Définition du rayonnement.

 

Le mot rayonnement évoque splendeur et plénitude : c'est bien ce que nous ressentons à l'égard du Soleil dont les rayons nous chauffent et nous éclairent. Mais il existe également bien d'autres sortes de rayonnements, bienfaisants ou non, qui nous informent sur l'Univers, nous permettent de communiquer d'un bout à l'autre de la Terre, ou encore de " voir " l'intérieur de notre corps. Émission et transport d'énergie, en général sous forme ondulatoire. La généralité du terme " rayonnement " est telle qu'il englobe en fait des phénomènes physiques distincts, aussi bien ondulatoires que corpusculaires, qui correspondent à des modes de propagation totalement différents. On ne parlera pas des rayonnements strictement corpusculaires, qui sont essentiellement liés à la radioactivité. En revanche, la complémentarité quantique entre aspect corpusculaire et ondulatoire, qui s'applique particulièrement bien au rayonnement électromagnétique, fait qu'on peut décrire ce dernier sous l'un ou sous l'autre aspect. Étant donné la nature des phénomènes qui couplent ce rayonnement à la matière et les énergies mises en jeu, il est habituel de considérer l'aspect ondulatoire pour les rayonnements de basse et moyenne énergie et l'aspect corpusculaire pour les rayonnements de haute énergie. Nous évoquerons ces différents rayonnements par énergie croissante. Nature et propagation D'un point de vue ondulatoire classique, le rayonnement électromagnétique résulte de la propagation simultanée d'un champ électrique et d'un champ magnétique perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation. Cette propagation peut se faire dans le vide, avec une vitesse constante indépendante de la fréquence, qui vaut c = 299 792 458 m . s-1 (vitesse de la lumière). L'ensemble des deux champs constitue une onde caractérisée par sa fréquence n et sa longueur d'onde g, liées entre elles par la relation g = c/n. La propagation peut aussi se faire dans la matière, mais elle dépend alors de la nature de la matière et de la fréquence du rayonnement. La vitesse de propagation dans la matière est toujours inférieure à c. L'onde électromagnétique transporte de l'énergie et le flux d'énergie qui lui est associé, c'est-à-dire la quantité d'énergie par mètre carré et par seconde, est proportionnel au carré du module du champ électrique de l'onde. En termes corpusculaires, le rayonnement électromagnétique est composé de photons, chaque photon transportant une énergie e = hn (h est la constante de Planck et vaut 6,626 . 10-34 J . s). Le flux d'énergie est d'autant plus grand que le flux de photons est plus élevé, mais aussi que la fréquence est plus élevée. En fait, c'est l'énergie transportée par chaque photon, plus que le nombre de photons, qui conditionne la forme que prend l'interaction du rayonnement avec la matière. Plus la fréquence est élevée, plus chaque photon est énergétique et plus vigoureuse est son interaction avec la matière. Classiquement, l'émission d'un rayonnement électromagnétique par la matière est toujours créée par le mouvement oscillatoire d'une charge électrique et son absorption correspond à la mise en oscillation d'une charge. Dans la description corpusculaire, l'émission (absorption) d'un photon est associée au changement d'état énergétique d'un système quantique qui passe d'un état d'énergie E1 à un état d'énergie E2 ; au cours de cette transition, le système perd (ou gagne) une quantité d'énergie égale à celle du photon : |E2 - E1| = hn. À chaque domaine de fréquence est associé un type de transition et d'état d'énergie de la matière, qui va du déplacement d'un électron libre dans un conducteur à l'ébranlement d'un noyau atomique, avec un rapport d'énergie de 1 à 1020. Le rayonnement hertzien On désigne par ce terme les rayonnements dont la longueur d'onde est comprise entre 103 m et 10-3 m, correspondant à des fréquences allant de 3 . 105 Hz à 3 . 1011 Hz. Les sources de rayonnement hertzien.  