Le spectre électromagnétique

Un four à micro-ondes fonctionne à 2.45 GHz : ses ondes mesurent environ 12 cm. La lumière d’un laser rouge est à 633 nm, soit environ 190 000 fois plus courte.

La lumière est une onde électromagnétique

Dans les années 1860, James Clerk Maxwell a établi que des champs électrique et magnétique variables devaient se propager sous forme d’ondes, puis en a calculé la célérité. Elle correspondait à la vitesse mesurée de la lumière. Il en a conclu que la lumière est une onde électromagnétique dont l’œil détecte certaines longueurs d’onde. Sa théorie en autorisait aussi d’autres. OpenStax raconte comment Heinrich Hertz, à partir de 1887, a produit et détecté ces ondes dans son laboratoire avec des circuits à étincelles, mesuré leur longueur d’onde grâce aux interférences et montré qu’elles voyagent à la vitesse de la lumière. La radio avait trouvé sa place dans un cahier de laboratoire avant que quiconque lui trouve une utilité.

Toutes les ondes électromagnétiques se propagent dans le vide à la même célérité, c = 299 792 458 m/s. Le NIST donne cette valeur comme exacte, car le mètre est défini à partir d’elle depuis 1983. Pour ces ondes, la relation devient c = fλ. OpenStax en tire la conséquence essentielle : plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte. Classées par longueur d’onde, des longues ondes radio aux très courts rayons gamma, elles forment le spectre électromagnétique.

Des ondes radio aux rayons gamma

Les ondes radio ont les plus grandes longueurs d’onde, d’environ un mètre à plusieurs kilomètres. OpenStax donne les bandes de radiodiffusion : la radio AM, de 540 à 1600 kHz, utilise des longueurs d’onde de centaines de mètres qui contournent les collines et les bâtiments ; la FM, de 88 à 108 MHz, a des longueurs d’onde d’environ 3 m. Viennent ensuite les micro-ondes, d’environ un millimètre à des dizaines de centimètres. Elles transmettent les signaux des téléphones mobiles et des satellites ; un four à micro-ondes utilise des ondes de 2.45 GHz absorbées par l’eau des aliments. Tout objet chaud émet de l’infrarouge, que détectent les caméras thermiques.

La lumière visible occupe une bande étroite. La NASA la situe entre environ 380 et 700 nanomètres, du violet au rouge ; OpenStax utilise 400 à 750 nm. Les limites varient selon les personnes. L’ultraviolet s’étend de 400 nm jusqu’à environ 10 nm. OpenStax divise les UV solaires en UV-A (320 à 400 nm), UV-B (290 à 320 nm) et UV-C (220 à 290 nm). L’ozone en altitude absorbe la plupart des UV-B et tous les UV-C : environ 99 % des UV solaires arrivant au sol sont donc des UV-A. Les rayons X sont encore plus courts, jusqu’à moins de 0.01 nm ; ils sont produits lorsque des électrons rapides frappent une cible. Les rayons gamma proviennent de désintégrations nucléaires.

Trois règles pratiques

OpenStax résume le spectre par trois règles, qui ont chacune des exceptions. Une fréquence plus élevée signifie plus d’énergie par photon, mais la pénétration dépend du matériau et de la longueur d’onde. Les rayons X peuvent traverser les tissus mous, tandis que les UV absorbés par la peau peuvent l’endommager. Les hautes fréquences peuvent transporter davantage d’informations par seconde ; les fibres optiques acheminent donc bien plus de données que les fils de cuivre. Enfin, plus la longueur d’onde utilisée pour sonder un objet est courte, plus les détails révélés sont fins. La diffraction des rayons X permet ainsi de cartographier l’agencement des atomes dans un cristal. Un autre fait compte partout : l’atmosphère laisse passer certaines bandes, comme la lumière visible et de nombreuses ondes radio, mais en bloque d’autres. Les télescopes à rayons X et gamma doivent donc être placés dans l’espace, comme l’explique la NASA.