Ondes et Particules

C'est par rayonnement que l'énergie solaire parvient jusqu'à nous. Le rayonnement peut être décrit comme :

• Particulaire (propagation de photons)

• Ondulatoire (propagation d'une onde électromagnétique)

I - Les particules

Différentes types de particules :

• Particules élémentaires (électrons, quarks..) dont aucune structure n'est connue

• Particules ayant une structure connue (protons, neutrons, atomes, ions, molécules)

• Particule élémentaire au statut particulier : le photon (particule de lumière pouvant modéliser les rayonnements électromagnétiques dans le cadre de la dualité onde-corpuscule)

II - Les ondes électromagnétiques

1) Où sont-elles ?

Elles sont partout : lampes, four à micro-ondes, plaque électrique, téléphone portable..

Si ces ondes électromagnétiques font à ce point partie de tous les aspects de notre quotidien, c'est parce qu'elles transportent la lumière, la chaleur, et d'une façon plus générale, l'énergie sous toute ses formes.

Le photon = Particule hyperspécialisée, petite boule d'énergie pure, sans masse de vitesse C = 3,00.10⁸ m/s (lorsqu'on allume une simple lampe torche, cent millions de milliards de photos jaillissent de l'ampoule chaque seconde)

Onde, particule.. Double face du photon. Selon la façon dont on le regarde, le photon se comporte soit comme une particule (sorte de bille), soit comme une onde (sorte de tuyau).

En fonction de la quantité d'énergie qu'ils embarquent, les photons changent de nom pour constituer, tous ensemble, le spectre électromagnétique.

Les plus chargés sont les rayons gamma γ et les rayons X (très courte longueur d'onde) → particule

Les plus faibles sont les radios (longueur d'onde pouvant atteindre plusieurs kilomètres) → ondes

Onde : Vibration dans l'espace d'un champ magnétique et d'un champ électrique perpendiculaires l'un à l'autre. C'est par l'intermédiaire du champ électrique que les ondes interagissent avec la matière

2) Spectre des ondes électromagnétiques

Le spectre des ondes électromagnétiques est composé d'une infinité de radiations. Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d'onde λ ou par sa fréquence f

Le spectre des ondes électromagnétiques est découpé arbitrairement en divers domaines, des rayons γ aux ondes radios. Parmi toutes ces ondes, on distingue les radiations visibles (λ = 400 - 800nm). Elles sont limitées par les UV et les IR.

Le rayonnement visible n'est donc qu'un rayonnement parmi d'autres.

3) Interaction des ondes électromagnétiques sur le corps

Tout dépend de l'énergie portée par les photons:

Les plus énergétiques les γ, les X et une petite partie des UV sont tellement bourrés d'énergie qu'ils pénètrent l'organisme comme des balles, endommagent l'organisme et nos cellules. Les plus violents sont émis dans l'univers par des cataclysmes du genre explosion d'étoile. Sur Terre, ils proviennent de sources radioactives

Plus la longueur d'onde est longue, moins les photons contiennent d'énergie

Nous entrons alors dans le vaste domaine des rayonnements non ionisants qui ne peuvent plus briser les cellules. Ils ne sont pas inoffensifs pour autant : ils ne pulvérisent pas nos cellules, mais peuvent les chauffer jusqu'à les brûler s'ils sont en assez grand nombre.

En descendant dans le spectre, on tombe sur les micro-ondes (μ) , elles cèdent également leur énergie à notre corps, mais elles sont très vite atténuées car les molécules d'eau de notre organisme les attrapent au vol, les captent (sous l'effet des μondes, les molécules d'eau se mettent à gigoter, ce qui aboutit à un échauffement des tissus).

Enfin, les ondes radios, les plus faibles en énergie. On pourrait croire qu'elles n'ont pas la force de pénétrer dans le corps. Elles agissent sur notre organisme d'une manière bien différente, le danger vient des très nombreuses charges électriques qui circulent et qui se mettent en mouvement provoquant de petits courants électriques.