Le rayonnement hertzien est produit chaque fois que des courants alternatifs circulent dans des conducteurs. C'est ainsi que sont émises les ondes qui portent la radio et la télévision, ainsi que les radiocommunications. L'absorption de ces ondes par des antennes se traduit par des courants électriques alternatifs, dont on extrait le signal. Il existe des sources naturelles d'ondes hertziennes, qui sont principalement certains mouvements moléculaires, comme celui de l'hydrogène moléculaire responsable de la " raie 21 cm de l'hydrogène " très importante en radioastronomie et le rayonnement synchrotron. Celui-ci se produit lorsque des électrons en mouvement sont canalisés par des lignes de champ magnétique. Ils accomplissent alors un mouvement hélicoïdal qui émet un rayonnement électromagnétique. L'Univers contient de nombreuses sources de ce rayonnement, en particulier les pulsars. Le rayonnement infrarouge C'est un rayonnement dont la longueur d'onde est comprise entre 1 mm et 0,8 micromètre (mm), et la fréquence entre 3 . 1011 et 3,75 . 1014 Hz. On distingue le proche infrarouge (g < 10 mm) et l'infrarouge lointain. Les sources infrarouges. L'émission/absorption de l'infrarouge est principalement liée aux mouvements (rotation-vibration) des atomes dans les molécules excitées par l'agitation thermique et aux transitions électroniques liées à ces mouvements. L'infrarouge est donc essentiellement un rayonnement thermique dont la source idéale est le " corps noir " qui émet, en fonction de la température, un large spectre de rayonnements couvrant en particulier tout le domaine infrarouge. Il existe aussi des sources dites monochromatiques émettant une longueur d'onde précise, correspondant à une transition caractéristique de la molécule émettrice. Des lasers infrarouges à semi-conducteurs, fonctionnant dans le proche infrarouge, sont devenus des outils technologiques essentiels dans les techniques de stockage et de transmission de l'information. Corps noir et rayonnement thermique. Le corps noir est une substance qui absorbe intégralement tout rayonnement qui l'atteint. Porté à une température donnée T, le corps noir émet un rayonnement dont le spectre est entièrement défini par T, indépendamment de la nature du corps noir. Ce spectre, qui s'étend sur toutes les longueurs d'onde, a un maximum pour une longueur d'onde (en mm) gM telle que gM T = 2 897 mm . K). On voit que pour des valeurs de T de quelques centaines de kelvins (K), ce maximum est dans l'infrarouge. Bien que n'étant pas des " corps noirs " au sens strict, beaucoup de substances ont une surface absorbante, et leur émission thermique est voisine de celle du corps noir à la même température. La température du corps humain (T » 300 K) correspond à un rayonnement infrarouge de 10 mm de longueur d'onde, pour lequel il existe des détecteurs très sensibles. Le rayonnement infrarouge est directement lié aux échanges thermiques de la Terre, d'où l'importance des substances plus ou moins opaques aux infrarouges, dont la présence dans l'atmosphère joue un rôle clé dans la régulation de la température moyenne de la planète. Le rayonnement visible La longueur d'onde d'une lumière visible par l'oeil humain est comprise entre 400 et 750 nanomètres (nm), et la fréquence entre 7,5 et 4 . 1014 Hz. Les sources de lumière visible. Les transitions qui émettent/absorbent le rayonnement visible se produisent entre les niveaux électroniques externes des atomes ou molécules. L'énergie des photons associés est de l'ordre de 1 eV (1 électronvolt = 1,6 . 10-19 joule). Un corps noir porté à 5 000 °C émet de la lumière visible dans toutes les longueurs d'onde et paraît blanc (Soleil). Les sources qui ne mettent en jeu qu'une seule transition (lampes à vapeurs métalliques, tubes au néon, lasers) émettent une seule couleur. Bien que représentant un domaine très étroit dans l'ensemble du rayonnement électromagnétique, la lumière visible tire son importance du fait qu'elle est abondante à la surface de la Terre et que les organes visuels de la plupart des êtres vivants y sont sensibles. Le rayonnement ultraviolet (UV) Il correspond à des énergies allant de 3 à 120 eV et à des longueurs d'onde s'étendant de 400 à 10 nm. Les sources UV.  