La lumière : ondes électromagnétiques, spectre électromagnétique et photons

Le rayonnement électromagnétique est l'une des nombreuses formes sous lesquelles l'énergie se propage dans l'espace. La chaleur d'un feu, la lumière du soleil, les rayons X utilisés en médecine, ainsi que l'énergie utilisée pour cuire les aliments dans un four à micro-ondes sont toutes des formes de rayonnement électromagnétique. Bien que ces sources d'énergie semblent très différentes les unes des autres, elles ont toutes en commun le fait de se comporter comme des ondes.

Un bon moyen pour comprendre les ondes est de penser aux vagues de l'océan. Une onde est simplement une perturbation d'un milieu physique ou d'un champ consistant en une vibration ou une oscillation. La vague de la houle de l'océan, et le creux qui suit invariablement, sont simplement une vibration ou une oscillation de l'eau à la surface de l'océan. Les ondes électromagnétiques sont similaires, à ceci près qu'elles sont en fait formées de $2$‍ ondes oscillant perpendiculairement l'une par rapport à l'autre. Ces deux ondes sont respectivement des champs électrique et magnétique en oscillation ; elles sont représentées comme suit :

Bien qu'il soit intéressant de bien comprendre ce que sont les ondes électromagnétiques, dans le domaine de la chimie, on est souvent moins intéressé par la physique sous-jacente à ce type d'énergie, que par la façon dont ces ondes interagissent avec la matière. Plus précisément, la chimie étudie comment les différentes formes de rayonnement électromagnétique interagissent avec les atomes et les molécules. Ces interactions donnent au chimiste des informations sur la structure d'une molécule, ainsi que sur les types de liaisons chimiques qu'elle contient. Mais cette partie sera abordée après avoir vu plus en détails les propriétés physiques des ondes lumineuses.

Une vague, ou une onde, possède un creux (point le plus bas) ainsi qu'une crête (point le plus haut). La distance verticale entre la sommet de la crête et l'axe central de l'onde est appelée amplitude. C'est cette grandeur qui caractérise l'intensité de l'onde (la brillance dans la cas d'une onde de lumière visible). La distance horizontale entre deux creux consécutifs (ou crêtes) représente la longueur d'onde de la vague. Ces longueurs sont représentées de façon concrète sur la figure suivante :

Certaines ondes (y compris les ondes électromagnétiques) oscillent également dans l'espace, ce qui signifie qu'elles oscillent, en un point de l'espace donné, dans le temps. La fréquence de l'onde correspond au nombre de longueurs d'onde qui passe par un point donné chaque seconde ; l'unité SI de la fréquence est le Hertz $(\text{Hz})$‍, qui est équivalent à un "par seconde" $($‍peut s'écrire comme ${\displaystyle \frac{1}{\text{s}}}$‍ ou ${\text{s}}^{-1})$‍. Naturellement, il en découle que la longueur d'onde et la fréquence sont inversement proportionnelles : plus la longueur d'onde est petite, plus grande est la fréquence, et vice versa. Cette relation est donnée par l'équation suivante :

où $\lambda$‍ (la lettre grecque lambda) est la longueur d'onde (en mètres, $\text{m}$‍) et $\mathrm{\nu }$‍ (la lettre grecque nu) est la fréquence (en Hertz, $\text{Hz}$‍). Leur produit est la constance $c$‍, la vitesse de la lumière dans le vide, égale à $3,00\times {10}^8\text{ m/s}$‍. De cette relation ressort un fait important : tout rayonnement électromagnétique, quelque soit sa longueur d'onde ou sa fréquence, se propage à la vitesse de la lumière.

L'exemple suivant illustre cette relation entre longueur d'onde et fréquence :

Soit une onde électromagnétique de fréquence de $1,5\times {10}^{14}\text{ Hz}$‍.

On part de l'équation vu précédemment, qui relie fréquence, longueur d'onde et vitesse de la lumière.

