L’Onde Électromagnétique Fondements émission propagation interaction Armel Boutard Boutard Armel

L’émission d’une onde électromagnétique (1) Une charge fixe (v =0) génère un champ électrique, constant en un point, mais décroissant avec la distance ( 1/d²) Une charge en mouvement uniforme (v = cst) engendre un champ électrique et un champ magnétique, constants en un point, mais décroissant avec la distance ( 1/d²) Une onde électromagnétique est générée par une charge (ou distribution de charges) en mouvement non uniforme vitesse (v) variable et donc accélération (a) non nulle a ≠ 0)

L’émission d’une onde électromagnétique (2) La matière, globalement neutre, est formée d’agrégats d’atomes qui peuvent être groupées en molécules ou distribués sous forme de réseaux de cohésion plus ou moins forte. Dans les étoiles, où règent les hautes tempétatures, la matière est sous la forme de plasma (particules chargées) La matière est donc pleine de charges, électrons négatifs plus ou moins libres, noyaux positifs; la stabilité des ensembles est le résultat de divers équilibres évolutifs, tout étant sous l’influence de la force électromagnétique .. La force qui régit la stabilité de la matière sous toute ses formes et tous les processus biochimiques du vivant. La matière un ensemble de charges

L’émission d’une onde électromagnétique (3) Tout système physique est naturellement agité avec une énergie E : E  T, ou T est la température du système agitation v ≠ 0 a ≠ 0 Conclusion: tout système physique émet une onde électromagnétique

Les émetteurs naturels (1) Espace: T varie de 3K pour les nuages galactiques les plus froids (le rayonnement fossile du Big Bang est à 2,73K) à plus de 6 108 K pour le cœur des étoiles les plus chaudes (super géante rouge). L’espace est un émetteur d’ondes dans tout le spectre électromagnétique.

Les émetteurs naturels (2) transition d’état dans un système physique Énergie du photon usages radiations molécule infrarouge < eV chaleur spectroscopie IR lumière qques eV visible atome ultraviolet diz-cent. eV diagnostic et traitements Attention danger rayons X cent. milliers eV diagnostic et traitements noyau rayons gamma () qques MeV

Le spectre électromagnétique , longueur d’onde croissante Énergie (température d’agitation) croissante 10 0000 K, le cœur du Soleil 6000 K, la corolle du Soleil 2,7 K, rayonnement fossile de l’univers

Les émetteurs anthropiques

La propagation L’onde électromagnétique est caractérisée par une fréquence (ν), une longueur d’onde (), une vitesse de propagation ou célérité (la vitesse de la lumière c), telle que:  = c / ν, on y associe une période T =1/ν féquence ν (lettre grec «nu», f en électricité) La fréquence est la valeur fondamentale, c et  sont modifiées par la nature du milieu de propagation Dans le vide c0  300 000 km/s (3 108 m/s) Dans le vide c0  300 000 km/s (3 108 m/s)

L’onde électromagnétique Énergie associée I  E², B² Moitiée pour chaque composante Variations temporelles et spatiales des champs magnétique et électrique d’une onde électromagnétique

La variation de l’indice optique (n) avec le milieu et la fréquence n = c0/c Les ondes électromagnétiques ont la même vitesse de propagation (célérité) c0 dans le vide. Cela n’est plus vrai dans les milieux de propagation matériels où elle varie : avec la nature du milieu avec la fréquence (faiblement) Les célérités différentes engendrent la dispersion des ondes réfractées.

La variation faible de l’indice de réfraction optique (n) avec la fréquence n = c0/c n  (μm) 1,00034 visible 1,00032 1,00030 1,00028 0,4 0,8

La variation importante de l’indice de réfraction optique (n) avec le milieu milieux indice n air eau verre 1,0003 1,3 1,5 à 1,8 n = c0/c Dans le cadre du formalisme de la physique contemporaine, aucun mobile de masse m ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière dans le vide c0 (ni même l’approcher en réalité) Est-il cependany possible pour une particule nucléaire de faible masse, d’être émise dans l’eau par exemple à une vitesse, inférieure à c0, mais supérieure à celle de la lumière dans ce milieu ( c~231 000 km/s)? La réponse est oui.. C’est l’effet Cerenkov, du nom de son découvreur