4) Source des rayonnements célestes

Tous les objets célestes émettent des rayonnement dans divers domaines. Il est possible d'associer à certains rayonnements des sources caractéristiques. L'homme sait aujourd'hui construire des émetteurs et des détecteurs pour les rayonnements de chacun de ses domaines.

5) Absorption par l'atmosphère terrestre

Les divers rayonnements se propagent dans le vide et dans des milieux matériels. La plupart interagissent avec la matière, notamment avec l'atmosphère.

Les constituants de l'atmosphère :

• absorbent certaines radiations, ce qui peut gêner les observations astronomiques

• absorbent la lumière visible et la plupart des ondes radios

• empêchent les rayons X, certains UV et les grandes ondes radios de passer

• interagissent avec les astroparticules, créant ainsi des particules secondaires (exemple : muons)

L'utilisation de télescopes spatiaux permet de détecter les rayonnements qui ne parviennent pas jusqu'au sol

6) Comment détecter des ondes et des particules

Il existe de nombreux détecteurs d'ondes et de particules :

• Chambre à brouillard (détecte les particules chargées)

• Compteur Geiger (détecte les particules émises lors de désintégrations radioactives)

Pour ce qui concerne les capteurs utilisés pour étudier les rayonnements entrant dans l'atmosphère, ils doivent être situés à des altitudes où ces rayonnements sont encore présents dans une proportion non négligeable

III -Les ondes mécaniques

• Une pierre tombant dans l'eau à la surface d'un étang provoque des rides circulaires qui se propagent à la surface de l'eau

• Un tremblement de terre engendre des ondes sismiques

• Un haut parleur émet une onde sonore qui se propage dans l'air

1) Définition

Onde mécanique = Phénomène de propagation d'une perturbation dans un milieu matériel élastique sans transport de matière (mais transport d'énergie)

exemple : corde, son, vague..

Perturbation = Modification locale et temporaire des propriétés d'un milieu

Les ondes mécaniques progressives transfèrent de proche en proche de l'énergie sans transport de matière

2) Ondes mécaniques transversales/longitudinales

Onde transversale = Une onde est transversale lorsque le déplacement des point de propagation s'effectue perpendiculairement à la direction de la propagation

Onde longitudinale = Une onde est longitudinale lorsque le déplacement des points du milieu de propagation s'effectue parallèlement à la direction de propagation

3) Célérité d'une onde

La vitesse V à laquelle la perturbation se propage dans un milieu s'appelle la célérité de l'onde. On garde le terme de "vitesse" lorsqu'il y a transport de matière.

V = d / t

avec d distance parcourue par la perturbation associée à l'onde progressive pendant la durée t

A savoir :

• Dans l'air, Vson = 342 m/s

• Dans l'eau Vson = 1 500 m/s

• Dans le vide C = 3,00.10⁸ m/s

• Dans l'eau C = 225 000 m/s

5) Exemples d'onde mécanique

Les ondes sonores

Le son est une perturbation résultant de compression-dilatation du milieu matériel dans lequel il se propage. La perturbation affecte temporairement la densité des particules du fluide. L'onde sonore est longitudinale.

L'être humain peut entendre des sons dont les fréquences s'étalent de 20 Hz à 20kHz

infrasons < 20 Hz

ultrasons > 20kHz

Une source sonore émet un son avec une certaine puissance acoustique exprimée en watts.

L'intensité sonore I est la puissance reçue par unité de surface, elle s'exprime en W/m²

Le niveau sonore L est exprimée en dB

Les deux sont reliés par la relation :

L = 10log ( I / I0 )

Les ondes sonores sont captées à l'aide d'un microphone

Les ondes sismiques

L'enregistrement des ondes sismiques par des sismographes permet de localiser l'épicentre d'un séisme. Les sismographes sont sensibles aux vibrations reçues lors d'un tremblement de Terre.

L'énergie libérée lors d'un séisme est traduite par une grandeur appelée magnitude M :

M = log ( Ymax / Y0 )