Le rayonnement électromagnétique

Chaque rayonnement électromagnétique est défini par sa longueur d'onde (la distance entre deux crêtes successives de l'onde) ou sa fréquence (le nombre d'oscillations par seconde), qui sont inversement proportionnelles : plus la longueur d'onde est courte, plus la fréquence est élevée, et vice versa. Le produit de la longueur d'onde (λ) et de la fréquence (ν) est égal à la vitesse de la lumière (c) dans le milieu considéré (λ.ν = c).  . Les ondes électromagnétiques peuvent être polarisées linéairement, circulairement ou elliptiquement.

L'énergie transportée par l'onde est directement proportionnelle à sa fréquence, conformément à la relation d'Einstein-Planck (E = hν), où h est la constante de Planck. Cela signifie que les rayonnements de haute fréquence transportent plus d'énergie que ceux de basse fréquence.

Les ondes électromagnétiques

Les ondes radio.
Les ondes radio sont des ondes électromagnétiques de faible fréquence, situées en bas du spectre électromagnétique. Elles possèdent des longueurs d'onde relativement longues, allant de quelques millimètres à plusieurs kilomètres. Grâce à cette longueur d'onde, elles sont capables de pénétrer dans certaines substances comme le sol ou l'eau et sont largement utilisées pour la communication sans fil, notamment dans les téléphones mobiles, la radio, la télévision et les systèmes de navigation. Les ondes radio peuvent être captées et analysées pour étudier les phénomènes atmosphériques. Par exemple, les variations dans les conditions ionosphériques influencent la propagation des ondes radio, ce qui peut être utilisé pour surveiller les changements dans l'environnement atmosphérique, tels que les orages ou les ouragans. De plus, les émissions radio provenant de sources cosmiques, comme les pulsars ou les galaxies lointaines, permettent aux astronomes de mieux comprendre l'univers.

Les micro-ondes.
Les micro-ondes occupent une position plus élevée dans le spectre électromagnétique, avec des fréquences plus élevées que celles des ondes radio et des longueurs d'onde plus courtes. Leur capacité à générer de la chaleur lorsqu'elles sont absorbées par des molécules de matière, notamment l'eau, fait d'elles un outil précieux dans la cuisine moderne. Les micro-ondes sont aussi employées pour la transmission de données, et dans divers domaines de la technologie de communication. Bien que produites principalement par des dispositifs artificiels,elles  jouent un rôle important dans la compréhension de certains phénomènes naturels. Notamment, le fond diffus cosmologique, une signature des premiers temps de l'expansion du l'univers, est composé principalement de micro-ondes.  En outre, comme les micro-ondes sont absorbées par l'eau dans l'atmosphère, ce phénomène peut être utilisé pour mesurer la vapeur d'eau ou pour suivre les mouvements des nuages.

Le rayonnement infrarouge.
Le rayonnement infrarouge est situé encore plus haut dans le spectre électromagnétique, juste après le visible. Il correspond aux longueurs d'onde proches de la lumière visible mais invisibles à l'Å“il humain. Ce type de rayonnement est perçu par notre corps comme de la chaleur. C'est également utilisé dans des technologies comme la thermographie infrarouge, qui permet de détecter des variations de température, ou dans des dispositifs de chauffage infrarouge. Le rayonnement infrarouge est omniprésent dans la nature, car il est émis par tous les objets à température supérieure à zéro Kelvin.  Les objets chauds,à commencer par les êtres humains et les autres animaux, émettent naturellement du rayonnement infrarouge. Dans l'atmosphère terrestre, le rayonnement infrarouge joue un rôle clé dans le cycle de l'énergie et le climat global. Lorsque la Terre absorbe de l'énergie solaire, elle la restitue sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre, tels que le dioxyde de carbone et l'eau vaporisée, interceptent une partie de ce rayonnement infrarouge, ce qui contribue au réchauffement de la planète. De plus, les satellites et les instruments terrestres utilisent le rayonnement infrarouge pour surveiller la température de la surface terrestre, des océans et des couches atmosphériques, ainsi que pour détecter des événements météorologiques tels que les feux de forêt, les inondations ou les tempêtes.

La lumière visible.
La lumière visible représente la très petite portion du spectre électromagnétique, celle que l'oeil humain peut détecter (la rétine qui capte la lumière et l'envoie au cerveau pour interpréter les images). La lumière est par ailleurs essentielle à la à la photosynthèse. Elle se compose des différentes couleurs de l'arc-en-ciel, du rouge (basse fréquence) au violet (haute fréquence). La lumière peut être émise par les corps très chauds (d'une bûche en combustion dans la cheminée aux étoiles les plus lointaines...); certaines technologies, comme celles des diodes électroluminescentes (LED) permettent aussi la production de lumière. La lumière est utilisée pour l'éclairage, les écrans (LCD, LED et OLED) qui génèrent eux-mêmes de la lumière pour afficher des informations visuelles, les lasers, les fibres optiques qui permettent la transmission d'informations à grande vitesse sur de longues distances, etc. Les phénomènes d'optique, tels que la réfraction, la réflexion et la diffraction, expliquent comment la lumière se comporte lorsqu'elle traverse différents matériaux ou rencontre des obstacles.

