Spectre électromagnétique

Ondes radio

Les ondes radio sont émises et reçues par des antennes, qui sont constituées de conducteurs tels que des résonateurs à tige métallique. Dans la génération artificielle d’ondes radio, un dispositif électronique appelé émetteur génère un courant électrique alternatif qui est appliqué à une antenne. Les électrons oscillants dans l’antenne génèrent des champs électriques et magnétiques oscillants qui rayonnent loin de l’antenne sous forme d’ondes radio., Dans la réception des ondes radio, les champs électriques et magnétiques oscillants d’une onde radio couplent aux électrons d’une antenne, les poussant d’avant en arrière, créant des courants oscillants qui sont appliqués à un récepteur radio. L’atmosphère terrestre est principalement transparente aux ondes radio, à l’exception des couches de particules chargées dans l’ionosphère qui peuvent refléter certaines fréquences.,

Les ondes radio sont extrêmement largement utilisées pour transmettre des informations à distance dans les systèmes de radiocommunication tels que la radiodiffusion, la télévision, les radios bidirectionnelles, les téléphones mobiles, les satellites de communication et les réseaux sans fil. Dans un système de radiocommunication, un courant de radiofréquence est modulé avec un signal porteur d’informations dans un émetteur en faisant varier l’amplitude, la fréquence ou la phase, et appliqué à une antenne., Les ondes radio transportent les informations à travers l’espace vers un récepteur, où elles sont reçues par une antenne et les informations extraites par démodulation dans le récepteur. Les ondes radio sont également utilisées pour la navigation dans des systèmes tels que le système de positionnement mondial (GPS) et les balises de navigation, et la localisation d’objets éloignés dans la radiolocalisation et le radar. Ils sont également utilisés pour le contrôle à distance, et pour le chauffage industriel.,

L’utilisation du spectre radioélectrique est strictement réglementée par les gouvernements, coordonnée par un organisme appelé l’Union internationale des télécommunications (IT) qui attribue des fréquences à différents utilisateurs pour différentes utilisations.

Micro-ondes

Les micro-ondes sont des ondes radio de courte longueur d’onde, d’environ 10 centimètres à un millimètre, dans les bandes de fréquences SHF et EHF. L’énergie des micro-ondes est produite avec des tubes klystron et magnétron, et avec des dispositifs à semi-conducteurs tels que les diodes Gunn et IMPATT. Bien qu’ils soient émis et absorbés par des antennes courtes, ils sont également absorbés par des molécules polaires, se couplant aux modes vibratoire et rotatif, ce qui entraîne un chauffage en vrac., Contrairement aux ondes de plus haute fréquence telles que l’infrarouge et la lumière qui sont absorbées principalement aux surfaces, les micro-ondes peuvent pénétrer dans les matériaux et déposer leur énergie sous la surface. Cet effet est utilisé pour chauffer les aliments dans les fours à micro-ondes, et pour le chauffage industriel et la diathermie médicale. Les micro-ondes sont les principales longueurs d’onde utilisées dans le radar et sont utilisées pour la communication par satellite et les technologies de réseau sans fil telles que le Wi-Fi., Les câbles en cuivre (lignes de transmission) qui sont utilisés pour transporter des ondes radio de fréquence inférieure aux antennes ont des pertes de puissance excessives aux fréquences micro-ondes, et des tuyaux métalliques appelés guides d’ondes sont utilisés pour les transporter. Bien qu’à l’extrémité inférieure de la bande l’atmosphère soit principalement transparente, à l’extrémité supérieure de la bande l’absorption des micro-ondes par les gaz atmosphériques limite les distances de propagation pratiques à quelques kilomètres.,

Le rayonnement térahertz ou rayonnement sub-millimétrique est une région du spectre allant d’environ 100 GHz à 30 térahertz (THz) entre les micro-ondes et l’infrarouge lointain qui peut être considérée comme appartenant à l’une ou l’autre bande. Jusqu’à récemment, la gamme était rarement étudiée et peu de sources existaient pour l’énergie micro-ondes dans le soi-disant espace térahertz, mais des applications telles que l’imagerie et les communications apparaissent maintenant. Les scientifiques cherchent également à appliquer la technologie térahertz dans les forces armées, où les ondes à haute fréquence pourraient être dirigées vers les troupes ennemies pour neutraliser leur équipement électronique., Le rayonnement térahertz est fortement absorbé par les gaz atmosphériques, ce qui rend cette gamme de fréquences inutile pour les communications à longue distance.

