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Vidéo de la leçon : Spectre électromagnétique Physique

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

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Transcription de vidéo

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment analyser le spectre électromagnétique en identifiant et en décrivant les types de rayonnements électromagnétiques et leurs sources. Comme nous le verrons, une fois que nous aurons étudié ce spectre, nous comprendrons beaucoup de phénomènes physiques qui se produisent autour de nous.

Nous pouvons commencer par se poser la question: d’où vient la lumière? Nous savons que le soleil crée de la lumière, tout comme une ampoule ainsi qu’une télévision ou un écran d’ordinateur. Même s’il existe de nombreuses sources de lumière différentes, il existe un phénomène physique de base qui relie toutes ces sources. Si nous descendons au niveau atomique, ce mécanisme est l’accélération de charge électrique, en particulier des électrons, qui changent de niveaux d’énergie dans un atome.

Lorsqu’une telle transition se produit, lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie à un autre, cela est souvent accompagné par l’émission d’un petit paquet de lumière appelé photon. Lorsqu’un photon est émis, ses propriétés, telles que sa longueur d’onde et son niveau d’énergie, dépendent de la manière dont il a été produit, de l’amplitude de la transition effectuée par l’électron ou, dans la même lignée, de l’intensité de l’accélération que l’électron a subi.

Maintenant, il y a une raison très spécifique pour laquelle nous parlons de photons et de lumière. Si nous regardons de plus près un photon émis dans un processus comme celui-ci, nous verrons que ce paquet de lumière, ce photon, est en fait une série de champs oscillants: un champ magnétique et un champ électrique. En parlant de ces champs, nous abrégeons parfois l’électrique avec 𝐸 majuscule et le magnétique avec 𝐵 majuscule. Nous pouvons voir alors que la lumière est une entité électromagnétique. C’est quelque chose qui est fait à la fois d’un champ électrique et d’un champ magnétique. Cela signifie que le terme rayonnement électromagnétique n’est en réalité qu’une façon élégante de décrire la lumière. Si nous comprenons d’où vient la lumière, nous comprenons d’où vient le rayonnement électromagnétique. Et c’est ce rayonnement qui est décrit dans le spectre électromagnétique.

À présent, pour revenir à ce photon émis, il est assez fréquent de représenter un photon en utilisant une ligne ondulée comme celle que nous avons dessinée ici. La raison est que les photons, comme nous l’avons mentionné, ont une longueur d’onde qui leur est associée. Il s’avère que la longueur d’onde des photons est une façon trier le spectre électromagnétique. Ce spectre rassemble tous les rayonnements électromagnétiques possibles. À une extrémité du spectre, ici de ce côté, disons, nous avons une lumière d’une très petite longueur d’onde. Et puis, lorsque nous passons de gauche à droite, la longueur d’onde de la lumière augmente. Et notez ici que nous utilisons la lettre grecque 𝜆 pour représenter la longueur d’onde. C’est une abréviation courante.

Rappelons que nous avons dit que le spectre électromagnétique représente toutes les longueurs d’onde possibles de la lumière. Nous allons illustrer cela en utilisant cette forme d’onde qui commence avec une courte longueur d’onde, puis la longueur d’onde devient de plus en plus grande lorsque nous nous déplaçons de gauche à droite. Cette forme d’onde est alors destinée à représenter toutes les différentes longueurs d’onde de la lumière. Maintenant, si nous avons déjà vu une image du spectre électromagnétique auparavant, nous l’avons probablement vue divisée en différentes régions. Il y a une région pour la lumière visible, une pour les rayons X, une pour les micro-ondes, etc.

Bien qu’il soit utile de penser au rayonnement électromagnétique en fonction de ces sections ou régions, il est important de garder à l’esprit que physiquement il n’y a pas de telle séparation entre différentes sections. En ce qui concerne le spectre, nous observons dans la nature que la lumière peut avoir pratiquement toutes les longueurs d’onde. Mais pour nos besoins, pour nous aider à comprendre ces différentes longueurs d’onde, nous adaptons les faits et divisons le spectre en différentes régions.

