Rayonnement électromagnétique
Un rayonnement électromagnétique désigne un transfert d'énergie sous la forme d'ondes électromagnétiques.
| Sommaire |
L'onde électromagnétique
Une onde électromagnétique se caractérise par un flux quasi-continu de particules dépourvues de masse, les photons, associé à des champs magnétiques et électriques ; une onde électromagnétique monochromatique peut se modéliser par un dipôle vibrant, ce modèle reflétant convenablement, par exemple, les oscillations du nuage électronique d'un atome intervenant dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié).
Image manquante
Onde_electromagnetique.png
onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant
Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant - L'image n'est pas tout à fait juste, 
et 
sont en fait déphasés de 90° (voir la page de discussion pour plus de détails)
| Image manquante GonioX.jpg Cet article de science fait partie de la série physique |
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La lumière désigne un rayonnement électromagnétique visible par l'œil humain. Les ondes radio, les rayons X et γ sont également des ondes électromagnétiques.
L'analyse spectrale des rayonnements électromagnétiques d'origine thermique montre que celui-ci est composé d'ondes électromagnétiques de longueurs d'onde λ ou fréquences différentes ν. Un rayonnement composé uniquement d'ondes de même fréquence, donc dont les photons ont la même énergie E = hν est dit monochromatique (même en dehors du spectre visible).
La mécanique quantique associe à une onde électromagnétique monochromatique un corpuscule de masse nulle nommé photon dont l'énergie est :
- E = hν
où h est la constante de Planck.
L'impulsion p du photon est égale à p = E / c = hν / 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, et en particulier la lumière, se déplace à la vitesse 299 792 458 m/s. Cette vitesse, appelée vitesse de la lumière et notée c, est une des constantes physiques fondamentales.
La longueur d'onde est égale à :
cν étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré pour la fréquence ν, avec cν = c / nν (nν étant l'indice de réfraction de la lumière monochromatique de fréquence ν dans le milieu considéré).
La constatation, à la fin du XIXe 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 à 0 kelvin (zéro absolu, soit -273°C) émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique.
- 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 biologique (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 d'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.
- Dans le même domaine du spectre électromagnétique, les photons sont capables de former des paires électron-trous dans les semi-conducteurs (principe des CCD). En se recombinant, l'électron et le trou émettent de la lumière (principe des diodes).
- 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.
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.
Spectre_onde_electromagnetique.png
Pour des raisons historiques, les ondes électromagnétiques sont désignées par différents termes, en fonction des gammes de fréquence (ou de longueur d'ondes). Par longueur d'onde décroissante, ce sont :
- les ondes radio et les ondes radar sont produites par des courants électriques haute 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 sont produits par radioactivité (désintégration d'un noyau atomique instable) ou bien par freinage d'électrons (tube à rayons X) ; ils provoquent des transitions électroniques dans l'atome, concernant les électrons de cœur, ainsi que l'effet Compton ; du fait de leur faible longueur d'onde, ils diffractent sur les cristaux ; 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 radioactivité ; ils peuvent exciter les noyaux des atomes et provoquer des réactions nucléaires.
Polarisation
La polarisation correspond à la direction et à l'amplitude du champ électrique . Pour une onde non polarisée, ou naturelle, tourne autour de son axe de façon aléatoire et imprévisible au cours du temps. Polariser une onde correspond à donner une trajectoire définie au champ électrique. Il y a plusieurs sortes de polarisation:
- La polarisation linéaire quand reste toujours dans le même plan.
- La polarisation circulaire, le champ magnétique tourne autour de son axe en formant un cercle.
- La polarisation elliptique, le champ magnétique tourne autour de son axe et change d'amplitude pour former une ellipse.
Voir aussi
Phénomènes physiques
- transitions électroniques
- transitions nucléaires
- antennes