Spectre électromagnétique

On décrit un rayonnement électromagnétique par ses caractéristiques les plus accessibles, selon sa forme et son utilisation.

On caractérise habituellement les ondes radio par la fréquence, qui s'applique aussi bien aux circuits des appareils qu'on utilise pour les produire.

Quand les fréquences croissent, les longueurs d'onde correspondantes se raccourcissent jusqu'à devenir du même ordre de grandeur que les appareils, et deviennent le paramètre d'utilisation le plus courant.

Au-delà d'une certaine limite, on utilise principalement des instruments d'optique, tout comme pour la lumière, et la longueur d'onde dans le vide devient la caractéristique la plus commode. Elle joue directement dans le calcul des interférences dans les réseaux de diffraction et dans beaucoup d'autres applications.

À partir des rayons X, les longueurs d'onde sont rarement utilisées : comme il s'agit de particules très énergétiques, c'est l’énergie correspondant au photon X ou γ détecté qui est plus utile.

On découpe habituellement le spectre électromagnétique en divers domaines selon la longueur d'onde et le type de phénomène physique émettant ce type d'onde[2] :

Le découpage détaillé en bandes de fréquence selon les normes de l'UIT se trouve dans le paragraphe « Usages et classification » ci-dessous.

Le spectre optique recouvre les domaines de l'infrarouge, le spectre visible, et de l'ultraviolet. La discipline étudiant les lois et comportements des ondes de ce domaine est l'optique.

Le domaine visible du spectre électromagnétique.

Le rayonnement électromagnétique visible est la très étroite portion du spectre électromagnétique accessible à la perception humaine visuelle ; elle correspond à la plus forte énergie de rayonnement solaire arrivant à la surface de la Terre. La sensibilité humaine est maximale aux alentours d'une longueur d'onde dans le vide de 550 nm en vision photopique, avec des éclairements importants, de l'ordre de grandeur de ceux qui se trouvent dans la journée à la surface de la Terre. De part et d'autre de ce maximum, la sensibilité diminue progressivement. Elle est de moins de 1 % du maximum à 410 nm et à 690 nm, et il n'en reste rien à 360 nm. Du côté des basses énergies, on détecte au plus jusqu'à 820 nm, bien que très faiblement, mais les êtres humains et autres animaux terrestres sentent le rayonnement infrarouge sous forme de chaleur sur la peau. En vision scotopique, nocturne, le maximum est à 510 nm et on ne distingue pas les couleurs.

La colorimétrie relie la mesure physique du rayonnement à la couleur perçue. Un humain normal peut distinguer des ondes monochromatiques dont la longueur d'onde diffère d'un peu moins de 1 nm, et plus d'une centaine de niveaux de luminosité[3]. Pourtant, la description d'une couleur n'a pas besoin d'autant de données que pourrait laisser croire la spectroscopie. Les humains n'ont en vision diurne que trois types de récepteurs, et de nombreux mélanges de radiations de longueurs d'onde différentes, dites « métamères », se perçoivent identiquement.

Des atomes ou molécules excités (par exemple par chocs) se désexcitent en émettant une onde électromagnétique. Celle-ci peut se décomposer en une superposition d'ondes sinusoïdales (monochromatiques) caractérisées par leurs longueurs d'onde. Le spectre est constitué par l'ensemble des longueurs d'onde présentes. On peut le matérialiser à l'aide d'un prisme de décomposition de la lumière en un ensemble de lignes, les raies spectrales, qui correspondent aux différentes longueurs d'onde émises. Pour plus de précision, on peut également représenter ce spectre comme un graphe de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

L'observation du spectre d'émission de l'hydrogène se fait au moyen d'un tube Geissler qui comporte deux électrodes et de l'hydrogène sous faible pression. Les électrodes sont soumises à une différence de potentiel de 1 000 V. L'important champ électrique accélère les ions présents qui, par chocs, excitent les atomes d'hydrogène. Lors de leur désexcitation, ils émettent de la lumière qui est analysée par un spectroscope. Dans tous les cas, on observe (dans le visible) le même spectre composé de quatre raies (spectres de raies) aux longueurs d'onde : 410 nm, 434 nm, 486 nm, 656 nm.

Niels Bohr interprétera alors l'émission de lumière par l'émission d'un photon lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie à un autre. Le spectre d'émission de n'importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément.

