Spectre électromagnétique

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Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquence (ou période), d'énergie des photons ou encore de longueur d’onde associée, les quatre grandeurs ν (fréquence), p (période), E (énergie) et λ (longueur d’onde) étant liées deux à deux par :

selon les formules :

  • E = h\ \nu = h / p\, pour l’énergie transportée par le photon,
  • c = \lambda\ \nu = \lambda / p\, pour le déplacement dans le vide (relativiste dans tous les référenciels) du photon,

d’où aussi :

  • E = h\ c / \lambda\,.

Sommaire

[modifier] Histoire

Le terme spectre fut employé pour la première fois en 1666 par Isaac Newton pour se référer au phénomène par lequel un prisme de verre peut séparer les couleurs contenues dans la lumière du Soleil.

[modifier] Unités de mesures

Pour les ondes radio et la lumière, on utilise habituellement la longueur d'onde. À partir des rayons X, les longueurs d'ondes sont rarement utilisées : comme on a affaire à des particules très énergétiques, l'énergie correspondant au photon X ou γ détecté est plus utile. Cette énergie est exprimée en électron-volt (eV), soit l'énergie d'1 électron accéléré par un potentiel de 1 volt.

Le domaine visible du spectre électromagnétique
Le domaine visible du spectre électromagnétique

[modifier] Spectre lumineux

Icône de détail Article détaillé : Spectroscopie.
Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d'onde, de la fréquence ou de l'énergie des photons
Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la longueur d'onde, de la fréquence ou de l'énergie des photons

La lumière blanche peut se décomposer en arc-en-ciel à l'aide d'un prisme ou d'un réseau de diffraction. Chaque « couleur spectrale » de cette décomposition correspond à une longueur d’onde précise ; cependant, la physiologie de la perception des couleurs fait qu'une couleur vue ne correspond pas nécessairement à une radiation de longueur d’onde unique mais peut être une superposition de radiations monochromatiques. La spectrométrie étudie les procédés de décomposition, d’observation et de mesure des radiations en ondes monochromatiques.

Les photons de lumière visible les plus énergétiques (violet) sont à 3 eV. Les rayons X couvrent la gamme 100 eV à 100 keV. Les rayons γ sont au-delà de 100 keV. Des photons γ de plus de 100 MeV (100 000 000 eV) émis par un quasar ont été détectés.

[modifier] Usages et classification

Les définitions des bandes mentionnées dans le tableau sont les suivantes (normalisation internationale effectuée par l’UIT) ; elles sont aussi communément désignées par leur catégorie de longueur d’onde métrique :

