Effets des rayonnements électromagnétiques sur le vivant/Annexes

Thomas Young a mis en évidence en 1801 la nature ondulatoire du rayonnement électromagnétique en montrant une interférence entre deux faisceaux lumineux. Or l'interférence est un phénomène caractéristique d'une onde.

Effets des rayonnements électromagnétiques sur le vivant

• Préface
• Nature des rayonnements électromagnétiques
• Effets des ultraviolets sur le vivant
• Effets des rayons X sur le vivant
• Effets des rayons gamma sur le vivant
• Effets des micro-ondes sur le vivant
• Conclusion
• Annexes
• Sources
• Iconographie

Annexe 1 : Expérience des fentes de Young

Interférence

Une interférence se produit lorsque deux ondes se rencontrent et se « mélangent », ce qui signifie que les ondes vont s'additionner (cf Fig.8 et 9). Les interférences varient suivant la fréquence de l'onde et leur déphasage l'une par rapport à l'autre. Ainsi, en faisant varier le déphasage des ondes, on peut obtenir toutes sortes d'interférences.

Expérience

Fig. 38 : Résultat observé.

Fig. 39 : Résultat supposé de l'expérience de Young

Fig. 40 : Répartition théorique des photons

On place devant une source lumineuse une plaque percée de deux fines fentes très rapprochées et on observe la projection lumineuse sur un écran (cf Fig. 41). En passant à travers les fentes, le faisceau est diffracté, c'est-à-dire dispersé. On pourrait penser que l'on obtiendra un dégradé (cf Fig.39 et 40) car les deux faisceaux se superposent, donc la zone est plus lumineuse. C'est ce que propose un modèle corpusculaire du rayonnement, car la densité des grains de matière augmente vers le centre, la zone est plus Or, on constate une alternance de bandes claires et sombres (cf Fig. 38), ce qui est contraire à nos hypothèses.

Interprétation

Fig. 41 : Interprétation de l'expérience de Young

La théorie des grains de lumière ne permet pas d'expliquer les résultats observés (cf Fig. 14 et 12). Cependant, Young a supposé que la lumière était une onde, L'alternance de bandes claires et sombres étant le résultat d'interférence entre les deux faisceaux. L'addition et le léger déphasage des ondes provoque les zones d'ombres et les zones claires (cf Fig. 15).

Annexe 2 : La vision

Fig. 42 : Vue en coupe d'un œil humain, les récepteurs photosensibles sont situés au fond, au niveau de la rétine

Certains êtres vivants sont capables de percevoir une certaine gamme de rayonnements électromagnétiques. L'être humain est sensible aux rayonnements infrarouge par le biais de la peau qui la détecte comme de la chaleur. Mais, grâce à nos yeux, nous sommes aussi sensibles à des rayonnements que l'on appelle des rayonnements visibles. Ce mécanisme est rendu possible grâce aux cellules qui tapissent le fond de notre œil. Lorsqu'elles reçoivent un rayonnement visible, elles transmettent l'information au cerveau qui l’interprète et reconstitue l'image. Nous sommes dotés de deux types de cellules dans notre œil : les bâtonnets qui sont sensibles à l'intensité des rayonnements. Par leur nombre très élevé, ils permettent de voir la nuit, mais seulement en nuances de gris et les cônes qui permettent de voir la couleur et qui sont subdivisées en trois types, un type sensible à la couleur rouge, un type sensible à la couleur verte et un troisièmes type sensible à la couleur bleue. Grâce aux informations recueillies par ces quatre types de récepteurs, le cerveau reconstitue l'image vue par nos yeux. Quant aux autres rayonnements électromagnétiques, ils ont beau atteindre les cellules photosensibles de la rétine, les cellules ne réagissent pas à ce stimulus, nous ne les voyons tous simplement donc pas. Pour cela, il faudrait que nous soyons dotés d'un autre type de récepteur.

