Chapitre 1 : Ondes et particules Rayonnement et detection

 Partie 1 : Ondes et matière Chapitre 1 : Ondes et particules, Rayonnement et détection Qu’est ce qu’une source de rayonnement ? Comment détecter un rayonnement ? C’est a dire comment détecter des ondes et des particules. I)
Qu’est ce qu’un rayonnement et quelles sont les différentes sources de rayonnement ? a) Source de rayonnement dans l’univers Selon la théorie de bigbang, l’univers est né il y a 13,7 milliards d’années suite a une expansions a partir d’un point de l’espace. Il s’en est suivi un refroidissement progressif et l’émergence de particules, de la lumière, des étoiles et des planètes. L’univers observable dans sa partie visible n’est qu’une infime partie de l’ensemble de l’univers. La construction d’instruments de plus en plus sophistiqué a permis d’accéder aux informations transporter par des rayonnements électromagnétiques appartenant a un domaine de plus en plus vaste. Rayonnements électromagnétiques : un rayonnement électromagnétique sont des ondes électromagnétique, c’est a dire un perturbement des champs électrique et magnétique qui se propage ou pas dans le vide mais qui transporte toujours de l’énergie mais jamais de matière. Rappel : toutes les radiations électromagnétiques qui se propagent dans le vide le font a la célérité C = 3,00x108m.s-­‐1. Elles sont caractérisées par leur fréquence nu en hertz. b) Spectre de radiation électromagnétique Voir aussi la frise du spectre rappelé dans les révisions Il existe trois sources de rayonnement électromagnétique : source de rayonnement radio, source de rayonnement infrarouge et source de rayonnement ultraviolet. Source de rayonnement radio : les ondes radios sont comprise dans la gamme de fréquence 9x103Hz < nu < 3x1012Hz. Les sources d’ondes radios sont nombreuses, antennes radio et de télévision, talkie-­‐walkie, GPS, Wifi… Et elle servent a la communication. On les étudie le plus souvent en radio astronomie car elles sont émissent par les astres. La source de rayonnement radio la plus connu est le soleil qui explique notamment le phénomène des tempêtes magnétiques. Source de radio synchrotron (rayonnement produit par des charges électriques accélérés) expliques l’activité des noyaux actifs des galaxies, les QUASAR, en effet ceci sont formé de trous noirs (c’est la fin de vie d’une étoile massive qui se contracte jusqu'à se condenser en un point) qui émet un jet de particules a grande vitesses. Les pulsars sont des étoiles a neutrons (c’est le résidu d’une étoile massive (metoile massive > 10 msoleil) qui s’effondre sur elle même et qui produit une explosion appelé super nova) et émettent un rayonnement radio sous forme de pulses périodiques. Source de rayonnement infrarouge : le rayonnement infrarouge s’étend sur la gamme de fréquence 3x1012Hz < nu < 4x1014Hz (tout corps chaud de plusieurs centaine de degrés kelvin) va emmètre dans l’infrarouge par suite de vibration des particules comme les atomes les ions ou les molécules. Les deux principales sources de rayonnement sont le soleil et l’endroit de l’espace ou des étoiles sont en formations. Source de rayonnement ultraviolet : il s’étend sur la gamme 7,5x1014Hz < nu < 3x1016Hz, ces rayonnements sont émis lors des transitions des électrons de valences dans les atomes. Il y a trois principales sources de rayonnements ultraviolet : le soleil, les parties central de la galaxie et les étoiles chaudes. c) Absorption de rayonnement par l’atmosphère terrestre Avant d’être détecter au sol, les rayonnements interagissent avec les constituants de l’atmosphère selon deux processus : l’absorption et la diffusion. L’absorption est due aux molécules de gaz comme le N2, O2, CO2, H2O, O3. Mais les turbulences atmosphériques ne nous permettent pas toujours d’observer ces rayonnements. C’est la raison pour laquelle on construit des télescopes en altitudes parce que l’atmosphère y est moins dense et aussi dans des régions très sèches car il y a moins d’émission de vapeur d’eau et donc d’humidité. Mais il faut également disposer de satellites en orbite autour de la terre pour analyser les rayonnements qui ne parviennent pas jusqu’au sol. II)
