12.3 : Spectroscopie moléculaire: absorption et émission

Les molécules possèdent des niveaux d'énergie discrets appelés états quantiques. Contrairement aux atomes, qui ont des niveaux d'énergie plus simples, les molécules possèdent des niveaux d'énergie de rotation et de vibration supplémentaires. Chaque niveau d'énergie est séparé par un écart énergétique, les écarts entre les niveaux électroniques, vibrationnels et rotationnels adjacents variant considérablement. Les trois types de niveaux d'énergie dans une molécule diatomique sont présentés dans la figure 1.

Figure 1: Les trois types de niveaux d'énergie dans une molécule diatomique.

Une molécule peut absorber de l'énergie sous la forme d'un photon provenant d'un rayonnement électromagnétique et utiliser cette énergie pour exciter la molécule dans un état d'énergie plus élevé. Au cours de ce processus, des changements peuvent se produire dans la rotation autour d'une liaison, la fréquence de vibration de la liaison ou la transition d'un électron de son état fondamental (l'état d'énergie le plus bas) à un état excité (un niveau d'énergie plus élevé). Lorsque la molécule à l'état excité revient à son état fondamental, elle émet un rayonnement. L'énergie du photon absorbé ou émis est équivalente à l'écart énergétique entre les deux niveaux d'énergie impliqués dans la transition. Par conséquent, chaque transition dépend de la longueur d'onde ou de la fréquence du rayonnement.

En raison des différences d'amplitude des écarts énergétiques, les longueurs d'onde du rayonnement absorbé lors de ces transitions diffèrent. Par exemple, l'énergie consommée ou libérée lors de la transition d'une rotation spécifique dans une molécule est de l'ordre du rayonnement micro-onde. En revanche, l'énergie du rayonnement infrarouge correspond aux changements de vibrations des liaisons. De plus, les photons dans la gamme UV-visible peuvent exciter un électron vers une orbitale différente, en particulier dans le cas de molécules à doubles liaisons conjuguées.