Les rayonnements ultraviolets.
Les rayonnements ultraviolets (UV) ont des longueurs d'onde plus courtes que la lumière visible. Elles sont situées entre 10 nanomètres et 400 nanomètres. Ces rayonnements sont classifiés en trois bandes : UV-C (les plus énergétiques),
UV-B et UV-A (les moins énergétiques). Les UV sont produits par des sources telles que le Soleil et des lampes spécifiques. Ils ont une forte interaction avec les molécules biologiques.  Les UV-A et UV-B en particulier peuvent causer des dommages aux ADN des organismes vivants, augmentant le risque de mutations et de cancers. Cependant, en petites doses, ils stimulent la production de vitamine D dans le corps humain. Les UVB (entre 280 et 315 nm) affectent directement la photosynthèse en modifiant la structure des pigments chlorophylliens et en altérant la croissance des plantes. Certains organismes microbiens utilisent également les UV pour produire de la vitamine D.  Les UV-B jouent par ailleurs un rôle central dans la formation de l'ozone stratosphérique. Les photons UV-B brisent les molécules d'oxygène (O2) en atomes d'oxygène (O), qui se combinent ensuite pour former de l'ozone (O3). Cet ozone agit comme un bouclier protecteur contre les rayonnements UV plus nocifs

Les rayonnements X.
Les rayonnements X sont encore plus énergétiques et ont des longueurs d'onde comprises entre 0,01 et 10 nanomètres. Ils sont générés par des accélérations rapides de particules chargées, comme des électrons, ou par des transitions d'énergie d'électrons autour des noyaux atomiques dans des configurations spécifiques, notamment dans les rayons X provenant d'accélérateurs de particules. Les rayonnements X sont utilisés en médecine pour les radiographies et en astrophysique dans l'étude des environnements extrême. Les explosions de supernovae génèrent des rayonnements X intenses en raison de la fusion nucléaire explosive et de la décharge d'énergie massive. Les étoiles à neutrons, qui sont les résidus de supernovae, émettent également des rayonnements X en raison de leur magnétisme intense et de leurs champs gravitationnels puissants. Les particules accélérées par des champs magnétiques violents dans des régions autour des trous noirs ou dans les jets de galaxies actives peuvent aussi émettre des rayonnements X via un processus appelé rayonnement synchrotron. Les rayonnements X peuvent interagir avec l'hydrogène interstellaire, provoquant des transitions électroniques et modifiant ainsi la structure des nuages d'hydrogène.

Les rayonnements gamma.
Les rayonnements gamma, quant à eux, sont les plus énergétiques du spectre électromagnétique, avec des longueurs d'onde inférieures à 0,01 nanomètre. Ils sont émis lors de transformations nucléaires, comme dans les réactions de fission ou de fusion nucléaire, ou lors de transitions d'énergie extrêmement élevées dans les noyaux atomiques. Les rayonnements gamma, l'un des composantes de la rédioactivité, sont produits par exemple lors de la fission nucléaire. Ces rayonnements sont particulièrement destructeurs pour les matériaux et les organismes vivants, car ils peuvent briser les molécules organiques et endommager l'ADN. En médecine, ils sont utilisés pour traiter certains types de cancers grâce à leur capacité à détruire les cellules cancéreuses. Les rayonnements gamma, étant les plus énergétiques, sont associés à des phénomènes extrêmement violents et énergétiques. Les explosions de supernovae produisent des rayonnements gamma de très haute énergie. Ces rayonnements peuvent aussi être émis lors d'éruptions solaires massives, connues sous le nom de "jets gamma". Les rayonnements gamma sont aussi émis lors de collisions violentes lors de l'accrétion de matière autour de trous noirs supermassifs. Les rayonnements gamma (comme aussi les rayons X) sont également une composante importante des rayons cosmiques, qui atteignent la Terre et peuvent interagir avec les molécules de l'atmosphère, provoquant des cascades de particules secondaires. Ces rayonnements permettent aux astronomes d'étudier les environs immédiats des trous noirs. Les noyaux actifs de galaxies, où des trous noirs supermassifs absorbent massivement de la matière, émettent des rayonnements gamma violents. Ces rayonnements sont observés par des télescopes spécialisés et fournissent des informations cruciales sur l'évolution des galaxies. 

