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). 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.

L'ensemble de tous les types de rayonnements électromagnétiques, classés par fréquence ou longueur d'onde, forme le spectre électromagnétique. Ce spectre est continu et couvre une gamme immense, allant des ondes radio de très basse fréquence et longue longueur d'onde aux rayons gamma de très haute fréquence et courte longueur d'onde. Entre ces extrêmes, on trouve les micro-ondes, le rayonnement infrarouge, la lumière visible, le rayonnement ultraviolet, les rayons X et le rayonnement gamma. Chaque région de ce spectre possède des propriétés distinctes et des applications variées.

Les ondes radio ont les plus longues longueurs d'onde et les plus basses fréquences. Elles sont utilisées pour la radiodiffusion, la télévision, les communications sans fil et la radioastronomie. Les micro-ondes, un peu plus énergétiques, sont couramment utilisées dans les fours à micro-ondes, les communications (téléphonie mobile, Wi-Fi) et les radars. Le rayonnement infrarouge est associé à la chaleur; il est émis par tous les corps ayant une température supérieure au zéro absolu et sert à la vision nocturne, aux télécommandes et aux applications médicales.

La lumière visible représente une très petite portion du spectre électromagnétique, celle que l'oeil humain peut détecter. Elle se compose des différentes couleurs de l'arc-en-ciel, du rouge (basse fréquence) au violet (haute fréquence). Elle est essentielle à la vision et à la photosynthèse. Au-delà du violet se trouve le rayonnement ultraviolet (UV), plus énergétique que la lumière visible. L'exposition excessive aux UV, notamment ceux provenant du Soleil, peut causer des coups de soleil et endommager l'ADN. Ils sont utilisés pour la stérilisation et le bronzage artificiel.

Les rayons X sont beaucoup plus énergétiques que les UV et peuvent traverser la matière molle, ce qui les rend utiles pour l'imagerie médicale (radiographies) et l'inspection de matériaux. Ils sont produits par le freinage rapide d'électrons de haute énergie ou par des transitions électroniques dans les atomes lourds. Les rayons gamma, les plus énergétiques de tous les rayonnements électromagnétiques, sont produits par des transitions nucléaires ou des processus cosmiques extrêmes. Ils sont très pénétrants et sont utilisés en médecine (radiothérapie) et dans l'industrie (stérilisation, contrôle non destructif).

La production de rayonnement électromagnétique est généralement due à l'accélération de charges électriques. Par exemple, les ondes radio sont produites par des courants oscillants dans les antennes, la lumière visible par les transitions d'électrons dans les atomes ou molécules (comme dans les LED ou les filaments chauffés), les rayons X par l'arrêt brutal d'électrons de haute énergie, et les rayons gamma par les désintégrations nucléaires. La détection du rayonnement se fait par des instruments spécifiques à chaque gamme de fréquence, qui exploitent l'interaction de l'onde avec la matière (absorption, réflexion, émission secondaire, etc.).

Le rayonnement électromagnétique a une nature duale. Bien qu'il se propage sous forme d'ondes, il peut également interagir avec la matière sous forme de particules discrètes d'énergie appelées photons. La théorie quantique de l'électromagnétisme, l'électrodynamique quantique (QED), décrit cette dualité et explique des phénomènes comme l'effet photoélectrique, où un photon de lumière peut éjecter un électron d'un atome. La description ondulatoire est généralement plus appropriée pour les phénomènes de propagation, d'interférence et de diffraction, tandis que la description corpusculaire est plus pertinente pour les interactions avec la matière, comme l'absorption ou l'émission.