Le terme de rayonnement s'applique à un grand nombre de phénomènes qui n'ont en commun que la propagation d'énergie et d'information entre une source et un récepteur à travers un espace vide ou rempli de matière. La chaleur et la lumière du Soleil, le cri d'un oiseau sont des rayonnements naturels pour lesquels les êtres vivants possèdent des récepteurs ; mais l'homme a étendu le domaine des rayonnements (ondes hertziennes, ultrasons, rayons X, etc.), en créant des émetteurs et des récepteurs adaptés, ce qui lui permet d'ausculter les confins de l'Univers, le centre de la Terre, les organes de son corps et le coeur des atomes. D'une façon générale, le terme de rayonnement désigne le transport d'énergie et de quantité de mouvement dans le vide ou à travers un milieu matériel, sans précision sur la nature des vecteurs de ce transport. Il existe donc une très grande variété de rayonnements correspondant aux différentes sortes de particules qui assurent ce transport. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats énergie - Les différentes formes de l'énergie Classification des rayonnements On peut distinguer les rayonnements ondulatoires et les rayonnements corpusculaires. Les rayonnements ondulatoires sont formés d'ondes caractérisées par une vitesse de propagation, une fréquence et une polarisation, tels le rayonnement électromagnétique (ondes hertziennes, lumière, rayons X, etc.) ou le rayonnement sonore et ultrasonore. Les rayonnements corpusculaires sont formés de particules matérielles, caractérisées entre autres par leur masse, leur charge électrique et leur vitesse par rapport au milieu qu'elles traversent. On trouve dans cette catégorie certaines composantes du rayonnement cosmique, les radioactivités a, b, etc. Cette classification n'est plus fondée théoriquement depuis que la mécanique quantique a associé une onde à toute particule matérielle qui se propage et une particule à toute onde, mais elle reste justifiée d'un point de vue descriptif. En ce qui concerne le rayonnement électromagnétique, la double description en termes d'ondes et de photons, qui en sont les particules associées, est cependant indispensable pour rendre compte de l'ensemble de ses propriétés. Malgré une complète différence de nature, les rayonnements sonore et ultrasonore d'une part, électromagnétique d'autre part, peuvent être décrits à l'aide d'un même langage, celui de la théorie ondulatoire ( voir onde). Un rayonnement est en général formé de la superposition d'un grand nombre d'ondes élémentaires, chacune caractérisée par sa fréquence et son amplitude. L'ensemble de ces couples fréquence/amplitude constitue le spectre du rayonnement. Un rayonnement est toujours issu d'une source plus ou moins lointaine, qui transforme une forme donnée d'énergie en énergie rayonnante. L'énergie qu'il transporte sous forme rayonnante peut être reconvertie dans un récepteur. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alpha (particule) bêta (rayons) cosmiques (rayons) énergie - Les différentes formes de l'énergie lumière onde ondulatoire (mécanique) photon quantique (mécanique) rayons X son - La propagation du son spectre ultrason Le rayonnement sonore Les ondes sonores ont besoin, pour se propager, d'un milieu matériel, car elles résultent du déplacement de proche en proche des atomes ou molécules de ce milieu. La source sonore est un objet matériel qui vibre et communique sa vibration au milieu qui l'entoure. Dans un gaz ou un liquide, le déplacement des particules responsable de la propagation de l'onde est longitudinal, c'est-à-dire qu'il se fait dans la direction de la propagation. Dans les corps solides, on observe deux types d'ondes sonores selon que l'ébranlement se produit dans le sens de la propagation (ondes longitudinales) ou perpendiculairement (ondes transversales). Pour un milieu donné (air, eau, verre, etc.), la nature des molécules et leurs interactions sont les facteurs responsables de la transmission sonore dans ce milieu, en particulier de la vitesse du son, ainsi que de la dissipation d'énergie qui aboutit à une atténuation du rayonnement. Dans l'air, où la vitesse du son est d'environ 340 m .s-1, cette atténuation est très faible pour les fréquences inférieures à 300 KHz et devient importante au-delà. Dans l'eau, liquide peu visqueux, la vitesse du son est d'environ 1 500 m .s-1 et l'atténuation, très faible pour les fréquences inférieures à quelques MHz. C'est grâce à ces propriétés que l'on peut mettre en oeuvre le sonar pour cartographier les fonds sous-marins. Dans les solides rigides (métaux durs), le rayonnement sonore et ultrasonore se propage très bien : dans l'aluminium, la vitesse du son longitudinal est d'environ 5 000 m.s-1. L'atténuation dans les métaux est suffisamment faible pour qu'on puisse utiliser les ultrasons pour ausculter des pièces et y détecter des défauts. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats son - La propagation du son son - Son et ondes sonores sonar ultrason Le rayonnement électromagnétique Classiquement, le rayonnement électromagnétique trouve sa source dans l'accélération des charges électriques. Le champ électromagnétique dont il représente la propagation est formé de l'association de deux champs oscillants perpendiculaires entre eux, l'un électrique et l'autre magnétique, tous deux perpendiculaires à la direction de propagation. Considéré d'un point de vue corpusculaire, le rayonnement électromagnétique naît lorsqu'un système subit une transition d'un état d'énergie donné à un autre état d'énergie moindre. L'énergie emportée par le photon ainsi créé est égale à la différence d'énergie entre les deux états. Inversement, l'absorption d'un rayonnement se traduit, d'un point de vue classique, par la mise en mouvement de charges électriques, donc l'apparition d'un courant, et, d'un point de vue corpusculaire, par une transition inverse de la précédente. Se propageant dans le vide, tous les photons vont à la même vitesse, appelée vitesse de la lumière (c = 299 792 458 m.s-1), sans subir d'atténuation. Ce n'est qu'en interagissant avec la matière qu'ils manifestent des propriétés spécifiques, liées à leur énergie E, donc à leur fréquence $, puisque ces deux grandeurs sont reliées par la relation d'Einstein E = h$ (h étant la constante de Planck). En effet, un photon interagit avec un système matériel si celui-ci possède au moins deux états énergétiques dont la différence correspond à l'énergie du photon. La nature de ces transitions et l'énergie qui leur correspond sont à l'origine de la classification des rayonnements électromagnétiques donnée ci-après, mais certaines caractéristiques communes à l'ensemble du spectre électromagnétique seront détaillées ensuite dans la partie consacrée au rayonnement thermique. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats absorption - 1.PHYSIQUE amplitude champ - 2.PHYSIQUE champ - 2.PHYSIQUE - Le champ électromagnétique charge électrique courant Einstein Albert émission fréquence niveau d'énergie onde photon Planck Max Karl Ernst Ludwig Les ondes hertziennes. Le domaine de fréquence des ondes hertziennes, dont la longueur d'onde dans l'air est comprise entre 30 km et environ 3 mm, s'étend de 104 à 1011 Hz. On engendre un rayonnement de fréquence donnée en faisant circuler un courant à cette fréquence dans un conducteur de forme appropriée appelé antenne. Depuis les fréquences les plus basses jusqu'à environ 109 Hz, les interactions avec la matière se font uniquement avec les charges électriques libres que contiennent les milieux conducteurs (ces charges électriques étant par exemple les électrons dans les métaux). Entre 109 et 1011 Hz, l'émission et l'absorption de ces rayonnements peuvent être dues à des transitions dans des systèmes moléculaires. C'est le cas par exemple du retournement du dipôle de la molécule d'eau, qui se produit pour des fréquences de l'ordre de 1010 Hz et qu'on met à profit dans les fours à micro-ondes, ainsi que pour la transition entre deux états de l'hydrogène moléculaire, responsable de la « raie 21 cm » observée en radioastronomie. À part ces quelques applications, le domaine hertzien est principalement celui des radiocommunications et du radar. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats antenne - 1.TÉLÉCOMMUNICATIONS radar radiodiffusion Le rayonnement infrarouge. Le rayonnement infrarouge s'étend en fréquence de 1011 Hz à 3,75 × 1014 Hz, c'est-àdire de longueurs d'onde dans le vide de 3 mm à 800 nm. Il représente une plage de rayonnement dont les propriétés et les applications sont très variées. La propriété la plus importante est liée au fait que le domaine de fréquences infrarouges recouvre bien celui des vibrations inter et intramoléculaires, principaux véhicules de l'énergie thermique dans la matière. Cela signifie que le rayonnement infrarouge est couplé à l'agitation thermique, qu'il en provient, qu'il la provoque. L'ensemble de ces propriétés sera longuement développé dans le paragraphe sur le rayonnement thermique. On sait produire et capter des rayonnements infrarouges de fréquences bien définies, soit en sélectionnant une longueur d'onde donnée à l'intérieur d'un large spectre par une méthode spectroscopique, soit en déclenchant une transition précise. Les lasers infrarouges à semi-conducteur, fondés sur ce principe, connaissent aujourd'hui un développement considérable dans le domaine de la transmission de l'information par fibre optique et dans celui de la lecture des disques compacts numériques. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats CD (Compact Disc) fibre optique infrarouge laser spectroscope Le rayonnement visible. Bien qu'occupant une plage très étroite du spectre électromagnétique (longueurs d'onde comprises entre 800 et 400 nm), le rayonnement visible joue un rôle fondamental pour l'homme, précisément parce qu'il correspond au domaine de fréquences auquel l'oeil humain (comme d'ailleurs les organes visuels de la plupart des êtres vivants) est sensible. Cela n'est pas un hasard, car ce domaine est précisément celui qui contient la majeure partie de l'énergie qui parvient du Soleil à la surface de la Terre. Lorsque toutes les fréquences du domaine visible sont présentes simultanément, le rayonnement perçu par l'oeil a la couleur blanche. À une fréquence donnée correspond une couleur particulière, située à l'intérieur des couleurs de l'arc-en-ciel. L'infinie variété des couleurs perçues par l'oeil est obtenue par des mélanges de longueurs d'ondes. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats couleur - L'explication du phénomène couleur - La perception de la couleur lumière Le rayonnement ultraviolet. Le rayonnement ultraviolet correspond à des longueurs d'onde comprises entre 400 et 10 nm, c'est-à-dire à des photons d'énergie comprise entre 3 eV et 120 eV, capables de provoquer des transitions entre les niveaux d'énergie électronique des atomes, voire d'expulser les électrons en ionisant les atomes. De ce fait, le rayonnement ultraviolet interagit avec la plupart des atomes : il est donc fortement absorbé par la matière. On distingue le proche ultraviolet, de longueurs d'onde comprises entre 400 et 200 nm, présent dans le rayonnement solaire et particulièrement absorbé par les molécules biologiques, et l'ultraviolet lointain, extrêmement absorbé par la matière, de sorte qu'on ne peut l'étudier que dans le vide. On obtient l'ultraviolet lointain dans les spectres d'émission de certains atomes comme le xénon et le mercure, ainsi que dans le rayonnement synchrotron (voir le dossier accélérateur de particules). Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats accélérateur de particules - Utilisations des accélérateurs niveau d'énergie ultraviolet Les rayons X. Le domaine de longueurs d'onde des rayons X s'étend de 10 à 0,01 nm, correspondant pour les photons à une énergie comprise entre 0,1 et 100 keV. On obtient des rayons X en bombardant une cible métallique (fer, tungstène, etc.) avec des électrons accélérés jusqu'à une énergie comparable à celle des photons X que l'on veut produire. Ces électrons sont freinés par les charges électriques des atomes ; du fait de cette décélération, ils émettent un « rayonnement de freinage » (Brehmsstrahlung). Ils peuvent en outre exciter des transitions caractéristiques du métal, qui émettent des rayons X de fréquence bien définie. L'absorption des rayons X par la matière est due d'une part à la diffusion des photons par les particules chargées (effet Compton), d'autre part à leur absorption spécifique par les atomes, permettant ainsi une identification de ces atomes (loi de Moseley). Les rayons X sont d'autant plus absorbés par la matière que la densité électronique de celle-ci est grande. C'est ainsi que les atomes de calcium des os sont beaucoup plus absorbants que les atomes légers des tissus biologiques mous : ce sont donc ces os que l'on voit principalement dans une radiographie médicale. Les rayons X sont utilisés en laboratoire pour étudier les structures cristallographiques. Voir aussi rayons X. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats Compton Arthur Holly Moseley Henry Gwyn Jeffreys radiographie rayons X Les rayons ( . On désigne sous le nom de rayons ( (gamma) l'ensemble des rayonnements électromagnétiques dont l'énergie est supérieure à 100 keV. Les transitions qui donnent naissance aux rayons ( se produisent entre les niveaux d'énergie internes des noyaux atomiques. Ils sont émis lors de certaines radioactivités (a, b), au cours desquelles le noyau issu de la désintégration radioactive se trouve dans un état excité. Ce noyau émet alors un photon ( en se désexcitant. On trouve des photons ( dans le rayonnement cosmique ; ces photons peuvent avoir une énergie extrêmement élevée, suffisante pour créer par interaction avec un électron une paire électron-positron, chaque particule ayant elle-même assez d'énergie pour émettre un nouveau photon ( par collision avec un atome. Ce sont donc de véritables gerbes de photons (, issus du même photon initial, qui arrivent à la surface de la Terre après traversée de l'atmosphère. Les rayons ( sont très pénétrants dans la matière et doivent perdre beaucoup d'énergie par collisions successives avant d'être absorbés. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats cosmiques (rayons) électron gamma (rayons) nucléaire (physique) photon positron radioactivité - Les émissions du rayonnement nucléaire Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats absorption - 1.PHYSIQUE atome - Les électrons - Émission de rayonnement et spectroscopie émission onde physique - La révolution galiléenne et la naissance de la physique classique L'apogée de la physique classique : électromagnétisme et thermodynamique radioactivité - La perte d'énergie dans la matière radioastronomie - Les mécanismes du rayonnement radio - Émission thermique et émission synchrotron radioastronomie - Les mécanismes du rayonnement radio - Raies atomiques et raies moléculaires Soleil - Le Soleil, tel qu'il est observé - Introduction Soleil - Le Soleil, tel qu'il est observé - Le spectre solaire Les livres rayonnement - observation aérienne du sol au scanner multispectral, page 4257, volume 8 rayonnement - teneur en ozone de la stratosphère antarctique en octobre 1980, page 4258, volume 8 rayonnement - teneur en ozone de la stratosphère antarctique en octobre 1989, page 4258, volume 8 rayonnement - la fonction de Planck, page 4258, volume 8 rayonnement - formation de la gerbe électromagnétique, page 4259, volume 8 Le rayonnement thermique Tout corps émet, lorsqu'il est chauffé, de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique, dit dans ce cas rayonnement thermique. Comme pour tout rayonnement électromagnétique, l'origine microscopique du rayonnement thermique réside dans les transitions entre les niveaux d'énergie du système, transitions qui ne sont possibles que si l'un des niveaux est occupé par un électron et si l'autre niveau ne l'est pas. L'énergie thermique permet d'occuper les niveaux excités à partir desquels des transitions radiatives produisent l'émission de photons, donc d'un rayonnement électromagnétique. Celui-ci peut être, pour un corps quelconque, caractérisé à partir du rayonnement d'un corps idéal appelé corps noir. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats atome - Les électrons - Émission de rayonnement et spectroscopie niveau d'énergie photon Les corps noirs. La caractéristique du corps noir est d'absorber parfaitement tout rayonnement incident. Son spectre, c'est-à-dire la façon dont l'énergie rayonnée est répartie sur les différentes longueurs d'onde, prend alors une forme universelle qui ne dépend que de la température. Le spectre d'un corps quelconque présente généralement des déviations par rapport au spectre du corps noir. Celles-ci sont quantifiées par le facteur d'émission, qui mesure, pour une longueur d'onde donnée, le rapport entre l'énergie émise par le corps et celle qui serait émise par un corps noir porté à la même température. Il est alors possible, connaissant le facteur d'émission d'un corps, de mesurer sa température à partir de son spectre. Tel est le but des techniques de pyrométrie, dont l'intérêt est de permettre des mesures à distance de la température de corps inaccessibles, par exemple au coeur d'un haut fourneau ou à la surface du Soleil. Le spectre du corps noir présente un maximum à une longueur d'onde ^m reliée à la température absolue T par la loi de Wien :^m T = constante. Lorsque ce maximum se trouve dans la région visible du spectre électromagnétique, l'émission devient perceptible à l'oeil, le corps prenant une couleur caractéristique de la température. Le seuil d'émission visible se trouve vers 700 o C, ce qui correspond à une couleur rouge sombre qui évolue ensuite, à mesure que le corps est chauffé, vers le rouge vif, l'orange, le jaune et finalement, pour des températures supérieures à 5 000 o C, le blanc. C'est la raison pour laquelle la température déterminée à partir du spectre est appelée température de couleur. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats corps noir pyromètre spectre Wien Wilhelm Le rayonnement solaire. La chaleur peut être transportée par conduction, par convection ou par rayonnement. En l'absence d'un milieu matériel entre la source et le corps chauffé, elle ne peut être transportée que par rayonnement. La chaleur correspond essentiellement à la partie infrarouge du spectre ; c'est en effet dans ce domaine que l'énergie électromagnétique peut exciter directement les vibrations thermiques d'un corps et donc être convertie en chaleur. Toute l'énergie que nous recevons du Soleil nous parvient par rayonnement. La température de couleur du Soleil est d'environ 6 000 o C. La densité du flux énergétique solaire au niveau de la Terre est de 1 400 W.m -2. Environ 60 % de cette énergie sont effectivement absorbés, ce qui conduit à une puissance moyenne absorbée par unité de surface du globe de 215 W.m -2. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats énergie - L'origine de l'énergie sur la Terre infrarouge Soleil - Le Soleil, tel qu'il est observé Soleil - Le Soleil, tel qu'il est observé - Le spectre solaire Le rayonnement fossile de l'Univers. Les théories cosmologiques actuelles font jouer un grand rôle à l'énergie électromagnétique pendant les premiers stades de l'évolution de l'Univers. En effet, avant d'atteindre un million d'années, l'Univers avait une température supérieure à 4 000 kelvins ; à cette température, la matière est à l'état ionisé, composée de noyaux et d'électrons libres. Ces électrons libres interagissent fortement avec le rayonnement, leur spectre d'énergie, continu, leur permettant d'absorber et de réémettre en permanence les photons. De ce fait, la matière et le rayonnement étaient couplés et donc en équilibre thermique. Après un million d'années, la température de l'Univers est devenue suffisamment basse pour qu'électrons et noyaux se recombinent, produisant ainsi un gaz neutre presque transparent au rayonnement. À partir de ce moment, matière et rayonnement étaient découplés et ont évolué presque indépendamment jusqu'à l'époque actuelle. Ce rayonnement cosmologique a été détecté en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson. Son spectre est celui d'un corps noir, dont la température est de 2,7 kelvins. L'expansion de l'Univers a en effet eu pour conséquence un refroidissement de ce rayonnement thermique, sa température passant de 4 000 kelvins un million d'années après la naissance de l'Univers - c'est-à-dire il y a environ 15 milliards d'années - aux 2,7 kelvins observés aujourd'hui. Ce rayonnement est la trace la plus ancienne des premiers stades de l'évolution de l'Univers qui ait jamais été enregistrée. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats astres - Les groupements de galaxies corps noir radioastronomie - Le développement de la radioastronomie - Le rayonnement cosmique Univers - La structure de l'Univers - L'évolution de l'Univers Univers - La structure de l'Univers - L'expansion de l'Univers Les livres Univers - le rayonnement fossile de l'Univers, page 5357, volume 10 Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats atome - Les électrons - Émission de rayonnement et spectroscopie radioastronomie - Les mécanismes du rayonnement radio - Émission thermique et émission synchrotron radioastronomie - Les mécanismes du rayonnement radio - Raies atomiques et raies moléculaires Les médias rayonnement - l'expérience Thémistocle Les livres rayonnement rayonnement rayonnement rayonnement - une coulée de métal, page 4256, volume 8 solaire visible, page 4256, volume 8 - le rayonnement radio du Soleil, page 4257, volume 8 - la centrale solaire abandonnée de Thémis, page 4259, volume 8 Complétez votre recherche en consultant : Les indications bibliographiques P. Fleury et J.-P. Mathieu, Lumière, Eyrolles, Paris, 1970. A. Guinier, les Rayons X, PUF, « Que sais-je ? », Paris, 1984. M.-C. Junger et M. Peruli, Éléments d'acoustique physique, Maloine, Paris, 1978. M. Lachièze-Rey et E. Gunzig, le Rayonnement cosmologique, trace de l'Univers primordial, Masson, Paris, 1995.