En général, le spectre est divisé en une, deux, trois, quatre, cinq, six, sept régions. Et comprendre le spectre implique de pouvoir se souvenir du nom de chacune de ces régions. Connaître les noms de ces sept différentes régions n’est pas aussi difficile que nous pourrions le penser. Ce que nous faisons, c’est commencer par un type de lumière dont nous sommes sûrs qu’il existe. C’est la lumière que nos yeux peuvent voir, appelée lumière visible. C’est la région au milieu du spectre. Il comprend toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, le rouge, le vert, le bleu, l’indigo, le violet, etc.

Si nous regardions les couleurs à chaque extrémité du spectre visible, à l’extrémité des longues longueurs d’onde de ce spectre, nous verrions la couleur rouge. Et du côté des longueurs d’onde courtes, nous verrions la couleur violette. Connaître ces deux couleurs et savoir à quelle extrémité du spectre visible elles s’appliquent est utile pour connaître les noms des régions de chaque côté de la partie visible du spectre.

Pour comprendre les noms de ces deux régions, il est utile de connaître deux préfixes. Tout d’abord, considérons le préfixe ultra-. Cela signifie au-delà. Ainsi, par exemple, un ultramarathon est une course encore plus longue qu’un marathon standard. C’est au-delà d’un marathon. Lorsque nous considérons la région du spectre dont les longueurs d’onde sont plus courtes que la lumière visible, celle située à gauche de cette figure, cette région tire son nom du fait qu’elle est ultra ou au-delà de la lumière violette. En effet, ultraviolet est le nom de cette région du spectre. Et il est parfois abrégé en majuscule U majuscule V.

Des exemples d’ondes ultraviolettes sont celles qui sont émises par le Soleil. Les rayons ultraviolets ont une longueur d’onde plus petite que la lumière visible, et transmettent donc plus d’énergie. Il existe une relation inverse entre la longueur d’onde et l’énergie. Plus la longueur d’onde est petite, plus l’onde transmet de l’énergie, tandis qu’une onde de très grande longueur d’onde transmet très peu d’énergie. Parce que le rayonnement ultraviolet a une longueur d’onde plus petite que la lumière visible, les UV transmettent plus d’énergie.

Passons maintenant à la région du spectre de l’autre côté de la partie du visible. C’est là que notre deuxième préfixe infra-, qui signifie ci-dessous, nous aide. Puisque la lumière visible au bord de la limite entre ces deux régions est colorée en rouge, nous pouvons nommer toute cette région en dessous du rouge ou infrarouge. Et en effet, c’est le nom de toute cette région du spectre. Souvent, pour représenter cette région, nous verrons l’abréviation IR, où I représente infrarouge et R représente le rayonnement.

Si nous continuons à aller au-delà de la région infrarouge du spectre vers des longueurs d’onde plus longues et des énergies plus faibles, nous atteignons ce qu’on appelle la région des micro-ondes. Une bonne façon de se rappeler ce nom est de se rappeler que c’est le nom d’un appareil que nous utilisons pour chauffer nos aliments. Fait intéressant, les micro-ondes, que nous pouvons utiliser pour chauffer pratiquement tout type d’aliment, ont des longueurs d’ondes de l’ordre de 10 puissance moins deux mètres, soit un centimètre.

Lorsque nous passons la région des micro-ondes à la région de la plus grande longueur d’onde de tout le spectre, nous rencontrons les ondes radio. En effet ce sont le genre d’ondes qui sont transmises par les tours radio. Ces ondes ont une longueur d’ondes d’au moins un mètre. Notez qu’il n’y a pas de limite supérieure pour la longueur d’onde d’une onde radio. Une onde d’une longueur d’onde de dizaines ou de centaines, voire de milliers de kilomètres, serait toujours appelée onde radio.

