Spectre électromagnétique - Définition
Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquence, d'énergie des photons ou encore de longueur d'onde associée, les trois grandeurs ν (fréquence), E (énergie) et λ (longueur d'onde) étant liées deux à deux par la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour...) h et la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) c , selon les formules :
d'où aussi :
Pour les ondes radio et la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), on utilise habituellement la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...). À partir des rayons X, les longueurs d'ondes sont rarement utilisées : comme on a affaire à des particules très énergétiques, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) correspondant au photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) X ou γ détecté est plus utile. Cette énergie est exprimée en électron-volt (eV), soit l'énergie d'1 électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) accéléré par un potentiel de 1 volt.
| Longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) | Domaine | |
|---|---|---|
| > 10 cm | Radio | (150 kHz - 3 GHz) |
| De 3 mm à 10 cm | Micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire...) et radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la...) | (10 cm - +- 1cm, 3 - 100 GHz) |
| De 300 µm à 3 mm | Terahertz | (100 GHz - 10 THz) |
| De 1 µm à 300 µm | Infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) | |
| De 400 nm à 700 nm | Lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du...) | Rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) (620-700 nm) Orange (592-620 nm) Jaune (578-592 nm) Vert (500-578 nm) Bleu (446-500 nm) Violet (400-446 nm) |
| De 10 nm à 400 nm De 10-8 m à 10-7 m |
Ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...) | (400 - 280 nm) |
| De 10-11 m à 10-8 m | Rayon X (Les rayons X sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence...) | |
| De 10-14 m à 10-11 m | Rayon γ |
La lumière blanche peut se décomposer en arc-en-ciel (Un arc-en-ciel est un phénomène optique et météorologique qui rend visible le...) à l'aide d'un prisme ou d'un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...). Chaque " couleur " correspond à une longueur d'onde ; cependant, la physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et...) de la perception des couleurs fait qu'une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) ne correspond pas nécessairement à une radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) de longueur d'onde unique mais peut être une superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) de radiations monochromatiques. Les procédés de décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) des radiations en ondes monochromatiques sont décrits dans l'article Spectrométrie.
Les photons de lumière visible les plus énergétiques (violet) sont à 3 eV. Les rayons X couvrent la gamme 100 eV à 100 keV. Les rayons γ sont au-delà de 100 keV. Des photons γ de plus de 100 MeV (100 000 000 eV) émis par un quasar (Une « source de rayonnement quasi-stellaire » (quasar), (quasi-stellar radio...) ont été détectés.
Histoire
Le terme spectre fut employé pour la première fois en 1666 par Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...) pour se référer au phénomène par lequel un prisme de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) peut séparer les couleurs contenues dans la lumière du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...).
Spectre d'émission
Des atomes excités (par exemple par chocs) se désexcitent en émettant une onde électromagnétique (L'onde électromagnétique est un modèle utilisé pour représenter les...). 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 (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des longueurs d'ondes présentes. On le matérialise 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'ondes émises (voir exemple ci-contre).
L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) du spectre d'émission de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) se fait au moyen d'un tube Geissler qui comporte deux électrodes et de l'hydrogène sous faible pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...). Les électrodes sont soumises à une différence de potentiel de 1000 V. L'important champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) 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 4 raies (spectres de raies) aux longueurs d'ondes : 410 nm, 434 nm, 486 nm, 656 nm.
Niels Bohr (Niels Henrik David Bohr (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark -...) interprétera alors l'émission de lumière par l'émission d'un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) lorsque l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) 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 (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) émis par la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...). Ce spectre est caractéristique de l'élément.
Spectre d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par...)
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'ondes) pour voir quelles longueurs d'ondes 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.
| Spectre électromagnétique
rayons γ • rayons X • ultraviolet • lumière visible • infrarouge • micro-ondes • ondes radio |
|||||||||
| ultraviolet | violet | bleu | vert | jaune | orange | rouge | infrarouge | ||