Spectrométrie absorption émission
5
pages
Français
Documents
2006
Le téléchargement nécessite un accès à la bibliothèque YouScribe Tout savoir sur nos offres
5
pages
Français
Documents
2006
Le téléchargement nécessite un accès à la bibliothèque YouScribe Tout savoir sur nos offres
Niveau: Supérieur, Licence, Bac+3
Spectrométrie : absorption, émission Licence Professionnelle Optronique Plate-forme optique UFR de physique 04 mai 2006 Table des matières 1 Principe 1 2 Expériences 4 2.1 Caractéristiques du spectroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Spectroscopie d'émission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.3 Spectre d'absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Avertissement Sécurité : Les lasers utilisés en TP sont de classe II ou IIIA. Diriger toujours le laser vers un écran. Attention aux réflexions sur les faces de lentilles. Obturer soigneusement le faisceau aussi fréquemment que possible et couper l'alimentation dès que l'on utilise plus l'appareil. Protecton du matériel : pour préserver les optiques, souvent recouvertes d'une couche anti- reflet fragile, il ne faut jamais poser les doigts dessus. Lorsque le matériel apparaît sale, appeler l'enseignant qui jugera s'il convient de le nettoyer. Les consignes en gras définissent les expériences à réaliser ou les questions auxquelles les étudiants doivent répondre par écrit dans le compte-rendu. Les expériences de démonstration sont réalisées par l'enseignant 1 Principe La lumière à analyser est transmise au spectromètre par l'intermédiaire d'une fibre optique.
Voir
Spectrométrie : absorption, émission Licence Professionnelle Optronique Plate-forme optique UFR de physique 04 mai 2006 Table des matières 1 Principe 1 2 Expériences 4 2.1 Caractéristiques du spectroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.2 Spectroscopie d'émission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.3 Spectre d'absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Avertissement Sécurité : Les lasers utilisés en TP sont de classe II ou IIIA. Diriger toujours le laser vers un écran. Attention aux réflexions sur les faces de lentilles. Obturer soigneusement le faisceau aussi fréquemment que possible et couper l'alimentation dès que l'on utilise plus l'appareil. Protecton du matériel : pour préserver les optiques, souvent recouvertes d'une couche anti- reflet fragile, il ne faut jamais poser les doigts dessus. Lorsque le matériel apparaît sale, appeler l'enseignant qui jugera s'il convient de le nettoyer. Les consignes en gras définissent les expériences à réaliser ou les questions auxquelles les étudiants doivent répondre par écrit dans le compte-rendu. Les expériences de démonstration sont réalisées par l'enseignant 1 Principe La lumière à analyser est transmise au spectromètre par l'intermédiaire d'une fibre optique.
- spectre d'absorption
- emission
- dark spectrum
- dark
- lumière
- réponse spectrale du spectromètre
- spectromètre en intensité
- fibre optique
- spectrum-save dark
Spectrométrie : absorption, émission
Licence Professionnelle Optronique Plate-forme optiqueU F Rde physique 04 mai 2006
Table des matières 1Principe1 2Expériences4 2.1 Caractéristiquesdu spectroscope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 2.2 Spectroscopied'émission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 2.3 Spectred'absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Avertissement
Sécurité : Les lasers utilisés en TP sont de classe II ou IIIA. Diriger toujours le laser vers un écran. Attention aux réflexions sur les faces de lentilles. Obturer soigneusement le faisceau aussi fréquemment que possible et couper l'alimentation dè s que l'on utilise plus l'appareil.
Protecton du matériel : pour préserver les optiques, souvent recouvertes d'une couche anti-reflet fragile, il ne faut jamais poser les doigts dessus. Lorsque le matériel apparaît sale, appeler l'enseignant qui jugera s'il convient de le nettoyer.
Les consignes en gras définissent les expériences à réaliserou les questions auxquelles les étudiants doivent répondre par écrit dans le compte-rendu.Les expériences de démonstration sont réalisées par l'enseignant
1Principe La lumière à analyser est transmise au spectromètre par l'in termédiaire d'une fibre optique. Elle est alors collimatée par une premier miroir sphérique, qui renvoie un faisceau parallèle vers un réseau plan. La lumière diffractée par ce réseau est ensuite focalisée par un second miroir sphérique vers une barrette CCD, sur laquelle se forme le spectre :
1
La barrette CCD fournit un signal électrique reproduisant l'intensité lumineuse perçue par ses 2048 pixels. Ce signal analogique est converti en signal numérique (CAN 12 bits, signal de sortie variant entre 0 et 4095) et transmit à l'ordinateur vi a le port USB. Les données sont alors traitées par un logiciel (OOIBASE32) qui connaissant la courbe d'étalonnage du spectromètre (correspondance entre pixel et longueur d'onde), affiche lacourbe d'intensité spectraleI(λ).
Montage optique équivalentPour simplifier le schéma, on a représenté ici un spectromètre avec réseau par transmission et deux lentilles au lieu des miroirs. Les valeurs numériques indi-quées sont celles des spectromètres USB2000.