Annexe 3 : Polarisation d'une onde

Fig. 43 : Onde polarisée, le champ électrique et le champ magnétique restent dans le même plan. Si les champs électriques et magnétiques tournaient – s'enroulaient – sur eux même, l'onde serait incohérente

De manière simplifiée, lorsqu'une onde électromagnétique se propage, il est possible que le champ électrique de l'onde -ainsi que son champ magnétique- s'enroulent autour d'eux-même de manière aléatoire. Quand ce phénomène se produit, on dit que l'onde n'est pas polarisée, on dit aussi incohérente. À l'inverse, quand l'onde est dite polarisée, cela signifie que le champ électrique -et donc le champ magnétique- se propagent toujours dans le même plan.

Annexe 4 : Expérience de l'effet photoélectrique

Il a été découvert en 1887 par Heinrich Rudolf Hertz. Dans l'expérience de l'effet photoélectrique, on constate que lorsqu 'on éclaire une plaque métallique à l'aide de rayonnements d'énergie élevée, des électrons sont arrachés de celle-ci. La quantité d'électrons dépend de l'énergie du rayonnement, avec cependant un effet de seuil. Les physiciens de l'époque constatent que le niveau de seuil ne dépend que de la nature du matériau.

Expérience originelle

À l'origine, Hertz a découvert l'effet en exposant une plaque de zinc fraîchement polie chargée négativement. Il constate que cette plaque perd sa charge négative lorsqu'elle est exposée à une lumière monochromatique de la fréquence des ultraviolets.

Interprétation

Fig. 44 : Éjection des électrons d'une plaque métallique par des rayonnements énergétique.

Si on considère les ultraviolets comme des ondes, les ondes apportant progressivement l'énergie aux atomes, il suffirait d'éclairer le métal pendant une longue durée pour que le phénomène se produise. Or, on constate le phénomène à partir du moment où l'on expose la plaque, ce qui contredit le modèle ondulatoire. Ce n'est qu'en 1905 qu'Albert Einstein arrive à expliquer le phénomène. Il affirme –théorie révolutionnaire pour l'époque– que les rayonnements ne sont pas des ondes mais des corpuscules, c'est-à-dire de minuscules grains d'énergie. Ainsi, ce sont ces grains de matière qui, propulsés à la vitesse de 300000km.s^-1, vont venir arracher des électrons à la plaque métallique. Plus le grain de matière –appelé photon– aura d'énergie, plus il pourra arracher d'électrons sur une plaque ayant un seuil d'énergie élevé. Pour vulgariser, on pourrait dire qu'on laisse tomber une boule –un photon- d'une hauteur définie –sa vitesse c– et d'un diamètre donné –son énergie- dans un récipient rempli de balles –la plaque métallique-. On aura beau lancer autant de boules de petit diamètre que l'on veut, on ne provoquera que peu de mouvement ; on retrouve l'effet de seuil. Par contre, lorsqu'on lance une boule d'un diamètre suffisant, on peut éjecter une ou plusieurs balle du récipient ; l'intensité du phénomène dépend de l'énergie du photon. On notera que si l'on change la taille des balles du récipient, en les remplaçant par exemple par des balles, des cubes ou simplement en changeant la masse de ces solide, on obtiendra des résultats différents ; l'intensité de l'effet dépend du type de balle du récipient –d'atome de la plaque-.

Annexe 5 : Expérience sur les interactions des ultraviolets avec l'ADN

Bien que nous ayons raté notre expérience à cause de la manifestation étudiante dans notre lycée, nos résultats étant inexploitables, nous vous proposons tout de même le protocole établi et les résultats que l’on aurait du obtenir. Cette expérience vise à montrer que les ultraviolets provoquent des mutations sur la séquence génétique des levures, -c'est-à-dire que ce sont des agents mutagènes-.

Matériel utilisé :

• 5 boîtes de Petri avec de la gélose,
• Une culture de levures rouge,
• Une lampe à alcool pour stériliser l'espace et les instruments,
• Masques, blouse, pinces,
• Lampe à ultraviolets.

Protocole établi :

Nous avons ensemencé les levures dans 5 boites de Petri. Prenant bien soin d’être rapide et de laisser le milieu stérile grâce à la flamme, nous avons ensuite fermé chaque boîte et les avons numéroté avec le temps d’exposition à la lumière ultraviolette prévu. Soit 0 secondes pour la boîte témoin, 15 pour la boîte 2, 30 pour la boîte 3, 60 pour la boîte 4 et 120 secondes pour la boîte 5. Puis nous avons exposé chaque boîte en fonction du temps établi aux rayons ultraviolets

Résultats :

Fig. 45 : Schéma du résultat de l'expérience.

