Spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique est la gamme de fréquences (le spectre) du rayonnement électromagnétique et leurs longueurs d’onde respectives et les énergies des photons.

Le spectre électromagnétique couvre les ondes électromagnétiques dont les fréquences vont de moins d’un hertz à plus de 1025 hertz, ce qui correspond à des longueurs d’onde allant de milliers de kilomètres à une fraction de la taille d’un noyau atomique. Cette gamme de fréquences est divisée en bandes distinctes, et les ondes électromagnétiques dans chaque bande de fréquence sont appelées par des noms différents; en commençant à l’extrémité basse du spectre (longue longueur d’onde), il s’agit des ondes radio, des micro-ondes, des infrarouges, de la lumière visible, des ultraviolets, des rayons X et des rayons gamma à l’extrémité haute fréquence. Les ondes électromagnétiques dans chacune de ces bandes ont des caractéristiques différentes, telles que la façon dont elles sont produites, comment elles interagissent avec la matière et leurs applications pratiques. La limite pour les grandes longueurs d’onde est la taille de l’univers lui-même, alors que l’on pense que la limite de longueur d’onde courte est proche de la longueur de Planck. Les rayons gamma, les rayons X et les ultraviolets élevés sont classés comme rayonnements ionisants car leurs photons ont suffisamment d’énergie pour ioniser les atomes, provoquant des réactions chimiques. L’exposition à ces rayons peut être dangereuse pour la santé, en provoquant des radiations, des dommages à l’ADN et le cancer. Les rayonnements des longueurs d’onde de la lumière visible et inférieure sont appelés rayonnements non ionisants car ils ne peuvent pas provoquer ces effets.

Dans la plupart des bandes de fréquences ci-dessus, une technique appelée spectroscopie peut être utilisée pour séparer physiquement des ondes de fréquences différentes, produisant un spectre montrant les fréquences constituantes. La spectroscopie est utilisée pour étudier les interactions des ondes électromagnétiques avec la matière. D’autres utilisations technologiques sont décrites sous rayonnement électromagnétique.

Histoire de la découverte du spectre électromagnétique
Pour la plupart de l’histoire, la lumière visible était la seule partie connue du spectre électromagnétique. Les Grecs anciens ont reconnu que la lumière voyageait en ligne droite et étudiaient certaines de ses propriétés, y compris la réflexion et la réfraction. L’étude de la lumière continua, et pendant les XVIe et XVIIe siècles, les théories en conflit considéraient la lumière comme une onde ou une particule.

La première découverte du rayonnement électromagnétique autre que la lumière visible est survenue en 1800, lorsque William Herschel a découvert le rayonnement infrarouge. Il étudiait la température de différentes couleurs en déplaçant un thermomètre à travers la lumière divisée par un prisme. Il a remarqué que la température la plus élevée était au-delà du rouge. Il a théorisé que ce changement de température était dû à des «rayons calorifiques» qui étaient un type de rayon lumineux qui ne pouvait pas être vu.

L’année suivante, Johann Ritter, travaillant à l’autre bout du spectre, remarqua ce qu’il appelait des «rayons chimiques» (rayons de lumière invisibles qui induisaient certaines réactions chimiques). Ceux-ci se comportaient de la même manière que les rayons lumineux violets visibles, mais étaient au-delà d’eux dans le spectre. Ils ont ensuite été renommés rayonnement ultraviolet.

Le rayonnement électromagnétique a d’abord été lié à l’électromagnétisme en 1845, lorsque Michael Faraday a remarqué que la polarisation de la lumière traversant un matériau transparent répondait à un champ magnétique (voir effet Faraday). Pendant les années 1860, James Maxwell a développé quatre équations aux dérivées partielles pour le champ électromagnétique. Deux de ces équations ont prédit la possibilité et le comportement des ondes dans le champ. Analysant la vitesse de ces ondes théoriques, Maxwell s’est rendu compte qu’elles doivent se déplacer à une vitesse proche de la vitesse de la lumière connue. Cette coïncidence surprenante dans la valeur a conduit Maxwell à faire l’inférence que la lumière elle-même est un type d’onde électromagnétique.

Les équations de Maxwell prédisaient un nombre infini de fréquences d’ondes électromagnétiques, voyageant toutes à la vitesse de la lumière. C’était la première indication de l’existence de tout le spectre électromagnétique.

