Spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique est le classement des rayonnements électromagnétiques par fréquence et longueur d'onde dans le vide ou énergie photonique^[1].

Diagramme montrant le spectre électromagnétique dans lequel se distinguent plusieurs domaines spectraux en fonction des longueurs d'onde (avec des exemples de tailles), les fréquences correspondantes, et les températures du corps noir dont l'émission est maximum à ces longueurs d'onde.

Le spectre électromagnétique s'étend sans rupture de zéro à l'infini. Pour des raisons tant historiques que physiques, on le divise en plusieurs grandes classes, dans lesquelles le rayonnement s'étudie par des moyens particuliers.

Domaines du spectre électromagnétique.

Domaines du spectre électromagnétique

Vue générale

On décrit un rayonnement électromagnétique par ses caractéristiques les plus accessibles, selon sa forme et son utilisation.

On caractérise habituellement les ondes radio par la fréquence, qui s'applique aussi bien aux circuits des appareils qu'on utilise pour les produire.

Quand les fréquences croissent, les longueurs d'onde correspondantes se raccourcissent jusqu'à devenir du même ordre de grandeur que les appareils, et deviennent le paramètre d'utilisation le plus courant.

Au-delà d'une certaine limite, on utilise principalement des instruments d'optique, tout comme pour la lumière, et la longueur d'onde dans le vide devient la caractéristique la plus commode. Elle joue directement dans le calcul des interférences dans les réseaux de diffraction et dans beaucoup d'autres applications.

À partir des rayons X, les longueurs d'onde sont rarement utilisées : comme il s'agit de particules très énergétiques, c'est l’énergie correspondant au photon X ou γ détecté qui est plus utile.

On découpe habituellement le spectre électromagnétique en divers domaines selon la longueur d'onde et le type de phénomène physique émettant ce type d'onde^[2] :

Domaines du spectre électromagnétique

Nom	Longueur d'onde	Fréquence	Énergie du photon (eV)	Type de phénomène physique
Rayon gamma	< 5 pm	> 6 × 1019 Hz	> 2,5 × 105 eV	Transitions au sein du noyau atomique, souvent émis lors de la désexcitation de noyaux-fils issu de la désintégration radioactive d'un noyau instable, de façon spontanée ou sous l'effet d'une accélération au sein d'un accélérateur de particules.
Rayon X	5 pm — 10 nm	30 PHz — 60 EHz	1,2 × 102 eV — 2,5 × 105 eV	Transitions d'électrons des couches profondes au sein d'un atome, accélération ou décélération (bremsstrahlung) d'électrons libres de haute énergie.
Ultraviolet	1 nm — 380 nm	789 THz — 300 PHz	4,1 eV — 1,2 × 103 eV	Transitions d'électrons de valence d'atomes ou de molécules de plus haute énergie encore, non observables par l'œil humain.
Visible	380 nm — 780 nm	384 THz — 789 THz	1,7 eV — 3,3 eV
Infrarouge	780 nm — 100 µm	3 THz — 384 THz	1,2 × 10−2 eV — 1,7 eV	Oscillations de particules, vibration moléculaire, transitions d'électrons de valence au sein d'atomes ou de molécules.
Térahertz / submillimétrique	0,1 mm — 1 mm	300 GHz — 3 THz	1,2 × 10−3 eV — 1,2 × 10−2 eV	Vibration de molécules complexes, de réseaux cristallins.
Micro-ondes	1 mm — 1 m	300 MHz — 300 GHz	1,2 × 10−6 eV — 1,2 × 10−3 eV	Oscillations d'électrons au sein de composants électriques spécifiques (comme une diode Gunn par exemple), rotation moléculaire, ou d'antenne (comme c'est le cas pour la téléphonie mobile, qui peuvent utiliser des micro-ondes comme ondes porteuses, comme 60 GHz).
Ondes radio	1 m — 100 000 km	3 Hz — 300 MHz	1,2 × 10−14 eV — 1,2 × 10−6 eV	Oscillations d'électrons au sein d'un circuit électrique comme une antenne.