L’effet Cerenkov Toute particule chargée interagit avec le mileiu de propagation. Elle perturbe la polarisation des couches électroniques des atomes rencontrés. Pour v  c1,cet effet est constructif, un front d’onde cohérent apparaît sous la forme d’un cône de lumière bleue-violacée dans la cas de l’eau Réacteur de l’institut Laué-Langevin

Dualité onde - matière Postulat d’Einstein: La lumière (la bande visible du spectre électromagnétique) a, à la fois les propriétés d’une onde (propagation) et de particules (interaction avec la matière) La propagation de l’onde électromagnétique obéit au formalisme de la mécanique ondulatoire (propriétés d’une onde) L’interaction avec la matière obéit au formalisme de la mécanique quantique, énergie associée à un photon (quanta d’énergie)

Le photon, agent de l’interaction onde-matière L’énergie associée à une onde électromagnétique est associée pour moitiée à chacune des composantes électrique et magnétique de l’onde. Énergie associée: I  E², B² moitiée pour chaque composante Cependant l’interaction d’une onde avec la matière, n’est pas principalement liée à la quantité d’énergie totale (ou intensité)associée à l’onde mais est caractéristique de la fréquence (ν) de l’onde (montrée par Einstein). En fait l’interaction se fait par transfert d’énergie; quanta d’énergie véhiculée par le photon, porteur de l’interaction électromagnétique, quantité définie comme E =hν; h étant la constante de Plank L’intensité totale de la radiation: I = n hν, n étant le nombre de photons associés à la radiation électromagnétique

L’effet photoélectrique tube à vide hν Des radiations électromagnétiques (lumière solaire) incidentes sur une plaque photo-sensible génère un courant électrique (émission d’élecrons) collecteur -e galvanomètre Le courant apparaît pour une fréquence seuil ν0 et décroît rapidement, Il n’y aura pas d’émissions si v< v0 quelque soit l’intensité de l’onde. L’excitation d’un corps pour une fréquence qui lui est propre correspond au phénomène de résonance fréquence Intensité du courant La fréquence seuil ν0 dépend de la nature du matériau utilisé et correspond aux états d’exitation (électroniques) du matériau ν0

électron libre Ec = Ephoton –E1 Cas de l’atome électron libre Ec = Ephoton –E1 visible UV R-X radiations émises E1> E2 > E5 E4 > E3 > Ephoton> E1 E1 E2 E3 E4 E5 déexcitation excitation

L’analyse spectroscopique L’élargissement du pic est dû à l’agitation naturelle des électrons et atomes ce qui introduit un élargissement des énergies des sous couches et une distribution des vitesses (et donc des énergies) des électrons autour de la valeur moyenne . Un bruit de fond «électronique» se superpose au spectre de raies E1-E2 E1-E3 Bruit de fond nombre de photons détectés Ephoton Un spectre de raies caractéristiques des éléments contenus dans l’échantillon

La spectroscopie des éléments naturels: un outil puissant d’identificarion des éléments et des corps de notre environnement Radiations absorbées ou émises (résonance) Chaque système physique a un spectre de raies qui lui est propre Le spectre γ de 2 isotopes d’un noyau donné diffèrent (distribution différente des nucléons dans le noyau Le spectre R-X, UV ou visible, d’atomes distincts (nombre différent de protons et d’électrons) sont différents Le spectre IR de deux molécules distinctes (distribution différente d’atomes) sont différents molécule infrarouge visible atome ultraviolet rayons X noyau rayons gamma ()

accélérateurs, synchrotron, etc. radioactivité (T), Univers R-X Genre Bande de fréquence Production anthropique Production naturelle (Terre et Univers) radiations ionisantes R- accélérateurs, synchrotron, etc. radioactivité (T), Univers R-X tube R-X, radio isotope, très haut voltage atomes (T), Univers Ultraviolet étincelles, arcs, tubes fluorescents non ionisantes visible lampes de tous genres, atomes (T), éclaires Soleil, Étoiles infrarouge réactions chimiques (chaleur) métabolisme molécules (la Vie et l’espace) micro-ondes klystrons (four, radar) espace ondes radios UHF, VHF, radios électricité (60 Hz) lignes de distribution électrique -- VLF très basse fréquence very low frequency phénomènes terrestres et atmosphériques