Les ondes prédites de Maxwell incluaient des ondes à très basses fréquences par rapport à l’infrarouge, qui en théorie pourraient être créées par des charges oscillantes dans un circuit électrique ordinaire d’un certain type. Tentant de prouver les équations de Maxwell et de détecter un tel rayonnement électromagnétique à basse fréquence, le physicien Heinrich Hertz construisit en 1886 un appareil pour générer et détecter ce qu’on appelle maintenant les ondes radio. Hertz a trouvé les ondes et a pu déduire (en mesurant leur longueur d’onde et en les multipliant par leur fréquence) qu’elles ont voyagé à la vitesse de la lumière. Hertz a également démontré que le nouveau rayonnement pouvait être à la fois réfléchi et réfracté par divers milieux diélectriques, de la même manière que la lumière. Par exemple, Hertz était capable de focaliser les ondes en utilisant une lentille faite de résine d’arbre. Dans une expérience ultérieure, Hertz a également produit et mesuré les propriétés des micro-ondes. Ces nouveaux types de vagues ont ouvert la voie à des inventions telles que le télégraphe sans fil et la radio.

En 1895, Wilhelm Röntgen a remarqué un nouveau type de rayonnement émis lors d’une expérience avec un tube sous vide soumis à une haute tension. Il a appelé ces rayons X radiations et a constaté qu’ils étaient capables de voyager à travers des parties du corps humain, mais ont été réfléchis ou arrêtés par des matières plus denses telles que des os. Avant longtemps, de nombreuses utilisations ont été trouvées pour eux dans le domaine de la médecine.

La dernière partie du spectre électromagnétique a été complétée par la découverte des rayons gamma. En 1900, Paul Villard étudiait les émissions radioactives du radium lorsqu’il identifia un nouveau type de rayonnement qu’il pensait être composé de particules semblables aux particules alpha et bêta connues, mais avec le pouvoir d’être beaucoup plus pénétrant que l’un ou l’autre. Cependant, en 1910, le physicien britannique William Henry Bragg a démontré que les rayons gamma sont des radiations électromagnétiques, et non des particules, et en 1914, Ernest Rutherford (qui les avait baptisés gamma en 1903 lorsqu’il s’est rendu compte qu’ils étaient fondamentalement différents des particules alpha et bêta chargées ) et Edward Andrade mesuré leurs longueurs d’onde, et a constaté que les rayons gamma étaient semblables aux rayons X, mais avec des longueurs d’onde plus courtes et des fréquences plus élevées.

Gamme du spectre
Les ondes électromagnétiques sont généralement décrites par l’une des trois propriétés physiques suivantes: fréquence f, longueur d’onde λ ou énergie des photons E. Les fréquences observées en astronomie vont de 2,4 × 1023 Hz (rayons gamma de 1 GeV) à la fréquence locale du plasma. milieu interstellaire ionisé (~ 1 kHz). La longueur d’onde est inversement proportionnelle à la fréquence des ondes, donc les rayons gamma ont des longueurs d’onde très courtes qui sont des fractions de la taille des atomes, alors que les longueurs d’onde à l’extrémité opposée du spectre peuvent être aussi longues que l’univers. L’énergie des photons est directement proportionnelle à la fréquence des ondes, de sorte que les photons gamma ont la plus grande énergie (environ un milliard d’électron-volts), tandis que les photons des ondes radio ont une énergie très basse (autour d’un femtoélectronvolt). Ces relations sont illustrées par les équations suivantes:

où:
c = 299792458 m / s est la vitesse de la lumière dans le vide
h = 6,62606896 (33) × 10-34 J · s = 4,13566733 (10) × 10-15 eV · s est la constante de Planck.
Chaque fois que des ondes électromagnétiques existent dans un milieu avec de la matière, leur longueur d’onde est diminuée. Les longueurs d’onde du rayonnement électromagnétique, quel que soit le milieu dans lequel elles passent, sont généralement exprimées en termes de longueur d’onde du vide, bien que cela ne soit pas toujours explicitement indiqué.

Généralement, le rayonnement électromagnétique est classé par longueur d’onde en ondes radio, micro-ondes, rayonnement térahertz (ou sub-millimétrique), infrarouge, la région visible qui est perçue comme lumière, ultraviolet, rayons X et rayons gamma. Le comportement du rayonnement EM dépend de sa longueur d’onde. Lorsque le rayonnement électromagnétique interagit avec des atomes et des molécules uniques, son comportement dépend également de la quantité d’énergie par quantum (photon) qu’il transporte.

