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Fiche explicative de la leçon : Spectre électromagnétique Physique

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment analyser le spectre électromagnétique en identifiant et en décrivant les types de rayonnements électromagnétiques et leurs sources.

Lorsque nous parlons de radiations électromagnétiques, ce n’est qu’une manière technique de dire « lumière ».

Parlons de l’origine de la lumière. Le Soleil est une source de lumière que nous rencontrons dans notre vie quotidienne. Nous utilisons également de la lumière artificielle provenant d’ampoules et nous utilisons des écrans d’ordinateur qui génèrent de la lumière. Toutes ces sources ont le même mécanisme physique sous-jacent produisant la lumière:l’accélération des électrons.

La lumière est en réalité la fluctuation de deux champs, électrique et magnétique, c’est pourquoi elle est aussi appelée rayonnement électromagnétique.

Comme les autres ondes, les ondes électromagnétiques transportent de l’énergie. L’une des façons dont la quantité d’énergie transportée par une onde peut varier est due à l’amplitude de l’onde.

Comme le montre le graphique ci-dessus, l’amplitude, 𝐴, d’une onde est mesurée entre zéro et le sommet de l’onde. Plus la valeur de 𝐴 est grande, plus d’énergie est transportée par l’onde.

Sur le graphique ci-dessus, la ligne pointillée rouge représente une onde constante, et la ligne bleue continue montre la même onde mais avec une amplitude croissante. À gauche du graphique, l’onde rouge en pointillés transporte plus d’énergie que l’onde bleue. Au moment où nous arrivons du côté droit du graphique, l’onde représentée par la ligne bleue continue à avoir plus d’énergie que la rouge.

Cela signifie, du point de vue physique, que l’amplitude est la luminosité de la lumière. Si nous mesurons la lumière d’une lampe avec un gradateur de lumière, l’effet de la luminosité croissante de la lumière est provoqué par l’augmentation de l’amplitude de l’onde électromagnétique produite par la lampe. Cela ne change rien à la nature de la lumière;cela augmente simplement son intensité.

Une autre propriété des ondes électromagnétiques est leur longueur d’onde. La longueur d’onde est la distance entre deux sommets d’une onde, et elle est généralement représentée par le symbole 𝜆, qui est la lettre grecque lambda. Comme il s’agit d’une distance, elle a les mêmes unités que toute autre distance (par exemple, mètres).

Définition : longueur d’onde

La longueur d’onde d’une onde est la distance entre deux sommets (ou, de manière équivalente, deux creux) de l’onde.

Une longueur d’onde a des unités de distance (par exemple, mètres) et est généralement représentée par le symbole 𝜆.

Dans le graphique ci-dessus, nous mesurons la longueur d’onde en mesurant la distance entre un sommet ou un creux et le prochain sommet ou creux. La longueur d’onde, 𝜆, est la même quel que soit le sommet à partir duquel nous choisissons de mesurer.

Les ondes avec des longueurs d’onde plus courtes ont plus d’énergie, et les ondes avec des longueurs d’onde plus grandes ont moins d’énergie.

Les ondes électromagnétiques peuvent avoir une large gamme de longueurs d’onde. La modification de la longueur d’onde de l’onde modifie fondamentalement ses propriétés de manière différente de celle de l’amplitude. On divise donc le rayonnement électromagnétique en catégories en fonction de sa longueur d’onde. La gamme complète des longueurs d’ondes possibles de la lumière est appelée le spectre électromagnétique.

Pour nous aider à parler de différentes parties du spectre électromagnétique, nous le divisons habituellement en sept sections. C’est utile pour nous aider à comprendre l’origine et les propriétés du spectre électromagnétique, mais il est important de noter qu’il n’y a pas de frontière physique entre ces catégories.

La forme de lumière la plus courante que nous rencontrons est la lumière visible. Cela couvre la gamme de longueurs d’onde que nos yeux peuvent voir:d’environ 4×10 m à 7×10 m. Différentes longueurs d’onde dans cette gamme représentent ce que nous voyons comme différentes couleurs. La longueur d’onde la plus courte de la lumière dans le domaine visible est 𝜆4×10m, que nous voyons comme du violet. À l’autre extrémité, nous avons les plus grandes longueurs d’onde dans le domaine visible du spectre, 𝜆7×10m, que nous voyons comme du rouge.

La gamme complète de la lumière visible et les longueurs d’onde correspondantes sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

La plus grande partie de la lumière visible est générée par des étoiles comme le Soleil.

