Différences entre les versions de « Effets des rayonnements électromagnétiques sur le vivant/Nature des rayonnements électromagnétiques »

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Jusqu'au début du {{s-|XX|e}}, les physiciens étaient persuadés que les rayonnements électromagnétiques étaient des ondes, comme celles produites par un caillou tombant dans l'eau.
 
Cette onde est définie par deux paramètres : son amplitude et sa longueur d'onde. Il n'est pas idiot du tout de faire le parallèle avec une onde sonore, où l'amplitude représente le volume du son et la longueur d'onde sa tonalité, c'est-à-dire s'il est aigu ou grave. Pour les rayonnementrayonnements électromagnétiqueélectromagnétiques, l'amplitude représente la quantité de rayonnement émise et la longueur d'onde sa position sur le spectre électromagnétique. Cet état ondulatoire des rayonnements électromagnétiques a été mis en évidence par l'expérience de Young (cf Annexe 1).
 
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[[Image:Spectre_electromagnétique.png|thumb|center|550px|Fig. 15 : Le spectre électromagnétique]]
La question qui nous vient à l'idée est : Pourquoi le spectre électromagnétique se limite-t-il à ça ? Pourquoi n'y a-t-il rien plus à gauche que le bleu ou plus à droite que le rouge ? EtEh bien en fait nous n'avons représenté ici que ce qu'on appelle le spectre visible, c'est-à-dire que ce sont les seules longueurs d'ondes auxquelles nos yeux sont sensibles. Les autres ne sont pas détectés par les cônes de nos yeux<ref>Pour plus d'informations, référez -vous à l'annexe 2 : La vision</ref>. Mais revenons à notre spectre<ref>Une expérience interactive est disponible à l'adresse : http://www.gel.ulaval.ca/~mbusque/spectre/ (requiers java)</ref>, il continue donc à gauche et à droite. Par longueur d'onde décroissante, on voit apparaître les ondes radio, les microondes, les ondes radar, le rayonnement infrarouge, le fameux rayonnement visible, l'ultraviolet et les rayons gammas ; on a ici un spectre à peu près complet des rayonnements électromagnétiques.
 
On se rend compte que tous ces rayonnements sont de même nature, seul un paramètre change : la longueur d'onde. Plus on diminue la longueur d'onde, plus l'énergie de ces rayonnements augmente et plus ces rayonnements sont potentiellement dangereux.
==== Rayonnement ionisant ====
 
On appelle rayonnement ionisant un rayonnement qui a assez d'énergie pour arracher des électrons à un matériau, et donc transformer les atomes en ions. Les Rayons X et les rayonnementrayonnements γ font partie des rayonnements ionisants. On notera que les UV-A<ref>Voir la partie sur les ultraviolets pour de plus amples informations</ref> s'en rapprochent beaucoup. Par leur capacité à arracher des électrons aux matériaux, ils sont considérés comme très dangereux.
 
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== Production des ondes ionisantes ==
Ce paragraphe concerne le domaine (en fréquence) des ondes qu'on appelle ionisantes. Parce qu'elle sont émises ou absorbées par des transitions atomiqueatomiques (réorganisation du cortège électronique d'un atome) d'ionisation (et recombinaison) et d'excitation.
Les ondes de fréquences plus faibles sont émises et absorbées par des circuits électroniques, où l'oscillation du courant dans un crcuitcircuit accordé génère ou absorbe une onde électro-magnétique à la fréquence dudit circuit accordé.
 
