Les Spectroscopies : Introduction

Les sauts d'énergie Les éléments constitutifs de la molécule sont les atomes, dont les électrons et les noyaux sont caractérisés par des nombres quantiques spécifiques. La spectroscopie trouve des informations dans l'étude de transitions entre les niveaux d'énergies moléculaires ou atomiques résultant des quanta spécifiques à ces différents nombres quantiques. La théorie quantique montre que l'énergie E d'une molécule ne peut prendre que certaines valeurs discrètes. Il en résulte que la molécule en passant d'un état énergétique à une autre, peut émettre ou absorber un photon d'énergie selon la relation :

Les spectroscopies s'intéressent à l'ensemble des sauts d'énergie possibles que permettent de prévoir nos connaissances sur la quantification des énergies atomiques et moléculaires. Ces sauts d'énergie couvrent une très grande gamme d'énergie donc de fréquence (\(E = h\nu\)), couvrant plus de 14 puissances de 10, avec des fréquences de l'ordre de 10¹⁸ hertz et des énergies de l'ordre 10⁵ kJ par mole (rayons X) ou des fréquences de l'ordre de 10 ⁴ hertz et des énergies de l'ordre 10^-9 kJ par mole (fréquence radio).

Ainsi, sans prétendre être exhaustif, on peut tenter un inventaire par énergie décroissante :

• les spectroscopies photoélectroniques : PES, ESCA, Auger,....

• les spectroscopies électroniques : UV et visible,.....

• les spectroscopies vibrationnelles : IR et Raman,......

• les spectroscopies rotationnelles : micro-ondes,.......

• les spectroscopies magnétiques ou de spin : RMN et RPE

Les spectroscopies résultent d'une interaction onde matière, avec un échange d'énergie entre la molécule ou l'atome (niveaux quantifiés) et une onde électromagnétique de fréquence \(\nu\) et d'énergie \(h\nu\) égale à celle de la transition moléculaire observée.

Cet échange est de fait bien souvent déjà à l'origine de l'émission des ondes électromagnétiques elles-mêmes, dont la source “fonctionne“ à partir de transitions atomiques ou moléculaires. Par exemple, les rayons X résultent du retour à l'équilibre thermique d'électrons excités thermiquement (choc des électrons de la cathode attirés par une forte ddp sur l'anticathode)

Avant de revenir en détail sur le classement des différentes spectroscopies, il est utile de donner un bref rappel sur les ondes électromagnétiques.