Le spectre d'ordre 1 est projeté sur la barrette CCD La gamme spectrale du spectrométre est définie par la position et la largeur de la barrette CCD (la largeur de la gamme estλmax−λmin≃pL/fg≃700nm) La dispersion est environ 700nm/2048=0.3nm/pixel (la résolution ultime est donc de 1 pixel≃0.3nm). La résolution est limitée en général par la largeurade la fente source (limitation géomé-trique et non par la diffraction) :Δλ/a≃p/fc≃40nm/mmde fente source. On a donc une résolution deΔλ≃1nmavec une fente d'entrée de 25µm. (Si on dispose d'un spectrométre sans fente d'entrée, c'estle diamètre de la fibre optique qui joue : une fibre de gros diamètre collecte beaucoup de lumière mais donne une résolution médiocre.)
Utilisation du logiciel OOIBASE32 :Ce logiciel permet d'observer des spectres d'émission, d'absorption ou d'irradiance (ce dernier type de mesure néc essite une source de référence : lampe calibrée permettant d'étalonner le spectromètre en i ntensité : voir plus loin) Commencer par régler la durée d'intégration en fonction de l 'intensité du signal, de façon à utiliser au mieux la dynamique du système sans saturation. On peut choisir également le nombre de spectres sur lequel le logiciel calcule une valeur moyenne (Average) pour diminuer le bruit. Pour figer un spectre, se mettre en mode snapshot (icône appareil photo). Pour les mesures, on dispose d'un curseur (indication en bas à gauche de l'écra n : valeur deλ, n˚ de pixel et intensité correspondante).
2
Pour superposer plusieurs courbes, il faut d'abord sauvegarder les fichiers correspondants (Save-sample, ou Processed pour les spectres d'absorbanceou de transmitance) puis aller dans le menu Overlay. Absorption : Pour mesurer un spectre d'absorption, on doit commencer parenregistrer deux spectres : - un spectre d'obscurité (Spectrum-save dark) obtenu en cachant la lumière venant de la source lumineuse (ce spectre contient la lumière parasite et le signal d'obscurité du photodé-tecteur). On peut alors retirer ce signal parasite de tout signal enregistré en cliquent sur l'icône Substract dark spectrum. - un spectre de référence (Spectrum-save reference) obtenu en retirant du montage l'objet dont on veut mesurer l'absorption (ce spectre contient la co urbe d'émission de la source, la ré-ponse du réseeau, du photodétecteur, l'absorption d'éventuels filtres, verre anti-calorique, cuve, solvant,...) Le logiciel calcule et affiche en temps réel la transmittance T=(spectrum-dark)/(reference-dark) et l'absorbance A=-logT. Attention : il y a un facteur ln(10)=2.3 entre l'absorbance A et −αd le coefficient d'absorptionα(défini parItransmis=Iincicente). Pour mesurer facilement l'absorption de liquides ou de filtr es de petite taille (format diapo), on dispose d'un module d'absorption comportant, dans une bo îte noire à l'abris de la lumière parasite : une source de lumière blanche, une lentille de collimation, un support de cuves stan-dard (longueur 1cm), une pince pour fixer les filtres et un support de fibre optique.
Que nous apprend un spectre d'émission et d'absorptionLorsqu'une molécule est exci-tée par un photon d'énergie suffisante (i.e. avec la bonne longueur d'onde) le photon va être absorbé, il ne va donc pas être transmis. Le spectre d'absorption nous informe donc sur les niveaux d'energie de l'état excité de la molécule. La lectur e du spectre dépend du choix de l'expérimentateur, si on regarde la lumière transmise en fo nction de la longueur d'ondeλtelles hc qu'il existe une différence d'énergieEexcit−Ef ondamental=,si on regarde la densité optique λ DO définie commeDO=−log(Itransmis/Iincident)on aura une bosse.
Si le matériau étudié est fluorescent c'est-à-dire qu'une fois excité par un photon il revient à son état fondamental en émettant un photon, on peut grace au spectromètre, étudier les photons émis et donc tracer l'intensité lumineuse émise en fonctionde la longueur d'onde. Le phéno-mène de fluorescence set plus complexe que le phénomène d'abs orption car une fois la molécule excitée elle peut se dészxciter par des phénomènes de vibration (=> chaleur) qui sont non radia-tifs (pas d'émission de lumière) et/ou par la fluorescence enexpulsant un photon d'une certaine énergie (il ne faut pas oublier la conservation de l'énergiemême en optique). Il faut donc ensuite faire la part des choses. En règle générale, en raison des vibrations, la molécule va se désexciter en émettant un photon d'énergie plus basse que celle du photon absorbé.