La spectroscopie peut détecter une région beaucoup plus large du spectre EM que la gamme visible de 400 nm à 700 nm. Un spectroscope de laboratoire commun peut détecter des longueurs d’onde de 2 nm à 2500 nm. Des informations détaillées sur les propriétés physiques des objets, des gaz ou même des étoiles peuvent être obtenues à partir de ce type d’appareil. Les spectroscopes sont largement utilisés en astrophysique. Par exemple, de nombreux atomes d’hydrogène émettent un photon d’onde radio ayant une longueur d’onde de 21,12 cm. En outre, des fréquences de 30 Hz et moins peuvent être produites par et sont importantes dans l’étude de certaines nébuleuses stellaires et des fréquences aussi élevées que 2,9 × 1027 Hz ont été détectées à partir de sources astrophysiques.

Justification des noms régionaux du spectre
Le rayonnement électromagnétique interagit avec la matière de différentes manières dans le spectre. Ces types d’interaction sont si différents que des noms historiquement différents ont été appliqués à différentes parties du spectre, comme s’il s’agissait de différents types de rayonnements. Ainsi, bien que ces « différents types » de rayonnement électromagnétique forment un spectre quantitativement continu de fréquences et de longueurs d’onde, le spectre reste divisé pour des raisons pratiques liées à ces différences d’interactions qualitatives.

Interaction de rayonnement électromagnétique avec la matière
Région du spectre Principales interactions avec la matière
Radio Oscillation collective des porteurs de charge dans le matériau en vrac (oscillation du plasma). Un exemple serait les déplacements oscillatoires des électrons dans une antenne.
Micro-ondes à travers l’infrarouge lointain Oscillation plasma, rotation moléculaire
Proche infrarouge Vibration moléculaire, oscillation de plasma (dans les métaux seulement)
Visible Excitation d’électrons moléculaires (y compris les molécules de pigment trouvées dans la rétine humaine), oscillations du plasma (dans les métaux uniquement)
Ultra-violet Excitation d’électrons de valence moléculaire et atomique, y compris l’éjection des électrons (effet photoélectrique)
Rayons X Excitation et éjection des électrons atomiques du noyau, Compton diffusion (pour les nombres atomiques faibles)
Rayons gamma Éjection énergétique des électrons du noyau dans les éléments lourds, Compton diffusion (pour tous les nombres atomiques), excitation des noyaux atomiques, y compris la dissociation des noyaux
Rayons gamma à haute énergie Création de paires particule-antiparticule. À de très hautes énergies, un seul photon peut créer une pluie de particules de haute énergie et d’antiparticules lors de l’interaction avec la matière.
Types de rayonnement

Limites
Une discussion des régions (ou bandes ou types) du spectre électromagnétique est donnée ci-dessous. Notez qu’il n’y a pas de limites définies avec précision entre les bandes du spectre électromagnétique; ils se fondent plutôt l’un dans l’autre comme les bandes d’un arc-en-ciel (qui est le sous-spectre de la lumière visible). Le rayonnement de chaque fréquence et longueur d’onde (ou dans chaque bande) a un mélange de propriétés des deux régions du spectre qui le lient. Par exemple, la lumière rouge ressemble au rayonnement infrarouge en ce sens qu’elle peut exciter et ajouter de l’énergie à certaines liaisons chimiques et doit en effet le faire pour alimenter les mécanismes chimiques responsables de la photosynthèse et du fonctionnement du système visuel.

Régions du spectre
Les types de rayonnement électromagnétique sont généralement classés dans les classes suivantes:

Rayonnement gamma
Rayonnement X
Rayonnement ultraviolet
Rayonnement visible
Rayonnement infrarouge
Rayonnement térahertz
Rayonnement micro-ondes

Les ondes radio
Cette classification va dans l’ordre croissant de la longueur d’onde, qui est caractéristique du type de rayonnement. Alors qu’en général, le schéma de classification est précis, en réalité il y a souvent un certain chevauchement entre les types voisins d’énergie électromagnétique. Par exemple, les ondes radioélectriques SLF à 60 Hz peuvent être reçues et étudiées par les astronomes, ou peuvent être acheminées le long de câbles électriques, bien que ce dernier ne soit pas du tout un rayonnement électromagnétique (voir champ proche et champ lointain).

