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Vidéo de la leçon : Le 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 vidéo, nous traitons du spectre électromagnétique. Ce spectre est un point de départ pour découvrir tous les différents types de radiations, également appelées lumière. Comme nous le verrons, une fois que nous aurons étudié ce spectre, nous comprendrons également de nombreux phénomènes physiques qui se produisent autour de nous.

Nous pouvons commencer sur ce sujet en considérant cette question. D’où vient la lumière? Eh bien, pour commencer, nous savons que le soleil crée de la lumière, tout comme une ampoule, une télévision ou un écran d’ordinateur. Même s’il existe de nombreuses sources de lumière différentes, il existe un mécanisme physique de base qui relie toutes ces sources.

Si nous zoomons au niveau des atomes individuels, ce mécanisme est dû à l’accélération de charge électriques, et notamment des électrons, lorsque ceux-ci changent de niveau d’énergie dans un atome. Lorsqu’une telle transition se produit, lorsqu’un électron passe d’un niveau d’énergie à un autre, cela s’accompagne souvent de 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 façon dont il a été produit, de la grandeur de la transition parcourue par l’électron ou, de même, de l’accélération subie par l’électron.

Ainsi, il y a une raison très spécifique pourquoi nous parlons de photons et de lumière. Si nous regardions de plus près un photon émis dans un processus comme celui-ci, nous verrions que ce paquet de lumière, ce photon, est en fait une série de champs oscillants, un champ magnétique et un champ électrique. Et en parlant de ces champs, nous abrégeons parfois l’électrique avec un E majuscule et le magnétique avec un 𝐵 majuscule. Nous pouvons voir alors que la lumière est une entité électromagnétique. C’est quelque chose qui est constitué d’un champ électrique et d’un champ magnétique. Cela signifie que le terme « rayonnement électromagnétique » est juste une façon élégante de nommer la lumière, ce qui signifie que si nous comprenons d’où vient la lumière, nous savons d’où vient le rayonnement électromagnétique. Et c’est ce rayonnement qui est décrit dans le spectre électromagnétique.

Revenons maintenant brièvement à ce photon émis, il est assez fréquent de représenter ces photons en utilisant une ligne ondulée, comme nous l’avons dessiné ici. La raison pour cela est que les photons, comme nous l’avons mentionné, ont une longueur d’onde qui leur est associée. Et il s’avère que le spectre électromagnétique, qui est le spectre, la collection, de tout le rayonnement électromagnétique possible, cela signifie qu’à une extrémité du spectre, ici de ce côté, disons, nous avons une lumière de très courte longueur d’onde. Et puis, alors que nous passons de gauche à droite le long de ce spectre, la longueur d’onde de la lumière est de plus en plus longue. Et notez ici que nous utilisons la lettre grecque 𝜆 pour représenter la longueur d’onde. C’est une abréviation courante.

Alors, si vous avez déjà vu une image du spectre électromagnétique, vous l’avez probablement vue divisée en différentes régions. Il y a une région pour la lumière visible, une région pour les rayons X, une région pour les micro-ondes, et ainsi de suite. Bien qu’il soit utile de penser à la lumière du rayonnement électromagnétique en fonction de ces régions ou sections, il est important de réaliser qu’il n’y a pas de séparation physique entre les différentes régions.

Si nous revenons à notre croquis du spectre que nous avons vu à l’écran au début, nous voyons qu’il n’y a pas de division entre les différentes régions du spectre. Les longueurs d’onde s’allongent de façon continue lorsque nous nous déplaçons de gauche à droite. Donc, 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 revenons après coup et divisons le spectre en différentes régions.

En général, le spectre est divisé en une, deux, trois, quatre, cinq, six, sept régions différentes. Et comprendre le spectre implique de pouvoir se rappeler le nom de chacun. Connaître ces sept noms n’est pas aussi difficile que nous pourrions le penser. Ce que nous faisons, c’est commencer avec un type de lumière dont nous sommes sûrs qu’il existe. C’est la lumière que nos yeux peuvent voir, également appelée lumière visible. Cette région est au centre du spectre. Et cela inclut toutes les couleurs de l’arc-en-ciel: rouge, vert, bleu, violet, et cetera.

Si nous regardions les couleurs visibles aux extrémités du spectre visible, à l’extrémité longue des longueurs d’onde du spectre, nous verrions la couleur rouge. Et du côté des ondes courtes, nous verrions la couleur violette. Connaître ces deux couleurs et rappeler les extrémités de la partie visible du spectre auxquelles elles s’appliquent est utile pour connaître les noms des régions de part et d’autre de la partie visible.

Pour rappeler les noms de ces deux régions, il est utile d’en savoir un peu sur quelques préfixes. Tout d’abord, considérons le préfixe «ultra». Cela signifie au-delà. Ainsi, par exemple, un ultramarathon est un marathon qui est encore plus long qu’un marathon ordinaire. C’est au-delà d’un marathon.

