Les ondes électromagnétiques
A) Les différentes ondes électromagnétiques
Une onde électromagnétique est un phénomène vibratoire qui peut se propager dans le vide à la vitesse de la lumière. On trouve parmi les ondes électromagnétiques : la lumière visible, les rayons ultraviolets, les infrarouges, les micro-ondes, les rayons X, les rayons gamma, ainsi que les ondes hertziennes.
Toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse c = 3,00 × 108 m.s–1 dans le vide. Il s’agit d’une vitesse de propagation ou célérité. Elle est aussi appelée « vitesse de la lumière dans le vide ».
B) Les caractéristiques
La fréquence d’une onde électromagnétique est notée ν (« nu ») : elle s’exprime en hertz (Hz). Elle est invariante.
Remarque
Les fréquences des ondes électromagnétiques peuvent être très grandes. Ainsi, on a fréquemment des valeurs supérieures à 1015 Hz.
On utilise donc des multiples pour les fréquences des ondes électromagnétiques : le kilohertz (1 kHz = 1 × 103 Hz), le mégahertz (1 MHz = 1 × 106 Hz), le gigahertz (1 GHz = 1 × 109 Hz).
La période T exprimée en seconde (s) est l’inverse de la fréquence : T = .
Exemple
Une onde a une fréquence ν = 8,2 × 1015 Hz. Sa période T vaudra alors T = .
On obtient par calcul T = 1,2 ×10–16 s.
La longueur d’onde λ (lambda) est la distance parcourue par l’onde en une période T. Si l’onde se propage dans le vide, alors la longueur d’onde est notée λ0. La longueur d’onde est ainsi liée à la célérité c et à la période T :
C) Les domaines de fréquences
Une onde électromagnétique aura une appellation différente selon le domaine de fréquence auquel elle appartient.
La lumière visible est comprise dans un domaine restreint de longueur d’onde : de 400 à 800 nm ; c’est le seul domaine vu directement par l’œil humain.
#schéma
Les domaines de fréquence illustrés
Remarque
Un nanomètre (nm) est un sous-multiple du mètre 1 nm = 1,0 × 10–9 m. Cette unité est souvent utilisée pour les rayons γ, les rayons X ou la lumière visible.
D) Les domaines d’utilisation
Les rayons γ sont employés pour la stérilisation de produits en détruisant tous les germes, virus. Ils servent aussi dans le traitement de certains cancers.
Les rayons X sont employés en médecine pour les radiographies et pour les scanners.
Les rayons ultraviolets sont employés pour bronzer et aussi pour décontaminer l’eau.
La lumière visible nous permet de voir.
Les rayons infrarouges permettent le chauffage par rayonnement et la vision nocturne.
Les rayonnements radiofréquence servent pour communiquer (Wi-Fi, Bluetooth, téléphonie mobile), pour la télévision, la radio et aussi pour chauffer les plats dans le four micro-ondes.
Les sources lumineuses
A) Les différentes sources lumineuses
Les sources lumineuses sont de 2 types :
à incandescence : la température du corps permet la production de lumière. On retrouve les étoiles comme notre Soleil ou les ampoules à filament. La lumière produite est de bonne qualité, cependant les performances énergétiques sont médiocres. Le spectre obtenu est continu.
à luminescence : la lumière est créée par décharge électrique, électrochimique ou quantique. De nombreuses lampes appartiennent à cette catégorie (voir schéma ci-après). Le rendement énergétique est souvent très bon mais la lumière n’est pas toujours de bonne qualité. Les spectres obtenus peuvent être continus, polychromatique, monochromatiques, etc.
Exemple de spectres lumineux obtenus
B) La dangerosité des sources de lumière
Ces sources de lumière peuvent être dangereuses pour les yeux, la peau et également pour du matériel exposé accidentellement :
les ampoules à filaments sont souvent chaudes et on peut se brûler ;
le Soleil ne doit pas être regardé directement et le port de lunettes de soleil est vivement conseillé lorsqu’il brille ainsi que des vêtements protecteurs ;
les ampoules à décharge peuvent générer une partie de la lumière dans le domaine ultraviolet s’il n’y a pas de couche protectrice à l’intérieur de l’ampoule ;
les ampoules à LED génèrent de la lumière bleue pouvant être néfaste pour la rétine : il est conseillé de ne pas les regarder et d’employer des lunettes filtrant la lumière bleue.
selon le type d’ampoule à vapeur atomique, il faut prêter attention au risque d’émission d’ultraviolets. La vision directe est déconseillée ;
les faisceaux laser peuvent être dangereux car leur puissance surfacique est élevée : ils peuvent détruire la rétine, brûler la peau, voire créer un incendie. Aussi l’accès aux lasers est réglementé. Des lunettes opaques et une attention aux réflexions sont nécessaires ;
des lampes ultraviolettes sont disponibles à l’achat ou dans des centres de bronzage. La lumière invisible émise est dangereuse, à la fois pour les yeux et la peau. Il est déconseillé de s’exposer à cette lumière. Le port de lunettes opaques aux ultraviolets est conseillé.