Comme nous l’avons dessiné, le côté droit de notre spectre électromagnétique a des longueurs d’onde plus grandes et des énergies plus faibles en conséquence. Cela signifie que, bien sûr, si nous voyageons dans l’autre sens, nous aurons un rayonnement électromagnétique avec des longueurs d’onde plus courtes et des énergies plus élevées. Si nous nous aventurons au-delà de la zone des ultraviolets et que nous passons à une région d’énergie supérieure, nous arriverons à ce qu’on connait comme la région des rayons X du spectre. Une caractéristique des rayonnements de haute énergie comme les rayons X est leur capacité à pénétrer dans la matière. Nous avons probablement tous passer une radiographie de certaines parties de notre corps, où ces ondes sont suffisamment puissantes pour être transmises à travers les tissus mous et ne sont bloquées ou arrêtées que lorsqu’elles atteignent quelque chose de très dense, comme des os. Les longueurs d’onde des rayons X sont très petites, environ la taille d’un seul atome, soit environ 10 puissances moins 10 mètres.

Comme nous pouvons le voir cependant, il y a une région encore plus énergétique dans le spectre électromagnétique. Les rayonnements dans cette partie du spectre sont appelés rayons gamma. Les rayons gamma ont des longueurs d’ondes très courtes de l’ordre du diamètre du noyau d’un seul atome. La source la plus courante de rayonnement gamma provient de la désintégration de noyaux atomiques. Lorsque le noyau d’un atome est fissionné, divisé, des rayons gamma sont souvent émis.

Si nous mettons approximative bout à bout les longueurs d’onde du rayonnement ultraviolet, visible et infrarouge, alors nous avons un schéma de spectre électromagnétique complet. Les sept régions sont arrangées dans l’ordre depuis les longueurs d’onde courtes et hautes énergies à gauche vers les longueurs d’onde longues et faibles énergies à droite. Il est cependant utile de fournir quelques informations sur l’origine de ces types de rayonnements. Même si le rayonnement provient en général de l’accélération d’électrons en transition, pour chacune de nos régions, comme nous le faisons pour la région des rayons gamma du spectre, nous pouvons être plus spécifiques sur les mécanismes typiquement à l’origine de chaque rayonnement.

Une façon typique de créer des rayons X consiste à décélérer les électrons. Cela se fait en les accélérant très rapidement, puis en les faisant entrer en collision avec une cible immobile. C’est ainsi que les tubes à rayons X génèrent des rayons X. En ce qui concerne le rayonnement ultraviolet et visible, cette lumière a pour principale source le soleil. Le soleil produit également beaucoup de rayonnements infrarouges. Il s’avère cependant que le rayonnement infrarouge, ou RI, est suffisamment faible en énergie pour que tout objet dans notre environnement en soit une source. Ce rayonnement est principalement dû à ce qu’on appelle l’agitation thermique des atomes et des molécules. Il s’agit simplement du mouvement des atomes et des molécules qui génère de la chaleur à des températures régulières, telle que la température ambiante. En d’autres termes, tout objet à température ambiante émettra un rayonnement infrarouge.

Passons ensuite aux micro-ondes et ondes radio, ces types de lumière sont créés par des courants électriques, alternatifs ou directs. Pour les deux types de courant, le processus de génération d’onde repose sur des variations de courant. Avec le courant alternatif, cette variation se produit naturellement. Et pour le courant continu, cette variation se produit en activant et en désactivant, de manière répétitive, le même courant continu. Effectivement, cela fait que le courant continu, ou CC, se comporte comme un courant alternatif ou AC.

Maintenant que ce schéma est complet, regardons attentivement l’écran et faisons de notre mieux pour nous souvenir de ce que nous voyons dessus. Et maintenant, faisons quelques rappels à l’aide d’un exemple.

Laquelle des propositions suivantes pourrait être une source de rayonnement infrarouge? (A) les courants électriques alternatifs, (B) la désintégration de noyaux atomiques, (C) les courants électriques continus, (D) l’agitation thermique des atomes et des molécules, (E) Aucune des réponses n’est correcte

Nous voyons que chacune des options (A) à (D) est une option pour être une source de rayonnement infrarouge, un type particulier de rayonnement dans le spectre électromagnétique. Alors que nous considérons laquelle de ces quatre options pourrait être une source de rayonnement infrarouge, commençons par le haut avec l’option (A), les courants électriques alternatifs.

