Généralités sur les ondes


Préambule

Quelque soient leur nature, leur origine et leur mode propagation, les ondes ont des particularités, des caractéristiques communes.
Elles peuvent être transversales ou longitudinales dans le mode de vibration qui les crée.
Ex : le son est une onde matérielle longitudinale, les vagues à la surface de l’eau matérialise une onde transversale.
On parle d’ondes matérielles lorsqu’un milieu matériel est nécessaire à leur propagation.
Ex : L’air ou un gaz pour le son, l’interface eau / air pour les vagues.
Toutes les ondes sont sujettes aux phénomènes :

Il est désormais temps de s’intéresser aux ondes électromagnétiques.

Nature du rayonnement électromagnétique

Un rayonnement électromagnétique est :

Il représente le seul mode de transport de l’énergie dans le vide interstellaire.
Comme son nom l’indique, il résulte de l’association de deux composantes :

Si A représente le champ électrique ou le champ magnétique, l’onde électromagnétique s’écrit :

où :

Figure 1  : Une onde électromagnétique est une onde transversale 

Comme le montre la figure ci dessus :


Fréquence et longueur d’onde

L’équation sinusoïdale de l’onde fait référence à la période de la vibration. Cette période T est la durée minimale entre deux états vibratoires identiques.
L’inverse de la période correspond au nombre de phénomènes identiques qui se répètent pendant une seconde. Ils s’agit de la fréquence n que les anglo-saxons expriment en cycles par seconde (cps) mais que nous devons exprimer en Hertz.

La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde pendant une période ; ce qui correspond exactement à la définition donnée au paragraphe précédent.
La formule de définition est :


Dualité onde corpuscule ; énergie du photon

L’énergie électromagnétique transportée par l’onde est quantifiée. La plus petite quantité, le plus petit quantum d’énergie est donné par la formule de Planck :  

h s’appelle la constante de Planck et vaut :   h = 6,62.10-34 J.s = 4,1356.10-15 eV.s

Assimilant ce quantum à un corpuscule, Einstein introduisit le photon.
Sans existence au repos, celui-ci peut-être considéré comme un grain d’énergie sans support matériel (m = 0) et assimilé à une particule d’énergie cinétique hn.
Tout cela signifie qu’une onde électromagnétique qui possède une fréquence n et constituée de photons qui transportent chacun une énergie hn.
Remarque :
Cette énergie peut aussi se mettre sous la forme :
Cette énergie peut être absorbée par la matière, mais non par le vide !
Le rayonnement électromagnétique possède donc deux aspects indissociables :

Ce double aspect n’est pas particulier aux ondes électromagnétiques. A chaque type d’onde ont peut associer une particule et vice-versa ! !
Soit une particule de masse m et de vitesse v, on lui associe une onde de la forme :

 avec d'où      


Célérité, indice de réfraction et chemin optique

La lumière est un mouvement vibratoire ; c’est-à-dire qu’elle est caractérisée par sa fréquence n (» 5.1014 Hertz) et par sa célérité (vitesse de propagation).
Dans le vide, la célérité de la lumière vaut :  c ~ 3.108 m.s-1 (exactement c = 299 792,4575 m/s).
Dans les milieux transparents, la vitesse de propagation Vm sera toujours moindre :  Vm < c.
L’indice
de réfraction d’un milieu transparent homogène est défini comme le rapport de la célérité dans le vide sur la célérité dans le milieu :

Le chemin optique est la distance que parcourrait la lumière dans le vide : d = nee est l’épaisseur du milieu traversé.
Des milieux anisotropes présentent deux indices de réfraction (ordinaire et extraordinaire) qui dépendent de la direction de propagation).
La longueur d’onde dépend du milieu : l = l0 /n


Le spectre électromagnétique

Fig 2 : Je ne sais plus d'où vient cette image! Désolé pour le copyright !

 

Complétez le schéma en recherchant les domaines d’application en chimie et quelle partie du corps chimique( molécules, atome ou noyau) ils explorent.

Ondes radioélectriques

Comprise entre quelques kHz et 300Mhz, elles se propagent dans l'atmosphère. Celles de plus faibles fréquences sont peu sensibles aux obstacles. rebondissant sur les couches de l'ionosphère elles peuvent être captées à l'autre bout de la Terre.

Micro-ondes ou hyperfréquences

Comprise entre 0,3 et 300Ghz elles ont actuellement de nombreuses applications :

Domaine Infrarouge

Trois catégories existent entre 0,3 THz (térahertz = 1012 Hz) et 0,4 PHz (pétahertz = 1015 Hz)

Domaine du visible

Le visible est le domaine des ondes électromagnétiques perçues par l’œil de l’Homme.
Quand on observe un arc en ciel, la lumière « blanche » émise par le soleil est décomposée en différentes couleurs (rouge, oranger, … ,bleu, indigo, violet).
À chaque couleur est associée une longueur d’onde l donc aussi une fréquence ! Si pour le commun des mortels il y a usuellement sept couleurs dans l’arc en ciel, l’œil d’un peintre averti pourra en distinguer une trentaine. Mais pour le scientifique il y en a une infinité.
La lumière visible est limitée aux faibles longueurs d’ondes par l’ultraviolet (UV) et aux grandes longueurs d’onde par l’infrarouge (IR).

Couleur

longueur d’onde (nm)

ultraviolet

£ 400

violet extrême

400

bleu

470

vert moyen

530

vert

555

jaune

580

rouge

650

rouge sombre

700

infrarouge

³ 700

Tableau 1  : Correspondance couleur longueur d’onde du visible

Domaine de l'ultraviolet

Trois catégories d'UV :

UV-A (315 à 400 nm) responsable du vieillissement de la peau

UV-B (280 à 315 nm) pour ces chers coups de soleil !

UV-C (10 à 280 nm) a qui ont attribue des brulûres graves et des problème rétiniens souvent irréversibles.

Les UV sont produits en masse par le Soleil. Par chance pour la vie, l'atmosphère en filtre 99%.

Le verre absorbe aussi les UV, aussi utilise-t-on des "optiques " en quartz en instrumentation UV. Encore une application à la chimie à rechercher !

Rayons X

Un chapitre entier leur sera consacré. Cliquer ici pour les plus curieux.

En bref :

Rayons gamma

Les plus énergétiques ? Ils ont issus de noyaux atomiques qui se désexcitent. Ils sont utilisés en scintigraphie. L'atmosphère est opaque aux rayons gammas largement produits au sein des étoiles. L'observation du ciel en gamma n'a vu le jour  qu'avec l'avènement des satellites artificiels.

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