3
2Expériences 2.1Caractéristiques du spectroscope dispersion : vérification de l'étalonnage avec des sources é talon (laser, lampes spectrales) Résolution :enregistrezle doublet du mercure avec le spectromètre à fente 25µm et 10 µ? Comment améliorer la résolution?m. Que constatez vous? et pour le doublet du sodium Quelle est la meilleure résolution accessible avec ces spectromètres sachant que la caméra CCD possède 2048 pixels? Etudiez le spectre d'émission des néons de la salle de TP en ut ilisant le spectromètre Avantis qui est large gamme (350-920 nm). Repérez les couples de raies telles que l'une se trouve à la longueur d'onde double de l'autre. Vérifiez à l'aied d'un filtre interférentiel, la disparition simultanée des 2 raies. Dans quels cas la présence d'harmoni ques peut-elle être génante ?
2.2Spectroscopie d'émission -Etude de l'émission de différents types de sources (lampesspectrales, tubes fluorescents, lampes économique, lampe à incandescence, laser HeNe, diodes laser, LED). - Etude qualitative de l'émission d'une lampe à incandescen ce en fonction de sa tempéra-ture : faire varier la tension d'alimentation (donc la température) de la lampe avec un alterno-stat. Observer le décalage du spectre vers le rouge si la température diminue ou vers le bleu si elle augmente. Pour cela enregistrez plusieurs spectres en gardant l'intensité totale à peu près constante (jouez sur la durée d'acquisition). Le maximum d'émission de la lampe correspond-il au maxumum du spectre enregistré? Pour déterminer le maximum d'émission de la lampe, il faut étalonner le spectromètre en intensité. C'est possible avec le spectromètre ULICE, en cliquant sur `activer réponse plate'. Malheureusement ce spectromètre n'est pas assez sensible dans l'infra rouge pour que l'on puisse atteindre le maximum d'émission de la lampe. Le spectre mesuré contient la réponse spectrale du spectromètre, son maximum ne correspond donc pas au maximum d'émission de la source. - Etude de l'émission d'un colorant fluorescent : la fluoresce ine (pour ne récupérer que la fluorescence, placer la fibre à 90˚ par rapport à la direction de la lumière incicente). Mettez très peu de fluoresceine dans l'eau. - Les couleurs sur un écran d'ordinateur Allez chercher sur le site http ://web.ujf-grenoble.fr/PHY/intra/Organisation/CESIRE/OPT/ dans la rubrique photo, l'image 'synthèse additive'. On va s'intéresser aux carrés colorés à droite de l'image. Pointez la fibre optique successivement sur le carré bleu, vert et rouge, puis regardez le spectre des autres couleurs. De quelles couleurs primaires sont composés le jaune ? le magenta ? le blanc ?
2.3Spectre d'absorption Etudier l'absorption de différents filtres utilisés couram ment en TP : - verres colorés, filtres interférentiels (influence de l'angle d'incidence, bande passante, transmission au maximum). -verre anti-calorique (longueur d'onde de coupure ?) - polaroïds parallèles (ont-ils une réponse indépendante deλdans le visible? que vaut leur transmission ?,croisés (dans quelle gamme spectrale fonctionnent-ils?)
4
-filtres gris (leur transmission est-elle indépendante deλ? calibrage, mesuredans le visible de leur absorbance ?) Etude de l'absorption d'un semiconducteur (il faut que son é nergie de gap soit dans la gamme de fonctionnement du spectromètre : c'est le cas de ZnTe et ZnSe, dont le gap est situé dans le visible) : mesurer le seuil d'absorption, en dé duire l'énergie du gap. -Fluoresceïne : Enregistrez dabord un spectre de référence avec une cuve d'eau, ensuite ajoutez très peu de fluoresceine et faites son spectre d'absorption. . vérifier que l'absorption a lieu à plus haute énergie que l'émission. En ajoutant devantla cuve un filtre coloré d'une couleur correspondant à la bande d'absorption de la fluoresceine, onpourrait vérifier que l'émission est bien liée à l'absorption de cette bande. -KMnO4 : mesure de l'absorbance en fonction de la concentrat ion, application au dosage. −αce La loi de Beer-Lambert donne l'intensité transmiseIt=I0eaprès traversée d'un milieu −1 de coefficient d'absorptionα(encm), d'épaisseure, et de concentrationc. Vous disposez de 4 cuves, l'une contient du solvant pur afin de faire le spectrede référence. La cuve n˚2 contient une solution 0.1M deKMnO4m,. Faire son spectre d'absorption, sachant que la cuve fait 1c en déduire le coefficient d'absorptionαpour une longueur d'onde donnée. Les cuves n˚3 et n˚4 contiennent des concentrations inconnues deKMnO4. En faisant leur spectre d'absorption et en utilisant votre résultat pourα, en déduire les concentrations dans les 2 cuves, avec quelle précision ? Absorption atmosphérique: Observez par la fenêtre, le spectre de la lumière du soleil après traversée de l'atmosphère et reprérez les bandes d'absorption atmosphérique (il est diffi-cile de normaliser par un spectre de référence ici). retrouver les bandes d'absorption atmosphé-rique dans le spectre solaire : ozone (600nm), oxygène (760nm), la vapeur d'eau puis CO2 vers l'infrarouge (voir annexe).
5
