Les ondes électromagnétiques
Pour observer un objet, il faut l'éclairer, c'est-à-dire lui envoyer de la
lumière, composée d'ondes électromagnétiques. Toutefois, si l'oeil est un
détecteur de lumière remarquable, il a aussi un certain nombre de défauts,
puisqu'il ne permet pas de discerner des objets d'une taille inférieure à
quelques micromètres (µm) - ainsi, il ne peut voir ni les atomes, ni les
molécules. L'oeil humain ne peut, en outre, détecter qu'une toute petite
partie des ondes électromagnétiques (que l'on appelle le "domaine
visible"), mais il ne peut pas "voir" l'ultraviolet, les rayons X
ou gamma, l'infrarouge, les ondes radio ou les micro-ondes. Cela explique
la curiosité pour l'exploration de la partie non visible des ondes
électromagnétiques.
A l'époque d'Isaac Newton (1642-1727), la plupart des scientifiques pensaient
que la lumière était formée de faisceaux de corpuscules émis par une source
lumineuse, et qu'elle se déplaçait à une vitesse infinie. Ce n'est qu'en 1729
qu'un astronome anglais, James Bradley, put montrer que la vitesse de la
lumière était de l'ordre de 300 000 km/s (1), valeur proche
de nos mesures actuelles.
A partir de 1665, on commença à croire que la lumière, tout compte fait,
était constituée d'ondes. Les deux hypothèses se sont révélées à la fois
correctes et erronées. On sait aujourd'hui que la lumière est composée de
photons qui, selon le dispositif d'observation, se manifestent comme un faisceau
de particules ou sous la forme d'ondes électromagnétiques.
L'électromagnétisme doit beaucoup à deux physiciens : Michael Faraday
(1791-1867) et surtout James Clerk Maxwell (1831-1879). Ce dernier introduisit,
avec beaucoup d'intuition, quatre équations qui regroupent tous les
phénomènes électromagnétiques et jouent un rôle aussi important que les
lois de Newton en mécanique classique. Il montra que la lumière était formée
d'ondes électromagnétiques créées par l'accélération de particules
chargées, les électrons : les ondes électromagnétiques ont un champ
électrique et un champ magnétique qui vibrent transversalement à la direction
de propagation et sont perpendiculaire l'un par rapport à l'autre. Une
quinzaine d'années plus tard, le physicien allemand Heinrich Hertz (1857-1894)
produisit pour la première fois des ondes radio en laboratoire (2).
Une onde électromagnétique est caractérisée par un certain nombre de
paramètres : une énergie E, une fréquence n
et une longueur d'onde l.
Pour mieux comprendre la signification de ces paramètres, on peut faire une
analogie avec les ondes se propageant à la surface de l'eau.
Posons un morceau de liège ou un petit bateau en papier sur un plan d'eau ; on
laisse tomber un caillou à un mètre du morceau de liège. On s'aperçoit alors
que le morceau de liège monte et descend au passage des ondes circulaires mais
reste à la même distance de la pierre, contrairement à ce que l'on pourrait
penser à première vue. Supposons que le morceau de liège se trouve sur une
crête, il reviendra à la même position au bout d'une temps T appelé
période. La fréquence n
est par définition l'inverse de la période : c'est le nombre d'oscillations
réalisées en une seconde ; on l'exprime en hertz (Hz).
Un autre paramètre important est la longueur d'onde l qui correspond à la distance entre deux crêtes. Si v est la vitesse de propagation de l'onde, on voit que
Finalement, il este un dernier paramètre
important caractérisant les ondes : la phase. Si on laisse tomber au même
instant et de la même hauteur deux pierres identiques à une certaine distance
l'une de l'autre, on obtient deux sources d'ondes. On s'aperçoit alors que
l'amplitude du déplacement du morceau de liège a doublé : on dit que les deux
ondes sont en phase. Si on laisse tomber les pierres à des hauteurs
différentes, on peut obtenir des ondes en opposition de phase et le morceau de
liège ne bougera pas. Ici s'arrête l'analogie, car l'onde lumineuse se propage
dans le vide à une vitesse notée c voisine de 300 000 km/s, quelle que soit la
longueur d'onde, alors que dans un solide ou un liquide cette vitesse est plus
faible (200 000 km/s dans le verre pour la lumière jaune, par exemple).