Alors que nous considérons la région du spectre qui a des longueurs d’onde plus courtes que la lumière visible, celle qui se trouve à gauche de cette figure, cette région tire son nom du fait qu’elle est ultra ou au-delà de la lumière violette. Et en effet, ultraviolet est le nom de cette région du spectre. Et il est parfois abrégé en U majuscule V majuscule. Ce sont un type de rayons créés par le soleil, qui ont plus d’énergie que la lumière visible. Et en effet, cela vient du fait qu’ils ont une longueur d’onde plus courte. Nous pouvons voir qu’ils sont plus à gauche sur notre spectre que le rayonnement visible. Ajoutons donc cela à notre description de ce qui se trouve à chaque extrémité de notre spectre électromagnétique.

À l’extrémité gauche, nous avons de la lumière avec une longueur d’onde relativement courte et donc une énergie plus élevée. Alors qu’à l’extrémité droite, nous avons une lumière avec une longueur d’onde plus longue et donc une énergie plus faible. Ainsi, la région de plus haute énergie du spectre qui est adjacente au rayonnement visible, juste à côté, est appelée la région au-delà du violet ou ultraviolette.

Mais alors qu’en est-il de l’autre côté de la partie visible du spectre? C’est là que notre deuxième préfixe, «infra», qui signifie en-dessous, nous aide. Puisque la lumière visible qui est au bord de cette transition entre les 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 cette région du spectre, l’infrarouge. Et souvent, pour représenter cette région, nous verrons l’abréviation IR, qui signifie rayonnement infrarouge.

Si nous continuons à aller au-delà de la partie infrarouge du spectre vers des longueurs d’onde plus longues et des ondes de plus faible énergie encore, nous rencontrerons la région des micro-ondes du spectre électromagnétique. Une bonne façon de rappeler ce nom est de réaliser qu’il s’agit du nom d’un appareil que nous utilisons souvent pour chauffer nos aliments, notre four à micro-ondes. Chose intéressante, ces ondes, grâce auxquelles nous réchauffons pratiquement tout type d’aliment, ont des longueurs d’onde de l’ordre de 10 puissance moins deux mètres ou un centième de mètre.

Ensuite, en passant la région des micro-ondes à la région aux longues longueurs d’onde de tout le spectre, nous rencontrons la gamme d’ondes radio. Ce sont en effet précisément le genre d’ondes qui sont transmises par les tours radio. À l’aide d’un sélecteur radio, nous nous accordons sur différents canaux de rayonnement des ondes radio. Ces ondes mesurent au moins un mètre de long et peuvent avoir une longueur d’onde beaucoup plus longue que cela.

Maintenant, comme nous l’avons dit, le bord extrême droit du spectre a des longueurs d’onde plus longues et des énergies plus faibles pour ces ondes. Cela signifie bien sûr que si nous allons dans l’autre direction, nous aurons des longueurs d’onde plus courtes et un rayonnement électromagnétique de plus haute énergie.

Si nous nous aventurons au-delà de la plage des ultraviolets et que nous passons à une région d’énergie supérieure, nous arrivons à ce qu’on appelle la région des rayons X du spectre. Une caractéristique du rayonnement à haute énergie comme les rayons X est sa capacité à pénétrer à travers la matière. Nous avons probablement tous reçu 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 les os. Les longueurs d’onde des rayons X sont très petites, de l’ordre de la taille d’un atome, de 10 puissance moins 10 mètres.

Mais comme nous pouvons le voir, il y a une région d’énergie encore plus élevée du spectre électromagnétique. Le rayonnement dans cette partie du spectre est appelé rayonnement gamma. Les rayons gamma ont des longueurs d’ondes très courtes, inférieures à 10 puissance moins 15 mètres. Et leur source la plus courante est la désintégration des noyaux atomiques. Lorsque le noyau d’un atome en désintégration se divise, lorsqu’il se brise, il arrive souvent que des rayons gamma soient émis.

Si nous ajouttons les longueurs d’onde approximatives du rayonnement ultraviolet, visible et infrarouge, alors nous avons un diagramme de spectre électromagnétique complet. Nous avons les sept régions disposées dans l’ordre, de gauche à droite, de la longueur d’onde la plus courte à la plus longue ou, par correspondance, de la plus haute énergie à la plus basse énergie. C’est le spectre comme nous le verrons souvent.

Mais il est également utile d’ajouter un peu d’informations sur l’origine de ces différents types de rayonnements. Même si le rayonnement provient en général d’électrons en accélération en transition, pour chacune de ces régions, nous pouvons obtenir plus de détails sur le mécanisme typique qui génère ce rayonnement. Si nous commençons du côté gauche de notre spectre, avec les rayons gamma, le rayonnement de plus haute énergie, comme nous l’avons dit, est généralement généré par désintégration nucléaire, c’est-à-dire la détérioration radioactive des noyaux atomiques.

