Analyse spectrale

Voler vers les étoiles

Que d’autres le fassent, même si nous utilisons tous la même technologie. Qu’il s’agisse de recherche spatiale, comme sur cette image de l’ETH Zurich représentant la galaxie NGC 4650A dans la constellation du Centaure, ou de la fonderie Brechmann-Guss, nous utilisons tous une découverte fondamentale de MM. Kirchhoff, Foucault et Bunsen datant du milieu du XIXe siècle, lorsqu’ils ont réussi à identifier les spectres d’émission du sodium et d’autres éléments et à les relier aux raies de Fraunhofer du spectre solaire (spectroscopie atomique).

Analyse spectrale d’émission

Pour expliquer le procédé, nous partons d’un modèle atomique simple dans lequel les électrons tournent autour du noyau atomique sur des orbites (couches) bien définies, chaque couche ne pouvant accueillir qu’un nombre déterminé d’électrons. Le nombre d’électrons par couche peut être inférieur, mais ne doit jamais être supérieur. Chaque électron possède sur sa couche une énergie spécifique, caractéristique de l’élément chimique concret.

Une sorte d’empreinte digitale

Plus la trajectoire d’un électron est éloignée du noyau, plus l’électron a d’énergie. Cependant, il « préfère » rester sur les couches plus internes, car les atomes tendent vers un état d’énergie minimale. Si une place se libère sur une couche interne, elle est immédiatement occupée par un électron situé plus à l’extérieur. Cependant, l’électron a plus d’énergie sur la couche externe que sur la couche interne.

L’électron doit libérer cette énergie s’il veut sauter vers l’intérieur. Cela se produit par émission de rayonnement. Le rayonnement émis correspond à la différence d’énergie entre la couche d’où l’électron saute et la couche vers laquelle il saute. Mais comme les énergies des deux couches sont caractéristiques de l’élément chimique concerné, il s’agit également de leur différence d’énergie. En d’autres termes, le rayonnement libéré caractérise de manière absolument unique l’élément chimique excité, comme une sorte d’empreinte digitale.

La spectroscopie par faisceau d’électrons utilise cet effet

De l’énergie est fournie (l’échantillon de thaler placé dans l’appareil est mis sous tension) – les électrons « sautent » et émettent un rayonnement. Dans le spectromètre, le rayonnement émis par les électrons est décomposé pour l’analyse spectrale ultérieure.

Spectromètres modernes à haute performance

Lorsqu’un spectromètre moderne analyse un échantillon de fonte contenant de nombreux éléments chimiques, d’innombrables raies spectrales apparaissent (celles du fer, du carbone, du silicium, etc.). Après la décomposition du rayonnement, un spectromètre moderne à haute performance « voit » des milliers de raies spectrales.

L’appareil analyse mathématiquement l’énergie et l’intensité des raies spectrales. Les énergies des raies spectrales fournissent des informations sur les éléments chimiques qui composent l’échantillon. Les intensités des raies spectrales fournissent des informations sur la concentration des différents éléments chimiques dans l’échantillon. En comparant les courbes d’étalonnage de la base de données interne de l’appareil, la composition chimique de l’échantillon examiné est déterminée en détail.

Analyse chimique

L’unité de mesure du spectromètre transmet donc les énergies et les intensités mesurées à l’ordinateur du spectromètre, qui « consulte » sa base de données de courbes d’étalonnage et peut ainsi attribuer une analyse chimique à chaque mesure. Il est ainsi possible d’attribuer une composition chimique à chaque « échantillon de thaler », qu’il s’agisse de fonte à graphite sphéroïdal, de fonte à graphite lamellaire, d’alliage SiMo ou de fonte à haute teneur en nickel (Ni-Resist).

Les astronomes ou astrophysiciens de l’ETH Zurich travaillent de manière similaire : ils mesurent la lumière et réfléchissent à l’univers et à sa formation…

Notre objectif est quelque peu différent, mais pour nous aussi, la qualité est notre critère!