Lorsque des courants électriques alternatifs sont utilisés pour générer un rayonnement électromagnétique, ce qui est généralement produit à partir de cette source sont des micro-ondes ou des ondes radio. En effet, la fréquence d’oscillation de ces courants est suffisamment basse pour qu’elle produise ce type particulier de radiations. Nous voyons que non seulement l’option (A) parle de courants électriques, mais tout comme l’option (C), cette fois sous la forme de courants électriques continu, c’est-à-dire un courant qui a toujours la même direction.

Même si les courants continus ont toujours la même direction, nous pouvons les transformer en courants alternatifs en activant et en désactivant le courant continu, encore et encore. C’est par ce mécanisme que les ondes radio sont créées. Ce que nous voyons, c’est que ces deux options, les courants électriques continus ou alternatifs, agissent comme des sources de rayonnement électromagnétique mais pas comme des sources de rayonnement infrarouge. Au lieu de cela, ils sont généralement utilisés pour créer des micro-ondes et des ondes radio. Nous allons donc rayer ceux-ci de notre liste d’options.

Passons à l’option (B), la désintégration des noyaux atomiques, c’est un processus où un noyau atomique est fissionné ou divisé en plus petits morceaux. Cela s’appelle la fission et, au cours du processus, cela libère un rayonnement électromagnétique. Lors d’un tel évènement, le rayonnement émis est généralement un rayonnement gamma, c’est-à-dire une émission de rayons gamma. Donc, encore une fois, cette option est une source pour un type particulier de rayonnement électromagnétique, mais pas le type qui nous intéresse, le rayonnement infrarouge. Nous éliminerons également l’option (B).

Cela nous amène à l’option (D), l’agitation thermique des atomes et des molécules. Voici ce que cette option signifie. Les objets du quotidien, tels que les chaises ou les tables, les tasses, les plantes ou tout autre objet, seront probablement à la température de la pièce, à savoir environ 20 degrés Celsius ou 70 degrés Fahrenheit. En raison de leur température, ces objets auront suffisamment d’énergie thermique pour que les atomes et les molécules qui les composent soient en état d’agitation thermique. Grâce à cette agitation thermique, un certain type de rayonnement est émis. Et c’est bien un rayonnement infrarouge. Nos yeux ne sont pas sensibles à ce type de rayonnement particulier. Nous ne pouvons pas le voir, mais il est néanmoins là. Et il est créé par l’agitation thermique des atomes et des molécules.

L’option de la réponse (D) peut être une source de rayonnement infrarouge. Par conséquent, l’option (E), selon laquelle aucune des réponses n’est correcte, n’est pas correcte. Notre réponse finale est que l’agitation thermique des atomes et des molécules peut être une source de rayonnement infrarouge.

Prenons un moment pour résumer ce que nous avons appris sur le spectre électromagnétique. Dans cette leçon, nous avons vu que, en général, la lumière, qui est un autre nom pour le rayonnement électromagnétique, est créée par l’accélération de charge électrique. Souvent, cette accélération se produit dans le contexte de la transition électronique entre les niveaux d’énergie d’un atome.

Nous avons vu que le spectre électromagnétique range toute la lumière qui peut être produite selon la longueur d’onde de la lumière ou, en correspondance, par son énergie. Et nous avons également vu que le spectre est divisé en sept régions distinctes. Nous pouvons organiser le spectre en partant des longueurs d’onde courtes, c’est-à-dire des rayonnements de haute énergie jusqu’aux longueur d’onde longues, c’est-à-dire des rayonnements de faible énergie. Ainsi disposés, les sept régions du spectre électromagnétique sont les rayons gamma, les rayons X, les rayons ultraviolets, la lumière visible, les rayons infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio. Ceci est un résumé du spectre électromagnétique.

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