Chap 9 Rayonnement Électromagnétique PDF

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Ou accéder à la page web suivante : https://student.turningtechnologies.eu/#/ Connectez-vous sur la session entrez sous physgen2024 guest/invité Chapitre 9 Rayonnement électromagnétique Pr François Bochud FBM – BMed – module B1.1 Cours de physique générale  Objectifs Expliquer la notion de dualité onde-corpuscule Classer par ordre d'énergie croissante les différents domaines du rayonnement électromagnétique et expliquer les principales interactions possibles avec de l'eau Calculer l'absorption d'un rayonnement électromagnétique à l'aide de la loi de Lambert-Beer et de la couche de demi-atténuation  théorie corpusculaire (Newton) : la lumière est composée de particules dont les masses différentes provoquent sur notre rétine des sensations distinctes (couleurs). La propagation rectiligne de la lumière et la réflexion découlent tout logiquement de ce concept théorie ondulatoire : huygens décrit la lumière comme une vibration se transmettant de proche en proche permettant de rendre compte de la diffraction. Thomas Young découvre un phénomène d’interférence avec 2 fentes qui s’explique naturellement par une description ondulatoire mais pas par une description corpusculaire. Hippolyte fizeau et Léon Foucault mesurent la vitesse de la lumière dans l’eau et montrent qu’elle est plus petite que dans l’air : prédiction de la théorie ondulatoire pour laquelle la théorie corpusculaire affirmait le contraire. James Clark maxwell observe que pour garantit la cohérence des lois fondamentales de l’électricité et du magnétisme , il faudrait qu’un champ électrique variable induise un champ magnétique. Il synthétise mathématiquement les lois de l’électromagnétique dans 4 équations montrant que des ondes électromagnétiques sont engendrées par des charges électriques ou des courants oscillants. Ex. Si une charge électrique oscille a une fréquence donnée, un champ magnétique oscillant à la même fréquence est produit à proximité. Ce champ magnétique induit un champ électrique oscillant a la même fréquence. L’hypothèse de Maxwell induit l’étape suivante : le champ électrique variable induit également un champ magnétique a la même fréquence. Ce champ magnétique induit a son tour un champ électrique qui induit un champ magnétique etc… Vitesse égale à celle de la lumière et Maxwell en conclut que la lumière est une onde électromagnétique Domaine du spectre électromagnétique Les différents types de rayonnement électromagnétique peuvent se classer en fonction de leur fréquence. Comme la vitesse de propagation de l'onde électromagnétique (ou du photon) dans le vide est constante et que l'énergie est proportionnelle à la fréquence, la connaissance de la fréquence définit automatiquement la longueur d'onde et l'énergie de manière univoque : les champs électromagnétiques basse fréquences : les moins énergétiques et ont de très grandes longueurs d’onde(ex. : rayonnement émis par le réseau électrique alternatif a 50 Hz dont la longueur d’onde vaut 6000km) CEM haute fréquence : ondes radio un peu plus énergétique et ont des longueurs d’onde supérieures a 1m. Application médicale la plus connue : IRM. Les microondes se situent entre 1m et 1mm de longueur d’onde : domaine utilisé pour le wifi, communications GSM et le four a micro-onde. Rayonnement optique : infrarouge, le visible et les ultraviolet. Les infrarouges sont les moins énergétique. le domaine visible est défini comme étant la gammes de fréquence auxquelles le système visuel humain est sensible Les ultraviolets, plus basse longueur d’onde et ou les énergies sont du même ordre de grandeur que les énergies de liaison des molécules (quelque eV) Domaine des plus petites longueur d’onde correspond aux rayonnements dont l’énergie est suffisante pour ioniser la matière : rayons X et gamma. Largement utilisé en medecine pour les diagnostics et la thérapie Rappel : la diffraction d’une onde est significative des lors que l’obstacle ou l’intervalle a