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Le spectre électromagnétique de la lumière



Les concepts de lumière et de vision sont tellement liés entre eux dans l'usage courant que l'idée de "lumière invisible" semble à première vue contradictoire. Pourtant, la découverte que la lumière est un phénomène physique plus vaste que ce que l'oeil humain peut détecter constitue une des étapes les plus importantes de l'histoire de l'astronomie. La lumière visible n'est qu'une petite partie de ce qu'on appelle aujourd'hui le spectre électromagnétique.

  La découverte du spectre électromagnétique et les explications  

Pour comprendre cette notion, faisons un petit saut en arrière. Tout d'abord, il faut connaître la nature de la lumière. Pour Newton elle était une particule mais Thomas Young démontra par de multiples expériences au début du XIXè siècle que la lumière réagissait comme une onde et calcula ainsi sa longueur d'onde qui est d'environ 500nm, rendant compte de ce fait de tous les phénomènes connus à l'époque. Cette théorie fut remise en cause au tournant du XXè siècle, lorsque de nouvelles expériences montrèrent que, dans certaines situations, la lumière se comportait bel et bien comme un faisceau de particules !

Aujourd'hui, l'explication de la nature de la lumière relève d'une théorie (mécanique quantique) pour laquelle elle est à la fois une onde et une particule ; c'est pourquoi on parle de la dualité onde-particule.

Une fois que l'on eut réalisé que la lumière possédait une longueur d'onde, on se rendit compte que c'est justement celle-ci qui en détermine la couleur. Le tableau ci-dessous indique les longueurs d'ondes visibles à l'oeil nu.
Couleur Longueur d'onde (en nm)
Rouge 700
Orange 650
Jaune 600
Vert 550
Bleu 500
Violet 450

L'oeil humain n'est sensible à la lumière que dans l'intervalle de longueurs d'onde compris entre 400 nm et 700 nm. Mais existe-t-il des longueurs d'onde plus grandes ou plus petites ? Cette question laisse entrevoir la possibilité de l'existence de lumière invisible, possibilité vérifiée grâce aux travaux de James Clerk Maxwell en 1865.

Un rayonnement, ou onde, électromagnétique est occupé par un champ électrique et un champs magnétique orientés à angle droit par rapport à la direction de l'onde (Cliquez pour agrandir [32ko])Maxwell est considéré comme le Newton de l'électricité et du magnétisme. En 1865, il formula une grande synthèse de tous les phénomènes électriques et magnétiques, les fameuses "équations de Maxwell". En combinant ces équations, il réussit à montrer qu'un champ électrique variable produit un champ électromagnétique variable qui en retour produit un champ électrique variable ; le résultat est une onde qui se déplace à la vitesse de la lumière et qui a toutes les propriétés de la lumière. Maxwell en conclut que la lumière est une onde électromagnétique, et qu'il n'y a aucune raison de limiter la longueur d'onde de celle-ci à l'intervalle correspondant au spectre de la lumière visible. En 1888, Heinrich Hertz réussit à l'aide d'un circuit électromagnétique à procuire des ondes électromagnétiques dont la longueur était un million de fois plus grande que celle de la lumière visible. On donna le nom d'onde radio à cette sorte de lumière invisible. Depuis, on a pu observer des ondes électromagnétiques dont la longueur varie entre 10-16 m et plusieurs milliers de kilomètres.

Les différentes catégories de lumière (cliquez pour agrandir [49 ko])Le spectre électromagnétique, qui regroupe toutes les catégories de lumière, est présenté à l'image ci-contre.

Les différentes régions du spectre se caractérisent par la longueur des ondes, mais aussi par leur fréquence (symbole : f), définie comme le nombre d'oscillations qui passent par un point donné en une seconde. L'unité de fréquence est le hertz (en l'honneur du découvreur des ondes radio ; 1 Hz = 1 oscillation par secondes). Plus la longueur d'onde est petite, plus les oscillations sont rapprochées, et plus la fréquence est grande (on parle alors de haute fréquence). La fréquence est donc inversement proportionnelle à la longueur d'onde.

  Les différentes catégories de rayonnement  

Voici une brève description des différentes catégories de lumière que l'on retrouve dans le spectre électromagnétique, par ordre croissant d'énergie.

  Ondes radio  

La taille d'une antenne réceptrice dépend de la longueur d'onde des ondes radioLe son est une onde qui se propage dans l'air ; toutefois, les ondes qui transportent les émissions radio de l'antenne émettrice à votre poste récepteur ne sont pas des ondes sonores. Une antenne radio émettrice produit de la lumière tout comme un néon ; la différence, c'est qu'il s'agit d'ondes de type radio, un genre d'ondes que nos yeux ne peuvent percevoir -- pas plus que nos oreilles, d'ailleurs ! Les ondes radio ont une longueur de l'ordre du mètre, ce qui correspond à une fréquence de l'ordre de 100 millions de hertz. Elles sont déformées selon un code qui représente le son ou l'image qu'elles ont pour mission de véhiculer. Un récepteur capte les ondes puis décode le signal, transformant les déformations -- ou modulations -- d'amplitude pour les ondes AM, de fréquence pour les ondes FM et la télévision) en une reproduction plus ou moins fidèle du son ou de l'image originale.

