Rayonnement électromagnétique

Le rayonnement électromagnétique est une forme de transfert d'énergie linéaire. La lumière visible est un rayonnement électromagnétique, mais ne constitue qu'une petite tranche du large spectre électromagnétique^[1]. La propagation de ce rayonnement, d'une ou plusieurs particules, donne lieu à de nombreux phénomènes comme l'atténuation, l'absorption, la diffraction et la réfraction, le décalage vers le rouge, les interférences, les échos, les parasites électromagnétiques et les effets biologiques^[2].

Répartition du rayonnement électromagnétique par longueur d'onde.

Le rayonnement électromagnétique peut être décrit de manière corpusculaire comme la propagation de photons (boson vecteur de l'interaction électromagnétique), ou de manière ondulatoire comme une onde électromagnétique. Il se manifeste sous la forme d'un champ électrique couplé à un champ magnétique.

L'onde électromagnétique et le photon

La lumière est un rayonnement électromagnétique visible par l'œil humain. Les ondes radio, les rayons X et γ sont également des rayonnements électromagnétiques^[3].

Du fait de la dualité onde-corpuscule, les rayonnements électromagnétiques peuvent se modéliser de deux manières complémentaires :

• onde électromagnétique : le rayonnement est la propagation d'une variation des champs électriques et magnétiques ; un spectrographe permet de décomposer cette onde en ondes monochromatiques de longueurs d'onde ${\displaystyle \lambda }$ et fréquences différentes ${\displaystyle \nu }$ que l'on peut analyser ensuite ;
• photon : la mécanique quantique associe aux modes normaux de la radiation électromagnétique monochromatique un corpuscule de masse nulle et de spin 1 nommé photon dont l'énergie est ${\displaystyle E=h\nu \,}$ où ${\displaystyle h}$ est la constante de Planck.

L'impulsion ${\displaystyle p}$ du photon est égale à ${\displaystyle p={\frac {E}{c}}={\frac {h\nu }{c}}}$.

L'énergie des photons d'une onde électromagnétique se conserve lors de la traversée de différents milieux transparents (par contre, une certaine proportion de photons peut être absorbée).

Dans le vide, le rayonnement électromagnétique, en particulier la lumière, se déplace à la vitesse de 299 792 458 mètres par seconde. Cette vitesse, appelée vitesse de la lumière et notée c, est une des constantes physiques fondamentales.

La longueur d'onde est alors égale à :

${\displaystyle \lambda ={\frac {c_{\nu }}{\nu }}}$

${\displaystyle c_{\nu }}$ étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré pour la fréquence ${\displaystyle \nu }$, avec ${\displaystyle c_{\nu }=c/n_{\nu }}$ (${\displaystyle n_{\nu }}$ étant l'indice de réfraction de la lumière monochromatique de fréquence ${\displaystyle \nu }$ dans le milieu considéré).

La constatation, à la fin du XIX^e siècle, que la vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas du référentiel a conduit à l'élaboration de la théorie de la relativité restreinte.

Propriétés

• Tout corps à une température supérieure au zéro absolu, soit −273,15 °C ou 0 K ou −459,67 °F, émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique ou rayonnement du corps noir.
• Un corps qui reçoit un rayonnement électromagnétique peut en réfléchir une partie et absorber le reste. L'énergie absorbée est convertie en énergie thermique et contribue à l'augmentation de la température de ce corps.
• Une particule chargée de forte énergie émet un rayonnement électromagnétique :
  • quand elle est déviée par un champ magnétique : c'est le rayonnement synchrotron ; ce rayonnement synchrotron est utilisé comme source de rayons X pour de nombreuses expériences de physique et de biologie (lignes de lumières autour d'un synchrotron) ;
  • lorsqu'elle pénètre dans un milieu différent : c'est le « rayonnement continu de freinage » ;
• L'absorption d'un photon peut provoquer des transitions atomiques, c'est-à-dire exciter un atome dont l'énergie augmente par la modification de l'orbitale d'un de ses électrons.
• Lorsqu'un atome excité revient à son état d'énergie fondamental, il émet un photon dont l'énergie (et donc la fréquence) correspond à une différence entre deux états d'énergie de l'atome.
• Certains rayonnements électromagnétiques transportent suffisamment d'énergie pour arracher des électrons à la matière, ce sont des rayonnements ionisants.
• Dans le même domaine du spectre électromagnétique, les photons sont capables de former des paires électron-trous dans les semi-conducteurs (principe utilisé dans les capteurs photographiques CCD). En se recombinant, l'électron et le trou émettent de la lumière (principe exploité dans les diodes électroluminescentes).
• Les réactions nucléaires, comme celles de fission, de fusion et de désintégration, s'accompagnent souvent d'une émission de photons de grande énergie appelés rayons γ (rayons gamma).

Spectre électromagnétique

Un spectre électromagnétique est la décomposition d'un rayonnement électromagnétique en fonction de sa longueur d'onde, ou, de manière équivalente, de sa fréquence (via l'équation de propagation) ou de l'énergie de ses photons.

Classement des ondes électromagnétiques par longueur d'onde, fréquence et énergie des photons.

Pour des raisons historiques, les ondes électromagnétiques sont désignées par différents termes, en fonction des gammes de fréquence (ou de longueur d'onde). Par longueur d'onde décroissante, ce sont :

• les ondes radio et les ondes radar sont produites par des courants électriques de basse fréquence ;
• les ondes infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet sont produits par des transitions électroniques dans les atomes, concernant les électrons périphériques, ainsi que par le rayonnement thermique ; les ondes ultraviolettes ont des effets sur la peau (bronzage, coups de soleil, cancer de la peau) ;
• les rayons X peuvent être également produits lors des transitions électroniques de haute énergie. Ils sont par exemple générés par radioactivité (photons de fluorescence émis lors de la réorganisation du cortège électronique d'un atome). Leur génération contrôlée est le plus souvent effectuée par freinage d'électrons (tube à rayons X) ou par rayonnement synchrotron (déviation de faisceau d'électrons relativistes). Du fait de leur longueur d'onde sub-nanométrique, ils permettent l'étude des cristaux et molécules par diffraction ; les rayons X durs correspondent à des photons de plus haute énergie, et les rayons X mous à des photons de plus faible énergie ;
• le rayonnement γ est produit par la radioactivité lors de la désexcitation d'un noyau. Ils sont donc en particulier émis par les matériaux radioactifs et les réacteurs nucléaires. Leur énergie est donc en moyenne supérieure aux photons X.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Bande passante
• Radiométrie, les unités de mesure du rayonnement
• Noyau atomique
• Photon
• Transfert thermique par rayonnement
• Effets biologiques et environnementaux des champs électromagnétiques

Phénomènes physiques

• Transitions électroniques
• Transitions nucléaires
• Antennes

Applications

• Cage de Faraday
• Chambre anéchoïque
• Interaction rayonnement-matière
• Lasers