Mécanique Quantique Approfondie et Spectroscopies

Universiteacute de Bordeaux 2022 1

UE 4TPC603U

Meacutecanique Quantique Approfondie

et Spectroscopies

Meacutecanique Quantique ApprofondiePr Eric Mevel

ericmevelu-bordeauxfr

SpectroscopiesPr Jean-Christophe SOETENS

jean-christophesoetensu-bordeauxfr

2

Organisation

Universiteacute de Bordeaux 2022

3

Plan du cours


I- Introduction

Deacutefinition historique applications

Principe geacuteneacuteral drsquoune expeacuterience

La quantification des eacutetats de la matiegravere

Processus eacuteleacutementaires drsquointeraction lumiegravere matiegravere

Intensiteacute et largeur de bande regravegles de seacutelection

Scheacutema expeacuterimental geacuteneacuteral

II- Spectroscopie drsquoabsorption UV-Visible

III- Spectroscopie drsquoabsorption IR

IV- Spectroscopie de diffusion Raman

V- Spectroscopie de Fluorescence moleacuteculaire

VI- Compleacutements

4

Deacutefinition

La spectroscopie est lrsquoensemble des techniques qui

permettent drsquoanalyser

- la lumiegravere eacutemise par une source lumineuse

- la lumiegravere transmise reacutefleacutechie diffuseacutee par un

corps (un eacutechantillonhellip)


5

Deacutefinition

Spectroscopie = eacutetude des interactions entre les

ondes eacutelectromagneacutetiques et la matiegravere

Interactions la matiegravere effectue une transitiondrsquoun eacutetat drsquoeacutenergie agrave un autre eacutetat drsquoeacutenergie

drsquoun eacutetat quantique agrave un autre eacutetat quantique

Linteraction entre lumiegravere et matiegravere est agrave lrsquoorigine de la majeur partie des

pheacutenomegravenes eacutelectriques magneacutetiques optiques et chimiques observables

dans notre environnement proche

Interaction entre le vent solaire et

le champ magneacutetique des planegravetes

Arc-en-ciel


6

Deacutefinition

Autres exemples de pheacutenomegravenes qui nous entourent ougrave lumiegravere et matiegravere sont eacutetroitements lieacutes

Couleurs dans notre environnement

Arc en ciel Astrochimie Feu drsquoartifices


7

Petit historique

Theacuteorie des couleurs proposeacutee par

Newton enfermeacute dans une piegravece

Tous les volets sont hermeacutetiquement

fermeacutes lun eacutetant perceacute dun petit trou

par lequel la lumiegravere solaire peacutenegravetre

Devant cet eacutetroit faisceau il laisse le

rayon traverser la piegravece pour former

une tacircche lumineuse blanche sur le

mur en face

Puis il place un prisme sur le faisceauhellip

Isaac Newton

1643 - 1727


8

Petit historique

En 1800 deacutecouvert par Freacutedeacuteric

Wilhelm Herschel

Herschel sinteacuteressait aussi agrave la chaleur

et agrave sa relation avec la lumiegravere Il avait

remarqueacute que les diffeacuterentes couleurs de

la lumiegravere semblaient avoir des

tempeacuteratures diffeacuterentes Apregraves avoir

remarqueacute le changement de tempeacuterature

pour les diffeacuterentes couleurs de la

lumiegravere visible il a deacutecideacute dessayer de

mesurer la tempeacuterature au-delagrave du

spectre visible

Le rayonnement infrarouge

Wilhelm Herschel

1738 - 1822

Il deacutecouvre une forme de lumiegravere (ou radiation)

au-delagrave de la lumiegravere rouge quon connaicirct aujourdhui

sous le nom de radiation infrarouge


9

Petit historique

En 1803 Inglefield suggeacutera quil pouvait y avoir des rayons invisibles

au-delagrave du violet

Lexistence de ces rayons ultraviolets fut deacutemontreacutee indeacutependament par Ritter (1776-

1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets

Analyse chimique par spectroscopie

En 1860 Le physicien Gustav Robert Kirchhoff et le chimiste Robert Wilhelm

Bunsen eacutenoncegraverent le principe de lanalyse chimique fondeacutee sur lobservation du

spectre

Les eacuteleacutements introduits dans une source convenable

drsquoexcitation eacutemettent un ou plusieurs rayonnements

caracteacuteristiques

Ces eacutemissions constituent un moyen sucircr drsquoidentification


10

Petit historique

Faraday (1791-1867) relations entre lumiegravere et eacutelectromagneacutetisme

Maxwell (1831-1879) travaux sur les ondes eacutelectromagneacutetiques

Hertz (1857-1894) en 1886 montre lexistence des ondes eacutelectromagneacutetiques

