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Définition et synonyme de : RAYONNEMENT, physique

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Article publié par Encyclopaedia Universalis RAYONNEMENT, physique Les physiciens connaissent toutes sortes de rayonnements dont le plus célèbre est le rayonnement électromagnétique. Celui-ci résulte de la propagation de champs électrique et magnétique oscillants, qui transportent de l'énergie sous forme de photons, particules de masse nulle. Dans le vide, un tel rayonnement se propage à la vitesse de la lumière. Rayonnement électromagnétique On peut préciser les propriétés d'un rayonnement électromagnétique en indiquant la gamme d'énergie des photons qui le constituent. Les rayons gamma, dont une grande partie sont absorbés par l'atmosphère terrestre, sont les plus énergétiques du spectre électromagnétique. Ensuite viennent les rayons X, puis les rayons ultraviolets, puis la lumière visible, enfin les rayons infrarouges. Historiquement, l'étude du spectre d'un rayonnement particulier, celui du « corps noir », a conduit à la naissance de la physique quantique au début du e e xx siècle. À la fin du xix siècle, les physiciens en étaient venus à s'intéresser de très près au rayonnement émis par les corps qu'on échauffe, qui passent au rougeâtre d'abord, puis au rouge vif, ensuite au jaune, puis au blanc, au fur et à mesure que leur température augmente, et ils désiraient en expliquer les caractéristiques à partir des propriétés de la matière avec laquelle ce rayonnement interagit. Or les calculs classiques ne donnaient pas un résultat conforme aux observations.
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RAYONNEMENT, physique

Les physiciens connaissent toutes sortes de rayonnements dont le plus célèbre est le rayonnement électromagnétique. Celui-ci résulte de la propagation de champs électrique et magnétique oscillants, qui transportent de l'énergie sous forme de photons, particules de masse nulle. Dans le vide, un tel rayonnement se propage à la vitesse de la lumière.

Rayonnement électromagnétique

On peut préciser les propriétés d'un rayonnement électromagnétique en indiquant la gamme d'énergie des photons qui le constituent. Les rayons gamma, dont une grande partie sont absorbés par l'atmosphère terrestre, sont les plus énergétiques du spectre électromagnétique. Ensuite viennent les rayons X, puis les rayons ultraviolets, puis la lumière visible, enfin les rayons infrarouges.

Historiquement, l'étude du spectre d'un rayonnement particulier, celui du « corps noir », a conduit à la naissance de la physique quantique au début du xxe siècle. À la fin du xixe siècle, les physiciens en étaient venus à s'intéresser de très près au rayonnement émis par les corps qu'on échauffe, qui passent au rougeâtre d'abord, puis au rouge vif, ensuite au jaune, puis au blanc, au fur et à mesure que leur température augmente, et ils désiraient en expliquer les caractéristiques à partir des propriétés de la matière avec laquelle ce rayonnement interagit. Or les calculs classiques ne donnaient pas un résultat conforme aux observations.

Pour résoudre ce problème, Max Planck finit par postuler que, contrairement à ce que supposait la physique classique, les échanges d'énergie entre le rayonnement et la matière ne peuvent se faire que par paquets discontinus, les quanta.

Rayonnement cosmique et radioactivité

Certains rayonnements sont constitués, non de photons, mais de particules de masse non nulle qui peuvent être électriquement chargées. C'est le cas du rayonnement cosmique, constitué de protons, de noyaux d'hélium et d'éléments plus lourds qui traversent l'espace interstellaire à des vitesses relativistes.

C'est également le cas des rayonnements émis lors de processus radioactifs de type α ou β. De quoi s'agit-il ? Certains noyaux d'atomes, dits radioactifs, sont irrémédiablement voués à se transformer en d'autres noyaux d'atomes car ils contiennent trop d'énergie. Ils se transmutent spontanément, au bout d'un certain temps, en émettant des rayonnements. Invisibles, inaudibles, inodores, ces rayonnements issus de la radioactivité ne nous sont pas directement perceptibles. Certains sont très facilement absorbés par la matière : ce sont les rayons α. D'autres, plus pénétrants, sont facilement déviés par un champ magnétique : ce sont les rayons β. D'autres enfin sont très pénétrants et impossibles à dévier par un champ magnétique : ce sont les rayons γ.