traverser est petit par rapport a la longueur d’onde. En imagerie par transmission cela signifie que la lumière ne peut être utilisée que pour visualiser des structures de taille supérieure a env. 1 μm alors que les rayons X permettent d’explorer les atomes et molécules.. les ondes radio utilisées en IRM sont fortement diffractées lorsu’elles passent au travers du corps humain et ne peuvent être utilisées pour faire de l’imagerie par transmission comme en radiographie  Aurait-on pu faire une photo nette de la nageuse si l'appareil n'était sensible qu'aux ultraviolets ? Les rayons ultraviolets (UV) ont des longueurs 1. oui, pour autant qu'il soit très sensible d’onde plus courtes que la lumière visible. Bien que certains matériaux et objets puissent émettre ou réfléchir de la lumière dans le spectre UV, la 2. non, il y a trop peu de rayonnement de quantité de rayonnement UV dans des conditions naturelles est relativement faible, surtout dans l’atmosphère, où une grande partie du cette énergie à l'endroit où se trouve rayonnement UV est absorbée par l’ozone. Dans l’eau, il y a encore moins de rayonnement UV disponible, car l’eau absorbe l'appareil photo efficacement les rayons UV, particulièrement dans les longueurs d’onde plus courtes. Les appareils photo sensibles aux UV nécessitent des conditions particulières pour capturer une image nette (comme une forte source UV), ce qui n’est généralement pas le cas dans des environnements naturels comme la surface d’une piscine ou un environnement extérieur. Ainsi, même si l’appareil photo était très sensible aux UV, il serait difficile de capturer une image nette d’un sujet (comme une nageuse) car le rayonnement UV disponible à cet endroit est trop faible.  Rayonnement solaire corps noir (ε=1, T = 5'900 K) Intensité (W/m2/µm) rayonnement extraterrestre rayonnement à la surface de la Terre ultraviolets visible infrarouges Longueur d'onde (nm) https://fr.wikipedia.org/wiki/Raies_de_Fraunhofer  Pourrait-on faire une image nette si le Soleil nous éclairait avec autant de rayonnement ultraviolet que de rayonnement visible ? 1. oui, ce qui compte, c'est la quantité de Bien que le Soleil émette une quantité significative de rayonnement ultraviolet (UV), ce rayonnement est largement absorbé par l’atmosphère et particulièrement rayonnement éclairant la scène par l’eau. L’absorption par l’eau, en particulier dans les longueurs d’onde UV, est très élevée. En d’autres termes, même si le Soleil émettait autant de rayonnement UV que 2. non, le rayonnement UV serait trop de lumière visible, le rayonnement UV serait rapidement atténué ou filtré par l’eau avant d’atteindre un appareil photo sous l’eau. atténué par l'eau avant d'arriver à Les rayons UV n’arrivent pas aussi efficacement à travers l’eau que la lumière visible, ce qui empêche la formation l'appareil photo d’une image nette dans cet état. Donc, même avec une quantité égale de rayonnement UV et visible, l’atténuation dans l’eau limiterait l’efficacité de la capture de l’image. Absorption du rayonnement d électromagnétique: loi de Lambert-Beer Lorsqu’un rayonnement électromagnétique de flux Ψ (en W/m^2) traverse une petite épaisseur de matière dx, une petite quantité de flux d Ψ est absorbée selon la relation : d F -Edi = μ : Coefficient d'absorption, valeur fixe pour un matériau donné et une fréquence donnée. Peut se comprendre comme étant la proportion du flux interagissant par unité de distance parcourue dans le matériau. Dans le domaine des rayons X ( ou l’on privilégie la description corpusculaire) μ s’interprète comme la probabilité qu’un photon interagisse par unité de distance parcourue Loi de Lambert-Beer : #(x) To M = E Est le flux en l’absence de matière et x l’épaisseur de matière traversée. Un rayonnement électromagnétique d’énergie donnée est donc absorbé de manière exponentielle dans la matière L’unité de μ est l’inverse d’une longueur (m^-1). Plutôt que d’exprimer une probabilité d’interaction on préfère estimer l’épaisseur nécessaire absorber la moitié du