Autres travaux

Vers 1885 Balmer et Rydberg expliquent les raies du spectre drsquoeacutemission de

lrsquohydrogegravene

1913 Bohr propose un modegravele theacuteorique de lrsquoatome


11

Applications de la spectroscopie

De chimie

- identification des moleacutecules

- deacutetermination des structures

- mesure des cineacutetiques de reacuteaction

- deacutetermination des meacutecanismes reacuteactionnels

- deacutetermination de quantiteacutes techniques de dosages

Et autreshellip

- recherche de traces de moleacutecules par exemple en police scientifique

- analyses et expertises drsquoœuvres drsquoart

- analyses meacutedicales (radiographie X IRM scintigraphie mammographiehellip)

- analyse conformationnelle en biologie

Dans les laboratoires


12

Objectifs de cette UE sur les spectroscopies

ΔE = hEchanges drsquoeacutenergie entre matiegravere et rayonnement se font par quantiteacutes finies et

eacuteleacutementaires drsquoeacutenergie appeleacutees quanta

Divers domaines du spectre eacutelectromagneacutetique sont mis en jeux

Pheacutenomegravenes se manifestent de diverses maniegraveres mais tous gouverneacutes par un nombre limiteacute de principes geacuteneacuteraux relativement simples

Quatre processus agrave la base des pheacutenomegravenes spectroscopiques

Diffusion

Ce cours

- Absorption en UV-Visible (TP)

- Absorption en IR (TP)

- Diffusion Raman (TP indirectement)

- Emission de Fluorescence (TP)


13



14

Quantification des niveaux drsquoenergies


15



Interfeacuteromegravetre IR

Spectrophotomegravetres agrave reacuteseauen absorption UVVisible

et Spectrofluorimegravetres agrave reacuteseauen eacutemission de fluorescence

16

Applications des spectroscopies optiques


Spectroscopies optique

17

Processus drsquointeraction rayonnement-matiegravere


18



Absorption

19



Emission

20



Diffusion

2

Organisation


3

Plan du cours


I- Introduction












4

Deacutefinition







5

Deacutefinition










Arc-en-ciel


6

Deacutefinition





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Petit historique









mur en face


Isaac Newton

1643 - 1727


8

Petit historique


Wilhelm Herschel










spectre visible


Wilhelm Herschel

1738 - 1822





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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




spectre






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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Diffusion

Ce cours






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18



Absorption

19



Emission

20



Diffusion

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Plan du cours


I- Introduction












4

Deacutefinition







5

Deacutefinition










Arc-en-ciel


6

Deacutefinition





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Petit historique









mur en face


Isaac Newton

1643 - 1727


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Petit historique


Wilhelm Herschel










spectre visible


Wilhelm Herschel

1738 - 1822





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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




spectre






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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Diffusion

Ce cours






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Absorption

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Emission

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Diffusion

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Deacutefinition







5

Deacutefinition










Arc-en-ciel


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Deacutefinition





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Petit historique









mur en face


Isaac Newton

1643 - 1727


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Petit historique


Wilhelm Herschel










spectre visible


Wilhelm Herschel

1738 - 1822





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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




spectre






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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Diffusion

Ce cours






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Absorption

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Emission

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Diffusion

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Deacutefinition










Arc-en-ciel


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Deacutefinition





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Petit historique









mur en face


Isaac Newton

1643 - 1727


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Petit historique


Wilhelm Herschel










spectre visible


Wilhelm Herschel

1738 - 1822





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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Ce cours






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Absorption

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Emission

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Diffusion

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Deacutefinition





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Petit historique









mur en face


Isaac Newton

1643 - 1727


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Petit historique


Wilhelm Herschel










spectre visible


Wilhelm Herschel

1738 - 1822





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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Diffusion

Ce cours






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Absorption

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Emission

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Diffusion

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Petit historique









mur en face


Isaac Newton

1643 - 1727


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Petit historique


Wilhelm Herschel










spectre visible


Wilhelm Herschel

1738 - 1822





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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




spectre






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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Diffusion

Ce cours






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Absorption

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Emission

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Diffusion

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Petit historique


Wilhelm Herschel










spectre visible


Wilhelm Herschel

1738 - 1822





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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Ce cours






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Absorption

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Petit historique




1810) et Wollaston (1766-1828)

Rayons ultraviolets




spectre






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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Diffusion

Ce cours






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Diffusion

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Petit historique




Autres travaux





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De chimie






Et autreshellip







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Ce cours






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Diffusion

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De chimie






Et autreshellip







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Diffusion

Ce cours






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Diffusion

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Ce cours






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