Spectroscopie dans l'infrarouge lointain de molécules d'intérêt astrophysique

266 Pages·2012·7.75 MB·French

UNIVERSITÉ PARIS-SUD
ÉCOLE DOCTORALE : EDOM (ED 288)
Institut des Sciences moléculaires d’Orsay (ISMO)
Synchrotron SOLEIL, ligne AILES
DISCIPLINE : Physique
THÈSE DE DOCTORAT
soutenue le 11/10/2012
par
Marie-Aline Martin-Drumel
Spectroscopie dans l’infrarouge lointain de
molécules d’intérêt astrophysique
Directeur de thèse : Philippe Bréchignac Professeur (ISMO, Orsay)
Encadrant de thèse : Olivier Pirali Chargé de recherche (ISMO, Orsay)
Composition du jury :
Président du jury : Thérèse Huet Professeur (PhLAM, Lille)
Rapporteurs : Jose Cernicharo Professeur (CSIC, Madrid)
Jean Vander Auwera Directeur de recherche (ULB, Bruxelles)
Examinateurs : Agnès Perrin Directrice de recherche (LISA, Créteil)
Anne Zehnacker-Rentien Directrice de recherche (ISMO, Orsay)
Membres invités : Pascale Roy Directrice de recherche (SOLEIL, Gif-sur-Yvette)
Olivier Pirali Chargé de recherche (ISMO, Orsay)