L'étendue du spectre UV est telle qu'on distingue le proche UV (200 < g < 400 nm), présent dans le rayonnement solaire et traversant en partie l'atmosphère, et l'UV lointain (g < 100 nm), tellement absorbé par la matière qu'il est très difficile de l'étudier. L'énergie des photons UV est telle qu'elle est susceptible d'arracher des électrons des atomes ou molécules auxquels ils sont liés, provoquant ainsi l'ionisation de la matière. Ceci est d'autant plus vrai que leur longueur d'onde est plus courte. Le très proche UV (g > 300 nm) traverse l'atmosphère, mais est peu destructeur pour les tissus biologiques, ce qui n'est plus le cas pour les longueurs d'onde plus courtes, particulièrement absorbées par les molécules biologiques vitales (ADN, protéines), mais ce rayonnement est heureusement absorbé (pour l'instant) par l'ozone de la haute atmosphère. Compte tenu des très grandes difficultés expérimentales liées à son extrême absorption par la matière, l'UV lointain représente un domaine mal connu. Les rayons X Les longueurs d'onde des rayons X couvrent un vaste domaine, allant de 10 nm à 0,01 nm, les limites de ce domaine étant plutôt instrumentales que physiques, puisqu'elles sont imposées par la technique de production. Les propriétés des rayons X mous (g > 1 nm, énergie de l'ordre de 0,1 kiloélectronvolt) se rapprochent des UV lointains. On connaît mieux le domaine des rayons X durs (0,1 à 0,01 nm, énergie de 1 à 100 keV), très utilisés en laboratoire, dans l'industrie et en médecine. Les sources de rayons X. Pratiquement tous les rayons X produits sur Terre proviennent de la collision d'électrons accélérés sous de fortes différences de potentiel dans des tubes cathodiques avec des anodes métalliques. Fortement freinés par leur interaction avec les électrons du métal, ils émettent un " rayonnement de freinage " (ou Brehmstrahlung) sous forme d'un spectre continu de rayons X. En outre, ils excitent par collision avec les atomes des transitions électroniques concernant les électrons des couches profondes qui émettent alors des rayons X de longueur d'onde fixe et caractéristique du métal cible. Des rayons X " thermiques " sont produits lors des explosions nucléaires. De nombreux mécanismes cosmiques (rayonnement synchrotron intense, explosions de supernovae, quasars), engendrent des rayons X dont l'observation, qui n'est possible que hors de l'atmosphère, a ouvert une nouvelle voie à l'astrophysique. Propriétés et utilisation des rayons X. Les rayons X durs sont absorbés par les atomes, mais de façon très inégale. Les atomes lourds les absorbent assez efficacement, alors que les atomes légers n'interagissent pratiquement pas avec eux. Cette propriété confère une opacité variable des tissus biologiques suivant leur teneur en éléments lourds comme le calcium des os, qui est à la base de l'imagerie radiologique. Les X mous, très absorbés et donc très destructeurs des structures biologiques, trouvent leur application en radiothérapie. Les photons X peuvent aussi être diffusés par les atomes d'un cristal, donnant lieu à des figures de diffraction caractéristiques de l'ordre cristallin, dont l'étude constitue la radiocristallographie. Les rayons g On englobe dans cette catégorie tous les rayonnements électromagnétiques dont l'énergie est plus grande que 100 keV, sans limitation supérieure. Les sources de rayons g. Les rayons g sont liés à des transitions entre des états plus ou moins excités du noyau des atomes. De tels états apparaissent, soit au cours de collisions très violentes, comme peuvent en produire dans l'atmosphère les particules du rayonnement cosmique avec les molécules d'air, soit dans les accélérateurs. Ils peuvent aussi se produire lors d'une radioactivité a, qui laisse le noyau radioactif dans un état excité ; celui-ci revient à l'état fondamental en émettant un photon g. Des photons g apparaissent également lors de l'annihilation d'une particule et de son antiparticule. Ces photons, dont l'énergie est bien définie, constituent la signature de telles annihilations. Des photons g sont extrêmement pénétrants dans la matière, et il faut des écrans très épais pour s'en protéger.  (Source webencyclo)