Ondes et particules Les ondes et les particules sont les supports de l'information : l'observation du rayonnement électromagnétique émis par les corps célestes nous permet d'explorer l'Univers, les ondes radio nous permettent de communiquer avec le monde entier grâce à nos téléphones… Les ondes mécaniques telles que le son, la houle ou les ondes sismiques sont également omniprésentes. Quelles sont les sources d'ondes et de particules ? Comment les détecte-t-on ?
1. Quelles sont les sources de rayonnement électromagnétique dans l'Univers ? Comment les observer ? Un rayonnement électromagnétique peut être décrit comme une onde électromagnétique. Il se manifeste par un champ électrique couplé à un champ magnétique. L'onde électromagnétique se propage dans le vide à une célérité c = 3,00108 ms −1 et est caractérisée par sa longueur d'onde (ms −1) et sa fréquence f (Hz), liées par la relation : .
Les rayonnements électromagnétiques sont désignés par différents termes suivant leur gamme de fréquences (ou de longueurs d'onde). Dans l'ordre des fréquences croissantes, on trouve :

les ondes radio (également appelées ondes hertziennes) : elles sont générées par des courants électriques de haute fréquence et sont employées pour les télécommunications (télévision, radio…) ;
les micro-ondes : de fréquence un peu plus élevée, ces rayonnements sont notamment employés pour le chauffage d'aliments (par vibration des molécules d'eau) et pour les télécommunications (téléphones portables) ;
les infrarouges (IR) : situés juste avant la lumière visible dans le domaine des fréquences, ils sont principalement émis par rayonnement thermique par les corps chauffés. Ils possèdent un grand nombre d'applications : télécommunications (commande à distance, fibre optique), thermographie et appareil de vision nocturne, analyse chimique par spectroscopie infrarouge… ;
la lumière visible : il s'agit de la gamme très étroite des fréquences auxquelles sont sensibles les cellules réceptrices de l'œil humain ;
les ultraviolets (UV) : situés juste après la lumière visible dans le domaine des fréquences, ils sont émis par les corps de température élevée (comme le Soleil par exemple) ;
les rayons X : ces rayonnements d'énergie élevée sont utilisés pour l'imagerie médicale (radiographie, scanner, densimétrie osseuse) et l'analyse chimique (étude de la structure des cristaux par diffraction des rayons X) ;
les rayons gamma : issus de la désexcitation d'un noyau consécutive à une désintégration radioactive, ils sont émis par les matériaux radioactifs et les réacteurs nucléaires, et sont produits par les objets les plus énergétiques de l'Univers (supernovas, pulsars, trous noirs supermassifs…). Très énergétiques, ils traversent facilement la matière et sont dangereux pour les cellules vivantes par leur caractère ionisant.

Spectre électromagnétique Zoom L'atmosphère terrestre est constituée de gaz à concentration constante (diazote N2, dioxygène O2 et argon Ar) auxquels s'ajoutent des gaz de concentration variable : vapeur d'eau H2O, dioxyde de carbone CO2, ozone O3 … Lorsqu'un rayonnement électromagnétique pénètre dans la couche atmosphérique terrestre, il interagit avec les molécules de gaz, ce qui peut conduire à son absorption totale ou partielle via des transitions énergétiques :

l'ozone absorbe essentiellement les rayonnements ultraviolets, ainsi qu'une faible partie des rayonnements dans le rouge et l'infrarouge ;
le dioxygène absorbe une bande très étroite du rayonnement infrarouge ;
les gaz à effet de serre (H2O, CO2) absorbent la majorité des rayonnements infrarouges.

Les longueurs d'onde pour lesquelles le rayonnement électromagnétique est peu ou pas absorbé constituent ce que l'on appelle des fenêtres atmosphériques :

la première fenêtre englobe les ultraviolets proches, la lumière visible et les infrarouges proches (longueur d'onde comprise en 300 et 1 100 nm) ;
la seconde fenêtre concerne les ondes radio (longueur d'onde de 1 cm à 11 m).

