Spectre électromagnétique

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Le spectre électromagnétique est la description de l'ensemble des rayonnements électromagnétiques classés par fréquence, longueur d'onde ou énergie[1]. Le spectre électromagnétique s'étend théoriquement de zéro à l'infini en fréquence (ou en longueur d'onde), de façon continue. Pour des raisons tant historiques que physiques, on le divise en plusieurs grandes classes de rayonnement, qui s'étudient par des moyens particuliers à chacune d'entre elles.

Domaines du spectre électromagnétique 14122013.JPG

La spectroscopie ou spectrométrie est l'étude expérimentale des spectres électromagnétiques par des procédés, d’observation et de mesure avec décomposition des radiations en ondes monochromatiques. La spectroscopie s'intéresse en général au spectre d'absorption ou au spectre d'émission d'un objet.

Histoire[modifier | modifier le code]

Jusqu'au XIXe siècle, la seule partie du spectre électromagnétique qui était connue était le spectre visible ou spectre optique. Si le phénomène d'arc-en-ciel était connu des premiers humains, ce n'est qu'au XVIIe siècle que Newton a mis en évidence le fait que la lumière blanche peut être décomposée en diverses couleurs.

Le terme spectre, signifiant « apparence immatérielle », « illusion » s'appliquait, au XVIIe siècle, à tous les phénomènes optiques qu'on ne s'expliquait pas. Synonyme de couleur accidentelle, il servait pour les impressions rétiniennes du contraste simultané ou successif aussi bien que pour les irisations vues au bord d'un objet regardé à travers un prisme[2]. Newton l'employa une seule fois pour présenter ses expériences en optique dans son article de 1671[3]. Ayant expliqué que la lumière blanche est « un mélange hétérogène de rayons différemment réfrangibles » (op. cit., p. 3079) et que les couleurs ne sont pas des qualifications de la lumière, comme on l'estimait depuis Aristote, mais des propriétés originales, différentes dans chaque rayon ; que les moins réfrangibles sont de couleur rouge, et les plus réfrangibles sont d'un violet profond, et cette association de propriétés ne peut être brisée par aucun moyen (op. cit., p. 3081) ; que les transmutations de couleurs ne se produisent que lorsqu'il y a mélange de rayons. Ce sont ces couleurs de mélange, et non celles séparées par le prisme, qui sont illusoires, fugaces et apparentes. Dès lors, Newton utilise toujours l'expression « couleurs prismatiques », laissant le spectre pour les phénomènes douteux ou inexpliqués. Mais l'usage d'appeler ces couleurs « spectrales » persiste, alimenté et promu par les opposants à la théorie physique de la lumière comme Goethe[4] suivi par Schopenhauer[5].

Ce n'est qu'en 1800 que William Herschel découvre de façon plutôt fortuite l'existence d'une radiation lumineuse non-visible, le rayonnement infrarouge. L'année suivante, le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter prolonge le spectre électromagnétique connu du côté des courtes longueurs d'onde en mettant en évidence l'existence du rayonnement ultraviolet.

L'interprétation de la lumière comme la propagation d'une onde électromagnétique est due à James Clerk Maxwell dans les années 1860, qui prédit également l'existence d'ondes électromagnétiques de toutes les fréquences possibles, se déplaçant toutes dans le vide à la vitesse de la lumière c. Les travaux du physicien Heinrich Hertz permettent la découverte en 1886 des ondes hertziennes, dites aussi ondes radio, qui étendent encore le spectre électromagnétique en deçà de l'infrarouge dans le domaine des basses fréquences ou des grandes longueur d'onde. Les expériences sur les tubes électroniques permettent à Wilhelm Röntgen de mettre en évidence l'existence d'un nouveau type de rayonnement, de plus courte longueur d'onde que l'ultraviolet, les rayons X.

La dernière portion du spectre électromagnétique, les rayons gamma, commence à être explorée au début du XXe siècle avec les travaux de Paul Villard et William Henry Bragg.

Grandeurs physiques caractéristiques[modifier | modifier le code]

Présentation[modifier | modifier le code]

Un rayonnement électromagnétique peut se considérer soit comme une onde progressive, soit comme un ensemble de particules.

Si on le considère comme une onde, on peut le décomposer, selon la transformation de Fourier, en une somme d'ondes monochromatiques, dont chacune est entièrement décrite par deux grandeurs physiques :

  1. son amplitude,
  2. sa fréquence ou sa longueur d'onde, grandeurs corrélées par la célérité de l'onde.

