SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE: CARACTÉRISTIQUES, BANDES, APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2025

Le spectre électromagnétique consiste en l'agencement ordonné de toutes les longueurs d'onde des ondes électromagnétiques, qui prennent toute valeur positive, sans aucune restriction. Il est divisé en 7 sections, y compris la lumière visible.

Nous connaissons les fréquences de la lumière visible lorsque nous voyons l'arc-en-ciel, dans lequel chaque couleur correspond à une longueur d'onde différente: le rouge est le plus long et le violet le plus court.

Spectre électromagnétique. Notez que la fréquence (et avec elle l'énergie) augmente de gauche à droite dans ce schéma. André Oliva / Domaine public

La portée de la lumière visible n'occupe qu'une zone très courte du spectre. Les autres régions, que nous ne pouvons pas voir, sont les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.

Les régions n'ont pas été découvertes en même temps, mais à des moments différents. Par exemple, l'existence des ondes radio a été prédite en 1867 par James Clerk Maxwell et des années plus tard, en 1887, Heinrich Hertz les a produites pour la première fois dans son laboratoire, c'est pourquoi elles sont appelées ondes hertziennes.

Tous sont capables d'interagir avec la matière, mais de différentes manières, selon l'énergie qu'ils transportent. En revanche, les différentes régions du spectre électromagnétique ne sont pas nettement définies, car en fait les frontières sont floues.

Bandes

Bandes du spectre électromagnétique. Tatoute et Phrood / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

Les frontières entre les différentes régions du spectre électromagnétique sont plutôt floues. Ce ne sont pas des divisions naturelles, en fait le spectre est un continuum.

Cependant, la séparation en bandes ou zones sert à caractériser convenablement le spectre en fonction de ses propriétés. Nous commencerons notre description par les ondes radio, dont les longueurs d'onde sont plus longues.

Les ondes radio

Les fréquences les plus basses ont une plage d'environ 10 ⁴ Hz, qui à leur tour correspondent aux longueurs d'onde les plus longues, généralement la taille d'un bâtiment. AM, FM et la radio de la bande des citoyens utilisent des ondes dans cette gamme, ainsi que des émissions de télévision VHF et UHF.

À des fins de communication, les ondes radio ont été utilisées pour la première fois vers 1890, lorsque Guglielmo Marconi a inventé la radio.

La fréquence des ondes radio étant plus faible, elles n'ont aucun effet ionisant sur la matière. Cela signifie que les ondes radio manquent d'énergie pour éjecter des électrons des molécules, mais elles augmentent la température des objets en augmentant la vibration des molécules.

Four micro-onde

La longueur d'onde des micro-ondes est de l'ordre du centimètre et ils ont également été détectés pour la première fois par Heinrich Hertz.

Ils ont suffisamment d'énergie pour chauffer les aliments qui, dans une plus ou moins grande mesure, contiennent de l'eau. L'eau est une molécule polaire, ce qui signifie que bien qu'elle soit électriquement neutre, les charges négatives et positives sont légèrement séparées, formant un dipôle électrique.

Lorsque les micro-ondes, qui sont des champs électromagnétiques, frappent un dipôle, ils produisent des couples qui les font tourner pour les aligner avec le champ. Le mouvement se traduit par une énergie qui se propage à travers les aliments et a pour effet de les chauffer.

Infrarouge

Cette partie du spectre électromagnétique a été découverte par William Herschel au début du 19e siècle et a une fréquence plus basse que la lumière visible, mais plus élevée que les micro-ondes.

La longueur d'onde du spectre infrarouge (en dessous du rouge) est comparable à la pointe d'une aiguille, il s'agit donc d'un rayonnement plus énergétique que les micro-ondes.

Une grande partie du rayonnement solaire arrive à ces fréquences. Tout objet émet une certaine quantité de rayonnement infrarouge, surtout s'il est chaud, comme les brûleurs de cuisine et les animaux à sang chaud. Il est invisible pour les humains, mais certains prédateurs distinguent l'émission infrarouge de leurs proies, ce qui leur donne un avantage dans la chasse.

Visible

C'est la partie du spectre que l'on peut détecter avec nos yeux, entre 400 et 700 nanomètres (1 nanomètre, en abrégé nm est 1 × 10 ^-9 m) de longueur d'onde.