Une façon standard de créer des rayons X consiste à décélérer rapidement les électrons en les accélérant très rapidement, puis en les faisant se heurter contre une cible stationnaire. C’est le mécanisme général par lequel les tubes à rayons X génèrent des rayons X.

En ce qui concerne le rayonnement ultraviolet et visible, la principale source de cette lumière est le Soleil. Le soleil crée également beaucoup de radiations infrarouges. Mais il s’avère que le rayonnement infrarouge, ou IR, est suffisamment faible en énergie pour que tout objet dans notre environnement en soit une source. En effet, ce rayonnement est dû à ce qu’on appelle le mouvement thermique des atomes et des molécules. En d’autres mots, juste en étant, disons, à température ambiante, un objet émettra un rayonnement infrarouge.

Et puis après le rayonnement infrarouge nous avons les micro-ondes et les ondes radio, ces types de lumière étant créés par des courants électriques, alternatifs ou directs. Pour les deux types de courant, le processus de génération d’onde repose sur des variations du courant. Pour le courant alternatif, cette variation se produit naturellement. Et pour le courant continu, la variation se produit en allumant puis en éteignant encore et encore ce même courant continu. En pratique, cela fait que le courant continu se comporte beaucoup comme un courant alternatif.

Maintenant que ce tableau est complet, regardons attentivement l’écran et faisons de notre mieux pour nous souvenir de ce que nous voyons dessus. Et maintenant, entrainons-nous à nous en souvenir à travers un exemple.

Lequel des choix suivants pourrait être une source de rayonnement infrarouge? A) Courants électriques alternatifs, B) Noyaux atomiques en désintégration, C) Courants électriques directs, D) Mouvement thermique des atomes et des molécules, E) Aucune des réponses n’est correcte.

Nous voyons que chacun des choix A à D est un candidat 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 IR, infrarouge, commençons par le haut avec le choix 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 ces types de rayonnements particuliers. Nous voyons que non seulement le choix A évoque les courants électriques, mais aussi le choix C, mais cette fois sous la forme de courants électriques directs, c’est-à-dire de courants qui se déplacent toujours le même sens.

Bien que les courants directs suivent toujours le même sens, nous pouvons pratiquement les transformer en courants alternatifs en les allumant et éteignant à répétition. C’est par ce mécanisme que des ondes radio peuvent être générées. Ce que nous voyons, c’est que ces deux options, les courants électriques alternatifs et directs, agissent comme des sources de rayonnement électromagnétique, mais pas des sources de rayonnement infrarouge. Plutôt, ils servent généralement à créer des micro-ondes et des ondes radio. Nous allons donc rayer celles-ci de notre liste de choix.

Passant au choix B, la désintégration des noyaux atomiques, il s’agit d’un processus où un noyau atomique se divise ou se brise en de plus petits morceaux - c’est-à-dire la fission - et libère de l’énergie par le biais du rayonnement électromagnétique. Mais le type de rayonnement généralement émis par ce processus est le rayonnement gamma, c’est-à-dire l’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 barrons donc également le choix B de notre liste.

Ensuite, nous arrivons au choix D, le mouvement thermique des atomes et des molécules. Voici ce que cette option signifie. Les objets du quotidien tels que les chaises, les tables, etc., simplement en étant à la température ambiante, d’environ 20 degrés Celsius ou d’environ 70 degrés Fahrenheit, ont suffisamment d’énergie thermique pour que les atomes et les molécules de ces objets soient en mouvement thermique. Et grâce à ce mouvement thermique, un type particulier de rayonnement est émis. Et c’est bien un rayonnement infrarouge ou en-dessous du rouge. C’est-à-dire que nos yeux ne sont pas sensibles à cette longueur d’onde de rayonnement. Mais néanmoins, il est là et il est créé par le mouvement thermique des atomes et des molécules. Ce choix peut être une source de rayonnement infrarouge. Et par conséquent, le choix E selon lequel aucune des réponses n’est correcte n’est lui-même pas correcte. Et donc notre réponse finale est que le mouvement thermique des atomes et des molécules pourrait 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 du rayonnement électromagnétique, est créée par l’accélération de la charge électrique. Et que souvent cette accélération se produit dans le contexte de la transition d’électrons entre les niveaux d’énergie d’un atome. Nous avons vu que le spectre électromagnétique organise toute la lumière qui peut être produite en fonction de l’énergie de la lumière ou autrement dit en fonction de sa longueur d’onde. Et nous avons également vu que le spectre est divisé en sept régions distinctes. Si nous arrangerions le spectre du rayonnement de la haute énergie, c’est-à-dire un rayonnement avec des longueurs d’onde plus courtes, d’une part, et la faible énergie, un rayonnement avec des longueurs d’onde plus longues, de l’autre. Alors en passant de la haute énergie à la basse énergie, ces sept régions sont les rayons gamma, les rayons X, les rayons ultraviolets, la lumière visible, les rayons infrarouges, les micro-ondes, puis les ondes radio.

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