Le rayonnement électromagnétique de l’énergie la plus élevée dans le visible est le violet. Si le rayonnement a un peu plus d’énergie, ou une longueur d’onde légèrement plus courte, alors il tombe dans le domaine des ultraviolets (littéralement « au-delà du violet ») du spectre. Le rayonnement ultraviolet ou UV a une longueur d’onde de 𝜆10m. Tout comme la lumière visible, les rayons UV sont générés par le Soleil et sont la cause des coups de soleil.

Un rayonnement avec une énergie encore plus élevée, 𝜆10m, est appelé rayon X. Les rayons X peuvent traverser la matière molle comme la chair, c’est pourquoi ils sont utilisés pour faire des radios des os. Ils sont générés lorsque les électrons décélèrent.

À plus haute énergie, avec des longueurs d’onde de 𝜆<10m, on trouve les rayons gamma. Les rayons gamma sont produits lorsque les noyaux des atomes se désintègrent.

En revenant à la lumière visible, nous pouvons également avoir un rayonnement électromagnétique avec des énergies plus faibles, ou des longueurs d’onde plus grandes. La plus grande longueur d’onde de la lumière visible que nous avions était le rouge, donc si nous avons un rayonnement avec des longueurs d’onde légèrement plus grandes que la lumière rouge, ou 𝜆10m, nous appelons cela l’infrarouge (littéralement « en-dessous du rouge »).

Le rayonnement infrarouge provient principalement du mouvement thermique des atomes et des molécules, il est donc généré par quelque chose de chaud. Une partie de la lumière infrarouge est produite par le Soleil, mais elle est également émise par les planètes, les personnes et les animaux. C’est pourquoi les caméras infrarouges peuvent être utilisées pour localiser des personnes et des animaux dans l’obscurité.

À des longueurs d’onde plus grandes encore, nous avons le rayonnement micro-ondes avec 𝜆10m. C’est le type d’onde électromagnétique qui est produite dans les fours à micro-ondes. Il peut sembler contre-intuitif que les micro-ondes soient d’énergie relativement basse, mais c’est exactement la bonne longueur d’onde qui excite les molécules d’eau et qui les fait chauffer. La source la plus courante de rayonnement micro-ondes est celle des courants électriques alternatifs (AC).

Enfin, aux plus grandes longueurs d’onde et aux plus basses énergies, nous avons les ondes radio. Les ondes radio ont 𝜆>1m. Elles peuvent également être produites par des courants électriques alternatifs (AC) qui ont des fréquences plus basses que celles qui produisent des micro-ondes. Les ondes radio sont également utilisées dans les communications pour transmettre des signaux de radio et de télévision. Pour cette raison, il existe une idée fausse commune que ce sont des ondes sonores. Ce sont en fait des ondes électromagnétiques, tout comme la lumière visible.

L’éventail complet des types de radiations électromagnétiques constitue le spectre électromagnétique. Les détails ci-dessus sont résumés dans le tableau ci-dessous.

Le spectre électromagnétique
Longueur d’onde la plus courte longueur d’onde la plus grande
Énergie la plus élevée énergie la plus basse
TypeGammaRayon XUltravioletVisibleInfrarougeMicro-ondesRadio
Longueur d’onde,
𝜆()m
<101010101010>1
SourceDécroissance nucléaireElectrons décélérésLe soleilLe soleilMouvement thermique des atomes et des moléculesCourant alternatifCourant alternatif

Exerçons-nous un peu en pensant au spectre électromagnétique avec quelques exemples.

Exemple 1: Comparaison des longueurs d’onde des types d’ondes électromagnétiques

Quel est le nom du type de rayonnement électromagnétique qui a les plus grandes longueurs d’onde?

Réponse

Cette question concerne les longueurs d’onde des différents types de rayonnement électromagnétique. Pour y répondre, nous devons être en mesure de rappeler les sept types de rayonnements électromagnétiques dans l’ordre croissant des longueurs d’onde. Ce sont les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets, la lumière visible, les ondes infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio.

Le type de rayonnement électromagnétique qui a la plus grande longueur d’onde, ce sont donc les ondes radio.

Exemple 2: Comparaison des longueurs d’onde des différents types d’ondes électromagnétiques

Le tableau montre un ensemble de types d’ondes électromagnétiques et les ordres de grandeur de leurs longueurs d’onde.

RadioMicro-ondesInfrarougeVisibleUltravioletRayon XRayon gamma
>1m10 m10 m10 m10 m10 m<10m

  1. En utilisant les valeurs du tableau, combien de longueurs d’onde du rayonnement ultraviolet auraient la même longueur totale qu’une longueur d’onde du rayonnement infrarouge?Répondez sous forme standard.
  2. En utilisant les valeurs du tableau, combien de longueurs d’onde du plus grand rayonnement gamma auraient la même longueur totale qu’une seule longueur d’onde de rayon X?Répondez sous forme standard.