On réarrange l'expression pour exprimer la longueur d'onde.

Enfin, il ne reste plus qu'à remplacer les grandeurs par leurs valeurs et faire le calcul.

Une dernière grandeur à considérer est la période de l'onde. La période d'une onde est le temps que met une longueur d'onde pour passer par un point donné dans l'espace. Mathématiquement, la période ($T$‍) est tout simplement l'inverse de la fréquence ($f$‍) de l'onde :

L'unité de la période est la seconde ($\text{s}$‍).

Maintenant que les grandeurs caractéristiques des ondes ont été définies, on va s'intéresser aux différent types de rayonnement électromagnétique.

Les ondes électromagnétiques sont classées et réparties en fonction de leur longueur d'onde ou de leur fréquence ; cette répartition est appelée spectre électromagnétique. Ce spectre est représenté sur la figure suivante, qui consiste en une bande contenant tous les types de rayonnement électromagnétique qui existent dans l'univers.

Le spectre visible —c.à d. la lumière visible par l'oeil humain— ne représente qu'une petite partie des différents types de rayonnement existant. À droite du spectre visible, se trouvent les énergies qui ont une plus basse fréquence (et donc une plus grande longueur d'onde) que la lumière visible. Ces types d'énergie incluent le rayonnement infrarouge (IR) (le rayonnement de la chaleur émise par les corps thermiques), les micro-ondes, et les ondes radio. On est constamment entouré de ce types de rayonnement dans la vie de tous les jours. Jusqu'à il y a peu, on était certain que ces rayonnements, du fait de leur trop basse fréquence et donc de leur faible énergie, n'étaient pas dangereux pour la santé. Aujourd'hui, avec la prolifération des objets connectés et l'exposition permanente à ces rayonnements, des études sont en cours sur leur potentielle nocivité.

À gauche du spectre visible se trouvent les rayons ultraviolets (UV), les rayons-X, et les rayons gamma. Ces types de rayonnement sont dangereux pour les organismes vivants, à cause de leur très haute fréquence (et donc de leur très grande énergie). C'est pour cette raison qu'il faut utiliser de la crème solaire à la plage (car elle bloque une partie des rayons UV du soleil), et c'est également pour cette raison que le radiologue à l’hôpital va placer un écran en plomb sur le patient, afin d'éviter que les rayons-X ne pénètrent dans une autre partie du corps que celle qui est radiographiée. Les rayons gamma, qui possèdent la plus haute énergie ou fréquence, sont les plus dangereux. Heureusement, l'atmosphère terrestre absorbe la majeure partie des rayons gamma venant de l'espace, protégeant ainsi les espèces qui vivent sur Terre.

Dans le paragraphe suivant, on étudie la relation entre la fréquence d'une onde et son énergie.

Le physicien Hollandais Christiaan Huygens a été le premier à décrire la nature ondulatoire de la lumière à la fin du XVII${}^{\text{e}}$‍ siècle. Pendant les $200$‍ ans qui ont suivi, les physiciens pensaient que les ondes lumineuses et la matière étatent deux choses distinctes. Selon la physique classique, la matière est composée de particules possédant une masse, et dont la position dans l'espace est connue à chaque instant ; les ondes lumineuses, en revanche, étaient considérées comme n'ayant pas de masse, et on admettait que leur position dans l'espace ne pouvait pas être déterminée exactement. À cause de ces différences fondamentales, il était difficile d'avoir une bonne compréhension de la façon dont la lumière et la matière interagissent. Mais la situation change en $1900$‍, quand le physicien Max Planck se met à étudier les corps noirs - des objets dont le rayonnement ne dépend que de leur température.

