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Rayonnement électromagnétique

Le rayonnement électromagnétique est un transport d'énergie dans l'espace sous la forme d'une onde caractérisée par un champ magnétique et un champ électrique étroitement associés, ou de particules correspondantes. On peut modéliser une onde électromagnétique par l'effet produit par un dipôle vibrant, ceci modélisant bien par exemple les oscillation du nuage électronique d'un atome intervenant par exemple dans la diffusion Rayleigh (modèle de l'électron élastiquement lié).

Onde électromagnétique : oscillation couplée du champ électrique et du champ magnétique, modèle du dipôle vibrant - L'image n'est pas tout a fait juste, et sont en fait déphasé de 90° (voir page de discution pour détails)

Cet article de science fait partie de la série physique

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La lumière est la partie visible du rayonnement électromagnétique. Les ondes radio et les rayons X en constituent d'autres exemples. Ce rayonnement se caractérise par sa longueur d'onde λ (lambda) ou sa fréquence ν (nu) ; λ et ν sont inversement proportionnelles.

Dans le vide, le rayonnement électromagnétique, et en particulier la lumière, se déplace à la vitesse 299 792 458 m.s^-1. Cette vitesse, appelée vitesse de la lumière et notée c, est une des constantes physiques fondamentales. On a

La constatation, à la fin du XIXe siècle, que cette vitesse ne dépend pas du référentiel a conduit à l'élaboration de la théorie de la relativité restreinte.

La mécanique quantique associe au rayonnement électromagnétique un corpuscule de masse nulle nommé photon, qui peut être vu comme un paquet d'ondes. L'énergie E du photon vaut

E = hν

où h est la constante de Planck. L'impulsion p du photon est donnée par

p = h / λ.

Propriétés

• Tout corps à une température supérieure à 0 kelvin (zéro absolu, soit -273°C) émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique ou rayonnement du corps noir.
• Un corps qui reçoit un rayonnement électromagnétique peut en réfléchir une partie et absorber le reste. L'énergie absorbée va contribuer à l'agitation thermique de ses constituants (molécules, atomes) et donc à l'augmentation de son rayonnement thermique. L'exemple typique est celui de la terre qui reçoit le rayonnement thermique solaire (en majorité dans le spectre visible de la lumière) et perd sa chaleur sous forme de rayonnement infra-rouge (voir effet de serre).
• Une particule chargée accélérée émet un rayonnement électromagnétique, appelé rayonnement synchrotron lorsqu'il s'agit d'une déviation de la particule, et « Bremstrahlung » ou « rayonnement continu de freinage » lorsqu'il s'agit du freinage de la particule pénétrant dans un milieu différent. Le rayonnement synchrotron est utilisé comme source de rayons X pour de nombreuses expériences de physique et de biologique (lignes de lumières autour d'un synchrotron).
• Le rayonnement électromagnétique transporte de l'énergie. L'énergie transportée (par la lumière visible notamment) est susceptible de provoquer des transitions atomiques, c'est-à-dire d'augmenter l'énergie d'un atome en modifiant l'orbitale d'un de ses électrons.
• Inversement, lorsqu'un atome se désexcite, il émet l'énergie dont il se débarrasse sous forme de lumière. Dans le même domaine du spectre électromagnétique, les photons sont capables de former des paires électron-trous dans les semi-conducteurs (principe des CCD). En se recombinant, l'électron et le trou émettent de la lumière (principe des diodes).
• Les réactions nucléaires de fission ou de fusion sont susceptibles de donner lieu à l'émission de photons très énergétiques appelés rayons gamma.

Spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique en fonction de sa longueur d'onde, ou, de manière équivalente, de sa fréquence (via l'équation de propagation) ou de l'énergie de ses photons (via la loi de Planck). Le spectre est divisé en plusieurs catégories. Par longueur d'onde décroissante il y a : ondes radio, infrarouge (chaleur), lumière visible, UV, rayons X et rayons γ.

classification des ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d'onde, de leur fréquence ou de l'énergie de leur photons

La classification provient des sources probables des rayonnements dans le domaine considéré, ainsi que des effets de ces ondes :

• les ondes radio et radar sont produites par le mouvement macroscopique de charges (courant d'électrons) dans un conducteur (antenne) ;
• les ondes infrarouges, visibles et ultraviolettes résultent des transitions électroniques dans les atomes, concernant les électrons périphériques ; elles constituent la lumière ; les ondes infrarouges véhiculent la chaleur, les ondes ultraviolettes ont des effets sur la peau (bronzage, coups de soleil, cancer de la peau) ; les infrarouges et la lumière visible sont également produits par l'agitation des atomes sous l'effet de la température (voir corps noir) ;
• les rayons X sont produits par radioactivité (désintégration d'un noyau atomique instable) ou bien par freinage d'électrons (tube à rayons X) ; ils provoquent des transitions électroniques dans l'atome, concernant les électrons de cœur, ainsi que l'effet Compton ; du fait de leur faible longueur d'onde, ils diffractent sur les cristaux ; on distingue les rayons X durs (photons de haute énergie) et les rayons X mous (photons de basse énergie) ;
• les rayons γ sont produits par radioactivité ; ils provoquent des excitations du noyau.

Polarisation

La polarisation correspond à la direction et à l'amplitude du champ électrique . Pour une onde non polarisée, ou naturelle, tourne autour de son axe de façon aléatoire et imprévisible au cours du temps. Polariser une onde correspond à donner une trajectoire définie au champ électrique. Il y a plusieurs sortes de polarisation:

• La polarisation linéaire quand reste toujours dans le même plan.
• La polarisation circulaire, le champ magnétique tourne autour de son axe en formant un cercle.
• La polarisation elliptique, le champ magnétique tourne autour de son axe et change d'amplitude pour former une ellipse.
• ...

Voir aussi

• Interaction rayonnement-matière