Si on le considère comme un ensemble de particules, chacune d'entre elles est entièrement décrite par son énergie. La répartition des énergies et leur somme obéissent aux lois statistiques.

unités
  • la fréquence, notée f ou \nu, s'exprime en Hertz (Hz) dans le SI;
  • la longueur d'onde dans le vide (ceci est toujours sous entendu par la suite), notée \lambda, s'exprime en unités de longueur (en mètres (m) dans le SI);
  • l'énergie des photons, notée E, s'exprime en joules (J) dans le SI, mais aussi couramment en électron-volt (1 eV = 1,60217653×10-19 J).

Relations[modifier | modifier le code]

Pour une propagation de la lumière dans le vide on passe d'une grandeur à l'autre par les relations suivantes :

  • \nu = \frac 1T
  • \lambda = c\cdot T =\frac{c}{\nu}
  • E = h\cdot\nu = \frac hT = \frac{h\cdot c}{\lambda}

Dans ces relations,
h est la constante de Planck : h6,62606957×10-34 J⋅s4,1343359×10-15 eV⋅s
c est la vitesse de la lumière dans le vide c = 299 792 458 m⋅s-1 (cette valeur est exacte, du fait de la définition actuelle du mètre).

Utilisation[modifier | modifier le code]

On caractérise habituellement les ondes radio par la fréquence, qui s'applique aussi bien aux circuits des appareils qu'on utilise pour les produire.

Quand les fréquences croissent, les longueurs d'onde correspondantes se raccourcissent jusqu'à devenir du même ordre de grandeur que les appareils, et deviennent le paramètre d'utilisation le plus courant.

Au-delà d'une certaine limite, on utilise principalement des instruments d'optique, tout comme pour la lumière, et la longueur d'onde dans le vide devient la caractéristique la plus commode. Elle joue directement dans le calcul des interférences dans les réseaux de diffraction et dans beaucoup d'autres applications.

À partir des rayons X, les longueurs d'ondes sont rarement utilisées : comme on a affaire à des particules très énergétiques, l'énergie correspondant au photon X ou γ détecté est plus utile.

Domaines du spectre électromagnétique[modifier | modifier le code]

Domaines du spectre électromagnétique.svg
Domaines du spectre électromagnétique
Nom Longueur d'onde(m) Fréquence(Hz) Énergie du photon (eV)
Rayon gamma < 10 pm > 30 EHz > 124 keV
Rayon X 10 pm – 10 nm 30 EHz – 30 PHz 124 keV – 124 eV
Ultraviolet 10 nm – 390 nm 30 PHz – 750 THz 124 eV – 3,2 eV
Visible 390 nm – 750 nm 770 THz – 400 THz 3,2 eV – 1,7 eV
Infrarouge 750 nm – 0,1 mm 400 THz – 3 THz 1,7 eV – 12,4 meV
Térahertz / submillimétrique 0,1 mm - 1 mm 3 THz - 300 GHz 12,4 meV - 1,24 meV
Micro-ondes 1 mm - 1 m 300 GHz - 300 MHz 1,24 meV - 1,24 μeV
Ondes radio 1 m – 100,000 km 300 MHz3 Hz 1,24 μeV – 12,4 feV

On découpe habituellement le spectre électromagnétique en divers domaines selon la longueur d'onde et le type de phénomène physique émettant ce type d'onde[6].

  • Ondes radioélectriques ou ondes hertziennes : Oscillations d'électrons au sein d'un circuit électrique comme une antenne.
  • Micro-ondes : Oscillations d'électrons au sein de composants électriques spécifiques (comme une diode Gunn par exemple), rotation moléculaire.
  • Térahertz (domaine sub-millimétrique, limite micro-ondes / infrarouge lointain) : niveaux de vibration de molécules complexes.
  • Infrarouge : Oscillations de particules, vibration moléculaire, transitions d'électrons de valence au sein d'atomes ou de molécules.
  • Lumière visible : Transitions d'électrons de valence de haute énergie, qui ont la particularité d'être détectées par l'œil humain.
  • Ultraviolet: Transitions d'électrons de valence d'atomes ou de molécules de plus haute énergie encore, et donc non observables par l'œil humain.
  • Rayons X : Transitions d'électrons des couches profondes au sein d'un atome, accélération ou décélération (bremsstrahlung) d'électrons libres de haute énergie.
  • Rayons gamma : transitions au sein du noyau atomique, souvent émis lors de la désexcitation de noyaux-fils issu de la désintégration radioactive d'un noyau instable, de façon spontanée ou sous l'effet d'une accélération au sein d'un accélérateur de particules.

Le découpage détaillé en bandes de fréquence selon les normes de l'IUT se trouve dans le paragraphe "Usages et classification" ci-dessous.