La lumière blanche contient un mélange de toutes les longueurs d'onde, que nous pouvons voir séparément une fois passé à travers un prisme. Les gouttes de pluie dans les nuages ​​se comportent parfois comme des prismes, nous pouvons donc voir les couleurs de l'arc-en-ciel.

Les couleurs de l'arc-en-ciel représentent différentes longueurs d'onde de la lumière visible. Source: Pixabay.

Les longueurs d'onde des couleurs que nous voyons, en nanomètres, sont:

-Rouge: 700–620

-Orange: 620–600

-Jaune: 600-580

-Vert: 580–490

-Bleu: 490–450

-Violet: 450–400

Ultra-violet

C'est une région plus énergétique que la lumière visible, avec des longueurs d'onde au-delà du violet, c'est-à-dire supérieures à 450 nm.

Nous ne pouvons pas le voir, mais le rayonnement qui vient du Soleil est très abondant. Et comme il a une énergie plus élevée que la partie visible, ce rayonnement interagit beaucoup plus avec la matière, causant des dommages à de nombreuses molécules d'importance biologique.

Les rayons ultraviolets ont été découverts peu de temps après les rayons infrarouges, bien qu'ils aient d'abord été appelés «rayons chimiques», car ils réagissent avec des substances telles que le chlorure d'argent.

Rayons X

Ils ont été découverts par Wilhelm Roentgen en 1895 lors de l'expérimentation d'électrons accélérateurs (rayons cathodiques) dirigés vers une cible. Incapable d'expliquer d'où ils venaient, il les appela des rayons X.

C'est un rayonnement très énergétique avec une longueur d'onde comparable à la taille de l'atome, capable de traverser des corps opaques et de produire des images comme dans les rayons X.

Les radiographies sont obtenues à l'aide de rayons X: Source: Pixabay.

Comme ils ont plus d'énergie, ils peuvent interagir avec la matière en extrayant des électrons des molécules, ils sont donc connus sous le nom de rayonnement ionisant.

Rayons gamma

C'est le rayonnement le plus énergétique de tous, avec des longueurs d'onde de l'ordre d'un noyau atomique. Il se produit fréquemment dans la nature, car il est émis par des éléments radioactifs lorsqu'ils se désintègrent en noyaux plus stables.

Dans l'univers, il existe des sources de rayons gamma dans les explosions de supernova, ainsi que des objets mystérieux parmi lesquels des pulsars, des trous noirs et des étoiles à neutrons.

L'atmosphère terrestre protège la planète de ces radiations hautement ionisantes qui proviennent de l'univers, et en raison de leur haute énergie, elles ont un effet néfaste sur les tissus biologiques.

Applications

-Les ondes radio ou radiofréquences sont utilisées dans les télécommunications, car elles sont capables de transporter des informations. Également à des fins thérapeutiques pour réchauffer les tissus et améliorer la texture de la peau.

-Pour obtenir des images par résonance magnétique, des radiofréquences sont également nécessaires. En astronomie, les radiotélescopes les utilisent pour étudier la structure des objets célestes.

-Les téléphones cellulaires et la télévision par satellite sont deux applications des micro-ondes. Le radar est une autre application importante. De plus, l'univers entier est immergé dans un fond de rayonnement micro-ondes, provenant du Big Bang, étant la détection dudit rayonnement de fond la meilleure preuve en faveur de cette théorie.

Le radar émet une impulsion vers un objet, qui disperse l'énergie dans toutes les directions, mais une partie de celle-ci est réfléchie, apportant des informations sur l'emplacement de l'objet. Source: Wikimedia Commons.

-La lumière visible est nécessaire car elle nous permet d'interagir efficacement avec notre environnement.

-Les rayons X ont de multiples applications comme outil de diagnostic en médecine et également au niveau de la science des matériaux, pour déterminer les caractéristiques de nombreuses substances.

-Le rayonnement gamma provenant de différentes sources est utilisé comme traitement du cancer, ainsi que pour stériliser les aliments.

Références

1. Giambattista, A. 2010. Physique. Deuxième édition. McGraw Hill.
2. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Rex, A. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson.
4. Serway, R. 2019. Physique pour la science et l'ingénierie. 10e. Édition. Volume 2. Cengage.
5. Shipman, J. 2009. Une introduction à la science physique. Douzième édition. Brooks / Cole, éditions Cengage.