Ondes électromagnétiques et corpuscule associé

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Classe(s) : Tle ST2S | Thème(s) : Ondes électromagnétiques et corpuscule associé : le photon

Ondes électromagnétiques et corpuscule associé

Les ondes électromagnétiques sont importantes dans la vie quotidienne : les ondes radio sont utilisées pour les communications, les rayons X par la médecine, la lumière visible nous permet de voir.

1Les ondes électromagnétiques

Une onde électromagnétique est un phénomène vibratoire qui peut se propager dans le vide à la vitesse de la lumière c = 3,00 × 108 m.s−1. On trouve parmi les ondes électromagnétiques : la lumière visible, les rayons ultraviolets, les infrarouges, les micro-ondes, les rayons X, les rayons gamma, ainsi que les ondes hertziennes.

A La fréquence et la période

La fréquence ν (nu) exprimée en hertz (Hz) caractérise une onde électromagnétique. Elle est invariante.

Multiples du Hertz

1 kHz = 1 × 103 Hz

1 MHz = 1 × 106 Hz

1 GHz = 1 × 109 Hz

REMARQUE

Les fréquences des ondes électromagnétiques peuvent être très grandes, ainsi elles ont souvent des valeurs supérieures à 1015 Hz.

La période T exprimée en seconde (s) est l’inverse de la fréquence : T = 1ν.

EXEMPLE

Une onde a une fréquence ν = 8,2 × 1015 Hz. Sa période T vaudra alors T = 18,2×1015. On obtient par calcul T = 1,2 × 10−16 s.

B La longueur d’onde λ

La longueur d’onde λ (lambda) est la distance parcourue par l’onde en une période T. Si l’onde se propage dans le vide, alors la longueur d’onde est notée λo.

La longueur d’onde est ainsi liée à la célérité c et à la période T : λo = c.T avec λo en mètre (m), c = 3,0 × 108 m.s−1 et T en seconde (s).

On peut aussi écrire λo = cν avec la fréquence ν en hertz (Hz).

EXEMPLE

Un rayon X de fréquence ν = 1,5 × 1018 Hz aura une longueur d’onde λo dans le vide égale à :

λo = 3,00×1081,5×1018 = 2,0 × 10−10 m.

2Domaines des ondes électromagnétiques

Le nanomètre

1 nm = 1 × 10−9 m

Une onde électromagnétique aura une appellation différente selon le domaine de fréquence auquel elle appartient.

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3Le photon

L’énergie propagée par une onde électromagnétique est transportée par paquets appelés photons. Un photon est un corpuscule sans masse ni charge électrique.

L’énergie est proportionnelle à la fréquence ν du photon. Les rayons X transportent plus d’énergie que les IR.

Un photon de fréquence ν se propage à la célérité c dans le vide, il transporte une énergie :

E = h.ν où 

E : en joule (J) ;

h = 6,62 × 10−34 J.s, est la constante de Planck ;

ν : la fréquence en hertz (Hz).

On peut aussi écrire la formule de l’énergie E = h.cλ0 puisque ν = cλ0, avec λ0 la longueur d’onde du photon dans le vide.

L’énergie est inversement proportionnelle à la longueur d’onde λ0 du photon.

EXEMPLE

Un photon de fréquence ν = 2,5 × 1020 Hz transporte une énergie E = 6,62 × 10−34 × 2,5 × 1020 = 1,7 × 10−13 J. Cette énergie est toute petite.

Les ondes électromagnétiques interagissent avec la matière : il y a alors transfert d’énergie. Des photons peuvent être absorbés, ils cèdent alors leur énergie.

Autre unité d’énergie au niveau des atomes : l’électronvolt (eV)

1 eV = 1,6 × 10−19 J.

4Dangers des rayonnements électromagnétiques

Les photons associés à une petite longueur d’onde et donc à une grande fréquence (rayons X, rayons γ) transportent suffisamment d’énergie pour arracher des électrons à des atomes. Ils peuvent détruire des cellules saines ou cancéreuses. Une forte irradiation aux rayons X ou γ entraîne d’abord des vertiges, nausées. Ensuite, des risques plus importants surviennent : mutations génétiques et cancers.

Pour se protéger de ces rayonnements, il faut réduire au minimum le temps d’exposition et utiliser des protections adaptées : vitre au plomb dans le cas de rayons X utilisés en radiographie ou des épaisseurs de plomb pour des rayons X plus énergétiques.

Les photons associés à une grande longueur d’onde et donc à une fréquence peu élevée (onde radio, micro onde, infrarouge, lumière visible ou ultraviolet) n’ont pas assez d’énergie pour ioniser la matière. Les rayons infrarouges peuvent produire un effet thermique. Les rayons U.V. peuvent entraîner des effets biologiques, mais ils sont moins dangereux que les rayonnements ionisants.