Le spectre des ondes électromagnétiques

Un article du site scienceamusante.net.

L'interaction électromagnétique est responsable de l'interaction entre les particules possédant une charge électrique ou un moment magnétique. Ainsi entre deux particules chargées électriquement (par exemple un électron et un proton), il existe quelque chose qui fait une liaison entre les deux, une sorte de messager de l'interaction électromagnétique. Selon que l'on veut lui donner un aspect de particule ou un aspect d'onde, on l'appellera photon ou onde électromagnétique. C'est ce que l'on appelle la dualité onde-corpuscule.

Il n'est pas simple d'expliquer ce que sont les ondes électromagnétiques car celles-ci n'ont pas besoin de support matériel pour se propager, contrairement aux ondes mécaniques (ondes sonores, ondes sismiques, ondes à la surface de l'eau, etc.). En effet, le ondes électromagnétiques peuvent se propager dans le vide matériel, la plus simple preuve en est que nous pouvons voir des étoiles dans le ciel ou que la lumière du soleil parvient à nous !

Comment expliquer ce qu'est un photon lorsqu'on se rend compte qu'il se comporte parfois comme une onde et parfois comme une particule ? Ce genre de question est à la base de la mécanique quantique. La réponse (le photon est à la fois onde et particule) peut choquer les personnes qui ont une vision trop classique des choses et des lois de la physique et l'esprit trop cartésien. Mais ça c'est une histoire d'éducation...

Sommaire

1 Grandeurs caractéristiques

Comme toutes les ondes, elles sont caractérisées par des grandeurs :

  • La distance entre deux maximums de l'onde, que l'on appelle la longueur d'onde, notée λ et mesurée en mètre.
  • Le nombre de fois par seconde que l'onde passe par son maximum en un point donné de l'espace, que l'on appelle la fréquence, notée f[1] et mesurée en s–1 ou hertz (Hz).
  • Sa direction de propagation dans l'espace, souvent caractérisée par le vecteur d'onde k.
  • Son intensité, notée I (que l'on peut comparer à la hauteur d'une onde à la surface de l'eau ; à ne pas confondre avec l'intensité d'un courant électrique).

Il existe deux autres caractéristiques que possèdent les ondes électromagnétiques, mais que nous ne détaillerons pas par la suite, qui sont :

  • La phase, notée φ (que l'on peut comparer à la hauteur de l'onde à l'origine du repère spatial utilisé)
  • L'état de polarisation : les ondes électromagnétiques n'ont que 2 états de polarisation possible (ceci vient du fait que le photon est un boson de spin 1 et a une masse nulle, d'où les deux valeurs possibles –1 et +1, mais ceci est un peu compliqué à comprendre...). Ceci fait qu'un photon peut être polarisé circulairement à gauche (PCG) ou polarisé circulairement à droite (PCD). Par combinaison de photons PCG et PCD, on peut créer des faisceaux de lumière de polarisation rectiligne.

En fait, la longueur d'onde et la fréquence d'une onde sont liées car leur produit correspond à la vitesse de propagation v dans un milieu donné. Ceci est valable pour toute onde :

λ.f = v

Dans le vide, la vitesse de proparation des ondes électromagnétique est notée c et vaut exactement[2] 299 792 458 m/s (que l'on arrondi souvent à 3.108 m/s). Dans un milieu autre que le vide, la vitesse est inférieure et dépend de l'indice de réfraction du milieu pour la fréquence de l'onde considérée.

2 Découpage du spectre électromagnétique

Bien souvent, les ondes électromagnétiques se comportent différemment selon leur fréquence. Pour cette raison, les physiciens ont partagé le spectre (en théorie infini) arbitrairement, en zones et en sous-zones. En réalité, la délimitation entre les zones n'a aucune raison physique d'être placé précisément à un endroit plutôt qu'à un autre car les propriétés des ondes sont continues d'une zone à l'autre. Par exemple : une onde de longueur d'onde 770 nm et une autre de 790 nm auront les mêmes comportements physiques ; pourtant la première est dans le domaine du visible alors que la deuxième est dans l'infrarouge, tout simplement parce que le spectre de vision de l'homme s'arrête vers 780 nm. Si nous étions d'intelligents moustiques, nous aurions placé les limites de notre spectre visible à un endroit différent !

