VI. Spectre électromagnétique et grandeurs associées

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Une classification du spectre électromagnétique. Rayonnements radio, hyperfréquences, IR, visible, UV, X, gamma. Vue d'ensemble et applications.

1. Rayonnement électromagnétique

Le rayonnement électromagnétique peut être considéré soit comme une émission de photons, soit comme une onde électromagnétique.

Avec \(c \approx 300~000~\rm km/s = 3,0\times 10^8~m~s^{-1}\), vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air, la longueur d’onde se déduit de la fréquence \(\nu\) : \[\lambda = \frac{c}{\nu}\]

Chaque photon transporte une énergie : \[E =h~\nu\]

\(h = 6,63 \times 10^{-34}~\rm J~s\) : constante de Planck

Cette énergie est souvent exprimée en électron-volts \((1~\rm eV = 1,6 \times 10^{-19}~J)\).

Plus l’énergie du photon est importante, plus le rayonnement sera nocif.

2. Spectre électromagnétique

En partant des ondes les moins énergétiques (donc des fréquences les plus basses) aux plus énergétiques, le spectre électromagnétique s’étend des ondes radios aux rayons \(\gamma\) (gamma).

 

 

 

 

2.1. Ondes radio

\(\rm \nu < 300~MHz \quad-\quad \lambda > 1~m \quad-\quad {\textit E}~< 1,24~µeV\)

Le domaine des ondes herziennes ou ondes radio est le plus vaste du spectre électromagnétique. Il concerne les ondes de très basse fréquence, donc des longueurs d’onde s’étendant de quelques cm à plusieurs km.

Relativement faciles à émettre et à recevoir, les ondes radio sont utilisées pour la transmission de l’information (radio, télévision et téléphone). La bande FM des postes de radio correspond à des longueurs d’onde de l’ordre du mètre. Celles utilisées pour les téléphones cellulaires sont de l’ordre de 10 cm environ.

2.2. Hyperfréquences (microondes)

\(\rm 300~MHz < \nu < 300 GHz \quad-\quad 1~m > \lambda > 1~mm \quad-\quad 1,24~µeV < {\textit E}~< 1,24~meV\)

Le domaine des hyperfréquences s’étend des longueurs d’onde de l’ordre du centimètre à celui du mètre (ondes métriques et ondes centimétriques).

Un capteur radar émet son propre rayonnement électromagnétique et en analysant le signal rétrodiffusé (principe de l’effet Doppler) il permet de localiser et d’identifier les objets et de calculer éventuellement leur vitesse. Ceci quelles que soient les conditions atmosphériques.

Un autre usage beaucoup (domestique) plus répandu est celui du four à micro-ondes.

2.3. Infrarouges (IR)

\(\rm 300~GHz < \nu < 400~THz \quad-\quad 1~mm > \lambda > 750~nm \quad-\quad 1,24~meV < {\textit E}~< 1,7 eV\)

Sur les terrasses de café et par temps hivernal, l’auditeur apprécie le réconfort apporté par ces lampes à la couleur rouge orientées vers eux.

Sa relation à la chaleur de la matière explique l’intérêt de ce rayonnement dans les problèmes de détection. Certaines bandes de fréquences sont utilisées pour mesurer la température des surfaces terrestres et océaniques ainsi que celle des nuages. Sur un plan écologique ce système permet également de localiser les déperditions d’énergie des bâtiments.

Une conséquence de l’absorption des infrarouges par certains gaz de l’atmosphère (dioxyde de carbone, méthane, oxydes d’azote, ozone) est l’effet de serre.

2.4. Lumière visible

\(\rm 400~THz < \nu < 750~THz \quad-\quad 750~nm > \lambda > 400~nm \quad-\quad 1,7~eV < {\textit E}~< 3,1~eV\)

L’étendue de son spectre est matérialisé par celui de l’arc en ciel (décomposition des rayons venus du Soleil par les gouttes de pluie). Sa fenêtre électromagnétique (perceptible par l’œil) est relativement réduite entre les infrarouges et les ultraviolets, c’est-à-dire de 0,4 µm à 0,8 µm.

Rappelons pour information les couleurs du spectre de la lumière blanche décomposée (prisme ou gouttes d’eau de pluie), en partant de la fréquence la plus basse : rouge, orange, jaune, vert, bleue, indigo, violet.

2.5. Ultraviolets (UV)

\(\rm 750~THz < \nu < 30~PHz \quad-\quad 400~nm > \lambda > 10~nm \quad-\quad 3,1~eV < {\textit E}~< 124~eV\)

Les rayons ultraviolets sont assez énergétiques et, ce qui est bien connus, nocifs pour la peau. Nous en sommes heureusement protégés par la couche d’ozone atmosphérique.

Utilisés en photographie, en microscopie, en médecine, pour l’éclairage par tubes fluorescents, et d’autres application, ils sont également très appréciés par les amateurs de bronzage artificiel.

2.6. Rayons X

\(\rm 30~PHz < \nu < 30~EHz \quad-\quad 10~nm > \lambda > 10~pm \quad-\quad 124~eV < {\textit E}~< 124~keV\)

Très énergétiques, les rayons X traversent plus ou moins la matière : l’absorption augmente avec le numéro atomique Z de l’élément chimique.

Leurs deux principaux usages sont la radiologie de médecine et la radiologie de contrôle aux aéroports. Ils sont dangereux en cas d’exposition fréquente.

2.7. Rayons gamma (\(\gamma\))

\(\rm 30~EHz < \nu \quad-\quad 10~pm > \lambda \quad-\quad 124~keV < {\textit E}\)

Les rayons gamma sont très énergétiques et émis par les corps radioactifs.

Cette énergie leur permet de traverser facilement la matière et ils sont dangereux pour les cellules vivantes. Néanmoins, le côté positif est le fait que ce rayonnement \(\gamma\) est utilisé pour le traitement des cellules cancéreuses.

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