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Cela pose problème. Une telle onde ne peut exister dans l'espace, vide, qui ne peut véhiculer les courants nécessaires à ce cycle, de plus en l'absence de fil de cuivre. James Clerk Maxwell--un écossais doué, également auteur de la théorie des trois couleurs pour la perception de la lumière -- aplanit le problème en proposant une condition nécessaire aux équations de l'électricité : un courant électrique peut voyager dans le vide, mais seulement avec des oscillations très rapides. En ajoutant cette condition (le "courant de déplacement"), les équations de l'électricité et le magnétisme suffisent pour qu'une onde existe, se propageant à la vitesse de la lumière. Le schéma ci-dessous illustre cette onde -- verte pour la partie magnétique, bleue pour la partie électrique - que Maxwell a ajoutée. L'onde de propagation n'est dessinée que selon un axe : En réalité, elle remplit l'espace, mais il serait difficile de dessiner cela.
Maxwell a proposé qu'en fait, cette onde était de fait la lumière. On y avait déjà pensé -- la vitesse de la lumière étant spontanément apparue dans les équations de l'électricité et du magnétisme -- et les études ultérieures l'ont confirmé. Si, par exemple, un faisceau de lumière aborde un prisme de verre, seule une partie y pénètre -- l'autre partie est réfléchie en surface. La théorie de Maxwell prévoit correctement les propriétés du faisceau réfléchi. Mais évidemment cela pose une autre question: si la lumière est l'onde électromagnétique d'environ 0.5 micron de longueur d'onde, à quoi correspondent les autres longueurs d'onde? Les ondes radio et la lumière appartiennent au spectre électromagnétique, la gamme de l'ensemble des ondes électromagnétiques. Au fil des ans, scientifiques et ingénieurs ont découvert les fréquences des autres ondes -- micro-ondes et diverses bandes de l'IR, dont les ondes sont plus longues que celles de la lumière visible (entre radio et visible), et les UV, EUV, rayons X et raies γ dont les longueurs d'onde sont plus courtes. La nature électromagnétique des rayons X est devenue évidente quand on a constaté que les cristaux les dévient comme les spectromètres le font avec a lumière visible : les rangées ordonnées des atomes dans le cristal agissent comme les cannelures d'un spectromètre. Lecture supplémentaire:--Une biographie de Maxwell: "The Man who Changed Everything: The Life of James Clerk Maxwell" de Basil Mahon, Wiley 2003, 254 pp., $27.95. Reviewed in Nature, 425, p. 765-6, 23 October 2003.
PhotonsIl semble que les conceptions sur les ondes et les particules soient tout à fait opposées : une onde occupe un certain espace, mais un électron ou un ion ne sont que des points. Du moins , c'est ce qu'on pensait dans la première moitié du 20ème siècle,. avant de découvrir qu'à l'échelle atomique, la distinction est moins nette : les ondes et les particules ont quelques propriétés communes.Pour analyser le trajet d'une onde lumineuse dans un télescope, on envisage son mouvement par rapport à la surface entière du miroir de focalisation. Pourtant si on ramène cette même onde à l'énergie d'un atome individuel, on s'aperçoit qu'elle agit comme une particule. Indépendamment de la plus ou moins grande luminosité du faisceau lumineux, son énergie se transmet toujours par des particules de la taille d'un atome, les "photons" dont l'énergie ne dépend seulement que de la longueur d'onde. C' est peut être maintenant l'occasion de présenter quelques nouvelles quantités et notations. Une onde électromagnétique de longueur d'onde λ ( lambda, L minuscule en Grec) couvre une distance de c mètres par seconde, avec c la vitesse de la lumière dans l'espace, près de 300.000.000 mètres /seconde. Sa fréquence ν ( nu, N grec minuscule) -- le nombre d'oscillations de haut en bas par seconde - équivaut au nombre de crêtes pour une distance donnée, et est donc obtenue en divisant c par la longueur d'onde : Une loi quantique de base dit alors que l'énergie E, en Joules, d'un photon de fréquence ν est où h = 6.624 10-34joule-sec est "la "constante de Planck", une constante universelle, fondamentale dans toute la théorie quantique. Elle a été présentée en 1900 par Max Planck, dans son essai sur les longueurs d'onde de la lumière émise par un solide chauffé, "le Corps Noir". Par ailleurs, c'est la formule ci-dessus, publiée par Albert Einstein en 1905, qui lui a valu le prix Nobel, et non sa théorie de relativité(comme beaucoup le croient). En savoir plus : Un page Web sur electromagnetic waves (les ondes électromagnétiques), faisant partie d'un site étendu et détaillé sur "The Amazing World of Electrons and Photons"( le monde étonnant des électrons et des photons) . Cliquez Ici pour le plan de ce site
Longueur d'onde et énergieLa physique Quantique est un énorme sujet, trop vaste et trop mathématique pour être abordé ici. Disons seulement que la quantité d'énergie que peut recevoir l'atome d'une onde électromagnétique-- le photon - ne dépend que de la longueur d'onde.A l'inverse : quand les atomes "sont excités", ils cèdent leur surplus d'énergie à une onde électromagnétique (énergie qu'ils auraient pu recevoir, par exemple, d'une collision avec un atome rapide venant d'un gaz à haute température). Cela ne concerne que les photons d'une taille déterminée. Le fait que ces émissions atomiques n'intéressent que "des lignes spectrales" étroitement définies, montre que les atomes "excités" ne peuvent pas contenir d'énergie supplémentaire en quantités arbitraires, mais dans leurs niveaux d'énergie, propres à leurs structures, chacun d'entre eux étant bien précisément lié à une quantité d'énergie définie. Chaque atome présente également "un état fondamental," celui de sa moindre énergie, état dans lequel il préfère rester. Quand il change son certain état d'excitation, l'énergie de départ et l'énergie finale sont très précisément à des niveaux spécifiques. Leur différence est donc ainsi étroitement définie et correspond à l'énergie émise, qui produit un photon d'une longueur d'onde déterminée. Le grand succès de la mécanique quantique a été sa capacité de calculer et de prévoir les forces des divers atomes et de leurs les combinaisons. La formule E = hν = hc/λ indique que plus la longueur d'onde λ est courte, plus le photon est énergique. Un photon UV possède plus d'énergie qu'un photon de lumière visible, et les photons des rayons X et des rayons γ (rayons gamma) sont encore plus énergiques. On estime donc que les régions les plus chaudes du soleil, là où les différentes particules ont le plus d'énergie, émettent un rayonnement électromagnétique d'une plus courte longueur d'onde. C'est en effet ce qui est observé. La température d'un gaz est proportionnelle à l'énergie moyenne de chacune de ses particules (la formule est d'ailleurs : E = 3/2 kT, où T est la température absolue en degrés Kelvin -- comme en unités Celsius mais avec un point zéro différent - k est un nombre fixe, la "constante de Boltzmann's." Ainsi, alors que la photosphère émet surtout en lumière visible la chaude couronne est mieux observée en EUV (UV extrême) ou en rayons X. de grande longueur d'onde. Les éjections sont constituées d'ions et d'électrons aux énergies encore plus élevées, et pour connaître leurs zones production et d'absorption, il faut travailler avec les rayons X et les rayons γ plus courts Les instruments de bord des vaisseaux spatiaux ont étudié toutes ces gammes qui ne peuvent pas d'ailleurs être étudiées depuis la terre, puisque tous les photons à ondes courtes sont facilement absorbés par l'atmosphère et n'atteignent pas le niveau du sol.
Prochaine étape: (S-6) observation du soleil sous d'autres rayonnements. Sections facultatives: Q-1. Physique Quantique
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