Le découpage détaillé en bandes de fréquence selon les normes de l'UIT se trouve dans le paragraphe « Usages et classification » ci-dessous.

Spectre optique

Le spectre optique recouvre les domaines de l'infrarouge, le spectre visible, et de l'ultraviolet. La discipline étudiant les lois et comportements des ondes de ce domaine est l'optique.

Spectre visible

Le domaine visible du spectre électromagnétique.

Le rayonnement électromagnétique visible est la très étroite portion du spectre électromagnétique accessible à la perception humaine visuelle ; elle correspond à la plus forte énergie de rayonnement solaire arrivant à la surface de la Terre. La sensibilité humaine est maximale aux alentours d'une longueur d'onde dans le vide de 550 nm en vision photopique, avec des éclairements importants, de l'ordre de grandeur de ceux qui se trouvent dans la journée à la surface de la Terre. De part et d'autre de ce maximum, la sensibilité diminue progressivement. Elle est de moins de 1 % du maximum à 410 nm et à 690 nm, et il n'en reste rien à 360 nm. Du côté des basses énergies, on détecte au plus jusqu'à 820 nm, bien que très faiblement, mais les êtres humains et autres animaux terrestres sentent le rayonnement infrarouge sous forme de chaleur sur la peau. En vision scotopique, nocturne, le maximum est à 510 nm et on ne distingue pas les couleurs.

La colorimétrie relie la mesure physique du rayonnement à la couleur perçue. Un humain normal peut distinguer des ondes monochromatiques dont la longueur d'onde diffère d'un peu moins de 1 nm, et plus d'une centaine de niveaux de luminosité^[3]. Pourtant, la description d'une couleur n'a pas besoin d'autant de données que pourrait laisser croire la spectroscopie. Les humains n'ont en vision diurne que trois types de récepteurs, et de nombreux mélanges de radiations de longueurs d'onde différentes, dites « métamères », se perçoivent identiquement.

Histoire

Jusqu'au XIX^e siècle, la seule partie du spectre électromagnétique qui était connue était le spectre visible ou spectre optique. Si le phénomène d'arc-en-ciel était connu des premiers humains, ce n'est qu'au XVII^e siècle que Newton a mis en évidence le fait que la lumière blanche peut être décomposée en diverses couleurs.

Le terme spectre, signifiant « apparence immatérielle », « illusion » s'appliquait, au XVII^e siècle, à tous les phénomènes optiques qu'on ne s'expliquait pas. Synonyme de couleur accidentelle, il servait pour les impressions rétiniennes du contraste simultané ou successif aussi bien que pour les irisations vues au bord d'un objet regardé à travers un prisme^[4]. Newton l'employa une seule fois pour présenter ses expériences en optique dans son article de 1671^[5]. Ayant expliqué que la lumière blanche est « un mélange hétérogène de rayons différemment réfrangibles » (op. cit., p. 3079) et que les couleurs ne sont pas des qualifications de la lumière, comme on l'estimait depuis Aristote, mais des propriétés originales, différentes dans chaque rayon ; que les moins réfrangibles sont de couleur rouge, et les plus réfrangibles sont d'un violet profond, et cette association de propriétés ne peut être brisée par aucun moyen (op. cit., p. 3081) ; que les transmutations de couleurs ne se produisent que lorsqu'il y a mélange de rayons. Ce sont ces couleurs de mélange, et non celles séparées par le prisme, qui sont illusoires, fugaces et apparentes. Dès lors, Newton utilise toujours l'expression « couleurs prismatiques », laissant le spectre pour les phénomènes douteux ou inexpliqués. Mais l'usage d'appeler ces couleurs « spectrales » persiste, alimenté et promu par les opposants à la théorie physique de la lumière comme Goethe^{[6][réf. incomplète]} suivi par Schopenhauer^{[7][réf. incomplète]}.