Donnons quelques ordres de grandeur des champs électriques et magnétiques
d'une onde électromagnétique. Si on a un émetteur radio d'une puissance de
100 kW, et que l'on cherche à détecter un signal distant de 100 km,
l'amplitude du champ électrique sera de 0,036 V/m, valeur raisonnable et facile
à détecter, alors que le champ magnétique sera de 11,5.10-11
teslas (T) ; comparé au champ magnétique terrestre (de l'ordre de 4.10-5
T), ce champ magnétique est donc trois cent mille fois plus faible, ce qui
explique pourquoi la plupart des détecteurs d'ondes électromagnétiques sont
fondés sur la mesure du champ électrique.
Les photons, comme les électrons, ont un double aspect, corpusculaire et
ondulatoire. Cette dualité se traduit par une relation entre l'énergie E et la
fréquence n,
où h est une constante, appelée
constante de Planck, valant 6,63.10-34 J/s.
En Optique, on peut montrer que la lumière n'interagit qu'avec des objets dont
la dimension est voisine ou plus petite que sa longueur d'onde. Par exemple, une
bouffée de fumée éclairée par une source blanche (comme le Soleil) a une
apparence bleutée car les particules de fumée ayant une taille de l'ordre de
460 nanomètres ne réfléchissent que la partie bleue (400-460 nm) du spectre
visible. Le visible, qui s'étend de 400 (violet) à 700 (rouge) nanomètres, ne
représente qu'une toute petite partie du spectre électromagnétique.
On peut représenter les différents paramètres caractérisant les ondes
électromagnétiques par le diagramme suivant.
On utilise des notations différentes
suivant le domaine (rayons gamma ou g,
rayons X, ultraviolet, visible, infrarouge, micro-ondes, ondes de télévision
et de radio). Pour les ondes radio, on donne la fréquence : par exemple, 104
MHz ou la longueur d'onde (1 500 m pour les grandes ondes GO). Dans le visible,
on donne toujours la longueur d'onde (de 400 à 700 nm). Pour les rayons X, on
emploie soit l'énergie, soit la longueur d'onde : 12,4 keV ou 0,12 nm.
Les rayons g
ont les plus courtes longueurs d'onde : ils pénètrent profondément dans tous
les matériaux. On les emploie notamment pour la détection des objets
métalliques dans les aéroports. Ils sont produits par des sources
radioactives, dans des accélérateurs de particules ou dans le cosmos.
Les rayons X durs (d'une longueur d'onde comprise entre 1 et 0,01 nm) sont
produits soit par des tubes à rayons X, soit par des accélérateurs de
particules. Ils sont très utilisés pour l'étude des structures atomiques des
solides et dans les applications médicales.
Lorsqu'ils viennent du Soleil ou de l'espace, l'ultraviolet et les rayons X mous
(dont la longueur d'onde est comprise entre 1 nm et 400 nm) son absorbés par
l'ozone atmosphérique. L'infrarouge (de longueur d'onde allant de 0,7 µm à 1
mm) est émis par tous les objets ayant des températures comprises entre 3 et 3
000 K (-270°C à 2 700°C environ). Les micro-ondes (1 mm à 1 m) sont
produites par des circuits électroniques oscillants. Elles sont utilisées pour
la transmission des conversations téléphoniques. Il existe de nombreuses
sources de micro-ondes dans le cosmos. Qui plus est, vous les utilisez dans
votre cuisine (fours à micro-ondes).
Les ondes de radio et de télévision ont des longueurs d'ondes supérieures à
1 m. Sur Terre, elles sont produites par des circuits électriques oscillants
(ou antennes). Il en existe de nombreuses sources dans le cosmos, comme le
Soleil, Jupiter, ainsi que les pulsars. L'avantage des ondes radio par rapport
au visible, à l'infrarouge ou aux rayons X ou g,
est qu'elles traversent l'atmosphère terrestre.