La distinction entre rayons X et rayons gamma repose en partie sur des sources: les photons issus de la désintégration nucléaire ou d’autres processus nucléaires et subnucléaires sont toujours appelés rayons gamma, alors que les rayons X sont générés par des transitions électroniques impliquant des atomes atomiques hautement énergétiques. électrons. En général, les transitions nucléaires sont beaucoup plus énergétiques que les transitions électroniques, de sorte que les rayons gamma sont plus énergétiques que les rayons X, mais des exceptions existent. Par analogie aux transitions électroniques, on dit que les transitions d’atomes muoniques produisent des rayons X, même si leur énergie peut dépasser 6 mégaélectronvolts (0,96 pJ), alors qu’il y en a beaucoup (77 connus pour être inférieurs à 10 keV (1,6 fJ)). transitions nucléaires de l’énergie (par exemple, la transition nucléaire de thorium-229 à 7,6 eV (1,22 aJ)) et, bien qu’elles soient un million de fois moins énergiques que certains rayons X muoniques, les photons émis sont encore appelés rayons gamma en raison de leur origine nucléaire.

La convention selon laquelle le rayonnement électromagnétique connu pour provenir du noyau, est toujours appelé «rayonnement gamma» est la seule convention qui soit universellement respectée. De nombreuses sources de rayons gamma astronomiques (telles que les sursauts gamma) sont connues pour être trop énergétiques (à la fois en intensité et en longueur d’onde) pour être d’origine nucléaire. Assez souvent, en physique des hautes énergies et en radiothérapie médicale, les EMR de très haute énergie (dans la région> 10 MeV) – d’énergie plus élevée que n’importe quel rayon gamma nucléaire – ne s’appellent pas rayons X ou rayons gamma, mais plutôt le terme générique de « photons de haute énergie ».

La région du spectre où tombe un rayonnement électromagnétique observé dépend du cadre de référence (en raison du décalage Doppler de la lumière), de sorte qu’un rayonnement EM qu’un observateur dirait être dans une région du spectre pourrait apparaître à un observateur se déplaçant à une fraction substantielle de la vitesse de la lumière par rapport à la première à être dans une autre partie du spectre. Par exemple, considérons le fond de micro-ondes cosmique. Il s’est produit, lorsque la matière et le rayonnement ont été découplés, par la désexcitation des atomes d’hydrogène à l’état fondamental. Ces photons provenaient des transitions de la série Lyman, les plaçant dans la partie ultraviolette (UV) du spectre électromagnétique. Maintenant, ce rayonnement a subi suffisamment de décalage cosmologique vers le rouge pour le placer dans la région hyperfréquence du spectre pour les observateurs se déplaçant lentement (par rapport à la vitesse de la lumière) par rapport au cosmos.

Fréquence radio
Les ondes radio sont émises et reçues par des antennes composées de conducteurs tels que des résonateurs à tige métallique. Dans la génération artificielle d’ondes radio, un dispositif électronique appelé émetteur génère un courant électrique alternatif qui est appliqué à une antenne. Les électrons oscillants dans l’antenne génèrent des champs électriques et magnétiques oscillants qui rayonnent loin de l’antenne sous forme d’ondes radio. A la réception des ondes radioélectriques, les champs électriques et magnétiques oscillants d’une onde radioélectrique se couplent aux électrons dans une antenne, les poussant d’avant en arrière, créant des courants d’oscillation qui sont appliqués à un récepteur radio. L’atmosphère de la Terre est principalement transparente aux ondes radio, à l’exception des couches de particules chargées dans l’ionosphère qui peuvent refléter certaines fréquences.

Les ondes radio sont extrêmement largement utilisées pour transmettre des informations à distance dans les systèmes de radiocommunication tels que la radiodiffusion, la télévision, les radios bidirectionnelles, les téléphones mobiles, les satellites de communication et les réseaux sans fil. Dans un système de communication radio, un courant radiofréquence est modulé avec un signal porteur d’informations dans un émetteur en faisant varier l’amplitude, la fréquence ou la phase, et appliqué à une antenne. Les ondes radio transportent les informations à travers l’espace vers un récepteur, où elles sont reçues par une antenne et les informations extraites par démodulation dans le récepteur. Les ondes radio sont également utilisées pour la navigation dans des systèmes tels que le GPS (Global Positioning System) et les balises de navigation, ainsi que pour la localisation d’objets éloignés en radiolocalisation et en radar. Ils sont également utilisés pour le contrôle à distance et pour le chauffage industriel.