Bande de fréquences Longueurs d’onde Usages
Bande TLF
(Tremendously Low Frequency)		 moins de
3 Hz		 Ondes gigamétriques ∝ à
100 Mm		 Champs magnétiques, ondes et bruits électromagnétiques naturels, ondes gravitationnelles
Bande ELF
(Extremely Low Frequency)		 3 Hz à
30 Hz		 Ondes mégamétriques 100 Mm à
10 Mm		 Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes du cerveau humain, recherches en géophysique, raies spectrales moléculaires
Bande SLF
(Super Low Frequency)		 30 Hz à
300 Hz		 9 Mm à
1 Mm		 Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes physiologiques animales et humaines (« infrasonores »), ondes des lignes de distribution électriques, usages inductifs industriels, télécommandes EDF Pulsadis, harmoniques d’ondes électriques
Bande VF/ULF
(Voice Frequency/Ultra Low Frequency)		 300 Hz à
3 kHz		 999 km à
100 km		 Ondes électromagnétiques naturelles notamment des orages solaires, ondes physiologiques humaines, ondes des signaux audiophoniques, ondes électriques des réseaux téléphoniques et ADSL, harmoniques d’ondes électriques, signalisation TVM des TGV
Bande VLF
(Very Low Frequency)		 3 kHz à
30 kHz		 Ondes myriamétriques 99 km à
10 km		 Ondes électromagnétiques naturelles, radiocommunications submaritimes militaires, transmissions par CPL, systèmes de radionavigation, émetteurs de signaux horaires,
Bande LF
(Low Frequency)		 30 kHz à
300 kHz		 Ondes kilométriques 9 km à
1 km		 Ondes électromagnétiques naturelles des orages terrestres, radiocommunications maritimes et submaritimes, transmissions par CPL, radiodiffusion en OL, émetteurs de signaux horaires, systèmes de radionavigation
Bande MF
(Medium Frequency)		 300 kHz à
3 MHz		 Ondes hectométriques 9 hm à
1 hm		 Systèmes de radionavigation, radiodiffusion en OM, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radioamateurs, signaux horaires.
Bande HF
(High Frequency)		 3 MHz à
30 MHz		 Ondes décamétriques 9 dm à
1 dm		 Radiodiffusion internationale, radioamateurs, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radiocommunications militaires et d’ambassades, aide humanitaire, transmissions gouvernementales, applications inductives autorisées, signaux horaires, CB en 27 MHz, radar NOSTRADAMUS
Bande VHF
(Very High Frequency)		 30 MHz à
300 MHz		 Ondes métriques 9 m à
1 m		 Radiodiffusion et télédiffusion, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires, liaisons des secours publics, radionavigation et radiocommunications aéronautiques, radioamateurs, satellites météo, radioastronomie, recherches spatiales
Bande UHF
(Ultra High Frequency)		 300 MHz à
3 GHz		 Ondes décimétriques 9 dm à
1 dm		 Télédiffusion, radiodiffusion numérique, radioamateurs, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires y compris aéronautiques, liaisons gouvernementales, liaisons satellites, FH terrestres, radiolocalisation et radionavigation, services de la DGAC, usages spatiaux, satellites météo, téléphonie GSM et UMTS, liaisons Wi-Fi et Bluetooth, systèmes radar
Bande SHF
(Super High Frequency)		 3 GHz à
30 GHz		 Ondes centimétriques 9 cm à
1 cm		 FH terrestres et par satellite, systèmes radar, liaisons et FH militaires divers, systèmes BLR, radioastronomie et usages spatiaux, radiodiffusion et télédiffusion par satellite, liaisons Wi-Fi,
Bande EHF
(Extremely High Frequency)		 30 GHz à
300 GHz		 Ondes millimétriques 9 mm à
1 mm		 FH terrestres et par satellite, recherches spatiales, radioastronomie, satellites divers, liaisons et FH militaires, radioamateurs, systèmes radar, raies spectrales moléculaires, expérimentations et recherches scientifiques
Bande THF
(Tremendously High Frequency)		 300 GHz à
300 EHz		 Ondes micrométriques
ou nanométriques		 9 µm à
1 nm
  • Ondes infrarouges C (300 GHz à 100 THz)
    • Infrarouges extrêmes (300 GHz à 19,986 THz)
    • Infrarouges lointains (19,986 à 49,965 THz)
    • Infrarouges moyens (49,965 à 99,930 THz)
  • Infrarouges proches (99,930 à 399,723 THz)
    • Ondes infrarouges B (100 à 214 THz)
    • Ondes infrarouges A (214 à 374,740 THz)
    • Transition vers le rouge (374,740 à 384,349 THz)
  • Lumière visible par l’homme (couleurs « spectrales ») :
    • Ondes visibles rouges (745 à 625 à nm)
    • Ondes visibles oranges (625 à 590 à nm)
    • Ondes visibles jaunes (590 à 565 nm)
    • Ondes visibles vertes (565 à 520 nm)
    • Ondes visibles cyanes (520 à 490 nm)
    • Ondes visibles bleues (490 à 445 nm)
    • Ondes visibles indigos (445 à 420 nm)
    • Ondes visibles violettes (420 à 380 nm)
  • Transition vers les ultraviolets (788,927 THz à 749,481 THz)
  • Ultraviolet :
    • Ultraviolets UV-A (749,481 THz à 951,722 THz)
    • Ultraviolets UV-B (951,722 THz à 1070,687 THz)
    • Ultraviolets UV-C (1070,687 THz à 1498,962 THz)
    • Ultraviolets V-UV (1498,962 THz à 3 PHz)
    • Ultraviolets X-UV, transition vers les rayons X (3 PHz à 300 PHz)
  • Rayonnements dits « ionisants » :
    • Rayons X :
      • Rayons X mous (300 PHz à 3 EHz)
      • Rayons X durs (3 EHz à 30 EHz)
    • Rayons gamma :
      • Rayons gamma mous (30 EHz à 300 EHz)
      • Rayons gamma durs (plus de 300 EHz) (au delà de la bande THF)