Remerciements
Aprèsavoirprudemmentconservécettepartiepourlafin,ilmefautbienconsta-
ter qu’il s’agit peut-être de la plus difficile à écrire... Le travail présenté dans ce
manuscrit n’aurait pas été possible sans l’aide d’un grand nombre de personnes et
je tiens à profiter de cette occasion pour leur adresser mes plus sincères remercie-
ments.
Je tiens tout d’abord à remercier Philippe Bréchignac, mon directeur de
thèse, pour avoir accepté de superviser mon travail et pour la confiance qu’il m’a
accordée au cours de ces trois années.
Mes remerciements s’adressent particulièrement à Olivier Pirali pour avoir
encadré ma thèse. Merci pour ta patience, ton implication, pour les semaines de
manips où on trouvait à peine le temps de dormir et pour avoir rendu cultes les
“c’est pas mal... mais on retourne tout!”.
Merci à Michel Vervloet pour avoir été à l’origine des expériences que nous
avons réalisées, pour ses conseils et son savoir faire.
Je tiens également à remercier Pascale Roy pour m’avoir intégrée au sein de
l’équipe AILES, et merci à tous les membres de l’équipe avec qui j’ai eu la chance
de travailler : Jean-Blaise Brubach, Laurent Manceron, Mylène Chapuis, Ma-
thieu Rouzières, Didier Balcon, Fridolin Kwabia-Tchana, Gaëlle Creff,
Fabrice Willaert, Nicolas Vita, Joanna Barros, Weiwei Peng, ainsi que tous
les stagiaires qui ont passé quelques semaines ou quelques mois sur la ligne.
Merci également à toute l’équipe “astrophysique et édifices moléculaires” de
l’ISMO. Merci à Dolorès Gauyacq et Séverine Boyé-Péronne pour m’avoir
donné envie de faire de la spectroscopie depuis la License, et merci à Géraldine
Féraud pour avoir traversé toutes les étapes de la thèse en même temps que moi :
vivement la prochaine conférence où on aura l’occasion de partir ensemble!
Merci à mes rapporteurs, Jean Vander Auwera et Jose Cernicharo, ainsi
qu’à mes examinateurs, Thérèse Huet, Agnès Perrin et Anne Zehnacker-
Rentien, pour leurs conseils avisés qui m’ont permis d’améliorer la qualité de
ce travail.
3
4
Je remercie tout particulièrement les services techniques de l’ISMO, notam-
ment les services électronique et mécanique, pour avoir développé l’ensemble des
dispositifs expérimentaux que j’ai eu l’opportunité d’utiliser au cours de ma thèse.
Et surtout un grand merci pour tous les dépannages d’urgence qui ont sauvé la
plupart de nos manips!
Merci à Pascal Parneix, Cyril Falvo et Manuel Goubet pour leurs conseils
et leur aide au sujet des calculs ab initio.
Merci à Laurent Coudert pour le travail que l’on a réalisé en commun sur la
molécule d’eau.
Merci également aux utilisateurs de la ligne, notamment à l’équipe Jet-AILES,
pour m’avoir fait découvrir leurs thématiques de recherche.
Merci à l’équipe Térahertz du LPCA et à l’équipe Spectroscopie microonde et
(sub)millimétrique du PhLAM qui m’ont toutes deux accueillie afin de réaliser
quelques expériences avec leurs spectromètres.
Merci à Robert Georges pour m’avoir donné la possibilité de présenter mes
travaux à l’IPR de Rennes.
Un grand merci à Fabrice Willaert, Nicolas Vita et bien sûr à Joanna Bar-
rospourtouslesmomentspartagésensemble.MerciégalementàSébastienGruet
et bon courage pour ta propre thèse (et surtout ne panique pas à cause des fameux
“c’est pas mal... mais on retourne tout!”).
Et enfin merci à Antoine...
Table des matières
Introduction générale 29
I Dispositifs expérimentaux 33
1 Introduction 35
2 Spectroscopie par transformation de Fourier 37
2.1 Rappels théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.1 Interféromètre de Michelson . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2 Génération d’un interférogramme . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.3 Effet de la résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.4 Précision sur la mesure de position des transitions . . . . . . 41
2.1.5 Rapport signal-sur-bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.6 Collimation du faisceau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.7 Calibration des spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2 Spectroscopies d’émission et d’absorption . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.1 Principes comparés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.2 Profil des raies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.3 Intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Application dans l’infrarouge lointain 49
3.1 Rayonnement synchrotron et infrarouge lointain . . . . . . . . . . . 50
3.1.1 Principe de l’émission synchrotron . . . . . . . . . . . . . . . 50
5
6 TABLE DES MATIÈRES
3.1.2 Exploitation dans l’infrarouge lointain . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3 Interféromètre Bruker IFS125 HR . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2 Dispositifs expérimentaux utilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Cellule d’absorption pour molécules stables . . . . . . . . . . 59
3.2.2 Dispositifs de décharge pour espèces instables . . . . . . . . 61
3.3 Raies de calibration pour l’infrarouge lointain . . . . . . . . . . . . 75
3.3.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.2 Notre projet de calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4 Collaborations et expériences complémentaires 85
4.1 Le spectromètre du LPCA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2 Le spectromètre du PhLAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5 Conclusions et perspectives 89
II Spectroscopie vibrationnelle de molécules carbonées 95
1 Introduction 97
2 Méthodes 101
2.1 Mesures expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.1.1 Spectroscopie dans l’infrarouge moyen . . . . . . . . . . . . 102
2.1.2 Mesures des spectres dans l’infrarouge lointain . . . . . . . . 102
2.2 Approche théorique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3 Spectroscopie de l’azulène, de la quinoléine et de l’isoquinoléine 105
3.1 État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.1.1 Azulène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.1.2 Quinoléine et isoquinoléine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2 Travail expérimental et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
TABLE DES MATIÈRES 7
3.2.1 Spectres dans l’infrarouge lointain et calculs DFT . . . . . . 108
3.2.2 Comparaison de trois modes de vibration . . . . . . . . . . . 112
3.2.3 Spectre d’un mélange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4 Spectroscopie du biphényle, du diphénylméthane et du bibenzyle117
4.1 État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.1.1 Biphényle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.1.2 Diphénylméthane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1.3 Bibenzyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.2 Travail expérimental et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1 Biphényle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.2 Diphénylméthane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2.3 Bibenzyle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5 Spectroscopie des 2-, 3- et 4-phényltoluène 135
5.1 2-phényltoluène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.2 3-phényltoluène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.3 4-phényltoluène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6 Conclusions et perspectives 143
III Spectroscopie rotationnelle d’espèces produites par
décharge : molécules excitées et radicaux 151
1 Introduction 153
2 Spectroscopie d’émission de molécules à haute température 157
2.1 La molécule H O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2
2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8 TABLE DES MATIÈRES
2.1.2 Travail expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
2.2 La molécule NH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3
2.3 Conclusion et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3 Spectroscopie de radicaux 177
3.1 Le radical SO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.1.1 État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.1.2 Spectroscopie du radical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.1.3 Notre travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2 Le radical CH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.2.1 État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.2.2 Spectroscopie du radical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3.2.3 Notre travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
3.3 Les radicaux OH et SH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.3.2 Spectroscopie des radicaux OH et SH . . . . . . . . . . . . . 194
3.3.3 État de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.3.4 Travail expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.3.5 Radical OH : résultats et analyse . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.3.6 Radical SH : résultats et analyse . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.3.7 Distance inter-nucléaire à l’équilibre . . . . . . . . . . . . . . 209
3.3.8 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
3.4 Les radicaux 14NH , 15NH , ND et NHD . . . . . . . . . . . . . . . 217
2 2 2
3.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.4.2 Spectroscopie du radical 14NH . . . . . . . . . . . . . . . . 219
2
3.4.3 Spectres expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.4.4 Analyse de 14NH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
2
3.4.5 Analyse des spectres des isotopologues . . . . . . . . . . . . 232
3.5 Autres espèces instables étudiées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
TABLE DES MATIÈRES 9
3.5.1 Spectroscopie d’absorption de la bande ν de C . . . . . . . 245
3 3
3.5.2 Spectroscopie du radical 15NH . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4 Conclusions et perspectives 247
Conclusion générale 265
10 TABLE DES MATIÈRES