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Interaction du rayonnement électromagnétique avec la matière
Dès qu’un rayonnement électromagnétique rencontre la matière, l’une des trois choses suivantes peut se produire :
Concept important
À cause de l’aspect quantique de la matière aux niveaux atomique et moléculaire, on a découvert que l’énergie peut être absorbée au niveau atomique ou moléculaire seulement si l’énergie du rayonnement incident excède un seuil spécifique.
Aux niveaux d’énergie inférieurs au seuil, aucune interaction physique n’est possible au niveau atomique ou moléculaire.
Rayonnement électromagnétique à faible énergie (grande longueur d’onde et
non thermique)
Station de radio
À basses fréquences électromagnétiques (grande longueur d’onde comme la radio et la TV), l’énergie transmise par le rayonnement électromagnétique est tellement faible qu’elle ne peut que faire osciller les électrons libres qui se trouvent sur des surfaces métalliques.
Ce type de rayonnement est appelé rayonnement non thermique car il est généralement produit et transmis par des oscillations électriques de fabrication humaine dans des conducteurs métalliques (fils) et non par des objets à haute température.
Pour détecter des rayonnements aussi faibles, des conducteurs métalliques sont suspendus dans les airs (antennes) et la légère oscillation des électrons dans l’antenne est amplifiée pour produire un signal mesurable.
Le signal est ensuite décodé et encore amplifié pour produire des sons et des images ou pour transférer de l’information numérique.
Des quantités extrêmement petites (non mesurables) de chaleur sont transmises au conducteur dans ce processus.
Aux fréquences plus élevées (micro-ondes), les rayonnements électromagnétiques peuvent induire des oscillations moléculaires importantes dans une substance. Ces mouvements moléculaires se manifestent par une augmentation de la température de la substance qui est irradiée.
Les fours à micro-ondes fonctionnent selon ce principe.
Même si ce type de rayonnement est utilisé pour produire de la chaleur, il est toutefois considéré comme non thermique, car sa source est l’oscillation non thermique des électrons dans une petite antenne à micro-ondes. L’antenne est à l’intérieur du four et elle «éclaire» l’intérieur du four (et son contenu) avec des micro-ondes.
Four à micro-ondes
Rayonnement électromagnétique à haute énergie (courte longueur d’onde, de sources thermiques et non thermiques)
Maintenant, rappelons-nous que la matière n’est pas vraiment un continuum (tel qu’illustré plus haut), mais qu'elle est plutôt composée d’atomes et de molécules qui sont finalement des espaces vides remplis par un petit noyau dense de neutrons et de protons entourés par une «enveloppe» d’électrons à des niveaux d’énergie distincts et bien définis.
Le rayonnement électromagnétique à haute énergie (lumière violette) mais sous le seuil de l’ionisation d’un atome peut être absorbé par un électron orbital, ce qui le fait passer à un niveau d’énergie supérieur.Ceci met l’atome dans un état d’excitation.
Seuls les photons ayant exactement la bonne quantité d’énergie (ni plus, ni moins) peuvent y arriver.
Ce processus résulte en la formation de raies d’absorption dans le spectre solaire.
Excitation
Les photons dont l’énergie excède le potentiel d’ionisation d’un atome neutre seront absorbés et éjecteront un électron de l’atome, laissant l’atome électriquement chargé.
L’ion qui en résulte peut devenir très réactif chimiquement.
Concept important
L’ionisation peut résulter de l’absorption d’un rayonnement électromagnétique ou d’un rayonnement corpusculaire. À cause de leur nature très réactive, les atomes ionisés et les molécules ionisées sont d’une grande importance pour notre connaissance des dangers biologiques causés par les deux types de rayonnements.
Ionisation
L’effet Compton est généralement observé lorsque des rayons x éclairent des atomes neutres. L’effet consiste en l’éjection d’un électron et en un photon à énergie inférieure.
Puisque l’énergie est toujours conservée, l’énergie cinétique de l’électron éjecté, son énergie de liaison et la nouvelle énergie du photon sont toutes additionnées à l’énergie du photon incident d’origine.
L’effet Compton
À très haute énergie photon, leur équivalence énergie/masse (E=mc2) est suffisante pour produire des particules ayant une masse.
La charge, comme l’énergie, est également une quantité conservée, et puisque les photons n’ont pas de charge, les particules qui en résultent doivent avoir une charge nette nulle.
Le résultat de la production de paires est un électron (charge négative) et d’un positron (antiélectron) ayant une charge positive égale (mais opposée).
Production de paires
L’énergie photon
Tous les rayonnements électromagnétiques transportent de l’énergie. Lorsque l’énergie électromagnétique est absorbée par une substance, le rayonnement absorbé transmet son énergie en minuscules paquets indivisibles appelés quanta (également appelés photons, même lorsqu’on parle de rayonnement non optique).
La quantité d’énergie E contenue dans chaque quanta est caractérisée seulement par la fréquence f du rayonnement électromagnétique.
Concept important
La quantité d’énergie contenue dans un seul quanta de rayonnement électromagnétique est obtenue par l’équation suivante :
E = hf où h est la constante de Planck et équivaut à 6.626 x 10-34J · s
Lorsqu’on travaille dans le monde de la physique atomique, l’énergie est souvent exprimée en eV (électronvolt) plutôt qu’en joules.
À titre de comparaison : 1 eV = 1.6022 x 10 -19 J
Intensité et énergie
L’intensité d’un rayonnement électromagnétique est également appelée la luminance, un nom dérivé de la science optique. L’intensité électromagnétique est liée au nombre de photons (ou quanta) qui passent à travers une surface donnée par unité de temps ou, autrement dit, le nombre de photons incidents à une surface donnée par unité de temps. Par exemple, un faisceau de rayonnement qui illumine un mètre carré avec 50 photons par seconde est 5 fois plus intense (lumineux) qu’un faisceau qui illumine un mètre carré avec 10 photons par seconde.
Concept important
L’énergie émise par photon par une source de rayonnement électromagnétique dépend seulement de la longueur d’onde (ou fréquence) du rayonnement, et non de la luminance de la source.
La quantité totale d’énergie absorbée (ou émise) par unité de surface dépend du produit de l’intensité (nombre de photons émis ou absorbés par seconde) et de l’énergie par photon.
Une conséquence importante de cela est qu’aux niveaux atomique et moléculaire, l’absorption de photons en deçà du seuil critique d’énergie est impossible, sans égard à l’intensité du rayonnement!
» Devoir de l'élève (Nécessite les fiches techniques I et II)
» Fiche technique I
» Fiche technique II
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