Voici le découpage principal du spectre et les noms usuels associés aux zones, dans l'ordre croissant de fréquence (ou d'énergie) :

  • Limite électrostatique (cas particulier de la fréquence nulle)
  • Champs de très basse fréquence (VLF, very low frequencies) : de 0 à 105 Hz
  • Radiofréquences : de 105 Hz à 2.1012 Hz
    • Grandes ondes : vers 2.105 Hz
    • Ondes moyennes : de 5.105 Hz à 2.106 Hz
    • Ondes courtes : de 3.106 Hz à 1.107 Hz
    • Radio CB : vers 2,7.107 Hz
    • Radio FM : vers 108 Hz
    • Télévision UHF (ultra high frequencies) et VHF (very high frequencies) : de 2.108 Hz à 5.108 Hz
    • Micro-ondes : de 109 Hz à 1012 Hz
      • Ondes centimétriques : de 109 Hz à 3.1010 Hz
      • Ondes submillimétriques : de 3.1011 Hz à 2.1012 Hz
  • Infrarouges (IR) : de 1.1012 Hz à 4.1014 Hz
    • IR lointains : de 1.1012 Hz à 1.1013 Hz
    • IR moyens ou thermiques : de 1.1013 Hz à 1.1014 Hz
    • IR proches : de 1.1014 Hz à 4.1014 Hz
  • Spectre visible : de 4.1014 Hz à 8.1014 Hz
    • Rouge, orange, jaune, vert, bleu, violet et toutes les nuances (c'est un spectre continu : il y a une infinité de couleurs dans l'arc-en-ciel !)
  • Ultraviolets (UV) : de 8.1014 à 3.1016
    • UV A : de 8.1014 Hz à 2.1015 Hz
    • UV B : de 2.1015 Hz à 8.1015 Hz
    • UV C : de 8.1015 Hz à 3.1016 Hz
  • Rayons X : de 3.1016 Hz à 5.1019 Hz
    • RX mous : de 3.1016 Hz à 1.1018 Hz
    • RX durs : de 1.1018 Hz à 5.1019 Hz
  • Rayons γ (gamma)  : de 5.1019 Hz à 5.1020 Hz
  • Rayons cosmiques : au delà de 5.1020 Hz

Ce découpage arbitraire, en fonction du comportement des ondes, permet aux physiciens de développer des sous-branches techniques : la technique des ondes radio est bien différente de la technique des ultraviolets. Les limites entre les zones sont assez floues et d'ailleurs certaines zones se recouvrent partiellement du fait de la continuité des propriétés des ondes.

L'inconvénient de découper ainsi le spectre et d'enseigner à l'école chaque partie du spectre séparément, peut induire chez les jeunes la mauvaise idée que, finalement, les ondes de chacun de ces dmaines sont différentes. Pourtant tous ces domaines ne sont que différents visages d'une seule et même nature d'onde : les ondes électromagnétiques ou photon !

Le but des expériences qui sont présentées ici est de montrer les propriétés du photon en fonction de sa fréquence (ou de sa longueur d'onde ou de son énergie), les applications, les moyens pour les produire (sources) ou les capter (détecteur). Bref de vous faire découvrir qui sont ces ondes qui nous entourent et nous transpercent à chaque instant...

3 Interactions entre les ondes électromagnétiques et la matière, applications

Les ondes électromagnétiques interagissent avec la matière de manière différente selon leur fréquence f. Plus la fréquence est grande et plus l'énergie transportée par l'onde (= photon) est grande, selon la formule

E = h.f

où h = 6,62.10–34 J.s est la constante de Planck (aussi appelée quantum d'action).

Certaines peuvent exciter les atomes et molécules en déplaçant les électrons (visible, UV), voire même en arrachant les électrons (UV, rayons X). Dans le premier on peut provoquer des réactions chimiques (photochimie) ; dans le dernier cas, elles peuvent donc provoquer des coupures de molécules (photolyse). Cela devient dangereux lorsque les molécules en questions sont dans notre corps !! Par exemple une exposition à des UV B et C (énergétiques) peut casser les molécules de notre peau, de nos cellules, en créant des "radicaux libres" qui sont des molécules très réactives. D'où un vieillissement accéléré de la peau, des rides à long termes, etc. C'est un peu plus grave lorsque c'est la molécule d'ADN qui est dans nos cellules qui est cassée, car alors les cellules se reproduisent avec des altération du code génétique. Cela peut conduire à des tumeurs cancéreuses. D'où les crèmes solaires qui sont nécessaires...