Le principe est exactement le même que celui du spectre d'émission : à un niveau d'énergie donné correspond une longueur d'onde. Mais au lieu d'exciter de la matière (par exemple en la chauffant) pour qu'elle émette de la lumière, on l'éclaire avec de la lumière blanche (donc contenant toutes les longueurs d'onde) pour voir quelles longueurs d'onde sont absorbées. Les niveaux d'énergie étant caractéristiques de chaque élément, le spectre d'absorption d'un élément est exactement le complémentaire du spectre d'émission. On s'en sert notamment en astrophysique : par exemple, pour déterminer la composition de nuages gazeux, on étudie leur spectre d'absorption en se servant des étoiles se situant en arrière-plan comme source de lumière. C'est d'une manière générale le but de la spectrographie d'absorption : identifier des éléments inconnus (ou des mélanges) par leur spectre.

Absorption et diffusion par l'atmosphère terrestre (ou opacité) de diverses longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique (tracé approximatif).

La plus grande partie du rayonnement ultraviolet et des rayons X sont absorbés dans la haute atmosphère.

Pour la partie visible du rayonnement électromagnétique, l'atmosphère est relativement bien transparente.

Dans le domaine infrarouge, le rayonnement électromagnétique est fortement absorbé par l'atmosphère, en particulier selon différents modes d'excitation de la vapeur d'eau.

Ensuite, dans le domaine des fréquences radio, lorsque l'énergie des photons diminue, l'atmosphère redevient transparente sauf pour les fréquences les plus basses (ondes longues) qui sont arrêtées par l'ionosphère.

Un rayonnement électromagnétique peut se considérer soit comme une onde progressive, soit comme un ensemble de particules.

Si on le considère comme une onde, on peut le décomposer, selon la transformation de Fourier, en une somme d'ondes monochromatiques, dont chacune est entièrement décrite par deux grandeurs physiques :

1. Son amplitude ;
2. Sa fréquence ou sa longueur d'onde, grandeurs corrélées par la célérité de l'onde.

Si on le considère comme un ensemble de particules, chacune d'entre elles est entièrement décrite par son énergie. La répartition des énergies et leur somme obéissent aux lois statistiques.

Unités

• La fréquence, notée ${\displaystyle f}$ ou ${\displaystyle \nu }$, s'exprime en hertzs (Hz) dans le Système international d'unités (SI).
• La pulsation, notée ${\displaystyle \omega }$, s'exprime en radians par seconde (rad/s) dans le SI.
• Le nombre d'onde, aussi appelé pulsation spatiale, est noté ${\displaystyle k}$ et s'exprime en radians par mètre (rad/m).
• La longueur d'onde, notée ${\displaystyle \lambda }$, s'exprime en unités de longueur (en mètres (m) dans le SI).
• L'énergie des photons, notée ${\displaystyle E}$, s'exprime en joules (J) dans le SI, et aussi couramment en électron-volts (1 eV = 1,602 176 53 × 10⁻¹⁹ J).

On passe de la définition comme onde à la définition comme particule, par les relations suivantes :

${\displaystyle E=h\,\nu ={\frac {h}{T}}={\frac {h\,c}{\lambda }}}$

où ${\displaystyle h}$ est la constante de Planck : ${\displaystyle h}$ ≈ 6,626 070 040 × 10⁻³⁴ J s ≈ 4,135 667 662 × 10⁻¹⁵ eV s.

La longueur d'onde dépend de la célérité de la lumière dans le milieu de propagation. Si celui-ci n'est pas précisé, c'est la longueur d'onde dans le vide

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

où ${\displaystyle c}$ est la vitesse de la lumière dans le vide : ${\displaystyle c}$ = 299 792 458 m s⁻¹ (cette valeur est exacte, du fait de la définition actuelle du mètre)

sinon

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{n_{\nu }\,\nu }}}$

où ${\displaystyle n_{\nu }}$ est l'indice de réfraction dans le milieu à la fréquence ${\displaystyle \nu }$, toujours égal à 1 dans le vide.

• Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck, 2013, p. 634-635

• Analyse spectrale
• Spectre visible
• Radio-art

• Ressource relative à la santé :
  • (cs + sk) WikiSkripta
• Notices dans des dictionnaires ou encyclopédies généralistes :

  • Britannica
  • Gran Enciclopèdia Catalana