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Sir Chandrasekhra Venkata RÂMAN
Prix Nobel de physique 1930
Chandrasekhara Venkata Râman voit le jour le 7 novembre 1888 à Tiruchirapalli, une métropole indienne nichée dans l’État du Tamil Nadu. Originaire d’une famille brahmane, il est le fils de Chandrasekhara Iyer, qui après avoir réussi son examen de fin d’études secondaires à Kumbakonam en 1881, obtint un diplôme universitaire en physique quatre ans plus tard. Par la suite, il devint professeur de sciences au collège A.V. Narasimha à Visakhapatnam.
Bien que le jeune Râman soit d’une constitution fragile et d’apparence frêle, il possède un intellect remarquable. Il se distingue d’ailleurs en remportant tous les prix au College où son père enseigne. Il manifeste très tôt un intérêt prononcé pour les sciences physiques, qui se confirme lorsqu’il intègre le prestigieux et très sélectif « Presidency College » de l’ancienne Madras (actuellement Chennai). Râman décroche son « Bachelor of Arts » à l’âge de 16 ans en 1904, devenant ainsi le plus jeune et le major de sa promotion. Ses enseignants, pour la plupart européens, sont émerveillés par ses capacités intellectuelles exceptionnelles et l’encouragent à continuer ses études en Angleterre. Cependant, sa santé fragile s’avère incompatible avec le climat anglais, et il est contraint de rester en Inde.
Ses professeurs le dispensent d’assister aux cours magistraux et l’encouragent plutôt à se former directement dans les livres, à son rythme, en quasi-autodidacte. Il étudie les mathématiques, la physique théorique et expérimentale, quatre langues, l’histoire grecque et romaine, et la finance.
Trois livres ne quittent plus son chevet et charpentent sa vision du monde. Il y a tout d’abord The Light of Asia, une adaptation du Sûtra décrivant la vie du Bouddha ShƗkyamuni selon la tradition MahƗyƗna. Il y a ensuite Les éléments d’Euclide, qu’il prend comme une initiation au grand mystère de la nature. Mais surtout, il y a Die Lehre von den Tonempfindungen, un traité sur le son, de Hermann von Helmholtz.
Ses premiers travaux, qu’il mène sur l’étude de la diffraction de la lumière par une ouverture asymétrique, sont publiés par le Philosophical Magazine de Londres, en 1906.
En janvier 1907, Râman décroche son Master of Arts avec les honneurs. Ses problèmes de santé lui ferme les portes du très sélectif Indian Civil Service (ICS, l’organe le plus prestigieux du gouvernement). Il se rabat, sur la finance. En poste à Calcutta, Râman il intègre « l’Indian Association for the Cultivation of Science », qui a été fondée en 1876 par Mahendralal Sarkar [1833-1904] sur le modèle de la « Royal Institution of Great Britain ». En l’espace de dix ans, il s’est forgé une réputation solide de physicien, tant en Inde qu’en Europe. Plusieurs étudiants se placent spontanément sous sa férule. Ses travaux finissent par attirer l’attention du chancelier de l’ »University of Calcutta », qui lui propose le poste de professeur de physique. Il y entame à 30 ans une carrière académique. Son élection rapide au rang de « Fellow » de la Royal Society de Londres, en 1924, le confortera dans son choix. En 1921 il se rend en Angleterre, où il est invité à une conférence à Oxford, il doit y représenter « l’University of Calcutta ».
A son retour en Inde, il fait des recherches sur la diffusion moléculaire optique, dont la plupart avortent ou se heurtent à des phénomènes inexpliqués.
En 1927, lorsqu’Arthur Holly Compton obtient le prix Nobel pour sa découverte de la diffusion inélastique des photons X par la matière, que Râman fait enfin le lien : la clef de ses propres expériences ne serait-elle pas l’analogue optique de l’effet Compton ? Avec son collègue K.S. Krishnan, il reprend l’intégralité de ses expériences avec cette nouvelle grille de lecture. Leurs travaux aboutissent le 28 février 1928 à la découverte de l’effet Râman.
Sir CV Raman avec le spectrographe à quartz qu’il a utilisé pour mesurer les longueurs d’onde du rayonnement diffusé, connu sous le nom d’effet Raman.
Les distinction les plus hautes reçues, par CV Raman.
Bharat Ratna - Chevalier de l'Empire Britannique - Prix Nobel
Râman est fait chevalier de l’Empire britannique en 1929, et, en 1930, il devient le premier Asiatique et le premier Indien à recevoir le prix Nobel de physique. En 1933, il est nommé directeur de « l’Indian Institute of Science », qui a été fondé en 1909 à Bangalore pour mener des recherches originales et promouvoir la formation en science et en ingénierie. Il est le premier non-Britannique à occuper ce poste. En 1947, il devient le premier « National Professor » d’une Inde récemment devenue indépendante. En 1948, il quitte son poste à l’« Indian Institute of Science » pour établir l’année suivante, à Bangalore, dans l’État du Karnataka, le « Râman Research Institute », qu’il dirigera jusqu’à sa mort.
