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Le spectre électromagnétique
Le spectre électromagnétique est l’ensemble des ondes électromagnétiques classées par longueur d’onde : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X et rayons gamma.
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La lumière que perçoit notre œil n’est qu’une minuscule fenêtre d’un ensemble beaucoup plus vaste. Les ondes de la radio, le rayonnement qui chauffe un plat au micro-ondes, la chaleur d’un radiateur, les coups de soleil ou les radiographies sont tous de même nature : des ondes électromagnétiques. Elles ne diffèrent que par leur longueur d’onde, donc par leur fréquence et leur énergie.
Les domaines du spectre
Les frontières entre domaines sont conventionnelles et varient légèrement selon les sources.
| Domaine | Longueur d’onde | Fréquence | Énergie | Exemples d’usage |
|---|---|---|---|---|
| Ondes radio | plus de 1 m (jusqu’à des km) | moins de 300 MHz | très faible | radio AM/FM, télévision, communication avec les sous-marins |
| Micro-ondes | 1 mm à 1 m | 300 MHz à 300 GHz | faible | four à micro-ondes, Wi-Fi, téléphonie mobile, radar, GPS |
| Infrarouge | 750 nm à 1 mm | 300 GHz à 400 THz | chaleur, télécommandes, caméras thermiques, fibres optiques | |
| Visible | environ 400 à 750 nm | 400 à 750 THz | vision, photosynthèse, éclairage | |
| Ultraviolet | 10 à 400 nm | 750 THz à 30 PHz | bronzage, stérilisation, lampes à lumière noire | |
| Rayons X | 0,01 à 10 nm | 30 PHz à 30 EHz | élevée | radiographie, scanner, cristallographie |
| Rayons gamma | moins de 0,01 nm | plus de 30 EHz | très élevée | radiothérapie, stérilisation, astronomie |
Plus la longueur d’onde est courte, plus la fréquence est élevée et plus chaque photon porte d'énergie (E = h × f). Un photon gamma transporte des millions de fois plus d’énergie qu’un photon de lumière visible.
Domaine par domaine
Les ondes radio
Prédites par les équations de James Clerk Maxwell (1865), elles sont produites et détectées pour la première fois par Heinrich Hertz entre 1886 et 1888 ; l’unité de fréquence porte son nom. Elles portent la radio (la bande FM s’étend de 87,5 à 108 MHz), la télévision numérique terrestre et les communications lointaines. Les radiotélescopes les captent depuis l’espace.
Les micro-ondes
Un four à micro-ondes fonctionne à 2,45 GHz (longueur d’onde d’environ 12 cm) : ce rayonnement fait vibrer les molécules d’eau des aliments, qui s’échauffent. Le Wi-Fi utilise des bandes voisines (2,4 et 5 GHz), les réseaux mobiles des fréquences entre environ 700 MHz et quelques GHz. Le rayonnement fossile du Big Bang culmine lui aussi dans ce domaine.
L’infrarouge
Découvert en 1800 par William Herschel, qui mesure avec un thermomètre une élévation de température au-delà du rouge d’un spectre solaire. Tout corps chaud émet de l’infrarouge : le corps humain, vers 37 °C, rayonne autour de 10 micromètres. C’est le principe des caméras thermiques. L’absorption de l’infrarouge par certains gaz est au cœur de l'effet de serre.
Le visible
De 400 nm (violet) à environ 750 nm (rouge). Notre œil y est sensible parce que c’est là que le Soleil émet le plus, et que l’atmosphère laisse bien passer ces longueurs d’onde. Voir lumière.
L’ultraviolet
Découvert en 1801 par Johann Wilhelm Ritter grâce à son action sur le chlorure d’argent. On distingue les UVA (315 à 400 nm), les UVB (280 à 315 nm), responsables des coups de soleil, et les UVC (100 à 280 nm), arrêtés par la couche d’ozone et utilisés pour désinfecter. Les UV permettent à la peau de synthétiser la vitamine D mais peuvent provoquer des cancers cutanés.
Les rayons X
Découverts par Wilhelm Röntgen le 8 novembre 1895 ; il reçoit pour cela le premier prix Nobel de physique en 1901. Ils traversent les tissus mous mais sont arrêtés par les os, plus denses, d’où les radiographies. Les astronomes les observent avec des télescopes spatiaux, car l’atmosphère les absorbe.
Les rayons gamma
Identifiés en 1900 par le Français Paul Villard dans le rayonnement du radium. Émis lors de désintégrations radioactives, de réactions nucléaires et des phénomènes les plus violents de l’Univers (sursauts gamma). Ils servent en radiothérapie et pour stériliser du matériel médical.
Rayonnements ionisants et non ionisants
| Non ionisants | Ionisants | |
|---|---|---|
| Domaines | radio, micro-ondes, infrarouge, visible, UV proches | UV lointains, rayons X, rayons gamma |
| Effet principal | échauffement | arrachement d’électrons aux atomes, cassures de l’ADN |
| Risque | brûlures à forte puissance | cancers, lésions, à partir de certaines doses |
La limite se situe dans l’ultraviolet : c’est à partir d’une certaine énergie par photon qu’un rayonnement peut ioniser la matière. C’est l'énergie de chaque photon qui compte, non l’intensité globale : une antenne radio très puissante n’ionise pas, un petit flux de rayons X le peut.
L’atmosphère, un filtre sélectif
L’atmosphère terrestre ne laisse passer que deux grandes « fenêtres » : le visible (et un peu de proche infrarouge et d’UV) et une large partie des ondes radio. Les rayons gamma, X, la plupart des UV et une grande partie de l’infrarouge sont absorbés. C’est pourquoi l’astronomie en X, en gamma ou en infrarouge lointain se fait avec des télescopes placés dans l’espace, comme le télescope spatial James-Webb pour l’infrarouge.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre lumière et onde radio ?
Aucune différence de nature : ce sont deux ondes électromagnétiques. Les ondes radio ont une longueur d’onde des millions de fois plus grande que la lumière visible, que notre œil ne peut pas détecter.
Les ondes du Wi-Fi sont-elles dangereuses ?
Ce sont des rayonnements non ionisants de faible puissance. Les agences sanitaires fixent des limites d’exposition, et les niveaux mesurés dans les logements sont très inférieurs à ces limites.
Pourquoi les rayons X traversent-ils le corps ?
Leurs photons très énergétiques interagissent peu avec les tissus mous, faits surtout d’éléments légers, mais sont davantage absorbés par le calcium des os.
Quelle partie du spectre voit l’œil humain ?
Environ de 400 à 750 nanomètres, du violet au rouge, soit une fraction infime du spectre électromagnétique.