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1.Introduction A. Histoire de l'infrarouge Les branches modernes de la physique

1.Introduction A. Histoire de l'infrarouge Les branches modernes de la physique ne sont pas nées "ex nihilo". Elles s'appuient sur de nombreux travaux antérieurs, dont la signification échappait bien souvent à ceux qui les effectuaient. C'est ainsi que la recherche fondamentale et désintéressée du siècle dernier et de la première moitié du vingtième siècle s'est attachée à l'infrarouge sans trop savoir à quoi pourrait nature inepte sérique crée lette " à profusion sans que nous nous en rendions clairement compte. Aujourd'hui, les applications se font de plus en plus nombreuses, tant dans le domaine scientifique strict avec l'étude des structures moléculaires, par exemple, que dans le monde auquel nous sommes habitués, avec la photographie. Nous avons donc demandé au professeur Hadni de retracer l'itinéraire qu'ont suivi les nombreux chercheurs qui ont tracé la voie aux réalisations d'aujourd'hui et de demain. L’œil peut être considéré comme un récepteur d'ondes électromagnétiques extrêmement sensible (il peut apercevoir en pleine nuit une bougie à 10 kilomètres), mais dans un domaine spectral relativement peu étendu entre le bleu (0,4 micron) (1) et le rouge (0,7 micron). Il nous permet de connaître le monde extérieur, moins souvent par la lumière que les objets portés à très haute température peuvent émettre que par la lumière qu'ils réfléchissent ou diffusent sélectivement. Dans le cas le plus fréquent, les objets doivent être éclairés pour que l'œil les voit. Pourtant ces objets émettent spontanément une quantité importante d'énergie électromagnétique. Mais elle est distribuée en quasi-totalité dans l'infrarouge, entre 5 et 12 microns pour des objets à température ordinaire. Même dans le cas du Soleil, dont la température est de l'ordre de 6 000 degrés, la plus grosse partie de l'énergie rayonnée se distribue au-delà du rouge. C'est dans le spectre solaire qu'Herschell, le célèbre astronome anglais inventeur d'Uranus, découvrit l'infrarouge vers 1800 en déplaçant un thermomètre à alcool sur un spectre solaire. Bien entendu les études ne commencèrent que lorsqu'on put remplacer le thermomètre à liquide par un détecteur beaucoup plus sensible. Le couple thermoélectrique fut découvert vers 1822 par Seebeck. Quelques années plus tard Melloni noircissait une des soudures et l'utilisait comme récepteur de rayonnement. Dès lors, associé à un bon galvanomètre, l'outil des spectroscopistes était disponible. Les recherches se développèrent surtout après 1870, C'est-à-dire après l'extraordinaire théorie des ondes électromagnétiques de Maxwell. L'étude de l'infrarouge ne date donc pas encore d'un siècle. Jusqu'à la dernière guerre, les recherches étaient l'œuvre d'un petit nombre de chercheurs, À côté de ces travaux de physique pure un certain nombre de chercheurs, portés davantage vers l'empirisme, s'aperçurent bientôt que si l'on met un échantillon solide, liquide ou gazeux sur le trajet des rayons isolés par un monochromateur, certaines radiations sont transmises mais d'autres sont absorbées. Le spectre infrarouge, très vaste, s'étend de 0,8 micron à 2 000 microns environ, alors que le spectre visible est limité entre 0,4 et 0,8 micron. C'est une des raisons qui explique le nombre très important des raies d'absorption de la plupart des composés dans l'infrarouge. Elles constituent en quelque sorte la fiche anthropométrique de chaque substance. Les chercheurs qui furent les pionniers de ces études, Comblent aux U.S.A., Lecomte en France, furent émerveillés de la moisson de résultats que l'on pouvait faire dans ce domaine. Un grand nombre de substances furent étudiées, et l'on parvint bientôt à attribuer une région spécifique d'absorption à chaque groupement chimique : c'était le départ de l'analyse fonctionnelle infrarouge. La théorie devait bientôt justifier ces vues en montrant que dans une vibration normale de la molécule, si tous les atomes, certes, vibrent ensemble à la même fréquence, seul un groupement fonctionnel bien déterminé en général, prend une amplitude notable. B. La spectroscopie infrarouge (parfois désignée comme spectroscopie IR) est une classe de spectroscopie qui traite de la région infrarouge du spectre électromagnétique. Elle recouvre une large gamme de techniques, la plus commune étant un type de spectroscopie d'absorption. Comme pour toutes les techniques de spectroscopie, elle peut être employée pour l'identification de composés ou pour déterminer la composition d'un échantillon. Les tables de corrélation de spectroscopie infrarouge sont largement présentes dans la littérature scientifique 2.Base de théorie La partie infrarouge du spectre électromagnétique est divisée en trois régions : le proche, le moyen et le lointain infrarouges, nommés en relation avec le spectre visible. L'infrarouge lointain, allant approximativement de 400 à 10 cm-1 (1000–30 μm), mitoyen de la région micro-onde, a une énergie faible et peut être utilisé pour la spectroscopie rotationnelle. L'infrarouge moyen, allant approximativement de 4000 à 400 cm-1 (30–1,4 μm) peut être utilisé pour étudier