OPTIQUE - 2

1. OPTIQUE - 2 Nature et propriétés de la lumière : dualité ondes-particules Les lois de propagation, diffusion et diffraction de la lumière Bases sur le rayonnement Laser Les spectrométries optiques, l’oxymétrie de pouls Emmanuel DURAND Biophysique - CHU Bicêtre

2. Avertissement : ce cours comporte quelques redondances avec celui d’avril 2009 dans un ensemble plus large, certaines notions auraient probablement été traitées dans un ordre différent

3. QCS 1 Le principe de fonctionnement du LASER repose, de manière principale, sur : A – une absorption B – une émission spontanée C – une émission stimulée D – une transition non radiative E – un effet Raman

4. QCS 2 Le principe de fonctionnement des oxymètres repose sur : A – une absorption dans l’ultraviolet B – une émission dans l’ultraviolet C – une absorption dans l’infrarouge D – une émission dans l’infrarouge E – un effet Raman

5. QCS 3 Parmi les rayonnements suivants, certains peuvent déclencher directement une réaction chimique ; choisir parmi eux celui d’énergie la plus faible A – ondes radio B – micro-ondes C – infrarouge D – visible E – ultraviolet

6. QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

7. énergie valeurs spécifiques (spectre) "empreintes digitales" NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES quantification des niveaux d'énergie à l'échelle moléculaire / atomique / nucléaire SPECTROSCOPIE

8. 1- en unité d'énergie du Système International NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? exprimée en joule (J) peu usité (énergies très faibles)

9. 2- en électron-volt NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? exprimée en électron-volt (eV) physique atomique et nucléaire (radioactivité)

10. 3- en unité d'énergie rapportée à la quantité de matière NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? exprimée en J/mol ou kJ/mol chimie

11. 4- en fréquence constante de Planck NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? fréquence exprimée en hertz (Hz) électronique, ondes radio, basses énergies

12. 5- en longueur d'onde NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? longueur d'onde exprimée en km, m, mm, µm, nm, Å... optique, ondes radio

13. 6- en nombre d'onde fréquence nombre d'onde NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? exprimée en cm-1 = nombre d'ondes par unité de longueur spectroscopie

14. 7- en équivalent de température constante de Boltzmann NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES Comment exprimer l'énergie d'un photon ? exprimée en kelvin (K) la température correspond en fait à une énergie (translation, vibration… des molécules)

15. QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUES TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

16. NIVEAUX ÉNERGÉTIQUES exemple : 1,0 eV = 1,6 10-19 J = 96,5 kJ/mol = 2,42 1014 Hz = 1240 nm = 12400 Å = 8065 cm-1 = 11600 K

17. plutôt aspect ondulatoire plutôt aspect corpusculaire énergie SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques

18. SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques typiquement : 1 kHz -1 GHz (ex: France info 105.5 MHz) longueur d'onde 1 m - 1000 km phénomène microscopique = magnétisme nucléaire (RMN/IRM)

19. SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques typiquement : 10 GHz -100 GHz longueur d'onde 1 mm - 1 cm phénomène microscopique = rotation des molécules

20. SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde 1 mm - 1 µm nombre d'onde 10 - 10 000 cm-1 1 kJ/mol (forces de Van der Waals) - 100 kJ/mol (liaisons covalentes) phénomène microscopique = vibration moléculaire

21. 300 nm 800 nm SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde 300 - 800 nm nombre d'onde 10 000 - 100 000 cm-1 phénomène microscopique = niveaux d'énergie électroniques

22. rayonnements ionisants risques : cancers, mutations SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques typiquement : longueur d'onde 1 - 100 nm 10 eV - 1 keV phénomène microscopique = ionisation

23. rayonnements ionisants risques : cancers, mutations SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques typiquement : 1 keV - 100 keV phénomène microscopique = ionisation

24. rayonnements ionisants risques : cancers, mutations SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques typiquement : 100 keV - 1 MeV phénomène microscopique = ionisation + phénomènes nucléaires

25. viennent du cortège électronique viennent du noyau SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques

26. SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE • les ondes radio • les micro-ondes • l'infrarouge • le visible • l'ultraviolet • les rayons X • les rayons  • les rayons cosmiques

27. QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

28. STATISTIQUE DE BOLTZMANN récipient avec des billes au repos

29. STATISTIQUE DE BOLTZMANN récipient avec des billes (secoué)

30. STATISTIQUE DE BOLTZMANN récipient avec des billes (secoué très fort)

31. Boltzmann : énergie STATISTIQUE DE BOLTZMANN à l'équilibre

32. STATISTIQUE DE BOLTZMANN les niveaux les plus bas sont les plus peuplés

33. STATISTIQUE DE BOLTZMANN l'énergie d'agitation thermique (kT) permet d'aller dans les niveaux excités

34. énergie STATISTIQUE DE BOLTZMANN

35. énergie STATISTIQUE DE BOLTZMANN

36. énergie STATISTIQUE DE BOLTZMANN

37. énergie STATISTIQUE DE BOLTZMANN

38. énergie STATISTIQUE DE BOLTZMANN

39. QUANTIFICATION DE L’ÉNERGIE DES PHOTONS SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE STATISTIQUE TRANSITIONS SPECTROSCOPIE : PRINCIPES SPECTROSCOPIE : QUELQUES PHÉNOMÈNES PHYSIQUES SPECTROSCOPIE : MODALITÉS SPECTROSCOPIE : APPLICATIONS

40. différence d'énergie DE TRANSITION ENTRE NIVEAUX niveau excité niveau fondamental

41. TRANSITION ENTRE NIVEAUX • absorption • émission spontanée • émission stimulée • transition non radiative • principe du laser • luminescence

42. TRANSITION ENTRE NIVEAUX • absorption • émission spontanée • émission stimulée • transition non radiative • principe du laser • luminescence

43. DE TRANSITION ENTRE NIVEAUX : absorption

44. TRANSITION ENTRE NIVEAUX • absorption • émission spontanée • émission stimulée • transition non radiative • principe du laser • luminescence

45. DE TRANSITION ENTRE NIVEAUX : émission spontanée

46. TRANSITION ENTRE NIVEAUX • absorption • émission spontanée • émission stimulée • transition non radiative • principe du laser • luminescence

47. DE DE TRANSITION ENTRE NIVEAUX : émission stimulée

48. TRANSITION ENTRE NIVEAUX • absorption • émission spontanée • émission stimulée • transition non radiative • principe du laser • luminescence

49. TRANSITION ENTRE NIVEAUX : absorption

50. TRANSITION ENTRE NIVEAUX : transition non radiative