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Ondes et rayonnements

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Introduction :

Ce cours sera axé sur le thème des ondes et de la matière, plus précisément sur les ondes et les rayonnements.

Dans un premier temps, les rayonnements, qui sont un type d’onde, seront abordés. Puis, nous nous intéresserons à un autre type d’onde, les ondes mécaniques. Enfin, la manière de détecter les ondes sera étudiée.

Les rayonnements

Définition

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Définition

Rayonnement :

Un rayonnement est une transmission d’énergie émise par une source.

Il peut s’agir d’un rayonnement électromagnétique, d’un rayonnement de particules, deux cas qui seront vus par la suite. Il peut également s’agir d’une onde mécanique, comme le son par exemple (ce cas sera évoqué dans le chapitre sur les ondes mécaniques).

Rayonnement de particules

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Définition

Rayonnement de particules :

Un rayonnement de particules est un rayonnement provoqué par des particules. L’interaction qui en découle dépend de la particule élémentaire d’origine. Par exemple le photon transmet la force électromagnétique.

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Exemple

Un rayonnement α\alpha est une désintégration radioactive d’un noyau père qui émet deux noyaux fils dont un d’hélium. Dans l’univers, ils peuvent venir de supernovas (des étoiles en fin de vie).

Rayonnement électromagnétique

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Définition

Rayonnement électromagnétique :

Un rayonnement électromagnétique est un rayonnement de photons. Selon l’énergie transportée, il existe différentes catégories de rayonnements électromagnétiques qui définissent le spectre électromagnétique.

Les différentes catégories d’ondes

Il existe 7 grandes catégories d’ondes selon la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique (et donc son énergie) :

  • Les ondes radio qui, comme leur nom l’indique, sont utilisées pour les émissions radio ;
  • Les micro-ondes qui sont utilisées dans les appareils à micro-onde ;
  • Les infrarouges ;
  • Le spectre visible, qui est défini par la fourchette de longueurs d’onde lumineuses que l’œil humain peut percevoir ;
  • Les ondes ultra-violet ;
  • Les rayons X, utilisés lors des radiographies ;
  • Les rayons gamma, émis lors des désintégrations radioactives.

Les ondes mécaniques

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Définition

Onde mécanique :

Une onde mécanique est définie par un transport d’énergie sans déplacement de matière. Elle modifie localement et temporairement (d’où le terme de perturbation) les propriétés mécaniques (comme la pression par exemple) d’un milieu matériel.

On distingue quatre catégories d’ondes :

  • Les ondes périodiques, définies par une longueur d’onde lambda, une période TT et une fréquence f=1Tf= \frac{1}{T}
  • Les ondes non-périodiques, qui ne répètent pas le même schéma dans le temps.

Qu’elles soient périodiques ou non, on peut définir ces ondes en fonction de la direction de la perturbation :

  • Les ondes transversales, dont la direction de perturbation est perpendiculaire à l’axe de propagation.
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Exemple

Par exemple une onde à la surface de l’eau, ou une onde de cisaillement sismique S.

  • Les ondes longitudinales, dont la direction de perturbation est parallèle à celle de propagation.
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Exemple

Par exemple un son (qu’il soit périodique ou non), ou les ondes de compression sismique P.

  • Il existe deux différences entre les ondes électromagnétiques et les ondes mécaniques :
    - la nature de l’énergie
    - une onde mécanique nécessite un milieu matériel pour se propager alors qu’une onde électromagnétique peut se propager dans le vide.

Détection des ondes

Détecteur de rayonnement

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Définition

Détecteur :

Un détecteur comporte une surface réceptrice qui intercepte et concentre les rayonnements pour les transformer en une grandeur physique mesurable.

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Définition

Détecteurs de particules :

Les détecteurs de particules étudient les effets des particules. On peut citer comme exemple le compteur Geiger.

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Définition

Détecteurs de rayonnement électromagnétique :

Les détecteurs de rayonnement électromagnétique exploitent les effets physico-chimiques de ces rayonnements .

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Exemple

Par exemple, dans la rétine de l’œil (qui est un détecteur naturel électromagnétique) il y a une réaction chimique.

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Exemple

Pour les détecteurs artificiels il y a un effet photoélectrique, c’est-à-dire la libération d’électrons par des matériaux sous l’effet de ces rayonnements.

  • Chaque type de détecteur a une sensibilité spectrale donnée pour un domaine du spectre électromagnétique donné, de même que pour les compteurs Geiger.

Prenons le cas d’une radiographie :

Les rayonnements peuvent interagir avec la matière, ils sont absorbés.

  • Si toute l’énergie est absorbée, alors la matière apparaît opaque.
  • Si l’energie n’est pas absorbée alors la matière apparaît transparente.
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Exemple

Par exemple sur une radiographie du thorax, les os sont opaques et la chair transparente, car les os absorbent beaucoup plus de rayons X que la peau et les muscles.

Alt texte Les rayons X, utilisés sur une radiographie - ©Auteur James Heilman, MD - CC 3.0

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Exemple

Un autre exemple est l’atmosphère terrestre qui est opaque aux rayonnements nocifs (X, gamma et particulaires) qui pourraient nous tuer très vite. L’atmosphère terrestre est transparente aux rayons visibles, aux UV, et aux rayonnements radio sans lesquels la vie sur Terre serait impossible.

Détecteur d’ondes mécaniques

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Définition

Détecteurs d’ondes mécaniques :

Les détecteurs d’ondes mécaniques utilisent un capteur qui transforme une grandeur physique du milieu en grandeur physique exploitable autrement dit en signal, qui est une variation de grandeur électrique ou bioélectrique traduisant l’évolution du phénomène. Ce même signal apparaît ensuite sous forme d’image, de courbe, ou encore de bip sonores etc.

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Exemple

Par exemple, l’oreille est un détecteur de son. Elle transforme le son en vibration puis en signal nerveux.

Transformation du son en vibration puis en signal nerveux

Un sismomètre permet de transformer les ondes sismiques en signaux électriques.

Enfin, un échographe permet de transformer les ondes ultrasonores en images.

Cas particulier : le son

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Définition

L’intensité sonore II :

L’intensité sonore II est l’énergie transportée par une onde sonore par unité de temps et de surface (en Wm2\text{W}\cdot \text{m}^{-2}).

Les watts traduisent une puissance, c’est-à-dire une énergie par unité de temps.

I=PSI=\dfrac{P}{S} avec PP la puissance en W\text W, SS la surface en m2\text m^2

bannière à retenir

À retenir

Comme la gamme d’intensité sonore qu’une oreille humaine peut desceller est très étendue, le niveau d’intensité sonore a été créé pour comparer l’intensité d’un son par rapport à une intensité de référence I0I0 qui est par convention le seuil d’audibilité moyenne de l’oreille humaine à 1 Khz : I0=1012Wm2I0=10^{-12}\text{W}\cdot \text{m}^{-2}.

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Définition

Le niveau d’intensité sonore LL :

Le niveau d’intensité sonore LL d’un son d’intensité II est donné par la relation L=10.log (II0)L=10.\log\ \left(\dfrac{I}{I_0}\right) (en dB\text{dB} décibel). Ce niveau peut être mesuré par un sonomètre.

Échelle de niveau d’intensité sonore