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Ondes et spectre électromagnétiques

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Ce cours est en cours de création par nos équipes et il sera prêt pour la rentrée 2019 💪

Avant de commencer, regarde la vidéo

Introduction :

Les ondes se distinguent en deux grandes catégories : les ondes mécaniques, dont nous avons parlé dans le cours précédent, et les ondes électromagnétiques.

Celles-ci, qui comprennent la lumière visible, sont un outil très important de l’astronome car, même depuis la mise en évidence des ondes gravitationnelles, l’étude des corps célestes repose en grande partie sur l’étude des rayonnements électromagnétiques qu’ils émettaient ou renvoyaient.

Nous allons donc nous intéresser à ces ondes électromagnétiques, en définir les propriétés, avant de détailler les grands domaines du spectre électromagnétique.

Notion d’onde électromagnétique

Définition d’une onde électromagnétique

La lumière est un phénomène complexe qui peut être modélisé de deux manières : ondulatoire ou corpusculaire. Ici, nous n’étudierons que l’aspect ondulatoire de la lumière.

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Définition

Onde électromagnétique :

Une onde électromagnétique est la propagation d’un champ électrique et d’un champ magnétique normaux entre eux.

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Exemple

Le schéma ci-dessous représente le modèle ondulatoire de la lumière, avec v\vec v la vitesse de déplacement de l’onde, E\vec E le champ électrique et B\vec B le champ magnétique.

physique chimie première ondes spectre électromagnétiques Modèle ondulatoire de la lumière

Propriétés d’une onde électromagnétique

Une onde électromagnétique est transversale : les champs associés à l’onde sont perpendiculaires à la propagation de l’onde.

Une onde électromagnétique ne nécessite pas de milieu matériel pour se propager, elle peut se propager même dans le vide.

Célérité d’une onde électromagnétique

La célérité d’une onde électromagnétique dépend d’un paramètre nommé indice de réfraction, qui est défini par les propriétés électriques du milieu de propagation.

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Définition

Indice de réfraction :

L’indice de réfraction nmilieun{\text{milieu}} d’un milieu est le rapport de la célérité de la lumière dans le vide cvidec{\text{vide}} par la célérité de la lumière dans ce milieu cmilieuc_{\text{milieu}} :

nmilieu=cvidecmilieun{\text{milieu}}=\dfrac{c{\text{vide}}}{c_{\text{milieu}}}

L’indice de réfraction est une grandeur sans unité qui varie de 11 (pour le vide) à l’infini.

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Rappel

La célérité de la lumière dans le vide est de 299792458 ms1299\,792\,458\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}, généralement arrondie à 3×108 ms13\times10^8\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}.

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Attention

L’indice de réfraction d’un corps n’est pas constant, mais varie selon la longueur d’onde.
Néanmoins, la plage de fréquence de la lumière « visible » étant faible et les indices de réfraction variant peu sur cet intervalle, on considère ceux-ci constants pour toutes les longueurs d’onde de la lumière « visible ».

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Exemple

L’indice de réfraction de l’eau, pour les longueurs d’onde de la lumière visible, est d’environ 1,331,33, ce qui correspond à une célérité de la lumière dans l’eau de seulement 2,25×108 ms12,25\times10^8\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}.

Liste non exhaustive d’indices de réfraction :

Matière Indice absolu
Vide 11
Air 1,0031,003
Glace 1,311,31
Eau 1,331,33
Alcool éthylique 1,361,36
Quartz 1,461,46
Plexiglas 1,51,5
Verre 1,521,52
Plomb 1,851,85
Verre au plomb 1,91,9
Diamant 2,462,46

Spectre électromagnétique

Si on fait la distinction en parlant de « lumière visible », c’est parce que la lumière telle que nous la connaissons n’est qu’une toute petite partie d’un vaste ensemble que l’on nomme spectre électromagnétique.

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Définition

Spectre électromagnétique :

Le spectre électromagnétique est la description de l’ensemble des rayonnements électromagnétiques classés selon leur fréquence, leur longueur d’onde ou leur énergie.

Le spectre électromagnétique se divise en sept grands domaines, que nous allons présenter par longueur d’onde croissante.

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Attention

Les limites entre les différents domaines ne sont pas normalisées et leurs valeurs peuvent varier d’un ouvrage à l’autre.

Alt texte Spectre électromagnétique

  • Les rayons γ\gamma (gamma) : leur longueur d’onde est inférieure à 1×1011 m1\times10^{-11}\ \text{m}.
  • Ils peuvent être émis lors de réactions nucléaires ou par des sources cosmiques. Ils sont si énergétiques qu’ils peuvent causer des cancers ou des mutations de brins d’ADN.
  • Les rayons X\text{X} : leur longueur d’onde est comprise entre 1×1011 m1\times10^{-11}\ \text{m} et 1×108 m1\times10^{-8}\ \text{m}.
  • Ils sont notamment utilisés en imagerie médicale afin de réaliser une radio du corps.
  • Les rayons ultraviolets : leur longueur d’onde est comprise entre 1010 et 380380 nanomètres. Ils sont nommés ainsi car leur fréquence est supérieure à celle du violet, couleur de fréquence la plus élevée.
  • Ce sont ces rayons qui provoquent le bronzage de la peau ou l’apparition de coups de soleil, bien que la plus grande partie d’entre eux soient stoppés par la couche d’ozone.
  • Le spectre visible s’étend de 380380 nanomètres à 780780 nanomètres.
  • Il s’agit de la lumière telle que nous la connaissons.
  • Les rayons infrarouges : leur longueur d’onde est comprise entre 780780 nanomètres et 11 millimètre. Ils sont nommés ainsi car leur fréquence est de valeur inférieure à celle du rouge, couleur de fréquence la plus faible.
  • Ils sont notamment utilisés pour la thermographie à infrarouge, méthode permettant de mesurer à distance la température d’un corps par analyse de son rayonnement infrarouge.
  • Les micro-ondes : leur longueur d’onde est comprise entre 11 millimètre et 11 mètre.
  • Aussi appelées ondes millimétriques, du fait de l’ordre de grandeur de leur longueur d’onde, elles sont utilisées notamment pour les appareils de détection radar, les protocoles de communication sans fil ou la téléphonie mobile.
  • Les ondes radio : leur longueur d’onde est comprise entre 11 mètre et 10510^5 kilomètres.
  • Aussi appelées ondes hertziennes, ce sont elles qui sont utilisées pour communiquer à longue distance (notamment avec des sondes spatiales) et pour diffuser les programmes radiophoniques et télévisuels.

Conclusion :

Nous avons vu dans ce chapitre l’aspect ondulatoire de la lumière conforme à la vision de von Fraunhofer, inventeur notamment du spectroscope. Nous avons décrit ses propriétés et vu les différents domaines du spectre électromagnétique, dont celui du visible.

Mais cet aspect de la lumière n’est qu’une des deux descriptions possibles de ce phénomène complexe.
Dans le prochain chapitre, nous allons étudier une autre manière de décrire la lumière, conforme à la vision de Newton.