  Micro-ondes  
Oscillation de la molécule d'eau au passage des micro-ondes (Cliquez pour agrandir [12ko])
Le four à micro-ondes (Cliquez pour agrandir [27ko])

Surprise ! Les micro-ondes qui s'activent dans nos fours sont parmi les ondes lumineuses qui ont le moins d'énergie ; en fait, elles ont moins d'énergie que les ondes infrarouges ou visibles qui se dégagent de l'élément chauffant d'un four conventionnel. Leur extraodinaire efficacité est due à un effet à la fois subtil et violent qu'on nomme la résonnance. Ce que nous mangeons contient une très grande proportion d'eau. Or les molécules d'eau possèdent une fréquence propre qui correspond à celle des micro-ondes. Lorsqu'elles sont "secouées" par les micro-ondes, elles entrent en résonnance, c'est-à-dire que leur mouvement est démultiplié. La température d'un objet étant une mesure du niveau d'agitation de ses molécules, les micro-ondes augmentent ainsi la température de l'eau contenue dans les aliments.

  Infrarouge  

Les couleurs des photographies sensibles aux IR (thermographies) reflètent des températures différentes (le jaune étant le plus chaud et le bleu le plus froid)Cette catégorie d'ondes invisibles de faible énergie est connue de tous, entre autres par l'application qu'en font certaines chaînes de restauration rapide : lorsque votre frite est prête avant que votre hamburger soit cuit, on la fait "patienter" sous de petites ampoules oranges qui ont la propriété de la garder bien au chaud. Bien qu'elles émettent une certaine quantité de lumière visible, ces ampoules émettent sutout de l'infrarouge, que l'on associe en général à la chaleur (bien que la lumière visible crée aussi une sensation de chaleur). Les applications de ce type de lumière ne se limitent pas à l'industrie de la restauration. La technologie militaire a développé des lunettes spéciales permettant de "voir" la radiation infrarouge. Etant donné que tout objet porté à une température comparable à celle du coprs humain est une important source de chaleur et donc d'infrarouge, les soldats peuvent jouer à la guerre en pleine nuit...

  Lumière visible  

Un arc en ciel : résultat de la décomposition de la lumière du Soleil par des gouttes d'eauCe qui pour les Anciens était la lumière ne représente qu'une infime partie du spectre électromagnétique. Les couleurs qui la composent vont du rouge (qui correspond au minimum d'énergie), jusqu'au bleu et au violet (énergie maximale), en passant par le jaune et le vert. Cette lumière n'a rien de très particulier sauf le fait, fort important pour nous qu'elle excite des réactions photochimiques dans nos organes de visions : les yeux. C'est aussi -- et ce n'est peut-être pas un hasard -- la sorte de lumière que notre Soleil émet le plus.

  Ultraviolet  

Trop d'UV abîme les yeux et cause des cancers de la peauCette sorte de lumière invisible est bien connue des adeptes du bronzage et des fabricants de crème solaire. Ses photons ont l'énergie requise pour provoquer sur notre peau une réaction chimique qui en modifie la couleur. Le bronzage est en effet un mécanisme de défense de notre corps contre l'attaque des rayons ultraviolets.

  Rayons X  

Sur une radiographie, les parties les plus denses du corps apparaissent.Découvertes en 1895, ces ondes électromagnétiques ont la propriété de traverser notre corps sans trop de difficulté. La radiographie médicale est basée sur le fait que les os sont une peu plus opaques aux rayons X que la chair. Cette façon de voir l'intérieur du corps a fait la joie des acheteurs et des vendeurs de souliers jusqu'au milieu des années 50. On offrait au client la possibilité de voir jusqu'à quel point son pied était (ou n'était pas ?) adapté à tel ou tel soulier ! Cette pratique est interdite depuis qu'on a réalisé que l'énergie élevée des rayons X pouvait entraîner quelques dégâts. En nous traversant, les rayons X ionisent au passage plusieurs atomes de notre corps, ce qui peut -- en cas d'exposition très fréquente -- causer des mutations génétiques et des cancers. Il n'en reste pas moins que l'utilisation des rayons X a rendu -- et rend encore -- de grands services à la médecine : à choisir, une dose contrôlée de rayons X est tout de même préférable à un coup de scalpel !

  Rayons gamma  

Les rayons gamma sont utilisés en médecine pour tuer les cellules cancéreuses et stériliser le matériel médicalCette sorte de lumière, la plus énergétique qui soit, est émise lors des phénomènes entraînant la disparition de matière qui se produisent au cours d'une réaction nucléaire -- une réaction mettant en jeu le noyau des atomes. La fréquence des rayons gamma est limitée à un plateau au-delà duquel la lumière ne peut tout simplement plus exister. En effet, au-delà d'une certaine énergie, les photons de lumière gamma se transforment en particules de matière, selon la fameuse équation d'Einstein, E = mc2.


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Auteur : Hoijeon (texte) et Didier Walliang (mise en page)
Date de création : 30/06/00
Date de la dernière modfication : 30/06/00
Source : "Astronomie et Astrophysique" de par Marc SEGUIN et Benoît VILLENEUVE


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