La spectroscopie.
- Michel Havez
- 31 mars
- 6 min de lecture
Revenez, j'ai pas dit coloscopie, mais spectroscopie 😂
Oui bon le mot peut quand même vous impressionner mais je vais faire en sorte que la vulgarisation reste accessible au plus grand nombre. Promis 😇
Vous êtes-vous déjà interrogé sur la manière dont les scientifiques parviennent à identifier les principaux éléments d'un corps (étoile, planète) sans y avoir jamais mis les pieds ? Par exemple, nous savons que le soleil et la majorité des étoiles sont principalement composés d'hydrogène et d'hélium. Trouver la réponse à cette question a mobilisé l'esprit de nombreux chercheurs pendant plusieurs siècles.
La spectroscopie, c'est l'étude de la décomposition d'un phénomène physique sur une échelle.
Soit un spectre : un ensemble de propriétés dont les caractéristiques se chevauchent de manière à former un continuum.
Vous connaissez tous ce dessin iconique :
Vous savez que la lumière qui arrive sur un prisme est décomposée en plusieurs longueurs d'ondes, matérialisées par les couleurs de l'arc en ciel.
Comme je le disais : Décomposition d'un phénomène physique sur une échelle.
La genèse :
Le premier à décrire le phénomène (sans le comprendre) est Thierry de Freiberg (~ 1.245 - 1.315).
A la fin des années 1.500 on pouvait s'amuser en se procurant des dioptres (prismes) dans les foires, comme on le ferait aujourd'hui avec un laser.
S'il y en a un en particulier qui va faire joujou avec ça c'est.... Isaac Newton himself ! Non seulement il décrit l'expérience mieux que quiconque mais il comprend que ce n'est pas le prisme qui créé les couleurs comme on le supposait jusqu'alors.
Le prisme ne fait que séparer les constituants de la lumière blanche (bougie, soleil) qui contiennent déjà plusieurs couleurs. Il publie ses travaux en 1.704 dans son ouvrage : Opticks.
En mêlant différents sels, gaz... (magnésium, sodium, fer, mercure, hélium...) à la flamme d'une bougie, apparaissent une succession de nouvelles couleurs à la sortie du prisme. Ces observations restent cependant qualitative mais non quantitative. On associe une couleur à un constituant, par ex le sodium (orange), mais pas une valeur numérique.
Naissance de la spectroscopie :
Dans L'histoire de la mesure de la vitesse de la lumière j'ai mentionné que la lumière a tout d'abord été étudiée comme étant corpusculaire (les photons sont des particules élémentaires) avant de comprendre qu'elle était aussi ondulatoire, notamment grâce aux travaux de Leonhard Euler en 1.740, puis
par Thomas Young en 1.801 qui fait passer de la lumière à travers 2 petits trous. (infographie).
On pourrait s'attendre à ce que la lumière projetée sur un écran à la sortie des trous ne forme que 2 taches lumineuses, mais au lieu de cela on observe une alternance de franges sombres et lumineuses : c'est ce motif de diffraction qui met en évidence la nature ondulatoire de la lumière.
L'expérience est nommée "les fentes de Young" :
La caractéristique essentielle des ondes est leur capacité à interagir entre elles, c'est-à-dire à se combiner si elles sont en phase, ou à s'annuler en cas de déphasage, exactement comme le feraient en se croisant deux vagues identiques.
La vague résultante serait :
soit deux fois plus haute (les crêtes d'une vague correspondant aux crêtes de l'autre),
soit inexistante (les crêtes de l'une correspondant aux creux de l'autre).
L'expérience de Young a démontré que deux rayons lumineux peuvent se combiner (frange brillante) ou s'annuler (frange sombre) lorsqu'ils sont en interaction, prouvant ainsi la nature ondulatoire de la lumière.
C'est cette caractéristique ondulatoire de la lumière qui va donner naissance à la spectroscopie.
Les raies de Fraunhofer :
En 1.814 un Bavarois du nom de Joseph Von Fraunhofer, fils de souffleur de verre, va faire une découverte qui va considérablement améliorer la précision de la résolution spectrale.
Il remplace le prisme par un réseau de diffraction.
Il est sur le point de réaliser un bond de géant.
Vous avez tous déjà observé ces belles couleurs à la surface d'un vulgaire CD en plein soleil ?
Eh bien c'est un exemple de réseau de diffraction.
Pour construire son réseau de diffraction, Joseph fait passer un faisceau lumineux à travers une fente très fine, puis deux, puis... pour finalement créer une sorte de filtre percé de milliers de fentes minuscules, équidistantes et très rapprochées.
Quand je dis minuscules et très rapprochées, vous n'êtes pas prêt : on parle de 132 fentes par millimètre ! 😲
Et si vous vous demandez comment on peut fabriquer ce genre de truc en 1.800, bah c'est relativement simple : plutôt que d'usiner de la matière pour créer les fentes, on tend des cheveux en les espaçant régulièrement jusqu'à se retrouver avec 133 cheveux par millimètres. Pas con hein ! 🧠😉
A ce stade, le spectre lumineux ressemble à ça :
Et là, tout comme vous, Fraunhofer remarque un truc étrange : la présence de bandes noires réparties aléatoirement sur le spectre. Ces bandes noires ne pouvaient pas apparaitre avec un prisme, c'est l'augmentation de la résolution spectrale de son réseau de diffraction de 132 fentes par mm qui permet de les mettre en évidence. (le bond de géant).