[[Image:Sciences_exactes_NB.png|thumb|right|Fig. 18 : Modèle d'un atome d'Hélium selon Rutherford]]
Parlons maintenant des différentes manières de produire des rayonnements électromagnétiques. Tout d'abord, il faut savoir qu'au niveau atomique<ref>On représente généralement l'atome comme un noyau constitué de protons - de charge positive– et de neutrons -de charge négative – autour duquel gravitent des électrons de charge négative. Il y a autant de charges électriques positives que négatives, on dit que l'atome est électriquement neutre. Le noyau est 100000100 000 fois plus petit que l'atome, les schémas ne sont donc pas à l'échelle. </ref>, il n'existe que deux modes de production : soit par la desexcitationdésexcitation du noyau de l'atome<ref>On considérera ici le modèle de l'atome de Rutherford. ''Ernest Rutherford'' (1871-1937) est un physicien anglais et est considéré comme le père de la physique nucléaire. Il a été le premier à présenter le modèle planétaire de l'atome. Il affirme aussi que l'atome est constitué à 99,9 % de vide.</ref>, soit par la desexcitationdésexcitation des électrons de cet atome. On peut donc classer les rayonnements suivant leur mode de production. On constate alors que seuls les rayons les plus énergétiques que l'on connaisse, les rayons gammas, sont produits par la desexcitationdésexcitation du noyau de l'atome ; tous les autres rayonnements sont produits par la desexcitaiondésexcitions de l'atome. Il faut aussi savoir que tout corps à une température supérieure à 0°K (zéro absolu<ref>Ce que nous percevons comme de la chaleur est en réalité l'agitation des atomes ; plus ceux-ci sont agités, plus nous avons l'impression qu'ils dégagent de la chaleur. Si on les refroidit jusqu'à rendre les atomes parfaitement immobileimmobiles – ce qui est impossible dans la réalité – on obtient ce que l'on appelle le zéro absolu, c'est à dire la température minimale que peut avoir tout corps. En effet, on ne peut pas rendre plus immobile - refroidir – un atome à l'arrêt. Le zéro absolu vaut -273,15°C et s'exprime en degré Kelvin (°K). Ainsi, -273,15°C = 0°K. Il n'existe bien évidemment pas de température négative dans le système Kelvin.</ref>) émet des radiations électromagnétiques. Nous sommes donc entourés d'un flot continu de radiations électromagnétiques, sans que cela nous affecte le moins du monde.
 
Dans un atome, les électrons sont organisés en orbites autour du noyau. Le rayon de ces orbites est quantifié, ainsi que le nombre d'électrons qu'elle peut contenir ; par exemple, la couche la plus proche du noyau, c'est-à-dire celle qui correspond au niveau d'énergie le plus faible est appelée K et peut contenir au maximum deux électrons tandis que la couche de rayon supérieur, notée L peut en contenir huit. Les électrons vont toujours sur les orbites d'énergie les plus faibles, c'est-à-dire les couches les plus proches du noyau, lorsque celle-ci sont pleines, les électrons s'ajoutent sur l'orbite supérieure et ainsi de suite. Bien que les orbites aient un rayon fixe et très précis, la mécanique quantique veut que ce ne soit qu'une valeur statistique, ce qui veut dire que les électrons ont juste plus de chance de se trouver sur les orbites qu'ailleurs<ref>Dans notre cas, les électrons ont près de 95 % de chances de se trouver sur l'orbite. Dans le cas où ils n'y sont pas, ils sont en train de changer d'orbite, passant par exemple de l'orbite K à l'orbite L.</ref>. Un atome a un nombre défini d'électrons, celui-ci étant déterminé par le nombre de protons du noyau ; cependant, il peut en gagner ou en perdre pour que sa couche supérieure d'électrons -appelée couche externe- soit pleine -on dit aussi ''saturée''-.
 
[[Image:Excitation2.png|thumb|right|400px|Fig. 19 : Schéma représentant l'excitation et la desexcitation d'un atome]]
Lorsqu'on donne de l'énergie à un atome, par exemple en le soumettant à une tension électrique, en lui faisant absorber un photon ou tout simplement lorsque sa température est supérieure au zéro absolu, celui-ci passe dans un état dit excité, c'est-à-dire qu'il a un niveau d'énergie supérieur au niveau d'énergie minimum précédent. Ceci se traduit par le fait qu'un ou plusieurs électrons des couches les plus basses vont sauter sur une couche d'énergie plus élevée. Ces électronélectrons qui ne sont plus à leur place sont appelés électrons excités. L'état d'excitation n'est pas un état stable, c'est pourquoi l'électron reprend sa place en émettant un photon. L'énergie du photon est déterminée par la différence de niveaux d'énergie entre les couches électroniques. Par exemple lorsqu'un électron revient de la couche L à la couche K, il émet un photon dont l'énergie est la différence entre les niveaux d'énergie des deux couches. Plus la différence est grande, donc plus l'électron « est allé haut », plus le photon aura une énergie élevée<ref>On définit l'énergie de ce photon par l'équation <math>\Delta E = h.\nu</math>, où ''ΔΕ'' est la différence entre le niveau d'énergie du photon au départ et à l'arrivée, ''h'' est la constante de Planck, et ''ν'' est la fréquence du rayonnement émis. En physique quantique, la constante de Planck joue un rôle fondamental. Elle a été nommée du nom du physicien allemand ''Max Planck'' (1848-1947). Elle s'exprime en ''J.m'' et vaut approximativement <math>6,626068.10^{-34} J.m</math></ref>. On notera que plus l'atome est gros, plus il pourra produire des rayonnements d'énergie élevée.
 