En 1800 William Herschel découvre de façon plutôt fortuite l'existence d'une radiation lumineuse non visible, le rayonnement infrarouge. L'année suivante, le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter prolonge le spectre électromagnétique connu du côté des courtes longueurs d'onde en mettant en évidence l'existence du rayonnement ultraviolet.

L'interprétation de la lumière comme la propagation d'une onde électromagnétique est due à James Clerk Maxwell dans les années 1860, qui prédit également l'existence d'ondes électromagnétiques de toutes les fréquences possibles, se déplaçant toutes dans le vide à la vitesse de la lumière c. Les travaux du physicien Heinrich Hertz permettent la découverte en 1886 des ondes hertziennes, dites aussi ondes radio, qui étendent encore le spectre électromagnétique en deçà de l'infrarouge dans le domaine des basses fréquences ou des grandes longueurs d'onde. Les expériences sur les tubes électroniques permettent à Wilhelm Röntgen de mettre en évidence l'existence d'un nouveau type de rayonnement, de plus courte longueur d'onde que l'ultraviolet, les rayons X.

La dernière portion du spectre électromagnétique, les rayons gamma, commence à être explorée au début du XX^e siècle avec les travaux de Paul Villard et William Henry Bragg.

Usages et classification

Les définitions des bandes mentionnées dans le tableau sont les suivantes (normalisation internationale effectuée par l’UIT^[8], sauf pour la bande THF) ; elles sont aussi communément désignées par leur catégorie de longueur d’onde métrique.