[modifier] Spectre d'émission

Icône de détail Article détaillé : spectre d'émission.

Des atomes ou molécules excités (par exemple par chocs) se désexcitent en émettant une onde électromagnétique. Celle-ci peut se décomposer en une superposition d'ondes sinusoïdales (monochromatiques) caractérisées par leurs longueurs d'onde. Le spectre est constitué par l'ensemble des longueurs d'ondes présentes. On peut le matérialiser à l'aide d'un prisme de décomposition de la lumière en un ensemble de lignes, les raies spectrales, qui correspondent aux différentes longueurs d'ondes émises. Pour plus de précision, on peut également représenter ce spectre comme un graphe de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

L'observation du spectre d'émission de l'hydrogène se fait au moyen d'un tube Geissler qui comporte deux électrodes et de l'hydrogène sous faible pression. Les électrodes sont soumises à une différence de potentiel de 1000 V. L'important champ électrique accélère les ions présents qui par chocs excitent les atomes d'hydrogène. Lors de leur désexcitation, ils émettent de la lumière qui est analysée par un spectroscope. Dans tous les cas on observe (dans le visible) le même spectre composé de 4 raies (spectres de raies) aux longueurs d'ondes : 410 nm, 434 nm, 486 nm, 656 nm.

Niels Bohr interprétera alors l'émission de lumière par l'émission d'un photon lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie à un autre. Le spectre d'émission de n'importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément.

[modifier] Spectre d'absorption

Icône de détail Article détaillé : spectre d'absorption.

Le principe est exactement le même que celui du spectre d'émission : à un niveau d'énergie donné correspond une longueur d'onde. Mais au lieu d'exciter de la matière (par exemple en la chauffant) pour qu'elle émette de la lumière, on l'éclaire avec de la lumière blanche (donc contenant toutes les longueurs d'ondes) pour voir quelles longueurs d'ondes sont absorbées. Les niveaux d'énergie étant caractéristiques de chaque élément, le spectre d'absorption d'un élément est exactement le complémentaire du spectre d'émission. On s'en sert notamment en astrophysique : par exemple, pour déterminer la composition de nuages gazeux, on étudie leur spectre d'absorption en se servant des étoiles se situant en arrière-plan comme source de lumière. C'est d'une manière générale le but de la spectrographie d'absorption : identifier des éléments inconnus (ou des mélanges) par leur spectre.

[modifier] Voir aussi

[modifier] Notes et références

[modifier] Articles connexes

 v · d · m 
Spectre électromagnétique (Radioélectricité)
Onde radio • Bandes de fréquences de la télévision terrestre • Spectre micro-ondes
Fréquence
Longueur d’onde		 9 kHz
333 Mm		   400 MHz
75 cm		   300 GHz
1 mm		   3 THz
100 µm		   405 THz
745 nm		   480 THz
625 nm		   508 THz
590 nm		   530 THz
565 nm		   577 THz
520 nm		   612 THz
490 nm		   690 THz
435 nm		   750 THz
400 nm		   30 PHz
10 nm		   30 EHz
10 pm		  
Bandes   ondes radio micro-ondes térahertz infrarouge rouge orange jaune vert cyan bleu violet ultraviolet rayons X rayons γ
rayonnements pénétrants lumière visible rayonnements ionisants