Le terme onde électromagnétique décrit la façon dont le rayonnement électromagnétique (EMR) se déplace dans l’espace. Différentes formes d’EMR se distinguent par leurs longueurs d’onde, qui varient de plusieurs yards (mètres) à une distance inférieure au diamètre d’un noyau atomique. La gamme complète, par ordre décroissant de longueur d’onde, va des ondes radio aux micro-ondes, en passant par la lumière visible, les ultraviolets et les rayons X jusqu’aux rayons gamma et est connue sous le nom de spectre électromagnétique. Les ondes électromagnétiques ont de nombreuses applications, à la fois en science et dans la vie de tous les jours.
Les ondes lumineuses
À bien des égards, une onde électromagnétique se comporte de la même manière que les ondulations sur l’eau ou que le son se propage dans un milieu tel que l’air. Par exemple, si une lumière est projetée sur un écran à travers une barrière avec deux fentes étroites, un motif de rayures claires et sombres apparaît. C’est ce qu’on appelle un motif d’interférence : là où les crêtes des vagues d’une fente rencontrent celles de l’autre, elles se renforcent mutuellement, formant une bande brillante, mais là où une crête rencontre un creux, elles s’annulent, laissant une bande sombre. La lumière peut également se courber autour d’un obstacle, comme les brise-océan autour d’un mur de port : c’est ce qu’on appelle la diffraction. Ces phénomènes témoignent de la nature ondulatoire de la lumière.
On a longtemps supposé que, comme le son, la lumière devait traverser une sorte de médium. On lui a donné le nom d’éther, parfois orthographié éther, et on pensait qu’il s’agissait d’un matériau invisible qui remplissait l’espace, mais à travers lequel les objets solides pouvaient passer sans entrave. Les expériences conçues pour détecter l’éther par son effet sur la vitesse de la lumière dans différentes directions n’ont toutes trouvé aucune preuve, et l’idée a finalement été rejetée. Il était évident que la lumière, et d’autres formes de DME, ne nécessitaient aucun support et pouvaient voyager dans l’espace vide.
Longueur d’onde et fréquence
Tout comme une onde océanique, une onde électromagnétique a des pics et des creux. La longueur d’onde est la distance entre deux points identiques de l’onde d’un cycle à l’autre, par exemple, la distance entre un pic, ou crête, et le suivant. L’EMR peut également être défini en fonction de sa fréquence, qui est le nombre de crêtes qui passent dans un intervalle de temps donné. Toutes les formes de DME voyagent à la même vitesse : la vitesse de la lumière. Par conséquent, la fréquence dépend entièrement de la longueur d’onde : plus la longueur d’onde est courte, plus la fréquence est élevée.
Energie
Longueur d’onde plus courte ou fréquence plus élevée, l’EMR transporte plus d’énergie que les longueurs d’onde plus longues ou les fréquences plus basses. L’énergie transportée par une onde électromagnétique détermine comment elle affecte la matière. Les ondes radio à basse fréquence perturbent légèrement les atomes et les molécules, tandis que les micro-ondes les font se déplacer plus vigoureusement : le matériau s’échauffe. Les rayons X et les rayons gamma sont bien plus puissants : ils peuvent rompre les liaisons chimiques et faire tomber les électrons des atomes, formant des ions. Pour cette raison, ils sont décrits comme des rayonnements ionisants.
L’origine des ondes électromagnétiques
La relation entre la lumière et l’électromagnétisme a été établie par les travaux du physicien James Clerk Maxwell au 19ème siècle. Cela a conduit à l’étude de l’électrodynamique, dans laquelle les ondes électromagnétiques, telles que la lumière, sont considérées comme des perturbations, ou ondulations, dans un champ électromagnétique, créées par le mouvement de particules chargées électriquement. Contrairement à l’éther inexistant, le champ électromagnétique est simplement la sphère d’influence d’une particule chargée, et non une chose matérielle tangible.
Des travaux ultérieurs, au début du 20e siècle, ont montré que l’EMR avait également des propriétés semblables à celles des particules. Les particules qui composent le rayonnement électromagnétique sont appelées photons. Bien que cela semble contradictoire, les EMR peuvent se comporter comme des ondes ou comme des particules, selon le type d’expérience qui est réalisée. C’est ce qu’on appelle la dualité onde-particule. Cela s’applique également aux particules subatomiques, aux atomes entiers et même aux molécules assez grosses, qui peuvent parfois se comporter comme des ondes.
La dualité onde-particule est apparue alors que la théorie quantique se développait. Selon cette théorie, l’onde représente la probabilité de trouver une particule, comme un photon, à un endroit donné. La nature ondulatoire des particules et la nature particulaire des ondes ont donné lieu à de nombreux débats scientifiques et à des idées ahurissantes, mais aucun consensus global sur ce que cela signifie réellement.
Dans la théorie quantique, le rayonnement électromagnétique est produit lorsque des particules subatomiques libèrent de l’énergie. Par exemple, un électron dans un atome peut absorber de l’énergie, mais il doit éventuellement chuter à un niveau d’énergie inférieur et libérer l’énergie sous forme d’EMR. Selon la manière dont on l’observe, ce rayonnement peut se présenter sous la forme d’une particule ou d’une onde électromagnétique.
Les usages
Une grande partie de la technologie moderne dépend des ondes électromagnétiques. La radio, la télévision, les téléphones portables et Internet reposent sur la transmission de radiofréquences EMR via des câbles aériens, spatiaux ou à fibres optiques. Les lasers utilisés pour enregistrer et lire les DVD et les CD audio utilisent des ondes lumineuses pour écrire et lire sur les disques. Les appareils à rayons X sont un outil essentiel en médecine et en sécurité aéroportuaire. En science, notre connaissance de l’univers provient en grande partie de l’analyse de la lumière, des ondes radio et des rayons X provenant d’étoiles et de galaxies lointaines.
Dangers
On ne pense pas que les ondes électromagnétiques de faible énergie, telles que les ondes radio, soient nocives. À des énergies plus élevées, cependant, l’EMR pose des risques. Les rayonnements ionisants, tels que les rayons X et les rayons gamma, peuvent tuer ou endommager les cellules vivantes. Ils peuvent également altérer l’ADN, ce qui peut conduire au cancer. Le risque pour les patients des rayons X médicaux est considéré comme négligeable, mais les radiologues, qui y sont régulièrement exposés, portent des tabliers de plomb – que les rayons X ne peuvent pas pénétrer – pour se protéger. La lumière ultraviolette, présente à la lumière du soleil, peut provoquer des coups de soleil et peut également provoquer un cancer de la peau si l’exposition est excessive.