Bandes	Fréquence	Longueur d’onde (dans le vide)	Usages
Ondes TLF (tremendously low frequency)	0 Hz à 3 Hz	100 000 km à ∞	Champs magnétiques, ondes et bruits électromagnétiques naturels
Ondes ELF (extremely low frequency)	3 Hz à 30 Hz	10 000 km à 100 000 km	Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes du cerveau humain, recherches en géophysique, raies spectrales moléculaires
Ondes SLF (super low frequency)	30 Hz à 300 Hz	1 000 km à 10 000 km	Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes physiologiques humaines, ondes des lignes électriques, usages inductifs industriels, télécommandes EDF Pulsadis, harmoniques ondes électriques
Ondes ULF (ultra low frequency)	300 Hz à 3 kHz	100 km à 1 000 km	Ondes électromagnétiques naturelles notamment des orages solaires, ondes physiologiques humaines, ondes électriques des réseaux téléphoniques, harmoniques ondes électriques, signalisation TVM des TGV
Ondes VLF (very low frequency)	3 kHz à 30 kHz	10 km à 100 km	Ondes électromagnétiques naturelles, radiocommunications submaritimes militaires, transmissions par CPL, systèmes de radionavigation, émetteurs de signaux horaires
Ondes LF (low frequency) ou ondes kilométriques	30 kHz à 300 kHz	1 km à 10 km	Ondes électromagnétiques naturelles des orages terrestres, radiocommunications maritimes et submaritimes, transmissions par CPL, radiodiffusion en OL, émetteurs de signaux horaires, systèmes de radionavigation
Ondes MF (medium frequency) ou ondes hectométriques	300 kHz à 3 MHz	100 m à 1 km	Systèmes de radionavigation, radiodiffusion en OM, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radioamateurs, signaux horaires et ADSL
Ondes HF (high frequency) ou ondes décamétriques	3 MHz à 30 MHz	10 m à 100 m	Radiodiffusion internationale, radioamateurs, radiocommunications maritimes, aéronautiques, militaires et d’ambassades, aide humanitaire, transmissions gouvernementales, applications inductives autorisées, transmissions par CPL, signaux horaires, CB en 27 MHz, radar trans-horizon
Ondes VHF (very high frequency) ou ondes métriques	30 MHz à 300 MHz	1 m à 10 m	Radiodiffusion et télédiffusion, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires, liaisons des secours publics, radionavigation (VOR et ILS) et radiocommunications aéronautiques, radioamateurs, satellites météo, radioastronomie, recherches spatiales
Ondes UHF (ultra high frequency) ou ondes décimétriques	300 MHz à 3 GHz	10 cm à 1 m	Télédiffusion, radiodiffusion numérique, radioamateurs, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires y compris aéronautiques, liaisons gouvernementales, liaisons satellites, FH terrestres, radiolocalisation et radionavigation, services de la DGAC, usages spatiaux, satellites météo, téléphonie GSM, UMTS et DECT, liaisons Wi-Fi et Bluetooth, systèmes radar, fours à micro-ondes
Ondes SHF (super high frequency) ou ondes centimétriques	3 GHz à 30 GHz	1 cm à 10 cm	FH terrestres et par satellite, systèmes radar, liaisons et FH militaires divers, systèmes BLR, radioastronomie et usages spatiaux, radiodiffusion et télédiffusion par satellite, liaisons Wi-Fi
Ondes EHF (extremely high frequency) ou ondes millimétriques	30 GHz à 300 GHz	1 mm à 1 cm	FH terrestres et par satellite, recherches spatiales, radioastronomie, satellites divers, liaisons et FH militaires, radioamateurs, systèmes radar, raies spectrales moléculaires, expérimentations et recherches scientifiques
Ondes THF (tremendously high frequency)	300 GHz à 384 THz	0,78 µm à 1 mm (Ondes micrométriques)	Ondes infrarouges (subdivis. recommandée par la CIE) Infrarouges C ou IR lointain (IR-C ; LIR) (300 GHz à 100 THz) (3 µm à 1 mm) Infrarouges à ondes longues (LWIR) (8 µm à 15 µm) Infrarouges à ondes moyennes (MWIR) (3 µm à 8 µm) Infrarouges B ou IR moyen (IR-B ; MIR) (100 à 214 THz) (1,4 µm à 3 µm) Infrarouges A ou IR proche (IR-A ; PIR) (214 à 384 THz) (0,78 µm à 1,4 µm)	Ondes infrarouges (suivant autre schéma de subdivision) Infrarouges extrêmes (EIR) (300 GHz à 20 THz) (15 µm à 1000 µm) Infrarouges lointains (FIR) (20 à 50 THz) (6 µm à 15 µm) Infrarouges moyens (MIR) (50 à 100 THz) (3 µm à 6 µm) Infrarouges proches (NIR) (100 à 384 THz) (0,78 µm à 3 µm)
	384 THz à 789 THz	380 nm à 780 nm (Spectre visible par l’homme : couleurs « spectrales »)	Ondes visibles rouges (384 à 480 THz, soit 625 à 780 nm) Ondes visibles orange (480 à 510 THz, soit 588 à 625 nm) Ondes visibles jaunes (510 à 535 THz, soit 560 à 588 nm) Ondes visibles vert-jaune (517 à 521 THz, soit 575 à 580 nm) Ondes visibles vert jaunâtre (521 à 535 THz, soit 560 à 575 nm) Ondes visibles vertes (535 à 604 THz, soit 497 à 560 nm) Ondes visibles vert bleuté (566 à 610 THz, soit 492 à 530 nm) Ondes visibles cyans (610 à 616 THz, soit 487 à 492 nm) Ondes visibles bleu azur (616 à 622 THz, soit 482 à 487 nm) Ondes visibles bleues (622 à 645 THz, soit 465 à 482 nm) Ondes visibles indigo (645 à 689 THz, soit 435 à 465 nm) Ondes visibles violettes (689 à 789 THz, soit 380 à 435 nm)	(suivant autre schéma de subdivision) Rouge (620 à 780 nm) Orange (592 à 620 nm) Jaune (578 à 592 nm) Vert (500 à 578 nm) Bleu (446 à 500 nm) Violet (380 à 446 nm)
	789 THz à 30 PHz	10 nm à 380 nm (Ondes nanométriques)	Transition spectrale vers les UV-A (788,927 à 849,481 THz, soit 353 à 380 nm) Rayonnements dits « ionisants » : Ultraviolets : Ultraviolets UV-A (849,481 THz à 951,722 THz, soit 315 à 353 nm) UVA I : 340 à 353 nm UVA II : 315 à 340 nm Ultraviolets UV-B (951,722 THz à 1 070,687 THz, soit 280 à 315 nm) Ultraviolets UV-C (1 070,687 THz à 1 498,962 THz, soit 200 à 280 nm) Ultraviolets V-UV (1 498,962 THz à 2 997,924 THz, soit 100 à 200 nm) Ultraviolets X-UV, transition vers les rayons X (2 997,924 THz à 29 979,245 THz, soit 10 à 100 nm)
	30 PHz à 300 EHz	1 pm à 10 nm (Ondes picométriques)	Rayonnements dits « ionisants » (suite) : Rayons X : Rayons (30 PHz à 300 PHz, soit 1 à 10 nm) Rayons X mous (300 PHz à 3 EHz, soit 100 à 1 000 pm) Rayons X durs (3 EHz à 30 EHz, soit 10 à 100 pm) Rayons gamma : Rayons gamma mous (30 EHz à 300 EHz, soit 1 à 10 pm) Rayons gamma durs (au-delà de 300 EHz, soit < 1 pm) (au-delà de la bande THF)