Réponse

Dans cet exemple, on nous donne les longueurs d’onde de chacun des différents types de rayonnement électromagnétique et nous devons comparer les longueurs d’onde de différents types.

Partie 1

La première partie pose la question de savoir combien de longueurs d’ondes d’un rayonnement ultraviolet correspondraient à une seule longueur d’un rayonnement infrarouge. Tout d’abord, nous devons rechercher les longueurs d’onde pertinentes:le rayonnement ultraviolet a une longueur d’onde de 10 m, et le rayonnement infrarouge a une longueur d’onde de 10 m.

Nous devons déterminer combien de fois 10 m entre dans 10 m, ce qui revient à demander 10 m divisé par 10 m.

Une astuce utile à retenir lors de calculs comme celui-ci impliquant des ordres de grandeur est la suivante:1010=10.

Dans ce cas, 5(8)=3, nous avons donc 1010=10.mm

Notez que les unités de mètres apparaissent en haut et en bas de la fraction, elles s’annulent donc pour laisser un nombre sans dimension.

Partie 2

La deuxième partie de la question demande combien de longueurs d’onde du plus grand rayonnement gamma correspondent à la même longueur qu’une seule longueur d’onde de rayon X.

Si on regarde la longueur d’onde du rayonnement gamma, on peut voir qu’elle est <10m, le rayonnement gamma avec la plus grande longueur serait donc 10 m. Le rayon X a une longueur d’onde de 10 m.

En utilisant la même méthode qu’avant, nous pouvons écrire 1010=10.m

Donc, la réponse est que 10 longueurs d’onde du plus grand rayonnement gamma auraient la même longueur qu’une seule longueur d’onde du rayon X.

Exemple 3: Comprendre les sources du rayonnement électromagnétique

Lequel des éléments suivants pourrait être une source de rayonnement infrarouge?

  1. Courants électriques alternatifs
  2. Courants électriques directs
  3. Noyaux atomiques en décomposition
  4. Mouvement thermique des atomes et des molécules
  5. Aucune des réponses n’est correcte.

Réponse

Ici, on nous donne une liste de sources potentielles de rayonnement, et nous devons décider quelle pourrait être une source de rayonnement infrarouge.

La réponse A, les courants électriques alternatifs, est une source de rayonnement électromagnétique, mais la longueur d’onde est plus grande que l’infrarouge, généralement dans la gamme des micro-ondes.

Les courants électriques continus, réponse B, produisent également un rayonnement électromagnétique lorsqu’ils sont allumés et éteints, mais ce sont des longueurs d’onde encore plus grandes, généralement dans la gamme radio.

La réponse C est la décomposition des noyaux atomiques, qui est un processus appelé fission, où le noyau d’un atome se brise. Cela génère d’énormes quantités d’énergie sous la forme d’un rayonnement électromagnétique, mais l’énergie est trop élevée pour que le rayonnement soit dans la gamme infrarouge du spectre. Ce sont des rayons gamma.

La réponse D est le mouvement thermique des atomes et des molécules. C’est-à-dire l’énergie que les atomes et les molécules possèdent en raison de leur température, ce qui provoque l’émission de certains types de rayonnements. Ce rayonnement peut être dans la gamme infrarouge du spectre. C’est pourquoi le corps humain est plus lumineux qu’une table lorsqu’il est filmé par une caméra infrarouge:nous émettons plus de rayons infrarouges, car nous sommes plus chauds que la température ambiante.

Par conséquent, la réponse E, aucune des réponses n’est correcte, doit être fausse, et donc la réponse est D, le mouvement thermique des atomes et des molécules peut être une source de rayonnement infrarouge.

Points clés

  • Le rayonnement électromagnétique est le nom donné au rayonnement émis lorsque les électrons accélèrent. On l’appelle aussi lumière.
  • La longueur d’onde d’une onde est la distance entre deux sommets de l’onde. Elle est généralement représentée par le symbole 𝜆.
  • Les ondes avec des longueurs d’onde plus courtes ont plus d’énergie que les ondes avec des longueurs d’onde plus grandes.
  • Les types d’ondes électromagnétiques, les longueurs d’onde typiques et les sources communes sont résumés dans le tableau ci-dessous.
    Spectre électromagnétique
    Longueur d’onde la plus courte longueur d’onde la plus grande
    Énergie la plus élevée énergie la plus basse
    TypeGammaRayon XUltravioletVisibleInfrarougeMicro-ondesRadio
    Longueur d’onde,
    𝜆()m
    <101010101010>1
    SourceDécroissance nucléaireElectrons décélérésLe soleilLe soleilMouvement thermique des atomes et des moléculesCourant alternatifCourant alternatif

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