C) Des exemples de lasers
Remarque
Cette partie concerne uniquement la filière STI2D.
Les lasers sont utilisés dans de nombreux domaines. Dans l’industrie on utilise les lasers néodyme et grenat d’aluminium et d’yttrium (Nd – YAG) de longueur d’onde λ = 1,06 μm ou les lasers à CO2 de longueur d’onde λ = 10,6 μm à faisceaux continus car grâce à leurs puissances de plusieurs kilowatts, ils permettent la découpe et le soudage de pièces métalliques. Ils sont aussi employés en chirurgie interne ou externe.
Dans le domaine de la dermatologie, les lasers servent pour l’épilation, la réduction d’angiomes ou la cicatrisation. Selon l’objectif souhaité, un laser pulsé à colorant (λ = 595 nm) ou un laser presque continu YAG sera employé. La cible traitée doit absorber le faisceau laser. Le graphique ci-dessous indique les zones d’absorption (mélanine, globules rouges, eau) en fonction de la longueur d’onde.
L'interaction lumière-matière
Remarque
Cette partie concerne uniquement la filière STL.
A) Les différents types de spectres
a) Les spectres d’émission
Il existe plusieurs types de spectres d’émission :
le spectre de raies comporte une ou plusieurs raies claires verticales, il est discontinu. C’est par exemple le spectre du laser, celui de la lampe à vapeur de sodium (dans les deux cas, il n’y a qu’une seule raie donc monochromatique) et celui de la lampe à décharge (polychromatique) ;
le spectre peut être continu, il y a alors des bandes comme pour celui de la lampe à incandescence ou de l’ampoule à diode électroluminescence. Le spectre du soleil est continu avec de nombreuses raies noires, correspondant à des radiations absorbées.
b) Les spectres d’absorption
Les spectres d’absorption comportent un fond continu et des raies noires ou des bandes plus ou moins opaques. Ils sont complémentaires des spectres d’émission : en haut, un spectre d’absorption et en bas le spectre d’émission d’une ampoule à vapeur de sodium.
B) Les photons
Les transferts d’énergie entre matière et lumière sont discontinus et quantifiés. Ils ne peuvent se faire que par « paquets » d’énergie contenant chacun une énergie bien déterminée. La plus petite énergie échangeable ΔE est transportée par un photon.
L’énergie transportée par un photon dépend de sa fréquence ν, elle est donnée par la formule de Planck :
Remarque
L’énergie ΔE peut s’exprimer en électron-volt (eV) : 1 eV = 1,6 × 10–19 J.
On peut aussi écrire la formule de l’énergie E = puisque ν = , avec λ0 la longueur d’onde du photon dans le vide.
L’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde λ0 du photon. Un photon γ transporte plus d’énergie qu’un photon X, qui est lui-même plus énergétique qu’un photon ultraviolet…
Exemple
Un photon de fréquence ν = 2,5 × 1020 Hz transporte une énergie ∆E = 6,62 ×10–34 × 2,5 × 1020 = 1,7 × 10–13 J. Cette énergie est toute petite.
C) Le diagramme de niveau d’énergie
La physique quantique a établi que la matière ne peut exister que dans certains états d’énergie déterminés, chaque état étant caractérisé par un niveau d’énergie. L’énergie de la matière est donc quantifiée.
Le diagramme de niveaux d’énergie d’un atome (ci-contre celui d’un atome de sodium) représente les niveaux possibles :
l’état de plus basse énergie correspond à l’état fondamental où l’atome est stable ;
les autres états, d’énergie supérieure, sont qualifiés d’états excités : il en existe une infinité.
D) L’émission et l’absorption de la lumière
La quantification des niveaux d’énergie rend compte du caractère discontinu des spectres d’émission et d’absorption atomiques.
a) L’émission de lumière
En passant d’un état excité à un état d’énergie inférieure, l’énergie de l’atome diminue de ΔE et il se produit une transition. L’atome émet alors un photon de même énergie. Cela se traduit par l’émission d’une radiation de longueur d’onde dans le vide λ, visible dans le spectre, telle que : λ = avec ∆E = Es – Ei.
Exemple
On retrouve la longueur d’onde d’une raie émise par un atome de sodium de niveau d’énergie E2 retournant au niveau d’énergie E1, tel que ∆E = E2 – E1 = 2,11 eV = 3,38 × 10–19 J soit λ0 = = = 5,88 × 10–7 m = 588 nm. C’est une radiation jaune visible.
b) L’absorption de lumière
Un atome dans un état d’énergie Ei peut absorber un photon d’énergie ΔE s’il possède un niveau d’énergie supérieure Es, tel que Es – Ei = ΔE. Dans le spectre d’absorption de cet atome, une raie sombre de longueur d’onde λ sera observée telle que : λ = .