Spectroscopie

La spectroscopie ou spectrométrie est l'étude expérimentale des spectres électromagnétiques par des procédés d’observation et de mesure avec décomposition des radiations en bandes de fréquences idéalement étroites. La spectroscopie s'intéresse en général au spectre d'absorption ou au spectre d'émission d'un objet. Suivant le domaine du spectre électromagnétique, on distingue différentes spectroscopies. Les plus utilisées sont :

• la résonance magnétique nucléaire (RMN, IRM) qui utilise le domaine 100 à 1000 MHz (THF)
• la résonance paramagnétique électronique (RPE) qui utilise le domaine des GHz (UHF)
• la spectroscopie infrarouge qui utilise le domaine 400 - 4000 cm^-1 soit 2,5 à 25 µm (IR-C)
• la spectroscopie visible qui utilise le domaine 12500 - 25000 cm^-1 soit 380 à 780 nm
• la spectroscopie UV qui utilise le domaine 25000 à 50000 cm^-1 soit 380 à 200 nm (UV-A, UV-B et UV-C).

Les spectroscopies des domaines IR, visible et UV utilisent principalement l'unité cm^-1 pour caractériser les fréquences d'absorption.

Spectre d'émission

Des atomes ou molécules excités (par exemple par chocs) se désexcitent en émettant une onde électromagnétique. Celle-ci peut se décomposer en une superposition d'ondes sinusoïdales (monochromatiques) caractérisées par leurs longueurs d'onde. Le spectre est constitué par l'ensemble des longueurs d'onde présentes. On peut le matérialiser à l'aide d'un prisme de décomposition de la lumière en un ensemble de lignes, les raies spectrales, qui correspondent aux différentes longueurs d'onde émises. Pour plus de précision, on peut également représenter ce spectre comme un graphe de l'intensité lumineuse en fonction de la longueur d'onde.

L'observation du spectre d'émission de l'hydrogène se fait au moyen d'un tube Geissler qui comporte deux électrodes et de l'hydrogène sous faible pression. Les électrodes sont soumises à une différence de potentiel de 1 000 V. L'important champ électrique accélère les ions présents qui, par chocs, excitent les atomes d'hydrogène. Lors de leur désexcitation, ils émettent de la lumière qui est analysée par un spectroscope. Dans tous les cas, on observe (dans le visible) le même spectre composé de quatre raies (spectres de raies) aux longueurs d'onde : 410 nm, 434 nm, 486 nm, 656 nm.

Niels Bohr interprétera alors l'émission de lumière par l'émission d'un photon lorsque l'atome passe d'un niveau d'énergie à un autre. Le spectre d'émission de n'importe quel élément peut être obtenu en chauffant cet élément, puis en analysant le rayonnement émis par la matière. Ce spectre est caractéristique de l'élément.