La production et la propagation des ondes électromagnétiques.
La production de rayonnement électromagnétique est généralement due à l'accélération de charges électriques. 

Une charge accélérée (ou un courant variable) produit un champ magnétique qui varie dans le temps. Selon la loi de Faraday (rotationnel de E), ce champ magnétique variable induit un champ électrique. À son tour, ce champ électrique changeant crée, via la loi d'Ampère-Maxwell rotationnel de B avec le terme de déplacement)., un champ magnétique. Ce couplage entre les deux champs forme une boucle de rétroaction. Ces champs oscillants, perpendiculaires l'un à l'autre et à la direction de propagation, s'entretiennent mutuellement dans l'espace même en l'absence de charges. 

Mathématiquement, les équations de Maxwell permettent de dériver une équation d'onde pour chacun des champs. En l'absence de charges et de courants (dans le vide), ces équations se simplifient et conduisent à deux équations d'ondes indépendantes pour le champ électrique E et le champ magnétique B. Ces équations montrent que chaque champ obéit à une propagation ondulatoire, avec une vitesse donnée par c=1/μ0ε0, où μ0 est la perméabilité dans le vide (constante magnétique) du vide et ε0​ sa permittivité dans le vide (constante électrique).

Dans le cas d'une onde électromagnétique plane se propageant dans une direction donnée, par exemple selon l'axe x, le champ électrique est perpendiculaire à la direction de propagation, par exemple orienté selon y, tandis que le champ magnétique est perpendiculaire à la fois à x et à y, donc orienté selon z. Les champs E et B sont donc orthogonaux entre eux et à la direction de propagation. De plus, ils ont la même fréquence et leurs amplitudes varient de manière sinusoïdale en fonction du temps et de la position. La relation entre les champs est donnée par B= E/c​, en module, dans le cas d'une onde plane dans le vide. 

Si l'on note {E, B} le champ électromagnétique, l'équation de propagation de l'onde électromagnétique est ∆ {E, B} = (1/c²)∂²{E, B}/∂t², ou  ∆ est l'opérateur laplacien (dérivée partielle seconde en un point de l'espace).

Densité et flux d'énergie transportée.
L'énergie transportée par une onde électromagnétique se répartit entre l'énergie du champ électrique et l'énergie du champ magnétique. L'énergie par unité de volume associée au champ électrique est donnée par uE = 1/2(ε0E²), où ε0 est la constante électrique (permittivité du vide) et E l'amplitude du champ E. De même, l'énergie par unité de volume associée au champ magnétique est donnée par : uB = 1/2 (B²/ µ0), où  µ0​ est la constante magnétique (perméabilité du vide) et B l'amplitude du champ magnétique B. L'énergie totale est alors u = uE+ uB. En notant que, pour une onde plane en régime harmonique, les intensités des champs électrique et magnétique sont liés par la relation  B= E/c (où c est la vitesse de la lumière), et que ε0.µ0 = 1/c², on obtient l'énergie totale transportée par unité de volume par une onde électromagnétique est : u = ε0E².

Le flux d'énergie transportée par l'onde électromagnétique est donné par le vecteur Poynting S = (1/µ0)EΛB. Ce vecteur indique la direction dans laquelle l'énergie électromagnétique se propage, et sa norme correspond à la densité de puissance (énergie par unité de surface et par unité de temps) transportée par le champ. Par exemple, pour une onde électromagnétique plane dans le vide, S pointe dans la direction de propagation de l'onde. Le vecteur de Poynting est également utilisé pour exprimer la conservation de l'énergie électromagnétique à travers le théorème de Poynting, qui relie la variation de l'énergie stockée dans le champ à l'énergie transférée vers l'extérieur et à celle dissipée dans un matériau. 

Polarisation du rayonnement électromagnétique.
La direction de vibration des champs électrique et magnétique qui composent l'onde électromagnétique définissent la polarisation de celle-ci. Plus précisément, la polarisation se réfère à la direction spécifique de vibration du champ électrique, car cette direction détermine comment la lumière interagit avec divers matériaux ou structures.

Dans le cas d'une onde électromagnétique non polarisée, les oscillations du champ électrique se produisent dans toutes les directions perpendiculaires à la direction de propagation, de manière aléatoire et indépendante. Cela se produit généralement dans des sources lumineuses naturelles comme une lampe à incandescence ou le Soleil, où les émissions proviennent de nombreux émetteurs indépendants et non corrélés. Lorsque cette lumière traverse un filtre polarisant, une partie de l'intensité lumineuse est bloquée, laissant passer seulement les ondes électromagnétiques qui vibrent dans une direction spécifique par rapport au filtre. Une onde électromagnétique polarisée, en revanche, présente des vibrations du champ électrique dans une direction préférentielle et cohérente. La polarisation d'une onde électromagnétique peut être de divers types (polarisation linéaire, circulaire, elliptique) .

