Les
rayonnements électro-magnétiques
Les rayonnements électromagnétiques sont des champs électriques et
magnétiques dont l'amplitude varie de manière sinusoïdale. Ils sont
caractérisés par leur intensité, et leur fréquence (ou leur longueur
d'onde).
Le rayonnement électro-magnétique le plus commun est la lumière
visible. La lumière solaire nous apparaît blanche, mais est en fait un
mélange de rayonnements de longueurs d'onde différents. Ceux-ci sont
séparés par certains dispositifs tels qu'un prisme, un réseau
interférentiel, ou un rideau de pluie qui produit un arc en ciel. Les
rayonnements visibles de différentes longueurs d'ondes nous
apparaissent sous forme de couleurs dont on identifie sept couleurs
principales:
Les couleurs de l'arc en ciel
Couleur |
longueur d'onde
[nm] |
Violet |
400 - 420 |
Indigo |
420 - 440 |
Bleu |
440 - 490 |
Vert |
490 - 570 |
Jaune |
570 - 585 |
Orange |
585 - 620 |
Rouge |
620 - 780 |
Les rayonnements électromagnétiques ne sont pas limités à la lumière
visible; des rayonnements électromagnétiques existent pour des
longueurs d'ondes inférieures et supérieures au spectre visible:
Les rayonnements électro-magnétiques sont des vecteurs d'énergie; il
faut apporter de l'énergie pour les produire, et leur absorption par un
corps lui apporte une énergie.
L'énergie véhiculée par un rayonnement électromagnétique est quantifiée
par l'énergie du photon associé:
E = h∙ν
avec:
E: énergie du photon [J]
h: constante de Planck = 6,62607015 × 10
−34 J s
ν: fréquence du rayonnement [Hz]
Fréquence ou longueur d'onde
Le rayonnement électromagnétique est indifférement caractérisé par:
- sa fréquence (ν)
- sa longueur d'onde (λ) qui est la longueur arcourue par l'onde durant une période
- son nombre d'onde (σ) qui est le nombre d'oscillations par unité de longueur
Ces trois valeurs sont reliées entre elles par les relations suivantes:
λ = c/ν
σ = 1/λ
avec:
c: vitesse de la lumière = 3 × 108 m/s
Le
rayonnement infra-rouge
Le rayonnement infra-rouge (IR) est connu pour être un vecteur de
chaleur; il est émis par des corps chauds, et élève la température des
corps qui l'absorbent.
Lorsqu'il est absorbé par un gaz ou un liquide, le rayonnement
infra-rouge est capable de provoquer la vibration de liaisons
covalentes de substances; les liaisons covalentes des atomes dans une
molécule ne sont pas des liaisons rigides, mais sont comme des
ressorts, capables de légers mouvements autour d'une position
d'équilibre. Ce mouvement peut se faire dans deux directions
principales:
- dans la direction de la liaison (étirement, stretching)
- perpendiculairement à la liaison (fléchissement, bending)
L'absorption du rayonnement par une liaison covalente est maximum pour
une certaine fréquence caractéristique de la nature et de
l'environnement des atomes impliqués.
Liaison | Nombre d'onde [cm-1] | Longueur d'onde [nm] | Fréquence [Hz] | |
---|
C−C | 1000 | 10000 | 3 × 1013 | étirement, faible intensité |
C=C | 1600 | 6250 | 4,8 × 1013 | étirement |
C≡C | 2200 | 4600 | 6,5 × 1013 | étirement |
C=O | 1700 | 5900 | 5 × 1013 | |
C−O− | 1100 | 9100 | 3,3 × 1013 | étirement |
C−H | 3000 | 3300 | 9 × 1013 | étirement |
C−H | 1400 | 7100 | 4,2 × 1013 | fléchissement |
C−Cl | 800 | 12500 | 2,4 × 1013 | |
C−Br | 550 | 18200 | 1,6 × 1013 | |
C−I | 500 | 20000 | 1,5 × 1013 | |
C≡N | 2200 | 4600 | 6,5 × 1013 | |
C=N | 1600 | 6250 | 4,8 × 1013 | |
C−N | 1100 | 9100 | 3,3 × 1013 | |
Un groupe d'atomes présentera plusieurs fréquences d'absorption
caractéristiques correspondant à différents types et différentes
combinaisons de vibrations.
L'intensité de l'absorption de la substance en fonction de la longueur
d'onde du rayonnement infra-rouge constitue un spectre caractéristique
de la substance.
Mise
en oeuvre de l'analyse infra-rouge
La
spectroscopie infra-rouge est souvent utilisée pour caractériser des
substances organiques. L'analyse infra-rouge n'est pas utilisable pour
des métaux ou des gaz monoatomiques (Hélium, Néon, Argon, Krypton,
Xénon, Radon).
L'analyse infra-rouge peut être faite sur des
échantillons liquides,
gazeux ou solides. On pourra enregistrer la transmission du rayonnement
au travers d'un échantillon, ou bien sa réflexion (technique ATR).
Transmission
Le verre absorbe le rayonnement infra-rouge;
l'échantillon sera contenu dans une cellule en chlorure de sodium.
Un échantillon liquide pourra être disposé en une fine couche entre
deux lames transparentes en chlorure de sodium, ou bien dilué dans un
solvant n'interférant pas avec le spectre de la substance à analyser;
les solvants chlorés (tétrachlorure de carbone, chloroforme,
tétrachloréthylène) sont les plus couramment utilisés.
Un échantillon solide pourra être incorporé dans une matrice en bromure
de potassium puis conditionné sous la forme d'un disque mince réalisé
sous pression.
L'échantillon
analysé devra être suffisament dilué ou d'une épaisseur suffisament
faible pour que le rayonnement ne soit pas totalement absorbé.
Reflexion (ATR)
Le
rayonnement est dirigée vers un cristal d'un matériaux transparents aux
infra-rouges (p. ex. diamant). il suffit de placer l'échantillon, qu'il
soit solide, liquide, organique ou inorganique sur le cristal, sans le
couper, diluer ou le préparer. Le rayonnement interagira ensuite avec
l'échantillon qui est en contact étroit avec ce cristal.
Contrairement
à la méthode par transmission, l'épaisseur de matériau traversé par le
rayonnement n'est pas définie, ce qui en fait une méthode
particulièrement adaptée aux matériaux denses.
Spectre
en proche IR (NIR)
NIR est l'acronyme anglo-saxon de Narrow Infra Red et signifie que le
faisceau de mesure est compris entre les longueurs d'onde 1200 et 2200
nm.
Analyseurs
NDIR
NDIR est l'acronyme anglo-saxon de Non Dispersive Infra Red signifiant
que l'analyseur n'utilise pas un faisceau monochromatique (une seule
longueur d'onde sélectionnée); le faisceau est polychromatique et
seulement filtré en amont du détecteur pour sélectionner les longueurs
d'ondes adéquat pour la substance à mesurer.