Les atomes
D'où viennent les atomes qui constituent le monde qui nous entoure ? De
l'espace. Comme nous le verrons en astrophysique, les étoiles sont des
réacteurs thermonucléaires brûlant de l'hydrogène et produisant de l'hélium
mais aussi d'autres éléments en quantités plus faibles. Elles émettent de la
lumière jusqu'à épuisement de leur hydrogène. L'étoile, à ce moment-là,
s'effondre et explose, relâchant ses divers atomes dans l'espace.
Le philosophe grec Démocrite pensait déjà que la matière était faite d'une
assemblage d'atomes (du grec atomos, "indivisible") et que tous les
atomes n'avaient pas la même forme ni les mêmes dimensions. Nous savons
aujourd'hui que les propriétés physiques et chimiques des matériaux
dépendent surtout de la manière dont les atomes sont disposés les uns par
rapport aux autres.
Un atome est formé d'un noyau autour duquel "gravitent" des
électrons, à des distances assez grandes. Le diamètre d'un atome est de
l'ordre de 10-10 m, celui du noyau étant de l'ordre de 10-15
m : l'atome est 100 000 fois plus vaste que le noyau, c'est-à-dire que si le
noyau était représenté par une tête d'épingle (environ 1 mm), les
électrons périphériques se situeraient à une centaine de mètres. Ajoutons
que dans 1 cm3 de cuivre, il y a environ 1023 atomes !!
Le noyau est formé de protons et de neutrons : ils ont à peu près la même
masse et celle-ci représente plus de 1 800 fois celle de l'électron. La masse
des atomes provient donc essentiellement du noyau (3). Un
proton a une charge positive, le neutron est, comme son nom l'indique, neutre.
Le nombre de protons dans un atome, appelé nombre atomique et noté Z, est le
même que le nombre d'électrons qu'il renferme. Les atomes étant
électriquement neutres, les charges positives des protons sont exactement
compensées par les charges négatives des électrons. Néanmoins, des écarts
à cette règle peuvent être observés.
Les propriétés chimiques des atomes, c'est-à-dire leurs capacités
d'interaction avec d'autres atomes, ne dépendent que des électrons. Ceux-ci se
répartissent sur différentes couches autour du noyau et seuls les électrons
des couches les plus externes interagissent.
Dans une approche très simplifiée, on représente le noyau entouré par des
cercles concentriques correspondant aux différentes couches d'électrons,
tournant comme sur des orbites (on parle de modèle planétaire). La première
couche, près du noyau, ne peut pas contenir plus de deux électrons, la
deuxième huit, la troisième dix-huit... Par ailleurs, la ouche externe ne peut
contenir à l'état stable que huit électrons.
L'atome le plus simple est l'hydrogène (Z = 1), constitué d'un proton et d'un
électron. Lorsque les couches sont saturées, les atomes sont généralement
inertes chimiquement, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas avec d'autres
atomes. C'est le cas des corps dit gaz nobles, tels que l'hélium (Z = 2), le
néon (Z = 10), l'argon (Z = 18) ou le krypton (Z = 36).
Au niveaux atomique, on constate que les électrons se déplacent sur des
orbites correspondant à une valeur précise et discontinue de l'énergie, les
électrons les moins énergétiques se trouvant sur les orbites les plus proches
du noyau. La différence d'énergie entre deux orbites successives correspond à
un quantum, ce qui explique que l'électrons ne peut avoir que des valeurs
énergétiques discontinues (on dit valeurs discrètes).
La mécanique quantique montre toutefois que cette notion d'orbite fixe n'est
pas correcte car elle prévoit que l'on ne peut pas connaître avec précision
la position d'un électron à un temps donné ; néanmoins, on peut prévoir
l'endroit où il existe une forte
(1) Le hasard fait parfois bien les choses ; encore faut-il que les esprits soient prêts à reconnaître et à comprendre les phénomènes apparemment aberrants qui se produisent; aussi faut-il rendre hommage à tous les chercheurs et esprits curieux qui ont su interpréter l'inexpliqué.