L’utilisation du spectre radio est strictement réglementée par les gouvernements, coordonnée par un organisme appelé l’Union internationale des télécommunications (UIT) qui attribue des fréquences à différents utilisateurs pour différents usages.

Micro-ondes
Les micro-ondes sont des ondes radio de courte longueur d’onde, d’environ 10 centimètres à un millimètre, dans les bandes de fréquences SHF et EHF. L’énergie micro-ondes est produite avec des tubes klystron et magnétron, et avec des dispositifs à semi-conducteurs tels que les diodes Gunn et IMPATT. Bien qu’elles soient émises et absorbées par de courtes antennes, elles sont également absorbées par les molécules polaires, se couplant aux modes de vibration et de rotation, entraînant un chauffage en masse. Contrairement aux ondes à haute fréquence telles que l’infrarouge et la lumière qui sont absorbées principalement sur les surfaces, les micro-ondes peuvent pénétrer dans les matériaux et déposer leur énergie sous la surface. Cet effet est utilisé pour chauffer les aliments dans les fours à micro-ondes et pour le chauffage industriel et la diathermie médicale. Les micro-ondes sont les principales longueurs d’onde utilisées dans les radars, et sont utilisées pour la communication par satellite, et les technologies de réseautage sans fil comme le Wifi, bien que ce soit à des niveaux d’intensité incapables de provoquer un chauffage thermique. Les câbles de cuivre (lignes de transmission) qui sont utilisés pour transporter des ondes radio de fréquence inférieure à des antennes ont des pertes de puissance excessives aux fréquences micro-ondes, et des tuyaux métalliques appelés guides d’ondes sont utilisés pour les transporter. Bien qu’à l’extrémité inférieure de la bande l’atmosphère soit principalement transparente, à l’extrémité supérieure de la bande, l’absorption des micro-ondes par les gaz atmosphériques limite les distances de propagation pratiques à quelques kilomètres.

Rayonnement térahertz
Le rayonnement térahertz est une région du spectre entre l’infrarouge lointain et les micro-ondes. Jusqu’à récemment, la gamme était rarement étudiée et il existait peu de sources d’énergie hyperfréquence dans le haut de la bande (ondes submillimétriques ou ondes dites térahertz), mais des applications telles que l’imagerie et les communications apparaissent maintenant. Les scientifiques cherchent également à appliquer la technologie terahertz dans les forces armées, où des vagues à haute fréquence pourraient être dirigées vers les troupes ennemies pour neutraliser leur équipement électronique. Le rayonnement térahertz est fortement absorbé par les gaz atmosphériques, ce qui rend cette gamme de fréquence inutile pour la communication à longue distance.

Rayonnement infrarouge
La partie infrarouge du spectre électromagnétique couvre la plage d’environ 300 GHz à 400 THz (1 mm – 750 nm). Il peut être divisé en trois parties:

Infrarouge lointain, de 300 GHz à 30 THz (1 mm – 10 μm). La partie inférieure de cette gamme peut également être appelée micro-ondes ou ondes térahertz. Ce rayonnement est typiquement absorbé par des modes dits de rotation dans les molécules en phase gazeuse, par des mouvements moléculaires dans les liquides et par des phonons dans les solides. L’eau dans l’atmosphère de la Terre absorbe si fortement dans cette gamme qu’elle rend l’atmosphère opaque. Cependant, il existe certaines plages de longueurs d’onde (« fenêtres ») dans la plage opaque qui permettent une transmission partielle, et peuvent être utilisées pour l’astronomie. La gamme de longueurs d’onde allant d’environ 200 μm à quelques mm est souvent appelée «submillimétrique» en astronomie, réservant l’infrarouge lointain pour les longueurs d’onde inférieures à 200 μm.

