Spectromètre - Définition et Explications

Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs est disponible ici.

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...) il s'agit d'obtenir les longueurs d'ondes spécifiques constituant le faisceau lumineux (spectre électromagnétique) tandis que pour un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) 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...) afin d'analyser la composition d'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) 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...), des rayons gamma et des rayons X jusqu'à l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...). Cependant chaque type de spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité...) 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 (Un spectrofluoromètre (ou encore spectrofluorimètre, ou plus simplement fluoromètre ou...), spectromètre à rayons X) ;
  • Spectromètre de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...)

Spectromètre

La variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) mesurée est le plus souvent l'intensité de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) mais pourrait être également, par exemple, l'état de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...). La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) mesurée est habituellement la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de la lumière, normalement exprimée comme une fraction d'un mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...), mais parfois exprimée comme une certaine unité directement proportionnelle à l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), telle que la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...). Les spectroscopes sont souvent utilisés en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) et dans quelques branches de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...). 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...), une fente mobile, et un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) photoélectrique. Le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) est automatisé et commandé par un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...). Le spectroscope a été inventé par Gustav Kirchhoff et Robert Wilhelm Bunsen[réf. nécessaire].

Quand une matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) 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...) 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...) a une double bande jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) 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...) 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...).

Dans les spectroscopes du début du XIXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), la lumière entrait (L'entrait (ou tirant) - terme de charpente - est un élément de la ferme. C'est une...) 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...) du tube de photomultiplicateur (Le photomultiplicateur est un dispositif permettant la détection de photons. Il se présente sous...) ont remplacé l'appareil-photo, permettant l'analyse spectrographique en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) 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...), ou spectroscopie, est devenue un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) 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 (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...), des fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...).

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 (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) 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...) 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...) photographique comme détecteur. La classification du spectre des étoiles et la découverte de la séquence principale (La séquence principale est une bande continue et bien distincte d'étoiles qui...), par la loi de Hubble (En astronomie, la loi de Hubble énonce que les galaxies s'éloignent les unes des autres...) et la séquence de Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...) 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...) 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...) 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 (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le...) 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...), 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...) n'a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) d'être corrigé pour la coma (Le terme « coma » signifie « sommeil profond » en grec...) ou l'astigmatisme, car l'aberration sphérique (L'aberration sphérique est le défaut optique dû au fait que les rayons lumineux qui passent par...) 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...). 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...) Guerre mondiale par les laboratoires de téléphonie (La téléphonie est un système de télécommunication qui a pour but la transmission de son et en...) de Bell (Bell Aircraft Corporation est un constructeur aéronautique américain fondé le 10 juillet 1935....), et était employé couramment en science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) de la parole (La parole, c'est du langage incarné. Autrement dit c'est l'acte d'un sujet. Si le langage renvoie...), phonétique, acoustique et recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) 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...) 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...) 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...) arrivant sur un prisme sont déviées avec des angles différents ce qui créé un arc-en-ciel en sortie.
Cet article vous a plu ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis !
Page générée en 0.355 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique