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Rayonnement et particules dans lespace Le soleil est une étoile somme toute banale qui émet du rayonnement électromagnétique, un vent stellaire de particules,

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1 Rayonnement et particules dans lespace Le soleil est une étoile somme toute banale qui émet du rayonnement électromagnétique, un vent stellaire de particules, et des particules de hautes énergies. Le rayonnement électromagnétique Le vent solaire Le rayonnement cosmique

2 La lumière Dualité onde-corpuscule: La lumière se comporte comme une onde: onde électromagnétique (variations des champs électrique et magnétique). Mise en évidence du caractère ondulatoire de la lumière: diffraction, interférences. La lumière se comporte comme un flux de particules: les photons (effet photoélectrique, pression photonique) Vitesse de propagation dans le vide: m/s. (~ km/s) Remarque: ceci est valable pour toutes les particules: Interférences avec électrons, protons, molécules!

3 Ondes électromagnétiques La lumière nest quune petite partie (visible!) du spectre électromagnétique. Toute onde électromagnétique est caractérisée par: λ : longueur donde en mètre (m) ν : fréquence en Hertz (Hz) T : période en seconde (s) c : célérité (vitesse de groupe) en m/s Le concept donde est plus adapté aux basses énergies (grandes longueurs donde, basses fréquences)

4 Énergie des photons Les photons associés à une onde électromagnétique de fréquence ν ont une énergie donnée par: Constante de Planck : = J.s Le concept de photon plus adapté aux hautes énergies (faibles longueurs donde, hautes fréquences) rappel: W=qE 1eV = 1, J eV unité plus adapté à la physique des particules que le Joule

5 Le spectre électromagnétique

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7 Ondes radio / micro-ondes DésignationFréquences Longueur d'onde ELF (extremely low frequency) 3-30 Hz km – km SLF (super low frequency)30–300 Hz10000 km – 1000 km ULF (ultra low frequency)300–3000 Hz1000 km – 100 km VLF (very low frequency)3 à 30 kHzMyriamétrique, 100 km à 10 km LF (low frequency)30 kHz à 300 kHzKilométrique ou ondes longues, 10 km à 1 km MF (medium frequency)300 kHz à 3 MHzHectométrique ou ondes moyennes, 1 km à 100 m HF (high frequency)3 MHz à 30 MHzDécamétrique ou ondes courtes, 100 m à 10 m VHF (very high frequency)30 MHz à 300 MHzMétrique, 10 m à 1 m (domaine FM: MHz) UHF (ultra high frequency)300 MHz à 3 GHzDécimétrique, 1 m à 10 cm (four: 2.45GHz, WiFi: 2.4GHz…) SHF (super high frequency) 3 GHz à 30 GHzCentimétrique, 10 cm à 1 cm EHF (extremely high frequency) 30 GHz à 300 GHzMillimétrique, 1 cm à 1 mm 1mm < γ < 10 8 m

8 Infrarouge Découverts en 1800 par W. Herschel Rayonnement « thermique » (émis spontanément par un corps « chaud ») En astronomie: les IR donnent accès à lunivers « froid » (milieu interstellaire). Observations IR possible quau dessus de latmosphère satellites. 700nm < γ < 1mm

9 Visible 400nm < γ < 700nm

10 Spectres stellaires - 1 Le spectre EM et sa longueur donde dominante dune étoile (et de nimporte quel corps, du moment quil est considéré comme un corps noir) dépendent de sa température. Loi de Planck: c λ vitesse du rayonnement électromagnétique du milieu c = m/s h = 6,626 17×10-34 J.s (constante de Planck) k = 1,380 66×10-23 J/K (constante de Boltzmannn) T est la température du corps noir en kelvins

11 Spectres stellaires - 2 Longueur donde du maximum démission donné par la loi de Wien:

12 Ultraviolet Découvert en 1801 par J.W. Ritter. UVA: 315 < γ < 400nm 95% des UV qui atteignent la surface de la Terre. Peuvent pénétrer les couches profondes de la peau. Responsable du bronzage immédiat (« bons » UV…) UVB: 280 < γ < 315nm Pénètrent que superficiellement dans la peau bronzage et coup de soleil à retardement et vieillissement de la peau. UVC: 10 < γ < 280nm Les plus énergétiques et potentiellement les plus dangereux mais totalement filtrés par latmosphère (ozone) Les UV sont très importants dans la formation des ionosphères planétaires. Leur énergie correspondent à lénergie dionisation de O (12,5eV), H (13,6eV), N (14,6eV)…

13 Rayons X Produits de 2 manières: Par transitions électroniques: changements dorbites délectrons de couches internes des atomes (énergies importantes mises en jeu). Par accélération des électrons - Bremsstrahlung (rayonnement de freinage) tube cathodique - rayonnement synchrotron (changement de direction) Découvert par Röntgen en 1895 Énergie suffisamment grande pour pénétrer la matière biologique et lioniser (rayonnement ionisant) mais pas pour pénétrer des éléments lourds (métaux)

14 Rayons γ Rayonnement électromagnétique le plus énergétique. Produits par transitions nucléaires lors de désintégration (grandes énergies mises en jeu). En astrophysique, les sursauts gamma sont associés au stade ultime des étoiles massives.

