Un spectroscope est un instrument scientifique qui divise la lumière en ses différentes longueurs d’onde, que les humains voient comme des couleurs différentes. Le violet a la longueur d’onde la plus courte que les gens peuvent voir et le rouge le plus long. Cet instrument peut également identifier les longueurs d’onde que les humains ne peuvent pas voir, telles que les rayonnements infrarouges et ultraviolets. La lumière contient généralement un mélange de différentes longueurs d’onde; en les étudiant, les scientifiques peuvent découvrir des informations utiles, telles que les éléments chimiques présents à la source de la lumière. Les spectroscopes sont largement utilisés en astronomie, en chimie et dans d’autres domaines.
Types de spectroscope et comment ils fonctionnent
Joseph von Fraunhofer, un opticien allemand, a inventé le spectroscope en 1814. Dans sa forme initiale, il utilisait une lentille pour focaliser la lumière entrante et un prisme pour diviser la lumière par réfraction. Plus tard, cependant, Fraunhofer a remplacé le prisme par un dispositif composé d’un certain nombre de fentes parallèles étroites connues sous le nom de réseau de diffraction. Cela étalait les différentes longueurs d’onde de la lumière par des quantités différentes et avait l’avantage de permettre à l’observateur de mesurer réellement les longueurs d’onde, ce qui n’était pas possible à l’aide d’un prisme. Fraunhofer a utilisé ses spectroscopes pour étudier la lumière provenant de diverses sources, notamment les flammes, les matériaux chauds et le Soleil, les planètes et les étoiles.
Les spectroscopes modernes existent en plusieurs types, en fonction de leur objectif. Un simple appareil portatif utilise un petit réseau de diffraction ou un prisme et est facilement portable. Il est conçu pour une utilisation sur le terrain et peut être utilisé pour identifier des pierres précieuses et des minéraux, par exemple. En astronomie, un spectroscope serait normalement utilisé avec un télescope pour analyser la lumière d’objets lointains et faibles; ces instruments ont tendance à être lourds et encombrants.
Il existe d’autres instruments qui font le même travail qu’un spectroscope et fonctionnent sur le même principe. Celles-ci diffèrent principalement par la manière dont le spectre est enregistré. Un spectromètre moderne produit une image numérique du spectre, tandis qu’un spectrophotomètre l’enregistre électroniquement, et un spectrographe est un nom plus général pour un instrument qui produit et enregistre un spectre. Ces termes sont parfois utilisés de manière interchangeable et spectroscope peut décrire n’importe lequel d’entre eux.
Certains appareils peuvent produire des spectres de rayonnement électromagnétique avec des longueurs d’onde au-delà des limites de la lumière visible. Comme ce rayonnement ne peut pas être observé directement, les spectres doivent être enregistrés par des détecteurs spéciaux. Ceux-ci sont utilisés pour étudier les rayonnements infrarouges et ultraviolets.
Un spectroscope infrarouge peut utiliser un monochromateur réglable pour isoler tour à tour chaque longueur d’onde d’intérêt ou, plus communément, un interféromètre. Cela divise le rayonnement entrant en deux faisceaux. Un miroir mobile fait varier la longueur d’un faisceau de sorte que lorsqu’ils sont réunis, ils produisent un motif d’interférence. L’analyse du motif révèle les différentes longueurs d’onde présentes. La méthode de l’interféromètre a l’avantage de détecter toutes les longueurs d’onde en un seul passage.
Types de spectre
Les substances qui émettent de la lumière produisent un spectre d’émission. Les solides chauds et brillants, tels que le métal chauffé à blanc, émettent de la lumière à toutes les longueurs d’onde et produisent un spectre continu, où les couleurs se fondent les unes dans les autres. Les gaz très chauds, en revanche, produisent un spectre de raies constitué de raies colorées sur un fond sombre. En effet, ils n’émettent de la lumière qu’à certaines longueurs d’onde, en fonction des éléments chimiques présents.