Rayonnement infrarouge

La partie infrarouge du spectre électromagnétique couvre la plage d’environ 300 GHz à 400 THz (1 mm – 750 nm). Il peut être divisé en trois parties:

• Infrarouge lointain, de 300 GHz à 30 THz (1 mm-10 µm). La partie inférieure de cette plage peut également être appelée micro-ondes ou ondes térahertz., Ce rayonnement est généralement absorbé par les modes dits de rotation dans les molécules en phase gazeuse, par les mouvements moléculaires dans les liquides et par les phonons dans les solides. L’eau dans l’atmosphère terrestre absorbe fortement dans cette gamme qu’il rend l’atmosphère en effet opaque. Cependant, il existe certaines plages de longueurs d’onde (« fenêtres ») dans la plage opaque qui permettent une transmission partielle et peuvent être utilisées pour l’astronomie. La gamme de longueurs d’onde d’environ 200 µm à quelques mm est souvent appelée astronomie submillimétrique, réservant l’infrarouge lointain aux longueurs d’onde inférieures à 200 µm.,
• Infrarouge moyen, de 30 à 120 THz (10-2, 5 µm). Les objets chauds (radiateurs à corps noir) peuvent rayonner fortement dans cette plage, et la peau humaine à température corporelle normale rayonne fortement à l’extrémité inférieure de cette région. Ce rayonnement est absorbé par les vibrations moléculaires, où les différents atomes d’une molécule vibrent autour de leurs positions d’équilibre. Cette plage est parfois appelée région d’empreinte digitale, car le spectre d’absorption dans l’infrarouge moyen d’un composé est très spécifique pour ce composé.
• Proche infrarouge, de 120 à 400 THz (2 500-750 nm)., Les processus physiques pertinents pour cette gamme sont similaires à ceux de la lumière visible. Les fréquences les plus élevées dans cette région peuvent être détectées directement par certains types de films photographiques et par de nombreux types de capteurs d’image à semi-conducteurs pour la photographie infrarouge et la vidéographie.

Lumière visible

Au-dessus de l’infrarouge en fréquence vient la lumière visible., Le Soleil émet sa puissance de crête dans la région visible, bien que l’intégration de l’ensemble du spectre de puissance d’émission à travers toutes les longueurs d’onde montre que le Soleil émet légèrement plus d’infrarouge que la lumière visible. Par définition, la lumière visible est la partie du spectre EM l’œil humain est le plus sensible. La lumière visible (et la lumière proche infrarouge) est généralement absorbée et émise par les électrons dans les molécules et les atomes qui se déplacent d’un niveau d’énergie à un autre. Cette action permet les mécanismes chimiques qui sous-tendent la vision humaine et la photosynthèse végétale., La lumière qui excite le système visuel humain est une très petite partie du spectre électromagnétique. Un arc-en-ciel montre la partie optique (visible) du spectre électromagnétique; l’infrarouge (s’il pouvait être vu) serait situé juste au-delà du côté rouge de l’arc-en-ciel avec l’ultraviolet apparaissant juste au-delà de l’extrémité violette.

Un rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde comprise entre 380 nm et 760 nm (400-790 térahertz) est détecté par l’œil humain et perçu comme une lumière visible., D’autres longueurs d’onde, en particulier le proche infrarouge (plus long que 760 nm) et l’ultraviolet (plus court que 380 nm) sont également parfois appelées lumière, en particulier lorsque la visibilité pour l’homme n’est pas pertinente. La lumière blanche est une combinaison de lumières de différentes longueurs d’onde dans le spectre visible. Le passage de la lumière blanche à travers un prisme la divise en plusieurs couleurs de lumière observées dans le spectre visible entre 400 nm et 780 nm.,

Si un rayonnement ayant une fréquence dans la région visible du spectre EM se reflète sur un objet, par exemple, un bol de fruit, et frappe ensuite les yeux, il en résulte une perception visuelle de la scène. Le système visuel du cerveau traite la multitude de fréquences réfléchies en différentes nuances et teintes, et à travers ce phénomène psychophysique insuffisamment compris, la plupart des gens perçoivent un bol de fruits.

Dans la plupart des longueurs d’onde, cependant, les informations véhiculées par le rayonnement électromagnétique ne sont pas directement détectées par les sens humains., Les sources naturelles produisent un rayonnement EM à travers le spectre, et la technologie peut également manipuler une large gamme de longueurs d’onde. La fibre optique transmet une lumière qui, bien que pas nécessairement dans la partie visible du spectre (elle est généralement infrarouge), peut transporter des informations. La modulation est similaire à celle utilisée avec les ondes radio.

Rayonnement ultraviolet

Suivant en fréquence vient ultraviolet (UV)., La longueur d’onde des rayons UV est plus courte que l’extrémité violette du spectre visible mais plus longue que les rayons X.

