faisceau lumineux en un spectre[1]. Cette image était alors regardée dans un tube avec une échelle qui permettait de mesurer l'image spectrale transposée.

Avec le développement du film photographique, un spectrographe plus précis fut inventé. Il était basé sur le même principe que le spectroscope, mais comportait un appareil photographique au lieu du tube de visionnement. Ces dernières années, des circuits électroniques montés autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du tube de photomultiplicateur (Le photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous la forme d'un tube électronique.) ont remplacé l'appareil-photo, permettant l'analyse spectrographique en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel avec une précision bien plus élevée. Des rangées de photodétecteurs sont également utilisés à la place du film dans des systèmes spectrographiques. Une telle analyse spectrale (L'analyse spectrale est une méthode utilisée en physique pour déterminer les caractéristiques d'un phénomène...), ou spectroscopie, est devenue un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification...) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) important pour analyser la composition d'une matière inconnue, pour étudier des phénomènes astronomiques et confronter les théories astronomiques.

Spectrographes

Comparaison de la diffraction à partir de spectromètres. Systèmes optique de réflexion, de réfraction, des fibres.
Comparaison de la diffraction à partir de spectromètres. Systèmes optique de réflexion, de réfraction, des fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.).

Un spectrographe est un instrument qui transforme une onde entrante en un spectre de fréquences, ou généralement une séquence d'un tel spectre. Il y a plusieurs genres d'appareils désignés sous le nom de spectrographes, selon la nature précise des ondes.

Utilisation en optique

En optique, le spectrographe sépare la lumière entrante selon sa longueur d'onde et enregistre le spectre résultant dans un certain détecteur. C'est ce type de spectromètre qui a remplacé le spectroscope dans les applications scientifiques.

En astronomie, les spectrographes sont d'un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) courant. On les monte au centre d'un télescope qui peut être un télescope d'observatoire terrestre ou un télescope embarqué dans un vaisseau spatial.

Exemple d'un MER
Exemple d'un MER (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.)

Les Mars Exploration Rovers (MER) comportaient chacun un Mini-TES - un spectromètre thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) miniature d'émission (c'est-à-dire un spectromètre infrarouge).

Les premiers spectrographes ont employé le papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est...) photographique comme détecteur. La classification du spectre des étoiles et la découverte de la séquence principale, par la loi de Hubble (En astronomie, la loi de Hubble énonce que les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse (approximativement, voir ci-dessous) proportionnelle à leur distance. Autrement dit, plus une galaxie est loin de...) et la séquence de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en orbite à environ 600 kilomètres d'altitude, il effectue un...) ont toutes été réalisées avec les spectrographes qui utilisaient le papier photographique. Le phytochrome, un colorant (Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.) issu des plantes a été découvert à l'aide d'un spectrographe qui utilisait des plantes vivantes comme détecteur.

Les spectrographes plus récents emploient des détecteurs électroniques, tels que les capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension...) CCD qui peuvent être employés tant pour la lumière UV que celle visible. Le choix précis du détecteur dépend des longueurs d'onde de la lumière à mesurer.

Telescope spatial James Webb
Telescope spatial James Webb

Le prochain télescope spatial James Webb contiendra aussi bien un spectrographe proche-infrarouge (NIRSpec) et un spectromètre mi-infrarouge (MIRI).

Un spectrographe Echelle emploie deux réseaux de diffraction, tournés chacun de 90 degrés et placés l'un près de l'autre. Par conséquent on capte la lumière par un point (Graphie) d'entrée, et non par une fente, et un second capteur CCD enregistre le spectre.

Normalement, il faudrait s'attendre à lire le spectre sur la diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non reliés par un côté). Un polygone à n côtés possède diagonales.), mais lorsque les deux réseaux ont un pas suffisant et que l'un est configuré pour qu'on ne distingue que le premier ordre, tandis que le second est configuré pour décomposer plusieurs des ordres supérieurs, on obtient un spectre bien séparé sur un petit capteur CCD ordinaire. L'emploi d'un petit capteur présente également l'avantage que le collimateur (Un collimateur est un dispositif optique permettant d'obtenir un faisceau de rayons de lumière parallèles à partir d'une source de lumière. Ce mot vient du latin collimatio ("ajuster ou...) n'a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories :...) d'être corrigé pour la coma (Le terme « coma » signifie « sommeil profond » en grec ancien. Le coma est une abolition de la conscience et de la vigilance non réversible par les...) ou l'astigmatisme, car l'aberration sphérique peut être considérée comme nulle.

Utilisation en acoustique

Dans le domaine de l'acoustique, un spectrographe convertit une onde sonore en un spectre sonore (Tous les sons peuvent se décomposer en une série d'harmoniques, dans un rapport rationnel ou irrationnel avec la fréquence fondamentale....). Le premier spectrographe acoustique a été développé pendant la Seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) Guerre mondiale par les laboratoires de téléphonie de Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935. Après avoir construit des avions de combat durant la Seconde Guerre mondiale, mais aussi le...), et était employé couramment en science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances, d'études...) de la parole (La parole, c'est du langage incarné. Autrement dit c'est l'acte d'un sujet. Si le langage renvoie à la notion de code, la parole renvoie à celle de corps. La parole est singulière et opère un acte de langage...), phonétique, acoustique et recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) en matière d'audiologie, pour être, par la suite, remplacé par des techniques numériques de traitement du signal.

Notes et références

  1. On rappelle que la réfraction est la propriété d'un faisceau lumineux d'être dévié à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir...) entre deux milieux d'indice différents. Un milieu dispersif, comme le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre...) d'un prisme par exemple, possède en plus la propriété d'avoir un indice différent pour chaque longueur d'onde. Ainsi les différentes longueur d'ondes consituant un faisceau blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un...) arrivant sur un prisme sont déviées avec des angles différents ce qui créé un arc-en-ciel en sortie.
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