Pour ce qui est de l'excitation du noyau, il faut savoir que les protons et les neutrons du noyau sont eux aussi organisés en couches d'énergies différentes. Lorsqu'on excite ce noyau -en le bombardant avec un neutron par exemple<ref>C'est ce qui se passe lors d'une réaction nucléaire.</ref>-, les protons et les neutrons vont se réorganiser, et un ou plusieurs nucléons vont passer sur une orbite supérieure à celle qu'ils avaient à l'origine, le noyau de l'atome est dit excité. Lorsque l'atome va se désexciter, les nucléons vont reprendre leur place originelle et relâcher l'énergie qu'ils avaient emmagasinée sous forme d'un photon. Cependant, ce photon sera beaucoup plus énergétique que lorsqu'un électron se désexcite, car il faut plus d'énergie au noyau pour que ses nucléons se réorganisent. Le photon émis sera un rayonnement gamma, c'est-à-dire un photon de la plus haute énergie que l'on connaisse<ref>Sa longueur d'onde sera inférieure à 5 picomètres (10<sub>-12</sub>m).</ref>.
== Propagation ==
 
Les rayonnements visibles faisant partie des rayonnements électromagnétiques, les règles d'optiques s'appliquent<ref>Avec quelques restrictions liées à la longueur d'onde, en effet, un rayonnement gamma ne se propage pas de la même manière que de l'infrarouge ou des rayonnements radio.</ref> à tous les rayonnements (réflexion, réfraction, diffraction, interférence...). Les rayonnements électromagnétiques se propagent en ligne droite à une vitesse proche de 300000km300 000 km.s<sup>-1</sup> – ''c'' – Cette propagation forme une « bulle » dont le diamètre augmente à la vitesse de 600000km600 000 km.s<sup>-1</sup> – ''2c'' -. Tout ce qui est hors de la « bulle » ne voit pas le rayonnement a ce moment la-là ; mais comme la bulle est en expansion, le rayonnement finira par atteindre le point. La quantité de rayonnement reçue par une surface donnée décroit avec la distance au carré. Si on multiplie par deux la distance à une source de rayonnements, on reçoit quatre fois moins de rayonnements. Comme toute onde se propage sur un support, Einstein a énoncé dans une de ses théories que les rayonnements électromagnétiques se propageaient en suivant les courbes d'espace-temps, et donc qu'elles étaient déviées par les corps très massifs<ref>Par exemple par les trous noirs. CetteCet effet sert aussi à détecter des corps peu lumineux dans l'espace grâce au phénomène de lentille gravitationnelle.</ref>.
Un rayonnement électromagnétique peut être réfléchi sur un miroir, de l'eau – tout comme les rayonnements lumineux- mais aussi sur un mur ou encore les couches de l'atmosphère<ref>Les rayonnements radios sont réfléchis -ils subissent en fait une suite continue de réfractions- sur la ionosphère, ce phénomène permet les communications transcontinentales. La ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la magnétosphère, c'est-à-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz fortement ionisé à très faible pression (entre 2.10<sup>-2</sup> mb et 1.10<sup>-8</sup> mb) et à haute température (-20 à +1000°C).</ref>, tout dépend de la longueur d'onde du rayonnement. La réfraction et la diffusion s'appliquent aussi mais l'effet varie en fonction de la longueur d'onde.
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