La spectroscopie optique est un moyen d’étudier les propriétés des objets physiques en mesurant comment un objet émet et interagit avec la lumière. Il peut être utilisé pour mesurer des attributs tels que la composition chimique, la température et la vitesse d’un objet. Elle implique la lumière visible, ultraviolette ou infrarouge, seule ou en combinaison, et fait partie d’un groupe plus large de techniques spectroscopiques appelées spectroscopie électromagnétique. La spectroscopie optique est une technique importante dans les domaines scientifiques modernes tels que la chimie et l’astronomie.
Un objet devient visible en émettant ou en réfléchissant des photons, et les longueurs d’onde de ces photons dépendent de la composition de l’objet, ainsi que d’autres attributs tels que la température. L’œil humain perçoit la présence et l’absence de différentes longueurs d’onde comme des couleurs différentes. Par exemple, les photons d’une longueur d’onde de 620 à 750 nanomètres sont perçus comme rouges, et donc un objet qui émet ou réfléchit principalement des photons dans cette plage semble rouge. À l’aide d’un appareil appelé spectromètre, la lumière peut être analysée avec une bien plus grande précision. Cette mesure précise, combinée à une compréhension des différentes propriétés de la lumière que différentes substances produisent, réfléchissent ou absorbent dans diverses conditions, est la base de la spectroscopie optique.
Différents éléments et composés chimiques varient dans la façon dont ils émettent ou interagissent avec les photons en raison des différences de mécanique quantique dans les atomes et les molécules qui les composent. La lumière mesurée par un spectromètre après que la lumière a été réfléchie, traversée ou émise par l’objet étudié a ce qu’on appelle des raies spectrales. Ces lignes sont des discontinuités nettes de lumière ou d’obscurité dans le spectre qui indiquent des nombres inhabituellement élevés ou inhabituellement faibles de photons de longueurs d’onde particulières. Différentes substances produisent des raies spectrales distinctives qui peuvent être utilisées pour les identifier. Ces raies spectrales sont également affectées par des facteurs tels que la température et la vitesse de l’objet, de sorte que la spectroscopie peut également être utilisée pour les mesurer. En plus de la longueur d’onde, d’autres caractéristiques de la lumière, telles que son intensité, peuvent également fournir des informations utiles.
La spectroscopie optique peut se faire de plusieurs manières différentes, selon ce qui est étudié. Les spectromètres individuels sont des appareils spécialisés qui se concentrent sur l’analyse précise de parties spécifiques et étroites du spectre électromagnétique. Ils existent donc dans une grande variété de types pour différentes applications.
Un type majeur de spectroscopie optique, appelée spectroscopie d’absorption, est basée sur l’identification des longueurs d’onde de la lumière qu’une substance absorbe en mesurant les photons qu’elle laisse passer. La lumière peut être produite spécifiquement à cet effet avec des équipements tels que des lampes ou des lasers ou peut provenir d’une source naturelle, telle que la lumière des étoiles. Il est le plus souvent utilisé avec des gaz, qui sont suffisamment diffus pour interagir avec la lumière tout en la laissant passer. La spectroscopie d’absorption est utile pour identifier les produits chimiques et peut être utilisée pour différencier des éléments ou des composés dans un mélange.
Cette méthode est également extrêmement importante en astronomie moderne et est souvent utilisée pour étudier la température et la composition chimique des objets célestes. La spectroscopie astronomique mesure également la vitesse d’objets distants en tirant parti de l’effet Doppler. Les ondes lumineuses d’un objet qui se déplace vers l’observateur semblent avoir des fréquences plus élevées et donc des longueurs d’onde plus faibles que les ondes lumineuses d’un objet au repos par rapport à l’observateur, tandis que les ondes d’un objet qui s’éloigne semblent avoir des fréquences plus basses. Ces phénomènes sont appelés respectivement décalage vers le bleu et décalage vers le rouge, car l’augmentation de la fréquence d’une onde de lumière visible la déplace vers l’extrémité bleu/violet du spectre, tandis que l’abaissement de la fréquence la déplace vers le rouge.
Une autre forme importante de spectroscopie optique est appelée spectroscopie d’émission. Lorsque des atomes ou des molécules sont excités par une source d’énergie extérieure telle que la lumière ou la chaleur, leur niveau d’énergie augmente temporairement avant de retomber dans leur état fondamental. Lorsque les particules excitées retournent à leur état fondamental, elles libèrent l’excès d’énergie sous forme de photons. Comme c’est le cas pour l’absorption, différentes substances émettent des photons de différentes longueurs d’onde qui peuvent ensuite être mesurés et analysés. Dans une forme courante de cette technique, appelée spectroscopie de fluorescence, le sujet analysé est alimenté par de la lumière, généralement de la lumière ultraviolette. En spectroscopie d’émissions atomiques, le feu, l’électricité ou le plasma sont utilisés.
La spectroscopie de fluorescence est couramment utilisée en biologie et en médecine, car elle est moins dommageable pour les matériaux biologiques que d’autres méthodes et parce que certaines molécules organiques sont naturellement fluorescentes. La spectroscopie d’absorption atomique est utilisée en analyse chimique et est particulièrement efficace pour détecter les métaux. Différents types de spectroscopie d’absorption atomique sont utilisés à des fins telles que l’identification de minéraux précieux dans les minerais, l’analyse de preuves provenant de scènes de crime et le maintien du contrôle de la qualité dans la métallurgie et l’industrie.