Spectre lumineux[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Spectre visible.
Le domaine visible du spectre électromagnétique

La lumière blanche peut se décomposer en arc-en-ciel à l'aide d'un prisme ou d'un réseau de diffraction. Chaque « couleur spectrale » de cette décomposition monochromatique correspond à une longueur d’onde précise ; cependant, le spectre des lumières présentes dans la nature comprend en général l'ensemble des rayonnements, en proportion variables. La spectrométrie étudie les procédés de décomposition, d’observation et de mesure des radiations en étroites bandes de fréquence.

Spectromètre courant  :

Un spectromètre du spectre visible (et longueurs d'onde voisines) est devenu un instrument assez courant, analysant la lumière par bandes de longueur d'onde de 5 à 10 nm.

Un tel appareil, capable de donner cent niveaux différents pour chacune de ses quarante bandes, peut représenter 10040 spectres différents.

Cependant, dans certaines régions du spectre, un humain normal peut distinguer des ondes de longueur d'onde différant de moins de 1 nm, et plus d'une centaine de niveaux de luminosité[7]. Pourtant, la description d'une couleur n'a pas besoin d'autant de données que pourrait laisser croire la spectroscopie. Les humains n'ont en vision diurne que trois types de récepteurs, et de nombreuses lumières mélangées de plusieurs radiations de longueurs d'onde différentes, dites métamères, se perçoivent identiquement. Les lumières monochromatiques n'ont pas de métamère, sauf à utiliser deux rayonnements très proches pour donner à percevoir un intermédiaire entre eux.

La description de la couleur perçue est l'objet de la colorimétrie ; mais la spectrométrie a une grande utilité lorsqu'il s'agit de couleurs de surface. Une surface colorée renvoie une partie du spectre de l'illuminant qui l'éclaire, absorbant le reste. Changer l'illuminant, c'est changer la lumière émise par la surface. Deux surfaces peuvent apparaître identiques sous un illuminant, mais, leur spectre d'absoption étant différent, ne plus être métamères sous un autre. Pour résoudre les problèmes que cela peut susciter, sans avoir à expérimenter avec tous les illuminants possibles, il faut étudier leur spectre.

Usages et classification[modifier | modifier le code]

Les définitions des bandes mentionnées dans le tableau sont les suivantes (normalisation internationale effectuée par l’UIT[8], sauf pour la bande THF) ; elles sont aussi communément désignées par leur catégorie de longueur d’onde métrique. Dans le tableau ci-dessous, les longueurs d'onde sont calculées avec l'approximation courante : c=3 \times 10^8 \ m\cdot s^{-1}

Bandes Fréquences Longueur d’onde Usages
Ondes TLF (Tremendously Low Frequency) 0 Hz à 3 Hz 100 000 km à Champs magnétiques, ondes et bruits électromagnétiques naturels
Ondes ELF (Extremely Low Frequency) 3 Hz à 30 Hz 10 000 km à 100 000 km Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes du cerveau humain, recherches en géophysique, raies spectrales moléculaires
Ondes SLF (Super Low Frequency) 30 Hz à 300 Hz 1 000 km à 10 000 km Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes physiologiques humaines, ondes des lignes électriques, usages inductifs industriels, télécommandes EDF Pulsadis, harmoniques ondes électriques
Ondes ULF (Ultra Low Frequency) 300 Hz à 3 kHz 100 km à 1 000 km Ondes électromagnétiques naturelles notamment des orages solaires, ondes physiologiques humaines, ondes électriques des réseaux téléphoniques, harmoniques ondes électriques, signalisation TVM des TGV
Ondes VLF (Very Low Frequency) 3 kHz à 30 kHz 10 km à 100 km Ondes électromagnétiques naturelles, radiocommunications submaritimes militaires, transmissions par CPL, systèmes de radionavigation, émetteurs de signaux horaires
Ondes LF (Low Frequency) ou ondes kilométriques 30 kHz à 300 kHz 1 km à 10 km Ondes électromagnétiques naturelles des orages terrestres, radiocommunications maritimes et submaritimes, transmissions par CPL, radiodiffusion en OL, émetteurs de signaux horaires, systèmes de radionavigation
Ondes MF (Medium Frequency) ou ondes hectométriques 300 kHz à 3 MHz 100 m à 1 km Systèmes de radionavigation, radiodiffusion en OM, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radioamateurs, signaux horaires et ADSL
Ondes HF (High Frequency) ou ondes décamétriques 3 MHz à 30 MHz 10 m à 100 m Radiodiffusion internationale, radioamateurs, radiocommunications maritimes, aéronautiques, militaires et d’ambassades, aide humanitaire, transmissions gouvernementales, applications inductives autorisées, transmissions par CPL, signaux horaires, CB en 27 MHz, radar trans-horizon
Ondes VHF (Very High Frequency) ou ondes métriques 30 MHz à 300 MHz 1 m à 10 m Radiodiffusion et télédiffusion, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires, liaisons des secours publics, radionavigation (VOR et ILS) et radiocommunications aéronautiques, radioamateurs, satellites météo, radioastronomie, recherches spatiales
Ondes UHF (Ultra High Frequency) ou ondes décimétriques 300 MHz à 3 GHz 10 cm à 1 m Télédiffusion, radiodiffusion numérique, radioamateurs, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires y compris aéronautiques, liaisons gouvernementales, liaisons satellites, FH terrestres, radiolocalisation et radionavigation, services de la DGAC, usages spatiaux, satellites météo, téléphonie GSM, UMTS et DECT, liaisons Wi-Fi et Bluetooth, systèmes radar, fours à micro-ondes
Ondes SHF (Super High Frequency) ou ondes centimétriques 3 GHz à 30 GHz 1 cm à 10 cm FH terrestres et par satellite, systèmes radar, liaisons et FH militaires divers, systèmes BLR, radioastronomie et usages spatiaux, radiodiffusion et télédiffusion par satellite, liaisons Wi-Fi
Ondes EHF (Extremely High Frequency) ou ondes millimétriques 30 GHz à 300 GHz 1 mm à 1 cm FH terrestres et par satellite, recherches spatiales, radioastronomie, satellites divers, liaisons et FH militaires, radioamateurs, systèmes radar, raies spectrales moléculaires, expérimentations et recherches scientifiques
Ondes THF (Tremendously High Frequency) 300 GHz à 384 THz 0,78 µm à 1 mm

