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.
Il y a eu ainsi, dans l'histoire de la science et particulièrement de l'astronomie, quelques fabuleuses suites à ces découvertes fortuites qui ont parfois ouvert la voie ou éclairé des pans entiers de la connaissance.
En 1729 l'astronome anglais Bradley cherchait à mesurer la distance des étoiles; pour cela il fallait calculer leur parallaxe, c’est à dire l'angle de leur déplacement apparent par rapport au fond du ciel. Or Bradley remarqua un déplacement de près de 20 secondes d'arc qui se répétait de la même façon à intervalles d'un an. Ce déplacement était maximal aux époques où l'effet de parallaxe devait être nul .Le phénomène se produisait en outre pour toutes les étoiles observées.
Après avoir longuement réfléchi, Bradley montra que le phénomène était dû à la vitesse de rotation de la Terre qui se combinait à celle, par conséquent finie,  de la lumière ; la résultante de ces deux vitesses modifiait la direction dans laquelle on observait une étoile d'une valeur qui dépendait de la direction de la vitesse de la terre par rapport à la direction de l'étoile, c’est-à-dire en définitive de la position de la Terre sur son orbite.
On tenait là une première preuve irréfutable du mouvement de la Terre autour du Soleil, mais aussi du caractère fini de la vitesse de propagation de la lumière.

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)...