Spectre Électromagnétique

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Le spectre électromagnétique est la description de l’ensemble des rayonnements électromagnétiques classés par fréquence, énergie ou longueur d’onde. Le spectre électromagnétique s’étend théoriquement en fréquence et en longueur d’onde de 0 à l’infini, de façon continue. On divise en plusieurs grandes catégories ces rayonnements, s’étudiant chacun avec des moyens particuliers.

La science qu’on appelle la spectroscopie ou spectrométrie, étudie expérimentalement les spectres électromagnétiques via les observations et les mesures de décomposition des radiations en ondes monochromatiques (1*).  La spectroscopie s’intéresse particulièrement au spectre d’absorption et d’émission d’un objet, dont parlerons plus en détails plus tard.

Le vecteur et médiateur du rayonnement électromagnétique est le boson qu’on nomme le « Photon ». Il est le quantum d’énergie à travers lequel les ondes électromagnétiques se propagent. L’énergie du photon, est ce qui fait varier sa fréquence et sa longueur d’onde.

Louis de Broglie, poursuivant les études d’Einstein sur la nature particulaire des photons, émis la théorie que les particules avaient en réalité deux natures, une nature particulaire (corps), mais aussi une nature ondulatoire. On appelle cela la dualité onde-corpuscule.

Si on considère le photon comme une onde, on peut le décomposer (Transformation de Fourier, que nous ne verrons que plus tard dans un chapitre consacré aux fonctionnement des ondes) en une somme d’ondes monochromatiques, chacune, entièrement décrite par deux grandeurs physiques, l’amplitude, et la fréquence ou longueur d’onde.

Si on considère le rayonnement électromagnétique comme un ensemble de particules, chacune d’entre elle est décrite par son énergie. La répartition de leurs énergies et leur sommes obéissent aux lois statistiques.

Pour ce qui est des unités utilisées :

  • La fréquence, notée f ou v, s’exprime en Hertz (Hz), et décrit le nombre de répétitions d’un événement par seconde.
  • La longueur d’onde dans le vide (ceci sera toujours sous entendu par la suite), notée λ (lambda), qui s’exprime en unités de longueur (en mètre dans le Système international).
  • l’énergie des photons, notée E, s’exprime en Joules (J), mais aussi couramment en électron-volt (1 eV = 1,602 176 53×10−19 J).

Le rayonnement électromagnétique visible est la très étroite portion du spectre électromagnétique accessible à la perception visuelle humaine. C’est la plus forte énergie de rayonnement solaire qui arrive à la surface de la Terre. La perception humaine maximale gravite autour des 550 nanomètres, de l’ordre de grandeur des rayonnements qui se trouvent dans la journée à la surface de la Terre.

De part et d’autres de cette perception maximum, la sensibilité diminue progressivement. Moins de 1% du maximum à 410 nanomètres et à 690nm, et à 360nm, il n’en reste rien…

Les humains, n’ont en vision diurne, que trois types de récepteurs, et de nombreux mélanges de radiations et de longueurs d’ondes se perçoivent identiquement.

Voici à quoi ressemble le spectre électromagnétique tel que nous le représentons :

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  • Spectre d’émission :

Lorsque des atomes ou des molécules sont excités, ils se désexcitent en émettant une onde électromagnétique (un ou des photons). En analysant les propriétés du spectre, il est possible de décomposer cette onde en une superpositions d’ondes sinusoïdale (Monochromatique) caractérisées par leur longueurs d’ondes. Le spectre est constitué par l’ensemble des longueurs d’onde présentes.

Ce spectre est « dématérialisable » à l’aide d’un prisme de décomposition de la lumière, en un ensemble de lignes, qu’on appelle les « raies spectrales », et correspondant aux différentes longueurs d’ondes émises.

Pour le spectre d’émission de l’hydrogène par exemple, dont la structure est la plus simple de l’univers, l’observation se fait au moyen d’un tube Geissler (Genre de tube cathodique) comportant deux électrodes (Un article dans la rubrique électricité est consacré aux mécanismes anodes-cathodes) et de l’hydrogène sous faible pression. Les électrodes sont donc soumises à une différence de potentiel électrique (Article dans rubrique électricité sur le potentiel électrique) de 1000 Volts. L’important champ électrique créé, accélère et précipite les ions (en l’occurrence, les électrodes) qui, par chocs, excitent les atomes d’hydrogène. Lorsque les atomes d’hydrogène se désexcitent, ils émettent de la lumière (photons) qui sera ensuite analysée par un spectroscope. Dans tous les cas de figure, on observe le même spectre composé de 4 raies (spectres de raies) aux longueurs d’onde : 410nm, 434, 486 et 656nm.

Le physicien Niels Bohr interpréta l’émission de lumière par l’émission d’un photon lorsque l’atome passe d’un état d’énergie élevé à un état d’énergie plus bas. Le spectre d’émission de n’importe quel élément est obtenu lorsqu’on chauffe cet élément et en analysant le rayonnement émis par la matière, le résultat de l’analyse du spectre de cet élément caractérise l’élément lui même.

 

  • Spectre d’absorption :

 

Même principe que pour le spectre d’émission, à un niveau d’énergie définie, correspond une longueur d’onde, cependant, cette fois, au lieu d’exciter de la matière (en la chauffant par exemple) pour qu’elle émette de la lumière, on l’éclaire avec de la lumière blanche (qui contient toutes les longueurs d’ondes) afin de voir lesquelles de ces dernières sont absorbées. Chaque élément étant caractérisé par les niveaux d’énergies de son spectre d’émission, le spectre d’absorption est son exact complémentaire. Ce procédé est très utilisé en astrophysique, pour déterminer par exemple, la composition des nuages gazeux, en se servant de la lumière des étoiles se situant en arrière plan comme source de lumière. C’est, de manière générale, le but de la spectroscopie d’absorption, d’analyser et d’identifier les éléments inconnus par leur spectre.

 

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1*) On peut décrire une onde monochromatique par une fonction sinusoïdale du temps. Sa densité spectrale d’énergie (concept plus compliqué, que nous ne verrons lorsque nous détaillerons les transformations de Fourier) ne présente qu’une seule fréquence et qu’une seule longueur d’onde. On peut aussi appeler ça une onde monoénergétique ou simplement onde sinusoïdale. L’étude de ces ondes a une grande importance dans les domaines d’études des ondes et de leur propagation du fait d’une plus grande simplicité de l’approche mathématique et parce qu’une onde quelconque et décomposable en somme d’ondes sinusoïdales via l’analyse harmonique.

Le terme « monochromatique », vient du domaine de l’optique, dans le cas d’un rayonnement électromagnétique monochromatique du domaine visible par exemple, on parle de couleur pure. Dans le domaine de l’acoustique, on parle d’harmonique, dans le cas d’une onde de pression acoustique sinusoïdale, on parle de son pur. Par extension, ces termes sont également utilisés dans les domaines de l’électricité et de la mécanique.

En pratique, il n’existe pas d’onde parfaitement monochromatique, en effet, aucune source n’émet de façon permanente, il y a toujours une dispersion autour de la fréquence ou de la longueur d’onde centrale du rayonnement. Il est plus pratique de mesurer des ondes quasi monochromatiques car leurs spectres n’occupent qu’une bande très étroite de leur fréquence.