Rayonnement électromagnétique - Définition

Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.

Le rayonnement électromagnétique a comme vecteur le photon, particule dépourvue de masse. Le photon est le boson associé à la force électromagnétique.

En physique classique, il est décrit sous la forme d'une onde électromagnétique correspondant à la propagation d'un champ magnétique et d'un champ électrique (l'un étant perpendiculaire à l'autre) en ligne droite à partir d'une source constituée par un mouvement alternatif de charges électriques.

L'onde électromagnétique et le photon

La lumière désigne un rayonnement électromagnétique visible par l'œil humain. Les ondes radio, les rayons X et γ sont également des rayonnements électromagnétiques.

Du fait de la dualité onde-corpuscule, les rayonnements électromagnétiques peuvent se modéliser de deux manières :

• onde électromagnétique : le rayonnement est une variation des champs électriques et magnétiques ; l'analyse spectrale permet de décomposer cette onde en ondes monochromatiques de longueurs d'onde λ et fréquences différentes ν ;
• photon : la mécanique quantique associe à une radiation électromagnétique monochromatique un corpuscule de masse nulle nommé photon dont l'énergie est :

E = hν

où h est la constante de Planck.

L'impulsion p du photon est égale à p = E / c = hν / c.

L'énergie des photons d'une onde électromagnétique se conserve lors de la traversée de différents milieux transparents (par contre, une certaine proportion de photons peut être absorbée).

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

La longueur d'onde est égale à :

c_ν étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré pour la fréquence ν, avec c_ν = c / n_ν (n_ν étant l'indice de réfraction de la lumière monochromatique de fréquence ν dans le milieu considéré).

La constatation, à la fin du XIX^e siècle, que la vitesse de la lumière dans le vide ne dépend pas du référentiel a conduit à l'élaboration de la théorie de la relativité restreinte.

Propriétés

• Tout corps à une température supérieure à 0 kelvin (zéro absolu, soit -273,15°C) émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement thermique.
• Un corps qui reçoit un rayonnement électromagnétique peut en réfléchir une partie et absorber le reste. L'énergie absorbée est convertie en énergie thermique et contribue à l'augmentation de la température de ce corps.
• Une particule chargée de forte énergie émet un rayonnement électromagnétique :
  • quand elle est déviée par un champ magnétique : c'est le rayonnement synchrotron ; ce rayonnement synchrotron est utilisé comme source de rayons X pour de nombreuses expériences de physique et de biologie (lignes de lumières autour d'un synchrotron) ;
  • lorsqu'elle pénètre dans un milieu différent : c'est le " rayonnement continu de freinage " ;
• L'absorption d'un photon peut provoquer des transitions atomiques, c'est-à-dire d'exciter un atome dont l'énergie augmente par la modification de l'orbitale d'un de ses électrons.
• Lorsqu'un atome excité revient à son état d'énergie fondamental, il émet un photon dont l'énergie (et donc la fréquence) correspond à une différence entre deux états d'énergie de l'atome.
• 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, comme celles de fission, de fusion et de désintégration, s'accompagnent souvent d'une émission de photons de grande énergie appelés rayons γ.

Spectre électromagnétique

Un spectre électromagnétique est la décomposition d'un 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.

classement des ondes électromagnétiques par longueur d'onde, fréquence et énergie des photons

Pour des raisons historiques, les ondes électromagnétiques sont désignées par différents termes, en fonction des gammes de fréquence (ou de longueur d'ondes). Par longueur d'onde décroissante, ce sont :

• les ondes radio et les ondes radar sont produites par des courants électriques haute fréquence ;
• les ondes infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet sont produits par des transitions électroniques dans les atomes, concernant les électrons périphériques, ainsi que par le rayonnement thermique ; les ondes ultraviolettes ont des effets sur la peau (bronzage, coups de soleil, cancer de la peau) ;
• les rayons X sont produits lors des transitions électroniques. Ils sont par exemple générés par radioactivité (photons de fluorescence émis lors de la réorganisation du cortège électronique d'un atome), par freinage d'électrons (tube à rayons X) ou par rayonnement synchrotron (par déviation de faisceau d'électrons relativistes). Du fait de leur faible longueur d'onde, ils diffractent sur les cristaux ; les rayons X durs correspondent à des photons de plus haute énergie, et les rayons X mous à des photons de plus faible énergie ;
• le rayonnement γ est produit par la radioactivité lors de la désexcitation d'un noyau. Ils sont donc en particulier émis par les matériaux radioactifs et les réacteurs nucléaires.