les vibrations fondamentales et la structure vibrationnelle associée. Le proche infrarouge, plus énergétique, allant approximativement de 14000 à 4 000 cm-1 (1,4–0,8 μm) peut exciter les vibrations harmoniques. Les dénominations et classifications de ces sous-régions sont essentiellement des conventions. Elles ne sont pas basées sur des divisions strictes ou sur des propriétés moléculaires ou électromagnétiques exactes. La spectroscopie infrarouge exploite le fait que les molécules possèdent des fréquences spécifiques pour lesquelles elles tournent ou vibrent en correspondance avec des niveaux d'énergie discrets (modes vibratoires). Ces fréquences de résonance sont déterminées par la forme des surfaces d'énergie potentielle, les masses atomiques et par le couplage vibrionique associé. Afin qu'un mode vibrationnel dans une molécule soit actif dans l'infrarouge, il doit être associé à des modifications du dipôle permanent. En particulier, dans les approximations de Born-Oppenheimer et harmonique, lorsque le hamiltonien moléculaire correspondant à l'état fondamental électronique peut être approximé par un oscillateur harmonique au voisinage de la géométrie moléculaire d'équilibre, les fréquences de résonance sont déterminées par les modes normaux correspondant à la surface d'énergie potentielle de l'état fondamental électronique moléculaire. Néanmoins, les fréquences de résonance peuvent être dans une première approche liée à la force de la liaison, et aux masses atomiques de terminaison. Donc, la fréquence des vibrations peut être associée à une liaison particulière. Les molécules diatomiques n'ont qu'une seule liaison, qui peut être étirée. Les molécules les plus complexes ont beaucoup de liaisons, et les vibrations peuvent être conjuguées, ce qui conduit à des absorptions infrarouges à des fréquences caractéristiques qui peuvent être liées à des groupes chimiques. Ainsi par exemple, les atomes d'un groupe CH2, que l'on trouve communément dans les composés organiques peut vibrer de six manières différentes : étirements (stretching) symétriques et antisymétriques, cisaillement (scission), bascule (rocking), agitation hors du plan(wagging) et torsion (twisting) : Le spectre infrarouge d'un échantillon est établi en faisant passer un faisceau de lumière infrarouge au travers de cet échantillon. L'examen de la lumière transmise indique la quantité d'énergie absorbée à chaque longueur d'onde. On peut le faire avec un faisceau monochromatique, avec une modification de la longueur d'onde dans le temps, ou en utilisant un instrument à transformée de Fourier afin de mesurer toutes les mesures d'onde simultanément. On peut alors produire les spectres en absorbance ou en transmittance, et indiquer les longueurs d'ondes d'absorption. L'analyse de ces caractéristiques indique des détails de la structure moléculaire de l'échantillon. Cette technique fonctionne quasiment exclusivement sur les échantillons présentant des liaisons covalentes. Des spectres simples sont obtenus à partir d'échantillons avec peu de liaisons actives dans l'infrarouge et avec de hauts degrés de pureté. Les structures moléculaires plus complexes conduisent à plus de bandes d'absorption et donc à des spectres plus complexes. Cette technique a cependant été utilisée pour la caractérisation de mélanges très complexes. 3.Le but Dans notre TP nous allons voir que la spectroscopie dans le domaine de l'infrarouge peut nous permettre de connaitre les fonctions chimiques des molécules et nous aider ainsi á les identifier 4. Le principe Le principe de la spectroscopie infrarouge (IR) repose sur l'absorption de la lumière par la plupart des molécules dans la région de l'infrarouge du spectre électromagnétique et en convertissant cette absorption en vibration moléculaire. Cette absorption correspond spécifiquement aux liaisons présentes dans la molécule. Avec un spectromètre, cette absorption du rayonnement infrarouge par le matériau de l'échantillon est mesurée en fonction de la longueur d'onde (sous la forme de nombres d'onde, typiquement de 4000 à 600 cm-1). Le résultat est un spectre qui donne une "empreinte chimique" distinctive qui peut être utilisée pour visualiser et identifier des échantillons organiques et inorganiques. Pourquoi utiliser l'IRTF ? L’acquisition des spectres IRTF n’est pas seulement beaucoup plus rapide que celle obtenue avec des instruments dispersifs classiques mais les spectres montrent un rapport signal sur bruit significativement plus élevé et, comme l'échelle de longueur d'onde est calibrée avec un laser très précis, les spectres obtenus ont une précision de longueur d'onde bien supérieure. Ici, une source continue génère de la lumière IR sur un large éventail de longueurs d’onde infrarouges. La lumière infrarouge passe ensuite par un interféromètre et est ensuite dirigée vers l’échantillon. Contrairement aux mesures dispersives, nous obtenons d’abord un interférogramme, qui doit être converti en spectre IR. La différence entre IR et FT-IR Cela donne un interférogramme, le signal brut, qui représente l'intensité de la lumière en fonction de la position du miroir. Ce signal doit être traité à l'aide de la transformée uploads/Litterature/ aed3.pdf