Rayonnement électromagnétique - Définition et Explications

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Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.

Le rayonnement électromagnétique a comme vecteur le photon, particule dépourvue de masse. Le photon est le boson associé à la force électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et...).

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) classique, il est décrit sous la forme d'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) électromagnétique correspondant à la propagation d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) et d'un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) (l'un étant perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) à l'autre) en ligne droite à partir d'une source constituée par un mouvement alternatif de charges électriques.

L'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) électromagnétique et le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...)

La lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) désigne un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.) visible par l'œil humain. Les ondes radio, les rayons X et γ sont également des rayonnements électromagnétiques.

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

  • onde électromagnétique : le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) est une variation des champs électriques et magnétiques ; l'analyse spectrale (L'analyse spectrale est une méthode utilisée en physique pour déterminer les caractéristiques...) permet de décomposer cette onde en ondes monochromatiques de longueurs d'onde λ et fréquences différentes ν ;
  • photon : la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) associe à une radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) électromagnétique monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la...) un corpuscule de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) nulle nommé photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) dont l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) est :
E = hν
h est la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille...).

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 vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), le rayonnement électromagnétique, et en particulier la lumière, se déplace à la vitesse (On distingue :) 299 792 458 m/s. Cette vitesse, appelée vitesse de la lumière et notée c, est une des constantes physiques fondamentales.

La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde est égale à :

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

cν étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré pour la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) ν, avec cν = c / nν (nν étant l'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de...) 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 (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) restreinte.

Propriétés

  • Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) corps à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) supérieure à 0 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par...) (zéro absolu, soit -273,15°C) émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...).
  • Un corps qui reçoit un rayonnement électromagnétique peut en réfléchir une partie et absorber le reste. L'énergie absorbée est convertie en énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) 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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique : c'est le rayonnement synchrotron ; ce rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs...) est utilisé comme source de rayons X pour de nombreuses expériences de physique et de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) (lignes de lumières autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d'un synchrotron) ;
    • lorsqu'elle pénètre dans un milieu différent : c'est le " rayonnement continu de freinage " ;
  • L'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) d'un photon peut provoquer des transitions atomiques, c'est-à-dire d'exciter un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) dont l'énergie augmente par la modification de l'orbitale d'un de ses électrons.
  • Lorsqu'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) 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 (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement...), les photons sont capables de former des paires électron-trous dans les semi-conducteurs (principe des CCD). En se recombinant, l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) et le trou émettent de la lumière (principe des diodes).
  • Les réactions nucléaires, comme celles de fission, de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) 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 (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) d'un rayonnement électromagnétique en fonction de sa longueur d'onde, ou, de manière équivalente, de sa fréquence (via l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) de propagation) ou de l'énergie de ses photons.

classement des ondes électromagnétiques par longueur d'onde, fréquence et énergie des 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'ondes). Par longueur d'onde décroissante, ce sont :

  • les ondes radio et les ondes radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la...) sont produites par des courants électriques haute fréquence ;
  • les ondes infrarouges, la lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...) et le rayonnement ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...) 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 (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le...) (bronzage, coups de soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...), cancer (Le cancer est une maladie caractérisée par une prolifération cellulaire anormalement...) de la peau) ;
  • les rayons X sont produits lors des transitions électroniques. Ils sont par exemple générés par radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) (photons de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) émis lors de la réorganisation du cortège électronique d'un atome), par freinage d'électrons (tube à rayons X) ou par rayonnement synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute...) (par déviation de faisceau d'électrons relativistes). 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 la radioactivité lors de la désexcitation d'un noyau. Ils sont donc en particulier émis par les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) radioactifs et les réacteurs nucléaires.


Spectre électromagnétique

 rayons γ • rayons X • ultraviolet • lumière visible • infrarouge • micro-ondes • ondes radio 

  ultraviolet violet (Le violet est une couleur, composée d'un mélange de bleu (environ 50% de luminosité) et de rouge...) bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...) jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) orange rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...)  
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