Chaque médaille a son revers : cette dangerosité des UV B et C peut être mise à profit ! On les utilise par exemple pour tuer les germes microbiens sur des ustensiles (ciseaux, etc.) dans les hôpitaux ou chez les coiffeurs, les esthéticiens, etc. : on place les instruments à stériliser dans une boite contenant un néon à UV (lampe à vapeur de mercure), qu'il ne faut pas regarder avec les yeux. Les UV peuvent aussi causer des dégâts dans les yeux : opacification du cristallin (glaucome), altération de la rétine...

Plus énergétique que les UV, on trouve ensuite les rayons X (mous puis durs). Ils peuvent provoquer l'ionisation d'atomes, molécules ou même traverser la matière. Les rayons X mous sont émis par exemple par les tubes cathodiques des téléviseurs. Il sont créés par le ralentissement brusque des électrons (issus du canon à électrons) qui frappent la vitre de la télé. D'ailleurs, si on place sa main sur la vitre de la télé, on sent des petits éclairs ou des poils qui se dressent..Preuve qu'il y a de l'électricité statique à cet endroit !

Les rayons X mous sont rapidement absorbés par les molécules d'air, mais il est dangereux de se placer trop près d'un écran (télé, ordinateur). Bien sûr tout cela n'a plus aucune importance avec des écrans à plasma ou TFT puisqu'il n'y a plus de canon à électrons !

Les rayons X durs sont utilisés en radiographie X car ils peuvent traverser le corps. Il sont absorbés dans le corps par les matières denses (os) et peu absorbés par les chairs tendres. D'où la possibilité de sonder l'intérieur du corps par ce moyen. Mais ce n'est pas sans danger et il faut éviter de faire des radiographie trop souvent, même si on a fait beaucoup de progrès pour diminuer les doses émises. Aujourd'hui n'importe quel dentiste possède son propre appareil de radiographie X ; ce n'était pas le cas il y a 20 ans car les générateurs étaient assez encombrants...

UV et X entrent dans la catégorie des "rayonnements ionisants" Radiations ionisantes.

De l'autre côté du visible, on trouve les infra-rouges. Ils intéragissent avec les molécules en les faisant vibrer. D'où un réchauffement de la matière (principe des grillades) ce qui explique aussi pourquoi le soleil nous réchauffe.

Puis on trouve les micro-ondes. Eux on la possibilité de faire tourner des molécules. Le four micro-onde utilise ce principe : une onde micro-onde force les molécules d'eau d'un aliment à tourner. Celles-ci ne sont pas tout à fait libres de tourner complètement, elles se cognent aux molécules voisine, ce qui donne de la chaleur. Les fours micro-ondes ne sont pas totalement étanches aux micro-ondes et il vaut mieux éviter de regarder sa nourriture cuire (risque de cuire de la tête en même temps !). Les téléphones portables émettent des micro-ondes mais leur fréquence ne permet pas de faire tourner les molécules d'eau. Par contre, il se pourrait qu'ils fassent tourner d'autres molécules, donc méfiance.

Ensuite on trouve les ondes radiofréquence : télévision, radio, CB, radio ondes moyennes, radio grandes ondes... celles-ci n'ont pas d'effet sur nos cellules, à moins de les faire vibrer un peu, mais sans danger à faible intensité.

4 Précautions

D'une manière générale, toutes les ondes électromagnétiques sont susceptibles d'intéragir avec la matière, puisque la matière est intimement construite grâce à ces ondes. Selon leur énergie et leur intensité, elle peuvent être innofensives pour les objets et les tissus vivants ou au contraires destructrices et mortelles. On s'appliquera donc à lire les précautions relatives à chaque expérience afin d'éviter les accidents.

Frise papier pour présenter le spectre électromagnétique en échelle logarithmique

5 Références

  1. Souvent noté ν, la lettre grecque nu mais, pour éviter la confusion avec la vitesse v, on préférera utiliser ici f pour la fréquence.
  2. Il s'agit d'une convention, d'après la définition du mètre, qui est la longueur parcourue par la lumière en une fraction de 1/299 792 458ème de seconde.
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