Il vous permet de voir ou de parler à un être cher dans un autre coin du monde, et parfois il vous fait fuir de l’espace — c’est un rayonnement électromagnétique. C’est vraiment chouette. Alors, examinons tous les différents types de rayonnement électromagnétique et pourquoi ils sont tous, en fait, la même chose.

Lorsque des particules chargées en forme d’atomes (ions) ou de particules élémentaires (électrons ou protons) reçoivent suffisamment d’énergie pour se déplacer et interagir avec leurs pairs, elles commencent à créer des champs magnétiques et électriques. L’interaction entre ces deux types de champs génère (vous ne devinerez jamais) des phénomènes électromagnétiques. Ce qui est une très bonne nouvelle: l’électromagnétisme (EM) est l’une des forces fondamentales de la nature, l’ensemble des quatre lois naturelles qui ont pris le relais après le Big Bang et ont façonné notre univers en ce qu’il est aujourd’hui.

Une part particulièrement intéressante du gâteau EM est le rayonnement électromagnétique. Ces phénomènes détiennent actuellement le record incontesté des choses les plus rapides de tous les temps. Jetons donc un coup d’œil à eux, en commençant par:

Les bases

Les photons sont probablement mieux connus pour leur rôle de particule « porteuse » de lumière, mais ce n’est qu’une partie de leur travail. Ces particules élémentaires sont les vecteurs d’énergie de plusieurs autres types d’ondes, qui forment ensemble le spectre radiatif électromagnétique (EMR). Comme tout type d’onde (oui, ondes sur l’eau incluses), elles sont caractérisées en partie par la longueur d’onde et la fréquence. Par ordre de fréquence croissante / longueur d’onde décroissante, ils peuvent être:

• ondes radio
• micro-ondes
• rayonnement infrarouge
• lumière visible
• rayonnement ultraviolet
• Rayons X
• rayons gamma

À première vue, ils peuvent sembler être des choses très différentes. Par exemple, les rayons X peuvent être utilisés pour scruter la peau, et les ultraviolets vous donnent un bronzage et une brûlure de la peau si vous n’utilisez pas de crème solaire. Totalement différent, non?

Eh bien, pas vraiment. Considérez le spectre de rayonnement électromagnétique comme une corde de guitare tendue sur huit frettes. Jouez la note la plus basse et vous obtenez des ondes radio, jouez la plus haute et vous obtenez des rayons gamma. Sur une guitare, différents motifs vibratoires dans la corde émettent des sons distincts sous la forme de notes — notre perception d’eux varie, mais ils sont tous fondamentalement la même chose définie sur différents réglages d’intensité. De même, différents modèles d’oscillation des champs magnétiques et électriques généreront différents types de DME. Nous les percevons comme complètement différents (certains que nous ne pouvons pas sentir directement du tout), mais ce sont tous fondamentalement les mêmes phénomènes sur des intensités différentes.

Une source génère un rayonnement ÉLECTROMAGNÉTIQUE lorsqu’il y a de l’énergie dans le système, car c’est ce qui fait vibrer les particules. En règle générale, les corps plus chauds génèrent des ondes avec plus de puissance et principalement à des fréquences plus élevées. La fréquence est mesurée en hertz (Hz), qui est définie comme un cycle par seconde. Une fréquence d’un Hz signifie qu’une onde est générée chaque seconde, un kHz signifie que 1 000 ondes sont générées par seconde et un GHz correspond à un milliard par seconde.

La longueur d’onde est égale à la vitesse sur la fréquence et est généralement prise pour représenter la distance entre deux crêtes successives. Techniquement, cependant, il peut être mesuré n’importe où sur la vague.

Enfin, le rayonnement électromagnétique se distingue du reste des phénomènes électromagnétiques en ce sens qu’il s’agit d’effets de « champ lointain « . Ces ondes ne se limitent pas à interagir avec des objets proches, contrairement à l’effet électrostatique, par exemple. Une fois générées, les ondes peuvent également traverser l’espace (elles « rayonnent », d’où vient le terme « rayonnement ») sans plus d’entrée des charges qui les ont générées. Ainsi, ces ondes continueront jusqu’à ce qu’elles soient à court d’énergie — soit parce qu’elles frappent certaines particules avec lesquelles elles peuvent interagir, soit parce qu’elles s’éteignent tout simplement.

Alors maintenant, nous avons une idée de base de la façon dont ils se forment, cool. Passons en revue chaque type de vague.

Ondes radio

Les ondes radio ont les fréquences les plus basses de tous les types de DME, et ses photons transportent le moins d’énergie. Habituellement, tout ce qui se situe entre 3 kHz et 300 GHz est considéré comme une onde radio, bien que certaines définitions classent tout ce qui dépasse 1 GHz ou 3 GHz comme des micro-ondes. Cela fait des ondes radio les paresseux du DME. Les photons d’ondes radio sont espacés les uns des autres – à 3 kHz, la longueur d’onde est de 100 km (62 mi) de long, 1 mm (0,039 po) à 300 GHz — ce qui signifie qu’ils transportent moins d’énergie que les autres types d’ER.

Leur interaction avec la matière se limite en grande partie à créer un tas de charges électriques réparties sur un grand nombre d’atomes — chaque charge est donc assez minuscule. C’est utile, cependant, car cet étalement permet à un conducteur lié à un circuit de transformer les ondes radio en certains signaux électriques. Associez cela à leur vitesse (toutes les ondes électromagnétiques voyagent à la vitesse de la lumière dans le vide), et elles sont vraiment bonnes pour les communications à longue portée.

Alternativement, si vous avez un conducteur qui n’est pas lié à un circuit, par exemple un avion en vol, la séparation de ces charges générera de nouvelles ondes radio — c’est ce qui permet aux signaux radar de « réfléchir » hors des choses. L’absorption ou l’émission d’ondes radio produit toujours un courant électrique, de la chaleur, ou les deux.

Les micro-ondes

Les micro-ondes sont des rayonnements électromagnétiques dont les fréquences sont comprises entre 300 MHz (longueur d’onde 100 cm) et 300 GHz (0,1 cm). Mis à part des photons un peu plus énergétiques et une longueur d’onde plus courte (ce qui signifie plus de densité d’énergie), ils sont vraiment des ondes radio. En fait, les micro-ondes sont également largement utilisées dans la communication, mais avec quelques différences clés par rapport aux ondes radio.

Tout d’abord, vous avez besoin d’une ligne de visée directe vers le récepteur, car les micro-ondes ne se courbent pas (diffractent) autour des collines ou des montagnes, elles ne se réfléchissent pas de l’ionosphère ou ne suivent pas la courbure de la planète sous forme d’ondes de surface. Mais ils sont plus percutants que les ondes radio et peuvent percer certaines des choses que la radio ne peut pas — comme les nuages épais ou la poussière — en raison de leur fréquence plus élevée.

Les micro-ondes sont utilisées pour transmettre des données sur des réseaux sans fil, pour communiquer avec des satellites et des engins spatiaux, dans des véhicules autonomes et classiques pour des systèmes d’évitement de collision, certains réseaux radio, des systèmes d’entrée sans clé et des télécommandes de portes de garage.

Ils sont également utiles dans les fours. Le même processus qui permet à l’absorption des ondes radio de générer de la chaleur rend un micro-ondes de 2,45 GHz (12 cm) très bon pour chauffer l’eau. Et comme la nourriture contient toujours au moins un peu d’eau, cela signifie que les fours à micro-ondes sont un moyen astucieux de chauffer les aliments.

Rayonnement infrarouge

La chérie des films d’action ringards, infrarouges ou infrarouges. Il vient juste du spectre visible, s’étendant de 300 GHz (1 mm) à la limite visible inférieure (la couleur rouge) à 430 THz (700 nm). C’est le spectre sur lequel la plupart des objets avec lesquels vous interagirez rayonnent de la chaleur. Contrairement au rayonnement radio et micro-ondes, le rayonnement infrarouge interagit avec des dipôles (molécules chimiques fortement polarisées telles que l’eau), ce qui signifie qu’il est absorbé par un large éventail de substances — et presque toutes les substances organiques — qui transforment ses vibrations en chaleur. Cependant, l’inverse est également vrai, ce qui signifie que les substances en vrac rayonnent généralement certains niveaux d’IR lorsqu’elles libèrent leur chaleur.

Ce n’est donc pas très bon pour les communications à longue portée, car il serait simplement absorbé par l’eau dans l’atmosphère. Mais votre télécommande TV peut utiliser l’IR pour émettre des commandes sur de courtes distances avec un grand succès. Les détecteurs IR sont utiles si vous essayez de voir quelque chose qui dégage de la chaleur, comme un cambrioleur au milieu de la nuit. L’infrarouge est également utilisé en astronomie pour scruter les nuages de poussière à la recherche de planètes, dans les applications industrielles pour surveiller les fuites de chaleur ou prévenir la surchauffe, dans les prévisions météorologiques et dans certaines applications médicinales. L’armée est également, évidemment, un grand fan de l’IR, l’utilisant à la fois pour les observations et pour guider les munitions vers une cible.

Et comme les amateurs de lézards le savent, le rayonnement infrarouge est un excellent moyen de transmettre la chaleur là où elle est nécessaire. En fait, c’est exactement comme ça que les gens ont découvert IR. En 1800, un astronome du nom de Sir William Herschel a décrit pour la première fois le rayonnement INFRAROUGE en observant ses effets sur un thermomètre.

Comme tous les autres rayonnements électromagnétiques, l’IR transporte de l’énergie et se comporte à la fois comme une onde et comme une particule quantique, le photon. Un peu plus de la moitié de toute l’énergie solaire qui atteint la Terre le fait sous forme de rayonnement infrarouge — c’est pourquoi la lumière du soleil est si chaude.

Lumière visible

C’est l’intervalle de rayonnement électromagnétique que vos yeux sont réglés pour capter. La lumière visible couvre le spectre de 430 à 770 THz (390 à 700 nm). Nous voyons des couleurs différentes parce que certains bits de ce spectre sont absorbés par des objets, et le reste est réfléchi. Pour que quelque chose vous apparaisse rouge, il doit absorber les longueurs d’onde qui ne correspondent pas à la couleur et refléter uniquement les longueurs d’onde rouges pour que vos yeux puissent les capter.

Cependant, la couleur peut également provenir de la façon dont la lumière interagit avec un objet particulier. La texture d’un objet est également créée par le même mécanisme. La neige, par exemple, semble à la fois blanche, mate et réfléchissante — mais les cristaux de neige individuels ressemblent à des morceaux de verre. Vous pouvez découvrir pourquoi ici.

Rayonnement ultraviolet

Le spectre EM sur une fréquence de 789 térahertz (THz) ou plus est appelé ultraviolet. La lumière ultraviolette est composée d’ondes très courtes, de 10 nm à 400 nm, et transporte beaucoup d’énergie. En fait, à partir de la bordure UV, les photons transportent suffisamment d’énergie pour modifier certaines liaisons chimiques dans de nouveaux arrangements. Ce qui est l’enfer si vous êtes une molécule d’ADN qui essaie juste de préserver l’information. Pire encore pour les êtres vivants, certains sous-types UV qui n’ont pas assez d’énergie pour endommager directement l’ADN (comme le sous-type A) présentent toujours un risque car ils produisent des espèces réactives de l’oxygène à l’intérieur du corps, des composés hautement réactifs qui détournent les liaisons chimiques dans l’ADN.

Dans l’ensemble, le rayonnement UV est suffisamment énergique pour qu’il commence à constituer un véritable danger pour la vie. Même les UV à énergie relativement faible peuvent causer des brûlures cutanées désagréables, bien pires que celles causées simplement par la température (car ce sont aussi des brûlures par rayonnement, comme expliqué ci-dessus). L’exposition aux UV à plus haute énergie peut entraîner un cancer, car les ondes font des ravages sur les brins d’ADN.

Cette capacité à endommager les organismes vivants sera désormais une caractéristique commune de la liste, car les fréquences ne feront qu’augmenter. Aux extrémités supérieures du spectre UV (environ 125 nm ou moins, parfois appelé « UV extrême »), l’énergie transportée par ces ondes est si élevée qu’elle peut en fait dépouiller les électrons des coquilles des atomes dans un processus appelé photoionisation.

