Photographie/Rayonnements électromagnétiques/Définitions et vue d'ensemble
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Nous vivons dans un milieu baigné de vibrations, d'oscillations et d'ondes de toutes sortes. Certaines sont mécaniques (bruits, sons musicaux, vagues à la surface de l'eau, ...), d'autres ont une nature d'autant plus difficile à imaginer que nos sens ne peuvent pas les percevoir.
Parmi ces dernières figurent les rayonnements électromagnétiques, qui sont très diversifiés. La lumière visible en est une toute petite partie. D'autres rayonnements de la même famille sont invisibles mais leurs effets bénéfiques ou fâcheux sont très importants. Les ondes hertziennes sont largement utilisées par la radio, la télévision, les téléphones mobiles. Les micro-ondes réchauffent nos plats surgelés et les rayons infrarouges sont émis par toutes les sources de chaleur. Les rayons ultraviolets peuvent stériliser le matériel médical ou agir sur la peau pour donner, selon les conditions, un joli bronzage ou un vilain coup de soleil. Il y a aussi les rayons X dont les applications médicales, industrielles, scientifiques, ... sont nombreuses, les rayons gamma émis par les produits radioactifs et enfin, venant des confins de l'univers, les rayons cosmiques.
Tous ces rayonnements, très différents à la fois par leurs modes de production et par leurs effets, sont des perturbations périodiques de l'espace provoquées par les oscillations simultanées d'un champ magnétique et d'un champ électrique. Ils se propagent sous forme d'ondes capables de transporter de l'énergie.
Définitions
modifierCes ondes possèdent des caractéristiques communes que l'on peut comprendre en faisant ... des ronds dans l'eau.
On peut les caractériser par :
- leur fréquence ν (nu, en grec), ou nombre d'oscillations par seconde, exprimée en hertz (1 Hz = 1 oscillation par seconde)
- ou, ce qui revient exactement au même, par leur période T, durée d'une oscillation,
- leur longueur d'onde λ (lambda), ou distance parcourue par l'onde pendant une oscillation complète,
- leur célérité c ou vitesse de propagation, qui vaut 299 792, 458 km/s (env. 300 000 km/s) dans le vide, quelle que soit la fréquence.
Imaginons que des rides formées dans l'eau se déplacent à 2 m/s. Si l'eau monte et descend le long d'un piquet 4 fois par seconde (4 Hz), alors la longueur d'onde vaut 0,5 m, ce qui représente la distance entre la crête d'une vague et la crête de la suivante.
On parle de célérité plutôt que de vitesse car la matière n'est pas transportée par l'onde. Un petit objet flottant monte et descend avec la vague mais n'est pas transporté par elle ; en fait sa trajectoire prend la forme d'une ellipse.
Vue d'ensemble des rayonnements électromagnétiques
modifierLes rayonnements électromagnétiques peuvent être classés en fonction de leurs longueurs d'onde ou, ce qui revient au même, en fonction de leur fréquence. On préfère utiliser cette dernière grandeur pour les ondes hertziennes. Par exemple, pour les téléphones mobiles, les fréquences vont de 900 MHz (mégahertz, ou millions de hertz) en Europe à 2,45 GHz (gigahertz, ou milliards de hertz) aux États-Unis.
Les unités communément utilisées pour les longueurs d'onde sont :
| le kilomètre | 1 km = 103 m |
| le mètre | 1 m |
| le millimètre | 1 mm = 10-3 m |
| le millionnième de mètre ou micron | 1 μm = 10-6 m |
| le milliardième de mètre ou nanomètre | 1 nm = 10-9 m |
| le dix milliardième de mètre ou angström, désormais à éviter | 1 Å = 10-10 m |
| le millième de milliardième de mètre ou picomètre | 1 pm = 10-12 m |
En fait la gamme des rayonnements électromagnétiques s'étend sur une vingtaine d'ordres de grandeur, ce qui est absolument énorme. Ces rayonnements forment un ensemble continu mais on a l'habitude de les répartir en différents domaines compte tenu de leur mode de production :
- les ondes hertziennes et les microondes sont produites par des oscillateurs électriques,
- la lumière est produite par les corps chauds, les différents types de lampes et de tubes utilisés pour l'éclairage et d'autres applications, les diodes électroluminescentes, les lasers, certains organismes vivants (vers luisants, lucioles, etc.),
- les rayons X sont émis par des tubes de Crookes ou de Coolidge,
- les rayons gamma sont dûs à certains corps radioactifs,
- enfin, les rayons cosmiques ont pour origine des sources stellaires.
On peut noter que certains domaines se recouvrent partiellement, les microondes les plus courtes et les rayons infrarouges les plus longs sont identiques, de même pour l'ultraviolet extrême et les rayons X les plus « mous ».
La théorie vibratoire de la lumière, développée par Young et Fresnel, puis étendue à toutes les autres radiations électromagnétiques par Maxwell et Hertz, permet d'expliquer les phénomènes liés à la propagation des ondes (interférences, ondes stationnaires, etc.). En revanche, un certain nombre d'autres phénomènes comme l'effet photoélectrique ou l'émission des rayons X ne peuvent devenir compréhensibles que si l'on admet l'existence de « grains de lumière » distincts ou photons. Cette idée de Newton a été développée par Einstein.
Les deux aspects ondulatoire et corpusculaire des radiations électromagnétiques, loin d'être contradictoires, sont complémentaires et développés simultanément dans la mécanique ondulatoire de de Broglie et Schrödinger, grâce à la théorie des quanta. Le photon peut être considéré comme une particule sans masse, animée de la vitesse c dans le vide et porteuse d'une quantité élémentaire d'énergie ou quantum proportionnelle à la fréquence de la radiation :
h est la constante de Planck qui vaut 6,624 10-34 joule.seconde et par convention c'est la quantité que l'on appelle photon. L'énergie du photon correspond à une oscillation, on la mesure en électron-volt.
L'aspect corpusculaire des ondes électromagnétiques prédomine sur leur aspect vibratoire lorsque la fréquence et donc l'énergie des photons sont très grandes ou, ce qui est équivalent, lorsque la longueur d'onde est très petite.
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