Raman-SMP-Projet-Tutore

Filière de licence fondamentale
Science de la Matière Physique
Projet tutoré
Spectroscopie Raman
Mémoire présenté par
Siham Drissi et Ismail Anajar
Le 22 Mai 2017
Devant la commission
Hassan Chaib Professeur, Faculté Polydisciplinaire de Ouarzazate Encadrant
Abdessamade Rafiki Professeur, Faculté Polydisciplinaire de Ouarzazate Examinateur
Année universitaire 2016/2017

ii
REMERCIEMENTS
Nous tenons à remercier toute l'équipe pédagogique de la Faculté Polydisciplinaire de
Ouarzazate et en particulier les enseignants qui interviennent dans la filière Science de la
Matière Physique pour les efforts qu’ils déploient afin de réussir notre formation et mieux
aboutir aux objectifs attendus des différentes matières.
Nous tenons à remercier le professeur Hassan Chaib qui nous a encadré pour la réalisation du
présent projet.
Nous espérons que ce modeste travail atteint la qualité souhaitée et répond aux questions
posées.

iii
SOMMAIRE
INTRODUCTION ................................................................................................................................... 1
CHAPITRE I : INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE ...................................................... 2
I.1. I NTRODUCTION ............................................................................................................ 2
I.2. N IVEAUX D ’ ÉNERGIE MOLÉCULAIRE ........................................................................... 2
I.3. T YPES DE VIBRATIONS MOLÉCULAIRES ....................................................................... 4
I.4. I NTERACTION RAYONNEMENT - MATIÈRE ...................................................................... 5
I.4.1. Nature du rayonnement électromagnétique ................................................................... 5
I.4.2. Différents processus d’interaction rayonnement-matière .............................................. 6
I.5. C ONCLUSION ............................................................................................................... 7
CHAPITRE II : THEORIE DE LA DIFFUSION RAMAN ................................................................. 8
II.1. I NTRODUCTION ............................................................................................................ 8
II.2. T HÉORIE DE DIFFUSION R AMAN .................................................................................. 8
II.2.1. Polarisabilité et moment dipolaire électrique induit ...................................................... 8
II.2.1.1. Polarisabilité électronique .................................................................................. 8
II.2.1.2. Moment dipolaire électrique induit ..................................................................... 9
II.2.2. Principe de l’effet Raman ............................................................................................ 10
II.2.3. Théorie de l’effet Raman ............................................................................................. 11
II.2.3.1. Approche classique ............................................................................................ 11
II. 2.3.2. Approche semi-classique ................................................................................... 13
II.2.3.3. Règles de sélection ............................................................................................ 14
II.3. C ONCLUSION ............................................................................................................. 15
CHAPITRE III : ANALYSE SPECTRALE ....................................................................................... 16
III.1. I NTRODUCTION .......................................................................................................... 16
III.2. P RINCIPE DE LA SPECTROMÈTRE R AMAN ................................................................... 16
III.3. S TRUCTURE D ’ UN SPECTROMÈTRE R AMAN ............................................................... 17
III.4. D OMAINES D ’ APPLICATIONS ...................................................................................... 18
III.5. A VANTAGES ET LES INCONVÉNIENTS ......................................................................... 18
III.6. C ONCLUSION ............................................................................................................. 19
CONCLUSION ..................................................................................................................................... 20
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................ 21

1
INTRODUCTION
La spectroscopie, qui est définie littéralement comme étant la mesure de la fréquence, est un
ensemble de techniques qui s’intéressent à l’étude de l'absorption, l'émission et la diffusion
élastique ou inélastique de la lumière par la matière. En effet, la spectroscopie, qu’elle soit
infrarouge ou Raman, mesure les variations vibrationnelles des molécules lorsqu'elles sont
irradiées par une onde électromagnétisme de fréquence adéquate. Les techniques et les
domaines d'application de la spectroscopie sont très variés et dépondent du domaine des
énergies des ondes utilisées.
L’effet Raman a été découvert en 1928 par Sir C. V. Raman qui a été le premier à s'intéresser
au phénomène d'émission lumineuse inélastique. À la fin des années 1930, la spectroscopie
Raman était devenue la principale méthode non destructive d'analyse chimique.
Après la seconde guerre mondiale, la spectroscopie infrarouge est devenue la méthode la plus
répandue, mais les mesures par spectroscopie infrarouge deviennent une pure routine, alors
que la spectroscopie Raman nécessitait des opérateurs très qualifiés et des chambres noires.
Malgré le développement des lasers dans les années 1960 la spectroscopie Raman resta
largement confinée dans les laboratoires. De plus, la spectroscopie Raman souffrait fortement
du phénomène de fluorescence qui est une forte émission lumineuse venant de l'échantillon.
L’objectif du présent projet est de faire une étude sur les bases théoriques et les techniques
expérimentales relatives à la spectroscopie Raman et de le traiter théoriquement et
expérimentalement.
Ce mémoire comporte quatre chapitres. Il est organisé de façon suivante : Le premier chapitre
est consacré à des généralités sur les interactions rayonnement-matière, le deuxième chapitre
traite la partie théorique de la diffusion Raman et le troisième chapitre parle de l'analyse
spectrale. Ce mémoire se termine par une conclusion.

2
CHAPITRE I : INTERACTION RAYONNEMENT-MATIÈRE
I.1. I NTRODUCTION
Le rayonnement électromagnétique, qui peut être assimilé soit à un faisceau de photons soit à
une onde, peut interagir avec les molécules d'un échantillon de trois façons différentes :
absorption, émission ou diffusion. Dans ce chapitre est consacré à quelque généralité sur les
interactions des ondes électromagnétiques avec la matière.
I.2. N IVEAUX D ’ ÉNERGIE MOLÉCULAIRE
Une particule élémentaire (atome, ion ou molécule) ne peut exister que dans certains états
d’énergie quantifiés. Dans le cas d’une molécule, on considère que l’énergie totale est la
somme des termes :
=  + +  + 
Les niveaux d'énergie électronique, de vibration et de rotation sont représentées par un
diagramme dans lequel chaque niveau est schématisé par un trait horizontal et caractérisé par
un ensemble de nombres quantiques n, v et J reliés respectivement aux mouvements
électroniques, de vibration et de rotation de la molécule (figure I-1).
Chaque particule élémentaire (atome, ion ou molécule) possède un ensemble unique d'états
d’énergie. La particule peut se retrouver dans l'un ou l'autre de ces états.
Le nombre de particules sur un niveau d’énergie donné s’appelle la population. La population
sur un niveau i par rapport à la population du niveau fondamental obéit à la loi de distribution
de Maxwell-Boltzmann :
 !
""
Où  est le nombre de particules dans l'état excité i ;  est le nombre de particules dans
l'état fondamental 0 ;  # représentent les dégénérescences des états i et 0
respectivement ;  # représentent les énergies des états i et 0 respectivement ;
k est la constante de Boltzmann (1,38 10
-23
J K
-1
) et T est la température absolue (en Kelvin).