Ondes et particules - Le Repaire des Sciences

Terminale S Chapitre 1
Observer : ondes et matière
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Ondes et particules
Depuis plus d’un siècle, l’étude de rayonnements invisibles venant du Soleil ou d’autres objets célestes
nous permet de mieux comprendre l’Univers.
ondes radio visible UV rayons X
Le Soleil, observé au même instant, dans des domaines différents
L’étude des séismes permet de
mieux comprendre les phénomènes
mis en jeu et de dégager des
méthodes fiables pour la
prévention de ces catastrophes
naturelles.
Comment détecte-t-on les ondes et les particules ?
1 – Les ondes dans l’Univers
Le rayonnement est une forme de transfert d’énergie.
Le phénomène physique peut être décrit de manière particulaire par la propagation de photons
et de manière ondulatoire par la propagation d’une onde électromagnétique.
Une onde est la propagation d’une perturbation qui s’accompagne de variations réversibles des
propriétés physiques locales du milieu. L’onde véhicule de l’énergie sans transport de matière.
Le spectre des ondes électromagnétiques est composé d’une infinité de radiations ; chacune est
caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide λ ou par sa fréquence ν.
Dans le vide, les OEM se propageant à la vitesse c = 3,00.10
8
m.s
–1
, ces grandeurs sont liées par
la relation
c
λ ν
× =
.
1.1 – Sources de rayonnements
Le spectre des ondes électromagnétiques est découpé arbitrairement en divers domaines, des
rayons gamma aux ondes radio. Dans le vide ou dans l’air, les radiations visibles ont des
Sichuan, 12 mai 2008.

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longueurs d’onde comprises entre 400 nm et 800 nm environ. Elles sont limitées par les
ultraviolets (UV, ν < 400 nm) et les infrarouges (IR, ν > 800 nm). Le rayonnement visible n’est
donc qu’un rayonnement parmi d’autres, invisibles à l’œil humain.
De nombreuses particules, principalement des protons et des noyaux d’hélium, circulent dans
le vide interstellaire ; on parle d’astroparticules, qui constituent le rayonnement cosmique.
Tous les objets célestes émettent des rayonnements dans divers domaines. Il est possible
d’associer à certains rayonnements des sources caractéristiques.
L’Homme sait aujourd’hui construire des émetteurs et des détecteurs pour les rayonnements de
chacun de ces domaines.
1.2 – Absorption par l’atmosphère
Les divers rayonnements se propagent dans le vide et dans les milieux matériels. La plupart
interagissent avec la matière, notamment avec l’atmosphère. Les constituants de celle-ci
i
nteraction des
particules cosmiques
avec les gaz
interstellaires
étoiles chaudes
étoiles froides
n
uages de gaz
froids,
supernovae, galaxies,
rayonnement
cosmique
n
aines blanches,
étoiles à neutrons
étoiles
g
az froids et nuages
de poussières du
milieu interstellaire
Le télescope spatial Chandra a observé notre galaxie
voisine, Centaurus A, dans le domaine des rayons X.
Un trou noir serait l’ultime résidu d’une étoile très
massive. Problème : comme son nom l’indique, sa
gravité est telle que la lumière elle-même ne peut s’en
échapper, le rendant ainsi parfaitement invisible…
Ce cliché montre indirectement l’existence probable
d’un trou noir supermassif au centre de la galaxie :
c’est le jet sur la gauche, s’étendant sur 13 000 années-
lumière, qui serait la conséquence de l’absorption de
matière par le trou noir central.

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- absorbent certaines radiations, ce qui peut gêner les observations astronomiques
(utilisation de télescopes spatiaux).
- interagissent avec les astroparticules : des particules secondaires sont alors créées (les
plus abondantes au niveau de la mer sont les muons.
On peut constater que l’atmosphère est parfaitement opaque aux rayonnements de courte
longueur d’onde (jusqu’aux UV-A) ; elle nous protège ainsi de leurs effets destructeurs.
L’atmosphère offre également une fenêtre dans le domaine IR et radio.
2 – Les manifestations des ondes dans la matière
Contrairement aux ondes électromagnétiques, qui peuvent se propager dans le vide, certaines
ondes se propagent uniquement dans la matière : ce sont des ondes mécaniques.
L’énergie potentiellement colossale qu’elles véhiculent peut être dévastatrice.
2.1 – Les ondes sismiques
Il en existe différents types.

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• Les ondes de volume, parmi lesquelles les ondes P (primaires) dites de compression ou
longitudinales, et les ondes S (secondaires) dites de cisaillement ou transversales.
• Les ondes de surface, comme les ondes de Love (horizontales) et les ondes de Rayleigh (à
la fois horizontales et verticales)
Source : http://fr.lamit.ro/systeme-avertissement-seisme.htm
Les vitesses de propagation des ondes ne sont pas les mêmes (6 km/s pour les ondes P, 4 km/s
pour les ondes S).
Pour évaluer l’énergie dégagée par le séisme, les médias citent souvent l’échelle de Richter,
mais les scientifiques utilisent plus souvent des magnitudes de moment.
L'échelle de Richter a été instaurée en 1935. Elle nous fournit ce qu'on appelle la magnitude d'un
séisme, calculée à partir de la quantité d'énergie dégagée au foyer.
C'est une échelle logarithmique : la magnitude, dite de Richter, correspond au logarithme de la
mesure de l'amplitude des ondes de volume (de type P et S), à 100 kilomètres de l'épicentre.
La formule utilise le logarithme décimal : M
L
= logA - logA
o
où A représente l'amplitude
maximale relevée par le sismographe et A
o
une amplitude de référence.
Ainsi, par exemple, cela signifie que les ondes sismiques d'un séisme de magnitude 6 ont une
amplitude dix fois plus grande que celles d'un séisme de magnitude 5.
L'échelle de Mercalli quant à elle est une échelle de classification des séismes. Elle est subjective,
fondée sur l'étendue des dégâts observés.
2.2 – Ondes sonores
Les ondes sonores sont des ondes de compression et de dilatation (ondes longitudinales).
Lorsqu’une telle onde se propage dans un gaz, les atomes et molécules de ce gaz sont plus
proches les uns des autres dans certaines zones de l’espace : la pression est alors plus élevée que

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la pression moyenne du gaz. Dans d’autres zones, ils sont espacés : la pression est plus faible.
Lorsque la variation de pression est très rapide et de grande amplitude, l’onde sonore devient
une onde de choc : une telle onde peut être produite par un avion en vol supersonique (au-delà
du « mur » du son) ou par une explosion. Ses effets peuvent être considérables : vitres brisées,
murs fissurés… Citons par exemple le cas de l’explosion de l’usine AZF à Toulouse.
3 – Les moyens de détection
3.1 – Détecter les ondes mécaniques
Ondes sismiques : les sismographes
Ondes sonores : le microphone
Dans le microphone, la membrane vibre sous l’action des ondes sonores qu’elle reçoit, de même
que la bobine à laquelle elle est reliée. Cette dernière est montée sur un aimant, de telle sorte
qu’un courant électrique interne soit généré à chacun de ses déplacements ; le signal électrique
ainsi obtenu correspond fidèlement au son capté par le microphone (amplitude et fréquence).
onde P
ondes S puis R
zone
d’avertissement