15 Interactions des photons avec la matière ChauffageA(T 1 ) + γ A(T 2 >T 1 ) + γ excitation détats vibrationnels, rotationnels,… - ExcitationA + γ A * + γ A + γ excitation détats électroniques - IonisationA + γ A + + e - + γun e - est arraché (photo ionisation) 13.6eV pour un H (domaine UV)

16 Interactions des photons avec la matière Effet photoélectrique: le photon transfère toute sont énergie à un électron qui est arraché du matériau (métal) - Création de paires (e +,e - ) Photons réémis: 511keV - Diffusion Compton: comparable à leffet photoélectrique mais le photon a trop dénergie et un autre photon est émis dans une direction différente.

17 Interactions des γ avec la matière Uranium Plomb

18 Énergie et interaction photons-matière Une forte énergie pour des photons ne signifie pas nécessairement une forte interaction avec la matière! (suivant la matière…) Les micro-ondes (basse énergie) sont très efficaces pour le chauffage de leau (plus que les IR pourtant plus énergétiques). Les UV les plus énergétiques sont stoppés par de simples nuages alors que les moins énergétiques parviennent jusquà nous pour nous brûler la peau!

19 Le rayonnement cosmique Le rayonnement cosmique désigne de manière générale le flux de particules de haute énergie (c'est-à-dire relativistes) présent dans tout l'Univers. Il s'agit pour sa partie chargée principalement de protons (entre 85 et 90 %) et de noyaux d'hélium (de 9 à 14 %), le reste étant constitué d'électrons, de différents nucléons (noyaux d'atomes) ainsi que de quantités infimes d'antimatière légère (antiprotons et positrons. La partie neutre est quant à elle constituée de rayons gammas ainsi que de neutrino. Deux composantes: - origine solaire - origine galactique

20 Le rayonnement cosmique 1. origine galactique Composition du rayonnement cosmique permanent Particules Taux noyau d'hydrogène (protons) 85% noyau d'hélium (particules alpha) 12,5% noyau d'atomes plus lourds 1% électrons 1,5% La composante permanente du rayonnement cosmique puise son origine dans la galaxie. Elle est constituée de particules très énergétiques éjectées par les gigantesques explosions de supernovæ, étoiles massives parvenues en fin de vie. Vitesse proche de celle de la lumière. Très énergétiques (zetta particules) Rayonnement isotrope.

21 Le rayonnement cosmique 1. origine galactique

22 Les supernovæ Stade cataclysmique de la vie dune étoile massive. Effondrement gravitationnel dû a larrêt des réactions nucléaires (noyau de fer) plus explosion par rebond. La contraction du noyau engendre la création déléments plus lourd que le fer par agglutination de neutrons, dont certains se transforment par la suite en protons. Le reste de cette explosion donnera, selon la masse initiale: - une étoile à neutron (pulsar, magnetar) - un trou noir SN 1604 (Kepler)

23 Le rayonnement cosmique 2. origine solaire Le Soleil est à lorigine, suivant sont activité, de la composante aléatoire du rayonnement cosmique. Les particules sont de même natures (p +, α, e -, …) mais dénergies plus faibles. Provient principalement des éruptions solaires mais les éruptions suffisamment puissantes pour éjecter un flux de particules détectable au sol ou à bord dun avion commercial restent exceptionnelles : quelques-unes par an, tout au plus. Caractéristiques des rayonnements extra-terrestres Rayons cosmiques Particules solaires permanents sporadiques particules très energétiques particules d'énergie moyenne isotrope anisotrope

24 Le rayonnement cosmique 3. anticorrelation avec lactivité solaire Activité solaire intense intensité des rayons cosmiques diminue! Un champ magnétique fort perturbe la propagation des particules chargées.

25 Solar Energetic Protons 1. observations

26 Solar Energetic Protons (SEP) 2. caractéristiques Normalement, les particules sont détectés bien après la lumière! Ici, pas beaucoup de retard particules relativistes. Énergies de lordre du MeV Correspondent à des éruptions ou des CMEs Accélérés par une onde de choc: vent solaire rapide rattrapant un vent solaire plus lent un choc se forme

27 Le rayonnement cosmique 4. au sol


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