Spectre électromagnétique

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.

Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en terme de fréquence, d'énergie des photons ou encore de longueur d'onde associée, les trois grandeurs $ν$ (fréquence), $E$ (énergie) et $λ$ (longueur d'onde) étant liées deux à deux par la constante de Planck $h$ et la vitesse de la lumière $c$ , selon les formules :

$E = h \nu\,$

$c = \lambda \nu\,$

d'où aussi :

$E = \frac{h c}{\lambda}\,$

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

Longueur d'onde	Domaine
> 10 cm	Radio	(150 kHz - 3 GHz)
De 1 mm à 10 cm	Micro-onde et radar	(10 cm - +- 1cm, 3 - 300 GHz)
De 1 µm à 500 µm	Infrarouge
De 400 nm à 700 nm	Lumière visible	Rouge (620-700 nm) Orange (592-620 nm) Jaune (578-592 nm) Vert (500-578 nm) Bleu (446-500 nm) Violet (400-446 nm)
De 10 nm à 400 nm De 10^-8 m à 10^-7 m	Ultraviolet	(400 - 280 nm)
De 10^-11 m à 10^-8 m	Rayon X
De 10^-14 m à 10^-11 m	Rayon γ

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 » correspond à une longueur d'onde ; 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. Les procédés de décomposition des radiations en ondes monochromatiques sont décrits dans l'article Spectrométrie.

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] 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] Spectre d'émission

Des atomes 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 le matérialise 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 (voir exemple ci-contre).

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

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.

Spectre électromagnétique rayons γ • rayons X • ultraviolet • lumière visible • infrarouge • micro-ondes • ondes radio
	ultraviolet	violet	bleu	vert	jaune	orange	rouge	infrarouge