Spectre d'absorption

Le principe est exactement le même que celui du spectre d'émission : à un niveau d'énergie donné correspond une longueur d'onde. Mais au lieu d'exciter de la matière (par exemple en la chauffant) pour qu'elle émette de la lumière, on l'éclaire avec de la lumière blanche (donc contenant toutes les longueurs d'onde) pour voir quelles longueurs d'onde sont absorbées. Les niveaux d'énergie étant caractéristiques de chaque élément, le spectre d'absorption d'un élément est exactement le complémentaire du spectre d'émission. On s'en sert notamment en astrophysique : par exemple, pour déterminer la composition de nuages gazeux, on étudie leur spectre d'absorption en se servant des étoiles se situant en arrière-plan comme source de lumière. C'est d'une manière générale le but de la spectrographie d'absorption : identifier des éléments inconnus (ou des mélanges) par leur spectre.

Absorption atmosphérique

Absorption et diffusion par l'atmosphère terrestre (ou opacité) de diverses longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique (tracé approximatif).

La plus grande partie du rayonnement ultraviolet et des rayons X sont absorbés dans la haute atmosphère.

Pour la partie visible du rayonnement électromagnétique, l'atmosphère est relativement bien transparente.

Dans le domaine infrarouge, le rayonnement électromagnétique est fortement absorbé par l'atmosphère, en particulier selon différents modes d'excitation de la vapeur d'eau.

Ensuite, dans le domaine des fréquences radio, lorsque l'énergie des photons diminue, l'atmosphère redevient transparente sauf pour les fréquences les plus basses (ondes longues) qui sont arrêtées par l'ionosphère.

Grandeurs physiques caractéristiques

Présentation

Un rayonnement électromagnétique peut se considérer soit comme une onde progressive, soit comme un ensemble de particules.

Si on le considère comme une onde, on peut le décomposer, selon la transformation de Fourier, en une somme d'ondes monochromatiques, dont chacune est entièrement décrite par deux grandeurs physiques :

1. Son amplitude ;
2. Sa fréquence ou sa longueur d'onde, grandeurs corrélées par la célérité de l'onde.

Si on le considère comme un ensemble de particules, chacune d'entre elles est entièrement décrite par son énergie. La répartition des énergies et leur somme obéissent aux lois statistiques.

Unités

• La fréquence, notée ${\displaystyle f}$ ou ${\displaystyle \nu }$, s'exprime en hertzs (Hz) dans le Système international d'unités (SI).
• La pulsation, notée ${\displaystyle \omega }$, s'exprime en radians par seconde (rad/s) dans le SI.
• Le nombre d'onde, aussi appelé pulsation spatiale, est noté ${\displaystyle k}$ et s'exprime en radians par mètre (rad/m).
• La longueur d'onde, notée ${\displaystyle \lambda }$, s'exprime en unités de longueur (en mètres (m) dans le SI).
• L'énergie des photons, notée ${\displaystyle E}$, s'exprime en joules (J) dans le SI, et aussi couramment en électron-volts (1 eV = 1,602 176 53 × 10⁻¹⁹ J).

Relations

On passe de la définition comme onde à la définition comme particule, par les relations suivantes :

${\displaystyle E=h\,\nu ={\frac {h}{T}}={\frac {h\,c}{\lambda }}}$

où ${\displaystyle h}$ est la constante de Planck : ${\displaystyle h}$ ≈ 6,626 070 040 × 10⁻³⁴ J s ≈ 4,135 667 662 × 10⁻¹⁵ eV s.

La longueur d'onde dépend de la célérité de la lumière dans le milieu de propagation. Si celui-ci n'est pas précisé, c'est la longueur d'onde dans le vide

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{\nu }}}$

où ${\displaystyle c}$ est la vitesse de la lumière dans le vide : ${\displaystyle c}$ = 299 792 458 m s⁻¹ (cette valeur est exacte, du fait de la définition actuelle du mètre)

sinon

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{n_{\nu }\,\nu }}}$

où ${\displaystyle n_{\nu }}$ est l'indice de réfraction dans le milieu à la fréquence ${\displaystyle \nu }$, toujours égal à 1 dans le vide.