Prenons dans le cas général deux référentiels R et R' en translation l'un par rapport à l'autres avec une vitesse v. Si la lumière parvient dans le plan xOy de R, en faisant un angle q avec (Ox), la vitesse de la lumière a pour composantes
Dans R', ces composantes deviennent
avec un angle q' tel que
Si l'étoile est au zénith,
et dans ce cas
ou encore
L'écart d'angle est donc d'environ v/c. L'observation de la même étoile à six mois d'intervalle (pendant lesquels la vitesse de la Terre passe de v à -v) permet de mesurer le double de cet angle. Connaissant v, on peut en déduire c. Pour le phénomène d'aberration des étoiles, c'est le rapport v / c que l'on mesure, où v est la vitesse orbitale de la Terre, à peu près constant au cours du temps car l'orbite de la Terre est quasi circulaire. L'amplitude du mouvement d'aberration est de v / c, exprimé en terme d'angle, soit 20.49552". C'est ce que l'on appelle la constante d'aberration.
(2) Heinrich HERTZ, poussé par son père à devenir ingénieur, décide vers 1877 de se consacrer aux sciences de la nature. Il devient l'élève de Herman von Helmholtz, puis professeur à l'école technique supérieure de Karlsruhe.
Dix ans plus tard, il vérifie la théorie de MAXWELL qui à l'opposé des théories de Neumann, Weber et Fechener dites "des potentiels" introduit la notion de "champs".
Il étudie inlassablement la propagation
des ondes électromagnétiques, qui font passer l'énergie d'un circuit à un
autre sans l'aide d'un fil conducteur.
Il invente et construit un oscillateur ou "excitateur" qui lui permet
de travailler sur de très hautes fréquences.
L'oscillateur comprend deux sphères de
cuivre, d'environ 30 cm de diamètre, reliées par un conducteur rectiligne
d'environ 3 m, coupé en son milieu par un éclateur constitué de deux petites
sphères dont la distance peut être réglée.
Les sphères sont reliées à une bobine de RUHMKORFF de forte puissance et
l'ensemble est isolé de la terre.
Les charges s'accumulent dans les grandes sphères jusqu'au moment ou l'étincelle
éclate entre les petites sphères de l'éclateur
Hertz remarque que la fréquence des oscillations des étincelles de l'éclateur (plusieurs millions par seconde) est indépendant de la fréquence de la bobine (quelques milliers par seconde) Ces courants alternatifs de haute fréquence induisent des courants dans un conducteur voisin, le "résonateur", produisant de petites étincelles dans l'éclateur dont il est pourvu. L'excitateur et le résonateur sont les modèles primitifs d'un émetteur et d'un récepteur de radio.
Il montre que les ondes électromagnétiques produites avec son oscillateur ont les mêmes propriétés que la lumière : réflexion et réfraction, interférences, polarisation et diffraction.
(3) Historiquement, au début du XXème siècle, c'est l'australien Ernest Rutherford qui a imaginé une expérience dont il a tiré des conclusions étonnantes. A cette époque avancée, il proposa de bombarder de particules a une mine feuille d'or et d'observer à l'aide de détecteurs la trajectoire de ces particules.
Il s'aperçut que dans la grande
majorité des cas, les particules a
n'étaient pas déviées : c'est le signe du caractère lacunaire de la matière
qui, essentiellement constituée de vide, laisse filtrer la plupart des
particules a.
Certaines particules, celles qui devaient s'approcher au plus près du noyau
atomique, étaient déviées voire rétrodiffusées (renvoyées en arrière) :
c'est ici le signe qu'il y a répulsion entre un objet très massif (le noyau)
et les particules a, ces deux acteurs étant par ailleurs probablement de
même charge électrique (répulsion électrostatique)...