Le spectre électromagnétique
Une carte de la lumière visible et invisible
Notre compréhension de la nature de la lumière fait un bond de géant dans la seconde moitié des années 1800 avec l'aide du physicien écossais James Clerk Maxwell.
Maxwell s'intéresse à une foule de problèmes scientifiques dont l'électricité et le magnétisme. Il commence à publier des articles sur ces sujets en 1855, et synthétisera l'ensemble en 1873 dans son livre intitulé Treatise on Electricity and Magnetism (ou Traité sur l'Électricité et le Magnétisme, en français), un classique en la matière.
En 1863, Maxwell découvre qu'en manipulant ses équations sur l'électricité et le magnétisme, il est capable d'extraire une valeur qui correspond à la vitesse de propagation de la lumière. Surpris par un tel résultat, il commence alors à soupçonner que lumière, électricité et magnétisme ne font qu'un.
Poursuivant sur sa lancée, il développe davantage ses équations sur l'électricité et le magnétisme et aboutit à la conclusion que la lumière doit être une onde, comme l'avait démontré Thomas Young plus de cinquante ans auparavant, mais une onde électromagnétique, c'est-à-dire possédant une composante électrique et magnétique, ce qui est en soit une découverte capitale.
De plus, il n'y a aucune raison, selon lui, pour qu'il n'existe pas d'ondes électromagnétiques invisibles au-delà du spectre de la lumière visible et de l'ultraviolet. Par malheur, Maxwell ne vivra pas assez longtemps pour vérifier si sa prévision s'avère exacte car il meurt en 1879, peu de temps après avoir élaboré sa théorie.
En 1888, ce sera pourtant la consécration pour lui : le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz parvient en effet à démontrer que l'électricité peut être transmise par ondes électromagnétiques, que celles-ci voyagent à la vitesse de la lumière et que leur longueur d'onde est un million de fois plus grande que celles de la lumière visible et de l'ultraviolet.
Hertz donne à ces nouvelles ondes le nom « d'ondes radio ». Elles joueront plus tard, on s'en doute bien, un rôle de premier plan dans le développement du télégraphe et de la radio.
Aujourd'hui, le spectre électromagnétique est connu pour s'étendre bien au-delà des couleurs de l'arc-en-ciel. Voici à quoi il ressemble :
Le spectre électromagnétique est continu mais les scientifiques l'ont divisé de façon artificielle pour des raisons de commodité. Les divisions ont surtout été établies à l'aide des techniques utilisées pour détecter les différentes longueurs d'onde. Par exemple, les limites du domaine de la lumière visible sont définies par ce que nos yeux peuvent détecter.
| Nom | Longueur d'onde |
|---|---|
| Rayons gamma | < 10-2 nm |
| Rayons X | 10-2 nm – 10 nm |
| Ultraviolet | 10 nm – 390 nm |
| Lumière visible | 390 nm – 750 nm |
| Infrarouge | 750 nm – 0,1 mm |
| Micro-onde | 1 mm – 10 cm |
| Radio | > 1 cm |
| Radio : Radar | 1 cm – 10 cm |
| Radio : TV | 10 cm – 1 m |
| Radio : FM | 1 m – 10 m |
| Radio : Courtes | 10 m – 100 m |
| Radio : AM | 100 m – 1 km |
| Radio : Transports | 1 km + |
La portion du spectre électromagnétique que nous pouvons percevoir avec nos yeux est infime par rapport à son étendue totale. Si on faisait correspondre le spectre électromagnétique à une fenêtre de 30 millions de kilomètres de long, il ne faudrait ouvrir la fenêtre que de 3 centimètres pour laisser passer la lumière visible.
Bien que les ondes radio, infrarouges, ultraviolettes, X et gamma soient toutes des « couleurs » invisibles, ce sont toutes, comme les ondes visibles, de la lumière.
Activité : Le spectre électromagnétique
La lumière émet à plusieurs fréquences et la majorité de ces dernières sont invisibles à l’œil nu. Cette activité va vous permettre de visualiser, à l’aide d’exemples concrets, la lumière visible et invisible.
L’image principale est une représentation du spectre électromagnétique. Vous n’avez qu’à cliquer directement sur les points rouges qui se retrouvent sur le spectre pour voir les images ou une représentation de ce qui correspond à la fréquence choisie.