L'astronomie consiste à observer les objets cosmiques via les rayonnements électromagnétiques qu'ils émettent. Du fait de l'absorption atmosphérique, l'observation des sources de rayonnements cosmiques par un télescope terrestre est limitée aux fenêtres atmosphériques définies ci-dessus. L'observation des infrarouges est néanmoins possible depuis des sites élevés où l'atmosphère est suffisamment sèche (limitation de l'absorption due à la vapeur d'eau). Pour s'affranchir de l'atmosphère et observer la totalité du spectre électromagnétique, des observatoires sont construits sur des satellites ou des sondes spatiales.
Exercice n°1 Exercice n°2 2. Quelles sont les manifestations des ondes mécaniques dans la matière ? Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes mécaniques ne peuvent se propager que dans un support matériel. Le son, la houle, les ondes sismiques sont des exemples d'ondes mécaniques.
La houle est un mouvement oscillatoire périodique des couches superficielles de l'eau dû au frottement d'un vent éloigné de la zone observée sur la surface de l'eau. La vitesse de propagation ou célérité de ce type d'onde obéit à des lois différentes selon la profondeur de l'eau :

en eau profonde (profondeur supérieure à une demi-longueur d'onde), la célérité est : (en ms −1), avec g = 9,8 ms −2 et la longueur d'onde en m ;
en eau peu profonde (profondeur inférieure à un dixième de la longueur d'onde), la célérité est : (en ms −1), avec g = 9,8 ms −2 et h la profondeur de l'eau en m.

En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux peu profondes et se propage avec une célérité qui dépend de la profondeur d'eau. La vitesse des particules d'eau sur la crête devient plus importante que celle des particules dans le creux de la vague : la vague déferle.
Lors d'un séisme, les vibrations engendrent des ondes sismiques qui se propagent dans toutes les directions. On distingue deux types d'ondes : les ondes de volume, qui traversent la Terre, et les ondes de surface, qui se propagent à sa surface.
Les ondes de volume se propagent à l'intérieur du globe :

les ondes P (ondes primaires) sont liées à des compressions et dilatations successives de la matière parallèlement à la direction de propagation de l'onde sismique, appelées « ondes longitudinales ». Ces ondes se propagent dans tous les milieux (y compris l'air) ; elles sont responsables du grondement sourd que l'on entend lors d'un séisme ;
les ondes S (ondes secondaires) sont des ondes de cisaillement liées à des déplacements de matière perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde sismique, appelées « ondes transversales ». Les ondes S ne se propagent pas dans les fluides, elles sont en particulier arrêtées par le noyau externe de la Terre.

Lorsqu'elles atteignent la surface, les ondes de volume peuvent engendrer des ondes de surface, qui sont guidées par la surface terrestre. Elles sont moins rapides que les ondes de volume, mais leur amplitude est généralement plus forte.

Les ondes L (ondes de Love) sont des ondes de cisaillement oscillant dans un plan horizontal. Elles impriment au sol un mouvement de vibration latéral.
Les ondes R (ondes de Rayleigh) engendrent un mouvement à la fois horizontal et vertical, assimilable à celui d'une vague.

La magnitude d'un tremblement de terre mesure l'énergie libérée au foyer d'un séisme : plus cette énergie est grande, plus la magnitude est élevée. L'échelle de Richter, établie en 1935, est basée sur la mesure de l'amplitude des ondes de volume (P et S) à 100 km de l'épicentre. La magnitude est donnée par la formule : , avec A l'amplitude maximale et A0 une amplitude de référence.
Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide. Par extension, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de donner naissance. L'intensité sonore I est la puissance sonore reçue par unité de surface, elle s'exprime en watt par mètre carré (Wm −2). La relation entre l'intensité sonore et la sensation auditive n'est pas linéaire : deux musiciens jouant ensemble ne font pas deux fois plus de bruit qu'un seul. Pour quantifier la sensation sonore, on utilise donc une grandeur L appelée niveau d'intensité sonore :

L : niveau d'intensité sonore en décibel acoustique (dBA), unité sans dimension.
I : intensité sonore en watt par mètre carré (Wm −2).
I0 = 10 −12 Wm −2 : intensité sonore de référence.