Chaque élément a son propre motif unique de lignes. Le sodium, par exemple, produit des raies fortes dans la partie jaune du spectre. Cela peut être vu en saupoudrant du sel (chlorure de sodium) dans une flamme, ce qui lui donne une couleur jaune distinctive.
Un spectre d’absorption est produit lorsque la lumière à des longueurs d’onde particulières est absorbée par un gaz ou un liquide à travers lequel elle passe. Chaque élément chimique n’absorbe que certaines longueurs d’onde spécifiques – les mêmes qu’il émet sous forme de gaz chaud – et donc les spectres d’absorption peuvent également être utilisés pour identifier des éléments. Un spectre d’absorption se compose de lignes sombres sur le fond clair d’un spectre continu.
Le Soleil produit un spectre continu avec un certain nombre de raies d’absorption sombres. Le processus de fusion nucléaire au cœur du Soleil libère de la lumière à de nombreuses longueurs d’onde, mais certaines d’entre elles sont absorbées par divers éléments lorsque la lumière se déplace vers la surface, produisant les lignes sombres. Les scientifiques ont ainsi pu déterminer la composition chimique du Soleil. L’élément hélium, qui n’avait jamais été vu sur Terre, a d’abord été identifié par ses raies d’absorption dans le spectre du Soleil.
Spectroscopie en astronomie
Les astronomes utilisent des spectroscopes pour découvrir quels éléments sont présents dans les étoiles, dans l’atmosphère des planètes et dans l’espace interstellaire. Les étoiles se sont avérées différer par leur composition et peuvent être classées en fonction de leurs spectres. Les spectroscopes ont permis aux chercheurs de découvrir quels éléments sont présents dans les atmosphères des autres planètes du système solaire. Les astronomes pourraient être capables d’analyser les atmosphères des exoplanètes en orbite autour d’autres étoiles ; si de l’oxygène était découvert, ce serait une forte indication de la vie.
L’examen de la lumière d’autres galaxies a révélé que, dans la plupart des cas, les raies spectrales des éléments sont décalées vers la longueur d’onde la plus longue, l’extrémité rouge du spectre, un phénomène connu sous le nom de décalage vers le rouge. Les galaxies les plus éloignées montrent les plus grands décalages vers le rouge, et la plupart des astronomes pensent que c’est parce que l’univers est en expansion. Au fur et à mesure que l’espace entre deux objets augmente, la lumière circulant entre eux s’étire, ce qui entraîne des longueurs d’onde plus longues.
Les spectres d’objets très éloignés, à des milliards d’années-lumière, sont déplacés au-delà de la plage de la lumière visible et dans la région infrarouge. Pour cette raison, la spectroscopie infrarouge doit être utilisée pour les analyser. Les molécules produisent un rayonnement infrarouge à des longueurs d’onde caractéristiques lorsqu’elles vibrent ou tournent. Cette méthode peut donc être utilisée pour identifier les molécules présentes dans les nuages de gaz flottant dans l’espace interstellaire. Les astronomes ont ainsi découvert de l’eau, du méthane et de l’ammoniac dans les nuages de gaz.
Spectroscopie en chimie
En chimie, les spectroscopes permettent d’identifier les éléments présents dans un échantillon de matériau. Le fait de chauffer fortement l’échantillon, comme dans une flamme, le transforme en un gaz chaud et incandescent qui produit un spectre de raies d’émission. Les chimistes peuvent ensuite examiner cela pour identifier les éléments. Cette méthode a conduit à la découverte de nombreux éléments du tableau périodique. Alternativement, la spectroscopie peut capturer le spectre d’absorption d’un liquide lorsqu’une lumière le traverse.
Les chimistes peuvent utiliser la spectroscopie pour identifier des composés chimiques ainsi que des éléments. La spectroscopie infrarouge est particulièrement utile à cet égard, et elle est souvent utilisée en chimie organique, biochimie et chimie médico-légale.