| Fréquences | Représentations |
|---|---|
| 104m : 10 000 m ou 10 km | Cette distance correspond approximativement à la longueur du pont de la Confédération |
| 102m : 100 m | Cette distance correspond approximativement à la longueur d'un terrain de soccer |
| 100m : 1 m | Cette distance correspond approximativement à la hauteur moyenne des personnes nord-amáricaines (1,80m) |
| 10-2m : 1 cm (du latin cent) | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'un petit pois |
| 10-3m : 1 mm (du latin mille) | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'un grain de poussière |
| 10-6m : 1 µm (micromètre du grec petit) ou 1 millième de millimètre | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'une bactérie |
| 10-9m : 1 nm (nanomètre du grec nain) ou 1 millionième de millimètre | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'une molécule |
| 10-10m : 1 angstroëm (du nom d'un physicien suédois) | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'un atome |
| 10-12m : 1 picomètre (de l'italien petit) | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'un électron, proton |
| 10-15m : 1 fm (femtomètre, du danois quinze) | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'un nucléon |
| 10-18m : 1 am (attomètre, du danois dix-huit) | Cette dimension correspond approximativement à la taille d'un quark |
| 10-21m : 1 zm (zeptomètre, terme inventé en spectométrie) | Cette dimension correspond à rien de connu |
| 10-24m : 1 ym (yoctomètre, terme inventé) | Cette dimension correspond à rien de connu |
| 104m : 10 000 mètres ou 10 kilomètres | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 10 000 mètres ou 10 kilomètres, soit le diamètre de l'objet céleste qui s'est écrasé sur la péninsule du Yucatan il y a 65 millions d'années causant l'extinction des dinosaures. |
| 106m : 1 000 000 m ou 1000 kilomètres | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 1000 kilomètres, soit le diamètre de Cérès, le plus gros astéroïde de la ceinture d'astéroïdes située entre Mars et Jupiter. |
| 108m : 100 000 kilomètres | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 100 000 kilomètres, soit la distance à laquelle l'astéroïde 1994 XM effleura la Terre en 1994. |
| 1010m : 10 millions de kilomètres | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 10 millions de kilomètres, soit l'épaisseur de la couronne solaire. La couronne solaire est la couche supérieure de l'atmosphère du Soleil. Elle ressemble à un halo de lumière nacré et n'est visible que pendant les éclipses totales de Soleil. |
| 1012m : 1 milliard de kilomètres | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 1 milliard de kilomètres, soit la distance approximative parcourue par la Terre autour du Soleil en une année. |
| 1014m : 100 milliards de kilomètres | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 100 milliards de kilomètres, soit la distance séparant la Terre de l'héliopause, la limite extérieure du système solaire, là où le souffle du vent solaire est arrêté par le milieu interstellaire. |
| 1016m : 10 000 milliards de kilomètres | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 10 000 milliards de kilomètres, soit la distance parcourue par la lumière en une année, c'est-à-dire une année-lumière. |
| 1018m : 100 années-lumière | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 100 années-lumière, soit le diamètre de la nébuleuse NGC 7000 dite « Nébuleuse de l'Amérique du Nord ». |
| 1020m : 10 000 années-lumière | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 10 000 années-lumière, soit la distance nous séparant de l'amas globulaire M22. |
| 1022m : 1 million d'années-lumière | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 1 million d'années-lumière, soit la distance moyenne séparant les galaxies les unes des autres. |
| 1024m : 100 millions d'années-lumière | Mesuré en mètres, cette distance correspond à 100 millions d'années-lumière, soit la distance nous séparant de la galaxie NGC 5850 située dans la constellation de la Vierge. |
| Rayons gamma | Lumière la plus énergétique qui soit. Invisible, elle est produite par des particules subatomiques ou des noyaux atomiques. Les éléments chimiques radioactifs produisent des rayons gamma. |
| Rayons X | Lumière invisible très énergétique capable de passer au travers de plusieurs types de matériaux. Elle est souvent utilisée pour cette raison (en petites doses) en imagerie médicale, par exemple. |
| Rayon Ultraviolet | Lumière énergétique invisible se trouvant, dans le spectre électromagnétique, au-delà de la couleur violette. Chez l'être humain, une exposition prolongée aux rayons ultraviolets peut causer des problèmes de santé aux yeux et à la peau, par exemple. Heureusement pour nous, une grande partie des rayons ultraviolets produits par le Soleil est absorbée par l'ozone, un gaz contenu dans l'atmosphère. |
| Zone Visible | Lumière pouvant être perçue par l'œil humain. Elle comprend toutes les couleurs de l'arc-en-ciel, du violet au rouge. |
| Infrarouge | Lumière invisible se trouvant, dans le spectre électromagnétique, en deçà de la couleur rouge. Elle est souvent associée à la chaleur car, à la température ambiante, la plupart des objets émettent de la lumière dans l'infrarouge lorsqu'ils sont réchauffés. |
| Micro-onde (1 mm -1 cm) | Lumière invisible peu énergétique. Elle est utilisée dans une foule de domaines technologiques. Dans les fours micro-ondes, par exemple, elle sert à agiter les molécules d'eau ce qui crée de la chaleur et réchauffe les aliments. |
| Fréquences Radio (1 cm +) | Lumière invisible très peu énergétique. Comme elle n'est pas absorbée par l'atmosphère et qu'elle voyage facilement, on l'utilise principalement dans le domaine des communications. |
| Fréquences radio : Radar (1 cm -10 cm) | Lumière invisible utilisée pour détecter des objets comme des avions, des bateaux ou même la pluie. |
| Fréquences radio : TV (10 cm -1 m) | Lumière invisible transportant les signaux de télévision. |
| Fréquences radio : FM (1 m - 10 m) | Lumière invisible transportant les signaux de radio FM. |
| Fréquences radio : Courtes (10 m - 100 m) | Lumière invisible transportant, entre autres, les signaux de radio amateur. |
| Fréquences radio : AM (100 m -1 km) | Lumière invisible transportant les signaux de radio AM. |
| Fréquences radio : Transports (1 km +) | Lumière invisible transportant, entre autres, les signaux de radio utilisés en navigation (avions et bateaux, par exemple). |