Il est important de souligner que, si l’histoire associe le phénomène de diffusion inélastique des photons au savant indien Râman, cette découverte a été faite indépendamment, et presque simultanément, par deux scientifiques soviétiques, Grigory Landsberg et Leonid Mandelstam.
Raman recevra de nombreux honneurs, dont le Bharat Ratna (la décoration civile la plus prestigieuse en Inde) en 1954 et le Prix Lénine pour la paix en 1957.
Il est convaincu que chaque expérience, aussi simple soit-elle, peut donner lieu à des découvertes scientifiques majeures. Il est incroyablement dynamique, servant de moteur pour l’Académie des sciences indiennes et le Râman Research Institute. Toujours plein d’humour, merveilleux pédagogue, il sait susciter l’engouement de ses disciples.
En 1970 à l’aube de ses 82, il s’éteint le 21 novembre.
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SPECTRSCOPI ET MICROSCOPIES RAMAN
Définition :
La spectroscopie Raman et la microspectroscopie Raman sont une méthode d'analyse chimique, non destructive, utilisée pour identifier la structure des molécules d'un matériau. Cette méthode repose sur l’étude de la composition moléculaire et de la structure extérieure du matériau, en exploitant le principe physique selon lequel un milieu modifie légèrement la fréquence de la lumière qui y circule.
Le phénomène de diffusion Raman se manifeste par une modification interne des propriétés électroniques sous l’influence des vibrations du réseau cristallin ou de la molécule. Il s'agit d’un processus de conversion entre photons et phonons médié par les électrons. Ce phénomène ne peut se produire que si la polarisabilité de la molécule varie. Ces règles de sélection déterminent quelles transitions sont possibles.
La diffusion de la lumière :
Lorsqu’un matériau diffuse une lumière monochromatique[*], il en résulte l’un des deux scénarios suivants :
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La diffusion élastique , également appelée diffusion de Rayleigh, se produit lorsque la lumière diffusée a la même énergie que la lumière qui a initialement frappé l'échantillon. Cela signifie que la lumière diffusée de manière élastique aura la même fréquence, la même longueur d'onde et une couleur similaire au rayonnement original.
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Le phénomène de diffusion inélastique, également connu sous le nom de diffusion Raman, se produit lorsque l’énergie de la lumière diffusée est différente de celle de la lumière incidente. En conséquence, la lumière diffusée de manière inélastique présentera une fréquence, une longueur d'onde et une couleur différente de celles du faisceau lumineux initial.
* la lumière monochromatique est constituée de photons ayant tous la même longueur d’onde (laser).
Pour quelle raison la lumière diffuse est-elle si utile pour la spectroscopie ? Pourquoi a-t-elle une énergie différente après avoir interagi avec un échantillon ?
Le phénomène des liaisons atomiques dans une molécule est comparable à celui de ressorts qui vibrent continuellement dans des directions opposées. Ces mouvements moléculaires, appelés « vibrations », ont lieu à des fréquences précises, caractéristiques de chaque molécule et du type de liaison. Un exemple courant et simple d'un tel ressort est l'oxygène moléculaire (O2 ) ou l'azote (N2 ) . Visualisez chaque molécule comme la jonction de deux billes rigides maintenues ensemble par un élastique à une tension donnée, ce qui détermine sa fréquence de résonance.
Nous abordons souvent la notion de fréquence vibratoire des molécules en évoquant le nombre de vibrations par unité de temps. Ces unités sont exprimées en centimètres réciproques (cm -1). Par exemple, l'oxygène gazeux présent dans notre atmosphère possède une fréquence vibratoire d’environ 1550 cm -1, celle de l'azote gazeux dans l'atmosphère est d’environ 2330 cm -1.
Les molécules plus massives, comptant plusieurs liaisons chimiques, présenteront un grand nombre de vibrations moléculaires distinctes vibrant à des fréquences variées.
Lorsque la lumière incidente possède la même fréquence de vibration que la molécule, elle peut être absorbée, ce qui entraîne une amplification de l’amplitude de la vibration. Comme les diverses liaisons au sein des molécules oscillent à des vitesses distinctes, elles sont en mesure d’absorber spécifiquement certaines longueurs d’onde lumineuses, provoquant l’excitation correspondante à leurs propres vibrations.
Qu’est-ce qui relie les vibrations moléculaires à la spectroscopie Raman et à la diffusion inélastique de la lumière ?
En fait, lorsqu’une molécule est frappée par un rayonnement, elle peut absorber une part de celui-ci pour stimuler une vibration interne. Si cela se produit, la lumière diffusée par la molécule présentera une fréquence et une couleeur différentes, puisqu’une partie de l’énergie du faisceau initial a été absorbée par la molécule. Ce phénomène est l’« effet Raman ».