La polarisation d'une onde lumineuse peut être manipulée et analysée à l'aide de divers dispositifs, tels que des filtres polarisants, des analyseurs de polarisation et des convertisseurs de polarisation. Ces outils sont couramment utilisés en optique pour étudier les propriétés des matériaux, analyser les images, et optimiser les communications optiques.

Les interactions avec la matière

Les formes d'interaction.
Trois types d'interactions principales peuvent alors survenir :

ʉۢ Absorption. - Les ondes ̩lectromagn̩tiques peuvent ̻tre absorb̩es par les mat̩riaux, ce qui transforme leur ̩nergie en chaleur. Cela se produit lorsque les fr̩quences des ondes correspondent aux niveaux d'̩nergie des mol̩cules ou des atomes du mat̩riau.

 â€¢ Réflexion . - Les ondes peuvent être réfléchies par les surfaces des matériaux, en particulier ceux qui sont conducteurs ou semi-conducteurs. La réflexion est maximale pour les ondes incidentes perpendiculaires à la surface.

ʉۢ Transmission. - Certaines ondes peuvent traverser les mat̩riaux sans ̻tre totalement absorb̩es ou r̩fl̩chies. La proportion de transmission d̩pend de la nature du mat̩riau et de la fr̩quence des ondes.

Le comportement quantique.
La description ondulatoire du rayonnement électromagnétique est généralement  appropriée pour étudier les phénomènes de propagation, d'interférence et de diffraction, mais elle se montre incapable de rendre compte de certains phénomènes qui impliquent des interactions du rayonnement avec la matière, comme l'absorption ou l'émission. 

A la fin du XIX^e, l'analyse de deux phénomènes impliquant le rayonnement électromagnétique (le rayonnement du corps noir et l'effet photoélectrique) mettait ainsi échec la conception selon laquelle le rayonnement électromagnétique peut être simplement compris comme une onde. 

• En 1900, Max Planck a été ainsi conduit, pour expliquer le spectre du corps noir, à introduire l'idée que les oscillateurs sources du rayonnement du rayonnement n'émettent ou n'absorbent l'énergie que de manière discontinue (par quanta d'énergie). A partir de là, il a pu a pu établir une loi cohérente avec l'expérience, posant ainsi les bases de la physique quantique moderne.

• En 1905, Albert Einstein, a utilisé l'hypothèse de Planck pour expliquer l'effet photoélectrique, dans lequel des électrons sont éjectés d'un matériau sous l'effet de la lumière. La manière dont cela se produit  ne peut être comprise que si l'on considère que la lumière transfère son énergie, non pas comme une onde continue, sous forme  discontinue, selon des quanta d'énergie ou photons. 

Bien que le rayonnement électromagnétique puisse se propager comme une onde, ses interactions avec la matière révèlent un comportement corpusculaire. Cette dualité est affirmée de manière frappante par la relation de d'Einsteine (ou de Planck-Einstein), selon laquelle chaque photon (corpuscule)  possède une énergie E proportionnelle à la fréquence de l'onde électromagnétique associée : 

E = hν

Production quantique du rayonnement électromagnétique.
Considéré à l'échelle atomique et subatomique, le rayonnement électromagnétique peut être produit de diverses manières.

 â€¢ Le rayonnement électromagnétique est couramment émis (et absorbé) lors de transitions énergétiques au sein des atomes, des molécules ou des noyaux. Lorsqu'un électron dans un atome passe d'un niveau d'énergie plus élevé à un niveau plus bas, il émet un photon dont l'énergie correspond à la différence entre les deux niveaux. Ce phénomène est à l'origine des spectres d'émission discrets observés pour les atomes. Inversement, l'absorption d'un photon peut exciter un système en élevant un électron vers un niveau d'énergie supérieur. 

 â€¢ Une autre manière de produire du rayonnement consiste à modifier la vitesse (en module ou en direction) d'une charge en mouvement : l'énergie d'une charge décélérée est émise sous la forme d'un rayonnment appelé bremsstrahlung (ou rayonnement continu de freinage); l'énergie d'une charge dont la trajectoire est courbée est cédée sous la forme d'un rayonnement appelé rayonnement synchrotron. On a dans ce cas un rayonnement dont les fréquence s'étendent se façon continue sur un certain domaine du spectre électromagnétique (en foncttion des énergies impliquées). 

 â€¢ Le rayonnement électromagnétique peut aussi être produit lors de processus nucléaires, par exemple lors de la désintégration d'un noyau, la désexcitation de celui-ci conduira à l'émission d'énérgie, sous la forme de photons gamma (radioactivité gamma).