(ondes micrométriques)

Ondes infrarouges

(subdivis. recommandée par la CIE)

  • Infrarouges C ou IR lointain (IR-C ; LIR)
    (300 GHz à 100 THz)
    (3 µm à 1 mm)
    • Infrarouges à ondes longues (LWIR)
      (8 µm à 15 µm)
    • Infrarouges à ondes moyennes (MWIR)
      (3 µm à 8 µm)
  • Infrarouges B ou IR moyen (IR-B ; MIR)
    (100 à 214 THz)
    (1,4 µm à 3 µm)
  • Infrarouges A ou IR proche (IR-A ; PIR)
    (214 à 384 THz)
    (0,78 µm à 1,4 µm)
Ondes infrarouges

(suivant autre schéma de subdivision)

  • Infrarouges extrêmes (EIR)
    (300 GHz à 20 THz)
    (15 µm à 1000 µm)
  • Infrarouges lointains (FIR)
    (20 à 50 THz)
    (6 µm à 15 µm)
  • Infrarouges moyens (MIR)
    (50 à 100 THz)
    (3 µm à 6 µm)
  • Infrarouges proches (NIR)
    (100 à 384 THz)
    (0,78 µm à 3 µm)
384 THz à 300 PHz 10 à 780 nm

(ondes nanométriques)

  • Spectre visible par l’homme (couleurs « spectrales ») :
    • Ondes visibles rouges (384 à 480 THz soit 780 à 625 nm)
    • Ondes visibles oranges (480 à 510 THz soit 625 à 590 nm)
    • Ondes visibles jaunes (510 à 508 THz soit 587 à 560 nm)
    • Ondes visibles vert-jaune (517 à 521 THz soit 580 à 575 nm)
    • Ondes visibles vertes jaunâtres (521 à 535 THz soit 575 à 560 nm)
    • Ondes visibles vertes (535 à 604 THz soit 560 à 497 nm)
    • Ondes visibles vert bleuté (566 à 610 THz soit 530 à 492 nm)
    • Ondes visibles cyans (610 à 616 THz soit 492 à 487 nm)
    • Ondes visibles bleu azur (616 à 622 THz soit 487 à 482 nm)
    • Ondes visibles bleues (622 à 645 THz soit 482 à 465 nm)
    • Ondes visibles indigos (645 à 689 THz soit 465 à 435 nm)
    • Ondes visibles violettes (689 à 789 THz soit 435 à 380 nm)
  • Fin du spectre visible du violet et début de la transition vers les UV-A 750,000 à 788,927 THz
  • Transition spectrale vers les UV-A 788,927 à 849,481 THz
  • Rayonnements dits « ionisants » :
    • Ultraviolet :
      • Ultraviolets UV-A (849,481 THz à 951,722 THz soit ~400-315 nm)
        • UVA I : 400-340 nm
        • UVA II : 340-315 nm
      • Ultraviolets UV-B (951,722 THz à 1070,687 THz soit 315-280 nm soit ~315-290 nm)
      • Ultraviolets UV-C (1 070,687 à 29 979,245 GHz soit ~290-100. Bande spectrale constituée de 3 sous-bandes)
        • Ultraviolets UV-C (1070,687 THz à 1498,962 THz soit 280-180 nm)
        • Ultraviolets V-UV (1 498,962 à 2 997,924 THz soit ~200-100 nm)
        • Ultraviolets X-UV, transition vers les rayons X (2 997,924 à 29 979,245 THz soit ~140-10 nm)
300 PHz à 300 EHz 1 pm à 10 nm