Infra-rouge moyen, de 30 à 120 THz (10-2,5 μm). Les objets chauds (radiateurs à corps noir) peuvent rayonner fortement dans cette plage, et la peau humaine à la température normale du corps rayonne fortement à l’extrémité inférieure de cette région. Ce rayonnement est absorbé par les vibrations moléculaires, où les différents atomes d’une molécule vibrent autour de leurs positions d’équilibre. Cette gamme est parfois appelée la région des empreintes digitales, puisque le spectre d’absorption dans l’infrarouge moyen d’un composé est très spécifique pour ce composé.

Proche infrarouge, de 120 à 400 THz (2500-750 nm). Les processus physiques pertinents pour cette plage sont similaires à ceux de la lumière visible. Les fréquences les plus élevées dans cette région peuvent être détectées directement par certains types de films photographiques, et par de nombreux types de capteurs d’images à l’état solide pour la photographie infrarouge et la vidéographie.

Rayonnement visible (lumière)
Au-dessus de l’infrarouge dans la fréquence vient la lumière visible. Le Soleil émet sa puissance de crête dans la région visible, bien que l’intégration de l’ensemble du spectre de puissance d’émission à travers toutes les longueurs d’onde montre que le Soleil émet un peu plus d’infrarouges que la lumière visible. Par définition, la lumière visible est la partie du spectre électromagnétique dont l’œil humain est le plus sensible. La lumière visible (et la lumière proche infrarouge) est typiquement absorbée et émise par les électrons dans les molécules et les atomes qui passent d’un niveau d’énergie à un autre. Cette action permet les mécanismes chimiques qui sous-tendent la vision humaine et la photosynthèse des plantes. La lumière qui excite le système visuel humain est une très petite partie du spectre électromagnétique. Un arc-en-ciel montre la partie optique (visible) du spectre électromagnétique; l’infrarouge (s’il était visible) serait situé juste au-delà du côté rouge de l’arc-en-ciel, les ultraviolets apparaissant juste au-delà de l’extrémité violette.

Un rayonnement électromagnétique d’une longueur d’onde comprise entre 380 nm et 760 nm (400-790 térahertz) est détecté par l’œil humain et perçu comme de la lumière visible. D’autres longueurs d’onde, en particulier les infrarouges proches (plus de 760 nm) et les ultraviolets (plus courtes que 380 nm) sont aussi parfois appelées lumière, en particulier lorsque la visibilité sur les humains n’est pas pertinente. La lumière blanche est une combinaison de lumières de différentes longueurs d’onde dans le spectre visible. Passer la lumière blanche à travers un prisme la divise en plusieurs couleurs de lumière observées dans le spectre visible entre 400 nm et 780 nm.

Si un rayonnement ayant une fréquence dans la région visible du spectre EM se reflète sur un objet, disons un bol de fruits, puis frappe les yeux, cela se traduit par une perception visuelle de la scène. Le système visuel du cerveau traite la multitude de fréquences réfléchies en différentes nuances et nuances, et à travers ce phénomène psychophysique insuffisamment compris, la plupart des gens perçoivent un bol de fruits.

Cependant, à la plupart des longueurs d’onde, l’information portée par le rayonnement électromagnétique n’est pas directement détectée par les sens humains. Les sources naturelles produisent un rayonnement électromagnétique à travers le spectre, et la technologie peut également manipuler un large éventail de longueurs d’onde. La fibre optique transmet de la lumière qui, bien que n’étant pas nécessairement dans la partie visible du spectre (elle est généralement infrarouge), peut transporter de l’information. La modulation est similaire à celle utilisée avec les ondes radio.

Rayonnement ultraviolet
Suivant en fréquence vient l’ultraviolet (UV). La longueur d’onde des rayons UV est plus courte que l’extrémité violette du spectre visible mais plus longue que la radiographie.

L’UV est le plus long rayonnement de longueur d’onde dont les photons sont assez énergétiques pour ioniser les atomes, en séparant les électrons et provoquant ainsi des réactions chimiques. Les ondes UV de courte longueur d’onde et le rayonnement de plus courte longueur d’onde au-dessus (rayons X et rayons gamma) sont appelés rayonnements ionisants et leur exposition peut endommager les tissus vivants, ce qui présente un danger pour la santé. Les UV peuvent aussi faire briller de nombreuses substances avec la lumière visible. c’est ce qu’on appelle la fluorescence.