Comment comprendre ces phénomènes ? Rappelons-nous que tout noyau d'atome est composé de protons et de neutrons, qu'on appelle aussi des nucléons. Ces particules entretiennent des relations mutuelles assez compliquées. Les protons ont une charge électrique positive, qui les fait se repousser mutuellement par le biais de la force électrique. Mais s'ils sont très proches les uns des autres, ce qui est le cas au sein d'un noyau, alors la force nucléaire tend au contraire à les maintenir ensemble. Les neutrons, eux, n'ont pas de charge électrique. Ils ne ressentent donc que la force nucléaire qui les lie de la même façon aux autres nucléons, que ceux-ci soient des protons ou des neutrons. Schématiquement, les choses se passent donc ainsi : si, dans un noyau, les protons et les neutrons sont en nombre tel que la force nucléaire et la répulsion électrique se compensent, alors ce noyau est stable ; dans le cas contraire, c'est-à-dire si les effectifs en protons et en neutrons ne permettent pas l'équilibre entre les forces d'attraction et de répulsion, alors le noyau est radioactif : il finira par se désintégrer, au bout d'une durée d'autant plus courte que le déséquilibre entre les forces est important.

Prenons le cas de la radioactivité alpha. Elle correspond à l'émission de particules du même nom, de particules α donc, constituées de deux protons et de deux neutrons très solidement accrochés les uns aux autres. Ce processus permet à certains noyaux trop riches à la fois en protons et en neutrons d'évacuer leurs excédents. Au final, les deux protons et les deux neutrons qui se retrouvent dans la particule α éjectée sont plus soudés les uns aux autres qu'ils ne l'étaient au sein du noyau dont ils sont issus.

La radioactivité bêta concerne quant à elle les noyaux trop riches en neutrons, qui finissent par augmenter leur cohésion en émettant un électron. Dans un premier temps, ce phénomène sembla inexplicable : puisque les noyaux ne contiennent pas d'électrons, comment diable parviennent-ils à en émettre ? Le plus simple pour un noyau bouffi de neutrons ne serait-il pas de perdre spontanément un ou plusieurs de ces derniers ? La réponse à cette dernière question est négative, car un tel processus ne serait pas rentable d'un point de vue énergétique : le nouveau noyau et le neutron émis auraient au total plus d'énergie que le noyau de départ. Les noyaux contenant trop de neutrons doivent donc recourir à un artifice plus subtil : ils transforment l'un de leurs neutrons en un proton supplémentaire, qui reste au sein du noyau, modifiant ainsi l'élément chimique de ce dernier. Lors de cette transformation, un électron et un antineutrino sont créés et ce sont eux qui sortent du noyau (un noyau peut donc émettre des particules qu'il ne contient pas).

Quant à la radioactivité gamma, elle consiste en l'émission par certains noyaux de rayons γ, c'est-à-dire d'un rayonnement de même nature que la lumière, mais de très haute énergie. En général, ces rayons sont émis après une émission α ou β, lorsque la désintégration du noyau de départ n'a pas permis l'évacuation de toute l'énergie excédentaire qu'il contenait. Dans cette opération, la composition du noyau en neutrons et protons n'est pas modifiée, contrairement à ce qui se passe pour les radioactivités α ou β (l'élément chimique concerné reste le même, puisque c'est le nombre de protons, et seulement lui, qui le définit).

Mais, dans tous les cas, une question se pose : à quel rythme les rayons que produit la radioactivité sont-ils émis ? Nous avons dit que les transmutations se produisent spontanément, c'est-à-dire sans cause extérieure. Mais « spontanément » ne veut pas dire « immédiatement ». Les transmutations se déploient selon un temps caractéristique, la « période radioactive » (ce terme n'est pas très judicieux, car il sous-entend que la radioactivité est un phénomène périodique dans le temps, ce qui n'est nullement le cas). Comment se définit-elle ? Imaginons une population, très nombreuse, d'atomes radioactifs, tous identiques : la période de cette population est égale à la durée au bout de laquelle la moitié des atomes qui la constituent au départ se seront transmutés en d'autres atomes ; après une deuxième période, la population restante est à nouveau divisée par deux et vaut donc le quart de la population initiale, et ainsi de suite.

La période d'un atome radioactif donné est absolument indépendante de son environnement chimique ou physique. On peut le chauffer au chalumeau, le secouer fortement, le tremper dans la soude ou l'acide, lui arracher ses électrons, sa période n'en sera nullement modifiée. Il s'agit donc d'une propriété intrinsèque du noyau, indépendante de tout ce qui peut se passer autour de lui.

Auteur: Étienne KLEIN