Considérant que le rayonnement UV représente environ 10% de la production lumineuse totale du soleil, cela causerait beaucoup de problèmes à tout ce qui vit sur terre (car l’eau absorbe très bien les UV). Heureusement pour nous, Terriens, nous sommes protégés par la couche d’ozone et le reste de l’atmosphère, qui filtrent la plupart des rayons UV avant qu’ils ne causent de dommages réels.

Ce ne sont cependant pas toutes de mauvaises nouvelles. Le rayonnement UV est la clé de la synthèse de la vitamine D chez la plupart des vertébrés terrestres, y compris les humains. Les rayons UV sont également utilisés en photographie et en astronomie, dans certaines applications de sécurité (pour authentifier des factures ou des cartes de crédit), en médecine légale, comme stérilisateur, et bien sûr, sur les lits de bronzage.

Rayons X / Rayonnement de Röntgen

Avec des fréquences allant de 30 pétahertz à 30 exahertz (« peta » signifie 15 zéros, « exa » signifie 18 zéros) et des longueurs d’onde allant de 0,01 à 10 nanomètres, les rayons X sont très énergétiques. Ceux dont les longueurs d’onde sont inférieures à 0,2–0.1 nm sont appelés rayons X « durs ». Les médecins les utilisent pour voir les os à l’intérieur du corps parce qu’ils sont si petits et puissants que nos tissus mous leur sont pratiquement transparents. Il en va de même pour les bagages à l’aéroport — les rayons X durs peuvent voir à travers eux. Leur longueur d’onde est comparable à la taille des atomes individuels, c’est pourquoi les géologues les utilisent pour déterminer les structures cristallines.

Les rayons X (et les rayons gamma les plus énergétiques) sont constitués de photons qui transportent tous une énergie d’ionisation minimale (ils peuvent tous se photoioniser), et sont donc appelés rayonnements ionisants. Ils peuvent infliger des dommages massifs aux organismes et aux biomolécules, affectant souvent les tissus très profondément sous la peau car ils pénètrent facilement à travers la plupart des matières.

Ils portent le nom de Wilhelm Röntgen, le scientifique allemand qui les a découverts le 8 novembre 1895. Röntgen lui-même les appelait radiations X parce que c’était assez mystérieux à l’époque — personne ne comprenait vraiment ce qu’était ce rayonnement ou ce qu’il faisait.

Rayons gamma

Ce sont les DME avec les photons de plus haute énergie que nous connaissons. Ils ont des fréquences supérieures à 30 exahertz et des longueurs d’onde inférieures à 10 picomètres (1 picomètre est un millième de nanomètre ou un millième de milliardième de mètre), ce qui est inférieur au diamètre d’un atome. Ils résultent principalement de la désintégration radioactive ici sur Terre (comme les armes nucléaires ou Tchernobyl), mais peuvent également se produire en sursauts gamma ridiculement puissants, probablement le produit d’étoiles mourantes en supernova ou de l’hypernova plus grande avant de s’effondrer en étoiles à neutrons ou en trous noirs. Ils constituent le type de rayonnement ÉLECTROMAGNÉTIQUE le plus mortel pour les organismes vivants. Heureusement, ils sont largement absorbés par l’atmosphère terrestre.

Les rayons gamma artificiels sont parfois utilisés pour modifier l’apparence des pierres précieuses, comme transformer la topaze blanche en topaze bleue. Les États-Unis expérimentent également leur utilisation pour créer une sorte de machine à rayons X sur des stéroïdes pouvant scanner jusqu’à 30 conteneurs par heure. Pour avoir une idée de la façon dont les rayons gamma sont ridiculement pénétrants, sachez que les exploitations minières utilisent des générateurs de rayons gamma pour parcourir d’énormes tas de minerai et sélectionner le plus riche pour le traitement. D’autres utilisations incluent l’irradiation (utilisée pour stériliser le matériel médical ou les denrées alimentaires), pour tuer les tumeurs cancéreuses et en médecine nucléaire.

En bref, ce sont les catégories que nous utilisons pour décrire le rayonnement électromagnétique. Ils ont des choses qu’ils aiment traverser et des choses dont ils réfléchissent. Ils sont la lumière que vous ne pouvez pas voir et peuvent être agréables, très dangereux et parfois incroyablement mortels.