(ondes picométriques)

  • Rayonnements dits « ionisants » (suite) :
    • Rayons X :
      • Rayons X mous (300 PHz à 3 EHz ; 0,01-10 nm)
      • Rayons X durs (3 EHz à 30 EHz ; 10-100 pm)
    • Rayons gamma :
      • Rayons gamma mous (30 EHz à 300 EHz ; 1-10 pm)
      • Rayons gamma durs (au-delà de 300 EHz ; < 1 pm) (au-delà de la bande THF)

Spectre d'émission[modifier | modifier le code]

Article détaillé : spectre d'émission.

Des atomes ou molécules excités (par exemple par chocs) se désexcitent en émettant une onde électromagnétique. Celle-ci peut se décomposer en une superposition d'ondes sinusoïdales (monochromatiques) caractérisées par leurs longueurs d'onde. Le spectre est constitué par l'ensemble des longueurs d'ondes présentes. On peut le matérialiser à l'aide d'un prisme de décomposition de la lumière en un ensemble de lignes, les raies spectrales, qui correspondent aux différentes longueurs d'ondes émises. Pour plus de précision, on peut également représenter ce spectre comme un graphe de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

L'observation du spectre d'émission de l'hydrogène se fait au moyen d'un tube Geissler qui comporte deux électrodes et de l'hydrogène sous faible pression. Les électrodes sont soumises à une différence de potentiel de 1 000 V. L'important champ électrique accélère les ions présents qui, par chocs, excitent les atomes d'hydrogène. Lors de leur désexcitation, ils émettent de la lumière qui est analysée par un spectroscope. Dans tous les cas on observe (dans le visible) le même spectre composé de 4 raies (spectres de raies) aux longueurs d'ondes : 410 nm, 434 nm, 486 nm, 656 nm.

Niels Bohr interprétera alors l'émission de lumière par l'émission d'un photon lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie à un autre. Le spectre d'émission de n'importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément.

Spectre d'absorption[modifier | modifier le code]

Article détaillé : spectre d'absorption.

Le principe est exactement le même que celui du spectre d'émission : à un niveau d'énergie donné correspond une longueur d'onde. Mais au lieu d'exciter de la matière (par exemple en la chauffant) pour qu'elle émette de la lumière, on l'éclaire avec de la lumière blanche (donc contenant toutes les longueurs d'ondes) pour voir quelles longueurs d'ondes sont absorbées. Les niveaux d'énergie étant caractéristiques de chaque élément, le spectre d'absorption d'un élément est exactement le complémentaire du spectre d'émission. On s'en sert notamment en astrophysique : par exemple, pour déterminer la composition de nuages gazeux, on étudie leur spectre d'absorption en se servant des étoiles se situant en arrière-plan comme source de lumière. C'est d'une manière générale le but de la spectrographie d'absorption : identifier des éléments inconnus (ou des mélanges) par leur spectre.


Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck,‎ , p. 634-635

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre 2013, p. 635 « Spectre ».
  2. Trésor de la langue française, Oxford English Dictionnary.
  3. « A letter from M. Isaac Newton », Philosophical Transactions,‎ , p. 3075-3087 (lire en ligne) ; voir Spectre visible
  4. Traité des couleurs, 1810
  5. Sur la vue et les couleurs, 1816.
  6. Richard Taillet, Loïc Villain et Pascal Febvre 2013, p. 634 Fig. 175.
  7. Robert Sève, Science de la couleur : Aspects physiques et perceptifs, Marseille, Chalagam,‎ , p. 121-122.
  8. Union internationale des télécommunications, « Nomenclature des bandes de fréquences et de longueurs d'onde employées en télécommunication », sur itu.int pour les bandes 3 à 15, soit de 300 Hz à 3 000 THz.