Comment se manifestes ces rayonnements dans la matière ? Notion d’onde mécanique Une onde mécanique progressive est la perturbation d’une perturbation dans un milieu matériel, ce qui n’est pas le cas des ondes électromagnétiques. Exemple d’ondes mécaniques : la houle les ondes sismiques et les ondes sonores -­‐ La houle est une onde périodique qui produit sous l’action du vent un ensemble de vague sur la surface d’un liquide. Ses effets peuvent être importants comme des inondations ou la destruction de digue et de bâtiments -­‐ Les ondes sismiques sont des ondes provenant des tremblements de terres ou d’explosions souterraine. On les distingues de la plus rapide a la moins rapide, les ondes P sont des ondes de compressions de fréquence inferieur a 1,5Hz. Les ondes S sont des ondes de cisaillement de fréquence supérieur a 1,5Hz, et les ondes superficielles L de fréquence inferieur a 0,5Hz. Les ondes sismiques comme toutes les ondes transportent de l’énergie mesuré par la magnitude de séismes et dont l’intensité est indiqué par l’échelle de Richter. Dans l’échelle de Richter la magnitude local ML = Log (A/Aref) avec A l’amplitude max enregistré a 100km de l’épicentre et -­‐
III)
Aref enregistré par le même sismomètre toujours a 100km mais de l’épicentre d’un séisme de référence. Les amplitudes A ne concernent que les ondes S et P. Les ondes sonores : voir chapitre 3 Comment détecter les ondes et les particules, c’est a dire qu’appel t on détecteur d’onde et de particules ? La détection d’onde et de particules se base sur l’interaction du rayonnement ou de la particule avec la matière du détecteur. 1) Détecteur d’ondes mécanique Le détecteur d’onde mécanique le plus connu est le microphone (qui détecte les ondes sonores), mais il y a aussi des sismomètres qui permettent notamment de calculer l’épicentre du séisme, mais on utilise aujourd’hui aussi des matériaux piezeo électrique (qui détectent aussi les ondes sismiques). Tous ces détecteurs fonctionnent selon le même principe : la vibration engendrée par l’onde est traduite en tension électrique dont l’amplitude est relié a l’amplitude de l’onde. 2) Détecteur d’ondes électromagnétique Les antennes métalliques et les radiomètres sont les plus connus, au sein desquels l’onde véhicule un champ électromagnétique variable qui met en mouvement des électrons. Ce champ véhiculé par l’onde va créer un courant et c’est ce qui permet de détecter les ondes radios. Les détecteurs CCD (Coupled Charge Device) sont de minuscules récepteurs semi conducteurs appelé pixel : chaque photon induit une charge électrique qui est collecté. Ces capteurs sont utilisés dans le domaine du visible de l’ultra violet et de l’infrarouge, on les retrouve dans les téléphones portables, les appareils photos, les caméscopes, les ordinateurs… Les bolomètres, des détecteurs semi conducteur ave des capteurs mais qui fonctionnent par échauffement. On les utilise pour la détection de rayon X et Infrarouge. Les cellules photo-­‐électriques : le principe consiste a l’arrachement d’un électron a un métal par un photon. 3) Les détecteurs de particules ???? Selon deux processus : -­‐ On utilise d’abord le fait que le milieu est ionisé pour détecter des particules chargées. Ces particules vont produire des paires électrons-­‐ions qui sont collectés. Les détecteurs les plus connut qui fonctionnent selon se processus sont le conteur Geiger qui détectent les particules émissent lors de désintégration radioactive, les chambres a brouillards qui détectent des particules chargées comme les muons, mais il en existe d’autre comme des chambres a bulles et des chambres a files. -­‐
On utilise l’excitation du milieu lorsque la particule chargée traverse un milieu transparent ????? qui émet de la lumière en se désexcitant. C’est avec se processus que fonctionne le principe de la scintigraphie.