Rayonnement électromagnétique Les rayonnements électromagnétiques englobent les ondes radioélectriques, les rayonnement infrarouge, visibles et ultraviolet enfin les rayons X et . Tous ces rayonnements sont de nature physique identique mais des propriétés très différentes Les ondes électromagnétiques Une onde électromagnétique comporte à la fois un champ électrique et un champ magnétique oscillant à la même fréquence. Ces deux champs, perpendiculaires l’un par rapport à l’autre se propagent dans un milieu selon une direction orthogonale (figure cidessous). La propagation de ces ondes s’effectue à une vitesse qui dépend du milieu considéré. Dans le vide, la vitesse de propagation est égale à 3.108 m.s-1.
Une onde électromagnétique est caractérisée par plusieurs grandeurs physiques :
La longueur d’onde ( λ ) : elle exprime le caractère oscillatoire périodique de l’onde dans l’espace.
La période (T) : elle représente le temps nécessaire pour que l’onde effectue un cycle.
La fréquence ( ν ) : inverse de la période, elle traduit le nombre de cycles par unité de temps. Longueur d’onde et fréquence sont inversement proportionnelles et unies par la relation suivante:
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Classification des rayonnements électromagnétiques : Un spectre électromagnétique est la décomposition d'un rayonnement électromagnétique en fonction de sa longueur d'onde, ou, de manière équivalente, de sa fréquence (via l'équation de propagation) ou de l'énergie de ses photons.
Classement des ondes électromagnétiques par longueur d'onde, fréquence et énergie des photons Pour des raisons historiques, les ondes électromagnétiques sont désignées par différents termes, en fonction des gammes de fréquence (ou de longueur d'ondes). Par longueur d'onde décroissante, ce sont :
les ondes radio et les ondes radar sont produites par des courants électriques de haute fréquence ; les ondes infrarouges, la lumière visible et le rayonnement ultraviolet sont produits par des transitions électroniques dans les atomes, concernant les électrons périphériques, ainsi que par le rayonnement thermique ; les ondes ultraviolettes ont des effets sur la peau (bronzage, coups de soleil, cancer de la peau) ; les rayons X peuvent être également produits lors des transitions électroniques de haute énergie. Ils sont par exemple générés par radioactivité (photons de fluorescence émis lors de la réorganisation du cortège électronique d'un atome). Leur génération contrôlée est le plus souvent effectuée par freinage d'électrons (tube à rayons X) ou par rayonnement synchrotron (déviation de faisceau d'électrons relativistes). Du fait de leur longueur d'onde sub-nanomètrique, ils permettent l'étude des cristaux et molécules par diffraction ; les rayons X durs correspondent à des photons de plus haute énergie, et les rayons X mous à des photons de plus faible énergie ; le rayonnement γ est produit par la radioactivité lors de la désexcitation d'un noyau. Ils sont donc en particulier émis par les matériaux radioactifs et les réacteurs nucléaires. Leur énergie est donc en moyenne supérieure aux photons X.
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OPTIQUE PHYSIQUE Théorie ondulatoire de la lumière -
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On donne le nom d’optique physique à toute la partie de l’optique qui fait appel à la nature ondulatoire (ou vibratoire) de la lumière. L’étude de l’optique physique regroupe les phénomènes d’interférence et de diffraction. La théorie de Maxwell a permis de montrer que la vibration lumineuse correspond en fait à l’amplitude du champ E Dans la plus part des applications, la vibration lumineuse peut être assimilée à une onde plane ce qui permet d’aborder l’étude de très nombreuses propriétés à l’aide d’un appareil mathématique réduit, sans avoir à recourir aux équations de Maxwell
L’objet de l’optique physique l’optique physique repose sur la notion de vibration lumineuse en un point M de l’espace, le champs E est représenté par : E(M,t) = S(M,t) u où S(M,t) est la vibration lumineuse et u est un vecteur unitaire caractérisant la direction de E cette vibration a pour période T=2n/w il lui correspond une longueur d’onde dans le vide 0 = cT a la vibration lumineuse est associée une grandeur énergétique l’intensité I I = S2
Le but de l’optique physique : Consiste à déterminer la vibration lumineuse dans certaines conditions particulières L’étude des interférences revient à calculer l’amplitude de la vibration lumineuse résultante de la superposition de plusieurs vibrations, les dispositifs interférentiels permettent des mesures très précises des longueurs d’ondes La théorie de la diffraction permet une étude fine de la formation des images dans les instruments optiques et permet de comprendre le principe des réseaux optiques
Le problème à résoudre Lorsqu'elle traverse les surfaces polies qui limitent les divers milieux transparents qui constituent les systèmes optiques, la lumière subit toujours des pertes. Une partie non négligeable est en effet réfléchie, ce qui présente deux inconvénients notables :
d'une part, le flux lumineux s'affaiblit au fur et à mesure de la traversée des dioptres successifs, ce qui assombrit les images, d'autre part, les multiples réflexions qui se produisent sur les divers dioptres peuvent former des images parasites qui se superposent aux images utiles ; plus généralement, elles conduisent à dégrader ces images en leur ajoutant un éclairement indésirable particulièrement visible dans les parties qui devraient rester sombres. Les anglosaxons appellent « flare » cet éclairement parasite
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Utilisation des phénomènes d'interférence Le principe des traitements anti-reflets consiste à recouvrir les dioptres de couches transparentes minces dont l'épaisseur est soigneusement déterminée. Lorsque la lumière traverse un dioptre ainsi traité, il se produite deux réflexions : une première lors du passage de l'air à la couche anti-reflets (si la lentille est située dans l'air), puis une deuxième réflexion lors du passage de la couche anti-reflets au verre. C'est le fait de créer deux réflexions au lieu d'une qui va permettre d'obtenir l'effet recherché.
Double réflexion obtenue avec une lame d'épaisseur /4 Il ne faut pas perdre de vue que l'on considère ici la lumière sous sa forme ondulatoire. Les deux ondes réfléchies produites grâce au traitement vont se combiner de diverse façon. On dit qu'elles vont interférer. Si elles sont en phase, on obtient une interférence « constructive », leurs effets s'ajoutent et la réflexion est maximale. Si elles sont en opposition de phase, leurs effets se soustraient et dans le cas idéal on obtient une interférence « destructive » telle que toute vibration est supprimée, la réflexion est annulée. De ce fait, la lumière qui ne peut pas être réfléchie sur le dioptre est transmise quasi intégralement par celui-ci.
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Pour qu'une interférence destructive soit parfaite, deux conditions doivent être réalisées. Il faut d'une part que les deux ondes aient exactement la même amplitude et d'autre part qu'elles soient en exacte opposition de phase.
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La durée d'un train d'onde, dans le vide, est de l'ordre de propagation de l'onde lumineuse est égale à
, la vitesse de
Nous définirons alors la longueur d'un train d'onde comme étant égale à:
Si la différence de marche d entre ces deux vibrations cohérentes entre elles et arrivant en M est inférieure à l , les deux trains d'onde correspondants se superposent partiellement et il y a donc interférences : la cohérence spatiale est réalisée Si la différence de marche d est supérieure à l, il n'y a pas de partie commune entre les deux trains d'onde ; même si la cohérence temporelle est réalisée, les deux trains d'onde ne se coupent pas en M et il n'y a plus d'interférences Dans le dernier cas de figure le train d'onde (2) a un retard trop grand sur le train d'onde (1) pour qu'au point M il y ait recoupement des trains d'ondes. Il n'y a plus de superposition possible des deux trains d'onde. La cohérence spatiale n'est plus réalisée.
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