Comme son nom l'indique, c'est ce type de diffusion qui donne son nom à la spectroscopie Raman .
En résumé :
L’effet Raman est observé quand une lumière monochromatique[*] interagit avec un échantillon.
On utilise un laser, les photons qui arrivent sur un matériau interagissent entre quatre phénomènes :
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Une partie est réfléchie ;
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Une autre pénètre dans le matériau ;
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Une partie est diffusée selon deux cas ;
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Une grande partie des photons diffusés ne changent pas de longueur d’onde, ils gardent la même énergie. Dans cette situation, il n’y a pas d’échange d’énergie entre les photons et les atomes du milieu. On parle de diffusion élastique ou diffusion de Rayleigh.
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Le dernier phénomène soit 1/1 000 000 des photons, est diffusée avec une longueur d’onde différente. Ces photons interagissent avec les électrons des atomes du matériau, entraînant un transfert d’énergie. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Raman. Il est également appelé diffusion inélastique.
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RAYONNEMENT INELASTIQUE DIFFUSION RAMAN
La diffusion Raman est la diffusion inélastique d'un photon par le matériau. Cette interaction non élastique signifie qu'il y a un transfert d'énergie entre le photon initial et les atomes du matériau. Ce processus peut se manifester sous forme d'excitation des vibrations moléculaires, ou, dans un état solide, par la génération ou l'annihilation d'un phonon[*] optique. Par conséquent, la lumière diffusée possède une longueur d'onde différente de celle de la lumière incidente.
On distingue deux cas de figure.
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Décalage Stokes : la lumière est décalée vers le rouge (longueur d'onde plus grande, énergie plus faible) lors de l'excitation vibrationnelle ou de la création d'un phonon.
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Décalage anti-Stokes : la lumière est décalée vers le bleu (plus courte longueur d'onde, plus grande énergie) avec la désexcitation vibrationnelle ou l'absorption d'un phonon.
Le mot « Stokes évoque le physicien britannique qui a démontré en 1852 que la fluorescence implique un décalage vers le rouge.
Si aucune énergie ne se transfère entre la molécule et le photon incident, la diffusion sera élastique, et la longueur d'onde du photon diffusé restera inchangée. Ce phénomène est connu sous le nom de diffusion de Rayleigh.
* un phonon correspond à une excitation collective dans un arrangement périodique d'atomes constituant une structure cristalline ou amorphe. La déformation est élastique. L'onde qui se propage peut être assimilée à une quasi-particule.
Le décalage en longueur d’onde varie selon le matériau considéré, étant propre à chaque substance. Il n’est pas influencé par la longueur d’onde d’excitation, ce qui permet d’analyser la composition chimique d'un échantillon en observant comment celui-ci diffuse la lumière.
LE SPECTROSCOPE RAMAN
LE SPECTRE RAMAN
"Le graphique montre le spectre Raman (ou empreinte Raman) d’un zircon. A l’origine des axes, nous trouvons la valeur zéro correspondant à la longueur d’onde de la source. L’axe des X représente la différence entre les fréquences des photons incidents (laser) et diffusés en cm-1, ce que l’on appelle le décalage Raman. Sur l’axe des Y, nous pouvons trouver l’intensité du signal exprimée dans une unité arbitraire (comptes). Il est bon de se rappeler que la VRAIE information EST le décalage. L’intensité du signal dépend en fait de l’orientation cristallographique de l’échantillon : sa rotation par rapport au faisceau incident entraînera une intensité de pic différente, dont les positions sur l’axe des Y resteront cependant constante."
Conny Forsberg FGA, Swedish Gem LAB
LE MOCROSCOPE RAMAN
La spectroscopie Raman est adaptable au microscope.
Grâce à un système sophistiqué de diaphragme à iris synchronisé, le faisceau laser et l’image visible dans les oculaires convergent vers un seul plan spatial, grâce à l’objectif. En tournant la molette de mise au point du microscope, on déplace simultanément le point focal visuel et le point d’impact du laser à l’intérieur de l’échantillon. Le rayonnement Raman, généré par le minéral, rebondit sur son propre chemin optique avant d’être dirigé vers le spectromètre. La résolution spatiale de ces dispositifs est de l’ordre de 3 μm. L’unique but de la source lumineuse consiste à illuminer l’échantillon.
UN EXEMPLE DE L'UTILISATION DU RAMAN POUR IDENTIFIER UNE ESPECE MINERALE
Une excellente démonstration avec un Raman portable.
La spectroscopie Raman, une méthode d'analyse minéralogique non destructive pouvant être mise en œuvre in situ I
Pierre Thomas
Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS de Lyon
Gilles Montagnac
Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS de Lyon
Publié par
Olivier Dequincey
Résumé
Exemple de la détermination de Staurotide sur des plaques de pierres polies revêtant les façades de la Maison des Avocats, Lyon 3e, Rhône.