Suite à l’exposition et au bout d’environ 5 jours d’incubation, nous aurions dû remarquer :

• Concernant la boite témoin (0 sec) les cellules se seraient normalement développées.
• De 15 sec à 120 sec nous aurions remarqué que les colonies de levures rouges se font de plus en plus rare mais il serait apparu des colonie de levures blanches à la place .Cela est normal car une courte durée d'irradiation, donc une faible dose d'ultraviolets peut provoquer une mutation non létale : l'absence de synthèse du pigment rouge.
• Au delà de 2 minutes d’exposition, il y a une irradiation totale et les cellules sont normalement toutes mortes.

Interprétation :

Les cellules de levure rouges étant invisibles à l'œil nu, il est nécessaire qu'elles se reproduisent et forment des colonies. Lorsqu'on irradie ces colonies, une majorité de cellules va mourir, mais certaines vont résister ; soit parce qu'elles sont moins exposées (recouvertes), soit parce qu'elles sont mutantes et de ce fait plus résistantes. Ces cellules résistantes vont former une nouvelle colonie en se divisant. Si les mécanismes réparateurs de la cellule ont bien fonctionné, la cellule est soit morte (apoptose), soi réparée. Dans le cas contraire, la cellule mutée va transmettre la mutation à ses descendantes, d'où l'apparition de colonies blanches.

Fig. 46-49 : Résultats de l'expérience.

Conclusion :

Cette expérience nous a permis de constater que des cellules vivantes telles que les levures ne sont pas insensibles aux UV : lorsqu’elles sont exposées aux UV, beaucoup d’entre elles sont mutées ou meurent or, ces levures étant relativement proches des cellules humaines, on peut donc craindre les mêmes effets sur les cellules humaines.

Annexe 6 : Applications des rayonnements électromagnétiques

Applications des REM

Onde électromagnétique	Fréquence	Longueur d'onde	Application
Rayons X	>3000 THz	<100 nm	Imagerie médicale Radiographie
Rayons UV	750 à 3000 THz	400 nm à 100 nm	Banc solaire
Lumière visible	385 THz à 750 THz	780 à 400 nm	Vision humaine, photosynthèse
Infrarouges	0,3 THz à 385 THz	1 mm à 780 nm	Chauffage
Fréquences extrêmement hautes (EHF)	30 GHz à 300 GHz	0.01 m à 1 mm	Radars, communication par satellite
Fréquences superhautes (SHF)	3 à 30 GHz	0.1 m à 0.01 m	Radars, alarmes anti-intrusion
Fréquences ultrahautes (UHF)	0.3 à 3 GHz	1 à 0.1 m	Télévision, radars, téléphones mobiles, fours à micro-ondes, hyperthermie médicale
Très hautes fréquences (VHF)	30 à 300 MHz	10 à 1 m	Télévision, radio FM
Hautes fréquences (HF)	3 à 30 MHz	100 à 10 m	Soudage, collage
Fréquences moyennes (MF)	0.3 à 3 MHz	1 km à 100 m	Radiodiffusion MO-PO, diathermie médicale
Basses fréquences (LF)	30 à 300 KHz	10 à 1 km	Radiodiffusion GO, fours à induction
Très basses fréquences (VLF)	3 à 30 kHz	100 Km à 10 km	Radio-communications
Fréquences audio (VF)	0.3 à 3 kHz	1000 Km à 100 km	Transmission de données vocales, métallurgie, chauffage par induction
Extrêmement basses fréquences (EBF-ELF)	3 Hz à 300 Hz	100 000 à 1000 km	Transport et distribution de l'électricité, électroménager
Champ magnétique terrestre	0 Hz (continu)	infinie	Boussole

Source: Duchêne, A., & Joussot-Dubien, J. (2001). Les effets biologiques des rayonnements non ionisants. Médecine-Sciences, Flammarion.