Exercice n°3 Exercice n°4 3. Comment détecter une onde ou une particule ? À toute particule de masse m et animée d'une vitesse v est associée une longueur d'onde λ donnée par la relation de de Broglie : .

: longueur d'onde (m).
h = 6,6210 −34 Js : constante de Planck.
m : masse de la particule (kg).
v : vitesse de la particule (ms −1).

Pour une particule de masse nulle telle que le photon, la relation est : .

: longueur d'onde (m).
h = 6,6210 −34 Js : constante de Planck.
c = 3,00108 ms −1 : célérité de la lumière dans le vide.
E : énergie de la particule (J).

Cette relation traduit la dualité onde-corpuscule, principe selon lequel tous les objets présentent simultanément des propriétés d'ondes et de particules. Par exemple, le photon est la particule associée à une onde électromagnétique :

un rayonnement électromagnétique présente un caractère ondulatoire, mis en évidence par les phénomènes de diffraction et d'interférences ;
un rayonnement électromagnétique présente un caractère corpusculaire, car il transporte de l'énergie sous forme de particules, les photons.

La longueur d'onde diminue quand la masse augmente. Si l'on s'intéresse à des particules macroscopiques, la masse des objets mesurés est tellement grande devant la constante de Planck que la longueur d'onde obtenue devient infime (de l'ordre de 10 −32 mètres pour une bille). C'est la raison pour laquelle le caractère ondulatoire des objets massifs macroscopiques n'est pas observable.
Les dispositifs de détection des particules sont basés sur les phénomènes engendrés par leur interaction avec la matière. En voici quelques exemples :

Les détecteurs à chambre d'ionisation repèrent le passage d'une particule en mesurant la charge totale des électrons et des ions produits lors de l'ionisation du milieu gazeux par la particule. Un champ électrique permet de séparer et de dévier les particules vers des électrodes. Le courant produit est détecté par un amplificateur, qui produit un signal électrique. C'est le principe du compteur Geiger, qui permet de mesurer un grand nombre de rayonnements ionisants (particules alpha, bêta ou gamma issues de désintégrations radioactives et rayons X).
Les détecteurs à scintillations sont basés sur la détection des photons émis après excitation du milieu par une particule chargée (phénomène de fluorescence). Ces photons peuvent être détectés par un dispositif photosensible.

Il existe également des détecteurs d'ondes :

Une antenne réceptrice est un détecteur d'ondes électromagnétiques : l'onde électromagnétique met en vibration les électrons de l'antenne, ce qui produit un signal électrique qui peut, par exemple, être visualisé sur l'écran d'un oscilloscope.
Parmi les détecteurs d'ondes mécaniques, on peut citer le sismographe, qui permet de détecter et d'étudier les ondes sismiques, et le microphone, qui convertit la pression acoustique engendrée par les ondes sonores en signal électrique.

Exercice n°5 Ce qui est attendu…

Extraire et exploiter des informations sur l'absorption de rayonnements par l'atmosphère terrestre et ses conséquences sur l'observation des sources de rayonnements dans l'Univers.
Connaître des sources de rayonnement radio, infrarouge et ultraviolet.
Extraire et exploiter des informations sur les manifestations des ondes mécaniques dans la matière.
Connaître et exploiter la relation liant le niveau d'intensité sonore à l'intensité sonore.
Extraire et exploiter des informations sur des sources d'ondes et de particules et leurs utilisations, et sur des dispositifs de détection.
Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection.

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