Il va désigner les bandes comme étant des raies et, tant qu'à faire, leur attribuer son nom : les raies de Fraunhofer.
Reste à savoir ce qu'elles font là ces fameuses raies. Et à quoi elles servent ?
On découvre le lien entre les raies de Fraunhofer et la composition atomique d'un objet :
En 1853, un physicien Suédois : Anders Jonas Ångtröm travaille sur les couleurs. Il comprend la différence entre l’absorption et la diffusion de la lumière. Les deux phénomènes entraînent une atténuation de la lumière, mais le premier altère le spectre, alors que le second ne le modifie pas.
Pour le dire autrement, la couleur d'un corps est due à la résonance entre l'onde lumineuse et les molécules de matière. Les objets ne renvoient pas la couleur dont ils sont composés, mais au contraire absorbent toutes les longueurs d'ondes avec lesquelles ils peuvent s'accorder.
En 1.862, Anders Jonas établit la relation entre les raies d'absorption et la nature du sujet observé. Notamment il identifie les raies de l'atome d'hydrogène parmi les raies de Fraunhofer du spectre solaire.
Mais toujours pas de données chiffrées. On en est encore à Sodium = orange.
Les mesures chiffrées :
En 1.868, Anders Jonas Ångtröm, toujours lui, publie le résultat de 5 années de recherches : il est parvenu à établir un lien chiffré entre les couleurs spectrales et une longueur d'onde précise par un procédé complexe de mesure d'angle de diffraction par rapport à la source.
Par exemple le sodium dévie de 4.5°, ce qui fait une longueur d'onde de 589 nanomètres.
Un millimètre, c'est 1 million de nanomètres (1.000.000) !
Ångtröm publie une liste de plus de 1.000 raies de Fraunhofer, comprenez la signature spectrale de plus de 1.000 composés chimiques.
Là vous vous dites c'est bien beau tout ça mais qu'est-ce que j'en ai à faire ? 🙄
Eh bien maintenant que l'on arrive à associer un composé chimique à une raie de Fraunhofer en laboratoire, on va pourvoir observer les étoiles, les nébuleuses, galaxies, planètes, exoplanètes et analyser leurs raies spectrales ! Et ainsi déterminer la composition chimique de ces objets !
Encore plus fort, jusqu'ici je n'ai parlé que de lumière visible, mais le procédé fonctionne sur l'ensemble du spectre électromagnétique : radiofréquences, micro-ondes, infrarouge, ultra-violet, rayons X et gamma !
Les retombées dans notre vie quotidienne :
Wé mais à moi, ça m'apporte quoi ? 🥴
Bah, presque rien 😅 :
🏥 Médecine et santé
Analyses sanguines : identification de molécules (glucose, cholestérol, etc.)
Oxymètre de pouls (le petit capteur au doigt) → mesure l’oxygène dans le sang grâce à la lumière
Techniques comme la spectroscopie IR ou RMN (liée à résonance magnétique nucléaire) utilisées en imagerie médicale
👉 Résultat : diagnostics plus rapides et non invasifs
🍎 Alimentation et agriculture
Contrôle de qualité (fraîcheur, composition, fraude alimentaire)
Détection de pesticides ou contaminants
Analyse du sucre dans les fruits ou du degré d’alcool
👉 Exemple : les jus de fruit et les vins ont souvent été analysé par spectroscopie
🌍 Environnement
Mesure de la pollution de l’air (CO₂, NO₂, ozone…)
Analyse de l’eau (métaux lourds, nitrates)
Satellites qui surveillent la Terre grâce au spectre lumineux
👉 Essentiel pour le climat et la santé publique
📱 Technologie du quotidien
Les capteurs photo (smartphones, appareils photo) reposent sur l’analyse du spectre lumineux
Les écrans LED/OLED sont conçus à partir de propriétés spectrales des matériaux
Reconnaissance de matériaux (certains smartphones peuvent analyser des objets)
🚓 Sécurité et police scientifique
Identification de substances (drogues, explosifs)
Analyse de traces (peintures, fibres…)
🚗 Industrie et énergie
Contrôle qualité des matériaux (métaux, plastiques)
Optimisation de la combustion dans les moteurs
Développement de panneaux solaires plus efficaces
🌌 Bonus fascinant : astronomie
On sait de quoi sont faites les étoiles grâce à leurs raies spectrales (hydrogène, hélium…)
Basé sur les travaux de Joseph Von Fraunhofer et Anders Jonas Ångtröm
👉 Littéralement, la spectroscopie nous dit de quoi est fait l’univers ! 🤩
Michel Havez, Avril 2026.
Commentaires