Au milieu de l’UV, les rayons UV ne peuvent pas s’ioniser, mais peuvent rompre les liaisons chimiques, rendant les molécules exceptionnellement réactives. Les coups de soleil, par exemple, sont causés par les effets perturbateurs du rayonnement UV de moyenne portée sur les cellules de la peau, qui est la principale cause du cancer de la peau. Les rayons UV dans la gamme moyenne peuvent endommager irrémédiablement les molécules d’ADN complexes dans les cellules produisant des dimères de thymine, ce qui en fait un mutagène très puissant.

Le Soleil émet un rayonnement UV important (environ 10% de sa puissance totale), y compris des ultraviolets extrêmement courts qui pourraient potentiellement détruire la plus grande partie de la vie terrestre (l’eau des océans fournirait une certaine protection pour la vie). Cependant, la plupart des longueurs d’onde UV nocives du soleil sont absorbées par l’atmosphère avant qu’elles n’atteignent la surface. Les plages d’énergie les plus élevées (longueur d’onde la plus courte) des UV (appelées «UV sous vide») sont absorbées par l’azote et, à des longueurs d’onde plus grandes, par de l’oxygène diatomique simple dans l’air. La plus grande partie des UV dans les moyennes énergies est bloquée par la couche d’ozone, qui absorbe fortement dans la gamme importante de 200-315 nm, dont la partie énergétique inférieure est trop longue pour absorber le dioxygène ordinaire dans l’air. Cela laisse moins de 3% de la lumière du soleil au niveau de la mer dans les UV, avec tout ce qui reste aux énergies les plus basses. Le reste est UV-A, avec quelques UV-B. La gamme d’énergie UV la plus basse entre 315 nm et la lumière visible (appelée UV-A) n’est pas bien bloquée par l’atmosphère, mais ne provoque pas de coup de soleil et cause moins de dommages biologiques. Cependant, il n’est pas inoffensif et crée des radicaux d’oxygène, des mutations et des lésions cutanées. Voir ultraviolet pour plus d’informations.

Rayons X
Après les rayons UV viennent les rayons X, qui, comme les plages supérieures des UV sont également ionisants. Cependant, en raison de leurs énergies plus élevées, les rayons X peuvent également interagir avec la matière au moyen de l’effet Compton. Les rayons X durs ont des longueurs d’onde plus courtes que les rayons X mous et comme ils peuvent traverser de nombreuses substances avec peu d’absorption, ils peuvent être utilisés pour «voir à travers» des objets avec des «épaisseurs» inférieures à quelques mètres d’eau. Une utilisation notable est l’imagerie diagnostique par rayons X en médecine (un processus connu sous le nom de radiographie). Les rayons X sont utiles comme sondes dans la physique des hautes énergies. En astronomie, les disques d’accrétion autour des étoiles à neutrons et des trous noirs émettent des rayons X, permettant l’étude de ces phénomènes. Les rayons X sont également émis par les coronas d’étoiles et sont fortement émis par certains types de nébuleuses. Cependant, les télescopes à rayons X doivent être placés en dehors de l’atmosphère terrestre pour observer les rayons X astronomiques, car la grande profondeur de l’atmosphère de la Terre est opaque aux rayons X (avec une densité surfacique de 1000 grammes par cm2), soit 10 mètres. épaisseur de l’eau. C’est une quantité suffisante pour bloquer presque tous les rayons X astronomiques (et aussi les rayons gamma astronomiques – voir ci-dessous).

Rayons gamma
Après les rayons X durs viennent les rayons gamma, qui ont été découverts par Paul Ulrich Villard en 1900. Ce sont les photons les plus énergétiques, n’ayant pas de limite inférieure définie à leur longueur d’onde. En astronomie, ils sont utiles pour étudier des objets ou des régions à haute énergie, mais comme avec les rayons X, cela ne peut se faire qu’avec des télescopes situés en dehors de l’atmosphère terrestre. Les rayons gamma sont utilisés expérimentalement par les physiciens pour leur capacité de pénétration et sont produits par un certain nombre de radio-isotopes. Ils sont utilisés pour l’irradiation des aliments et des graines pour la stérilisation, et en médecine, ils sont parfois utilisés dans la radiothérapie. Plus communément, les rayons gamma sont utilisés pour l’imagerie diagnostique en médecine nucléaire, par exemple les scanners TEP. La longueur d’onde des rayons gamma peut être mesurée avec une grande précision grâce aux effets de Compton diffusion.