L’UV est le rayonnement de longueur d’onde le plus long dont les photons sont suffisamment énergétiques pour ioniser les atomes, en séparant les électrons d’eux, et provoquant ainsi des réactions chimiques. Les rayons UV à courte longueur d’onde et le rayonnement à plus courte longueur d’onde au-dessus (rayons X et rayons gamma) sont appelés rayonnements ionisants, et leur exposition peut endommager les tissus vivants, ce qui en fait un danger pour la santé. Les UV peuvent également faire briller de nombreuses substances avec la lumière visible; c’est ce qu’on appelle la fluorescence.,

Au milieu de la gamme UV, les rayons UV ne peuvent pas s’ioniser mais peuvent briser les liaisons chimiques, rendant les molécules inhabituellement réactives. Les coups de soleil, par exemple, sont causés par les effets perturbateurs du rayonnement UV de moyenne portée sur les cellules de la peau, qui est la principale cause de cancer de la peau. Les rayons UV dans la gamme moyenne peuvent endommager irrémédiablement les molécules d’ADN complexes dans les cellules produisant des dimères de thymine, ce qui en fait un mutagène très puissant.,

Le Soleil émet un rayonnement UV important (environ 10% de sa puissance totale), y compris des UV de très courte longueur d’onde qui pourraient potentiellement détruire la plupart de la vie sur terre (l’eau de l’océan fournirait une certaine protection pour la vie là-bas). Cependant, la plupart des longueurs d’onde UV dommageables du Soleil sont absorbées par l’atmosphère avant d’atteindre la surface. Les plages d’énergie plus élevée (longueur d’onde la plus courte) des UV (appelées « UV sous vide ») sont absorbées par l’azote et, à des longueurs d’onde plus longues, par l’oxygène diatomique simple dans l’air., La majeure partie des UV dans la gamme moyenne d’énergie est bloquée par la couche d’ozone, qui absorbe fortement dans la gamme importante de 200-315 nm, dont la partie d’énergie inférieure est trop longue pour que le dioxygène ordinaire dans l’air puisse absorber. Cela laisse moins de 3% de la lumière du soleil au niveau de la mer en UV, avec tout ce reste aux énergies inférieures. Le reste est l’UV-A, ainsi que certains UV-B. La plage d’énergie la plus basse de l’UV entre 315 nm et la lumière visible (appelée UV-A) n’est pas bien bloquée par l’atmosphère, mais ne provoque pas de coups de soleil et fait moins de dommages biologiques., Cependant, il n’est pas inoffensif et crée des radicaux oxygénés, des mutations et des lésions cutanées.

Rayons X

Après les UV viennent les rayons X, qui, comme les gammes supérieures d’UV sont également ionisantes. Cependant, en raison de leurs énergies plus élevées, les rayons X peuvent également interagir avec la matière au moyen de l’effet Compton. Les rayons X durs ont des longueurs d’onde plus courtes que les rayons X mous et comme ils peuvent traverser de nombreuses substances avec peu d’absorption, ils peuvent être utilisés pour « voir à travers » des objets avec des « épaisseurs » inférieures à celles équivalentes à quelques mètres d’eau., Une utilisation notable est l’imagerie diagnostique par rayons X en médecine (un processus connu sous le nom de radiographie). Les rayons X sont utiles comme sondes en physique des hautes énergies. En astronomie, les disques d’accrétion autour des étoiles à neutrons et des trous noirs émettent des rayons X, ce qui permet d’étudier ces phénomènes. Les rayons X sont également émis par la couronne stellaire et sont fortement émis par certains types de nébuleuses., Cependant, les télescopes à rayons X doivent être placés en dehors de l’atmosphère terrestre pour voir les rayons X astronomiques, car la grande profondeur de l’atmosphère terrestre est opaque aux rayons X (avec une densité superficielle de 1000 g/cm2), ce qui équivaut à 10 mètres d’épaisseur d’eau. C’est une quantité suffisante pour bloquer presque tous les rayons X astronomiques (et aussi les rayons gamma astronomiques-voir ci—dessous).

Rayons gamma

Après les rayons X durs viennent les rayons gamma, qui ont été découverts par Paul Ulrich Villard en 1900., Ce sont les photons les plus énergétiques, n’ayant pas de limite inférieure définie à leur longueur d’onde. En astronomie, ils sont précieux pour étudier des objets ou des régions à haute énergie, mais comme pour les rayons X, cela ne peut être fait qu’avec des télescopes en dehors de l’atmosphère terrestre. Les rayons gamma sont utilisés expérimentalement par les physiciens pour leur capacité de pénétration et sont produits par un certain nombre de radioisotopes. Ils sont utilisés pour l’irradiation des aliments et des graines pour la stérilisation, et en médecine, ils sont parfois utilisés dans la radiothérapie du cancer., Plus couramment, les rayons gamma sont utilisés pour l’imagerie diagnostique en médecine nucléaire, un exemple étant la TEP. La longueur d’onde des rayons gamma peut être mesurée avec une grande précision grâce aux effets de la diffusion Compton.