Planck se rend compte que le rayonnement électromagnétique émis par un corps noir ne peut pas être expliqué par la physique classique, qui postule que la matière peut absorber ou émettre n'importe quelle quantité de rayonnement électromagnétique. Planck observe que la matière absorbe ou émet de l'énergie uniquement par multiples de la valeur $h$‍$\mathrm{\nu }$‍, où $h$‍ est la constante de Planck, $\mathrm{6,626}\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍, et $\mathrm{\nu }$‍ la fréquence de la lumière absorbée ou émise. Cette découverte remet en question l'idée pourtant établie que l'énergie est une grandeur continue, une grandeur qui peut être transférée en n'importe quelle quantité. Planck découvre qu'en réalité, l'énergie n'est pas continue mais quantifiée—ce qui signifie qu'elle ne peut être transférée que par "paquets" (ou particules) de valeur $h$‍$\mathrm{\nu }$‍. Ces paquets sont appelés quanta d'énergie (singulier : un quantum).

Pour mieux comprendre ce concept, on peut considérer les systèmes quantifiés de la vie de tous les jours. La monnaie que l'on utilise, par exemple, est quantifiée. On ne peut pas trouver dans un magasin un prix de un euro et deux centimes et demi (1,025€), tout simplement parce que le centime d'euro est la plus petite unité monétaire—on ne peut pas transférer de plus petite quantité d'argent qu'un centime. De la même manière, une quantité d'énergie inférieure à un seul quantum ne peut pas être transférée. Les quanta sont un peu comme les "centimes" de l'énergie électromagnétique—la plus petite unité d'énergie pouvant être transférée.

La découverte de Planck sur la quantification du rayonnement électromagnétique a changé pour toujours l'idée selon laquelle la lumière se comporte uniquement comme une onde. La lumière possède en fait à la fois les propriétés d'une onde et celles d'une particule.

Les découvertes de Planck ont ouvert la voie à la découverte du photon. Un photon est une particule élémentaire, ou quantum, de lumière. Les photons sont absorbés ou émis pas les atomes et les molécules. Quand un photon est absorbé par un atome ou une molécule, son énergie lui est transmise. Comme l'énergie est quantifiée, la totalité de l'énergie du photon est transférée (en effet, comme vu précédemment il est impossible de transmettre des fractions de quanta, puisque ce sont les plus petits "paquets d'énergie" possible). À l'inverse, quand un atome ou une molécule perd de l'énergie, il/elle émet un photon qui possède exactement la même quantité d'énergie perdue par l'atome / la molécule. Cette variation d'énergie est directement proportionnelle à la fréquence du photon émis ou absorbé, selon la relation de Planck-Einstein (parfois simplement appelée relation de Planck) :

où $E$‍ est l'énergie du photon absorbé ou émis (exprimée en Joules, $\text{J}$‍), $\mathrm{\nu }$‍ sa fréquence (en Hertz, $\text{Hz}$‍) et $h$‍ la constance de Planck, $\mathrm{6,626}\times {10}^{-34}\text{ J}\cdot \text{s}$‍.

Soit un photon de fréquence de $2,0\times {10}^{24}\text{ Hz}$‍.

En premier lieu, on applique la relation de Planck :

Ensuite, on remplace dans l'équation la valeur de la fréquence, ainsi que celle de la constante de Planck, $h$‍, et on fait l'application numérique.

(Indice : Se rappeler de la relation entre longueur d'onde et fréquence.)

Le rayonnement électromagnétique est caractérisé par son amplitude (brillance), sa longueur d'onde, sa fréquence, et sa période. La relation $E=h$‍$\mathrm{\nu }$‍ exprime le fait que la fréquence d'une onde lumineuse est proportionnelle à son énergie. Au début du XX${}^{\text{e}}$‍ siècle, la découverte de la quantification de l'énergie a révélé que la lumière n'était pas seulement une onde, mais avait également les propriétés de multiples particules appelées photons. Les photons sont porteurs de quantités discrètes d'énergie appelées quanta. Cette énergie peut être transférée à des atomes ou à des molécules quand les photons sont absorbés. Les atomes et les molécules peuvent aussi perdre de l'énergie en émettant des photons.