rayonnement : la couche de demi-atténuation ou CDA. Relation liant la CDA et μ : CDA = La CDA a l’avantage de faciliter les calculs en étant plus intuitive que μ. Si la CDA d’un faisceau de rayons X dans le tissus mou est égale a 3, env 6% du rayonnement traverse 12 cm de tissus mou sans interagir (12cm = 4CDA, la proportion traversant sans interaction 1 CDA vaut 50 %, 2CDA 25 %, …) L’absorption du rayonnement dépend de sa fréquence et la matière considérée M Coefficient d’absorption μ pour l’eau liquide pure sur l’ensemble du spectre. Dans le domaine des ondes radio : absorptions la plus faible. Domaine des microondes : absorption augmente rapidement jusqu’à atteindre μ =100cm^-1 à la frontière avec les infrarouges (3x10^11 Hz)^. L’énergie absorbée dans cette gamme de dréquence est convertie en rotation de la molécule d’eau lorsqu’elle est en phase gazeuse (vapeur). En phase liquide, les molécules d’eau dont trop liées entre elles pour entrer en rotation et l’énergie est directement dissipé dans le milieu ( phénomène expliquant le fonctionnement des fours a microondes) Domaine infrarouge: fréquences correspondant a celles des vibrations des molécules d’eau et l’absorption atteint un maximum. Ces Vibrations sont rendues possibles par le fait que l’eau est une molécule polaire et la différence de charge entre ses atomes peut être couplée avec le rayonnement. A plus hautes fréquences l’absorption tombe dans un precipice de plus de 7 ordres de grandeur, avant de remonter encore plus haut dans le domaine ultraviolet. Cette fenêtre de transparence définit la zone visible (lumière) ou les fréquences sont trop élevées pour faire vibrer les molécules mais ou l’énergie est insuffisante pour produire l’excitation des électrons. Domaine de l’ultraviolet : énergie devient suffisante pour progressivement permettre l’excitation des électrons atomiques. A plus haute énergie on entre dans la zone des rayons X et gamma—> les ionisation deviennent possibles. Les interactions photon matière sont essentiellement gouvernée par les propriétés atomiques et la densité ; par des propriétés moléculaires Les interactions les plus importantes de ce domaine pour applications médicales sont : l’effet photoélectrique, l’effet Compton et la création de paire  Absorption du rayonnement EM par l'eau µ 106 105 probabilité 104 d'absorption par unité Coefficient d'absorption µ (cm-1) 103 de distance traversée 102 (cm-1) 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 radio micro IR UV RX + gamma 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz) John David Jackson, Classical Electrodynamics, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1998  Absorption du rayonnement EM par l'eau 106 Ψ (x ) = Ψ0 e −µx 105 104 Coefficient d'absorption µ (cm-1) loi de Lambert-Beer 103 102 10 x 1 10-1 Ψ(x) 10-2 10-3 10-4 Ψ0 10-5 radio micro IR UV RX + gamma 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz) John David Jackson, Classical Electrodynamics, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1998  Absorption du rayonnement EM par l'eau 106 Ψ (x ) = Ψ0 e −µx 105 visible 104 µ = 10-3 cm-1 Coefficient d'absorption µ (cm-1) loi de Lambert-Beer 103 102 Ψ (x ) = e−µx Ψ0 10 x=2 cm 1 −10−3 ⋅2 10-1 =e Ψ(x) 10-2 ≈ 0.998 10-3 10-4 10-5 radio micro IR UV RX + gamma 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz) John David Jackson, Classical Electrodynamics, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1998  Absorption du rayonnement EM par l'eau 106 Ψ (x ) = Ψ0 e −µx 105 UV 104 µ = 10+2 cm-1 Coefficient d'absorption µ (cm-1) loi de Lambert-Beer 103 102 Ψ (x ) = e−µx x=2 cm 10 Ψ0 1 −10+2 ⋅2 10-1 =e Ψ(x) 10-2 = 10 −87 ≈ 0 10-3 10-4 10-5 radio micro IR UV RX + gamma 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz) John David Jackson, Classical Electrodynamics, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1998  Absorption du rayonnement EM par l'eau 106 ln2 − 10 nm Ψ (x ) = Ψ0 e x On remplace souvent −µCD xA 100 nm 105 104 μ par la couche de 1 µm Coefficient d'absorption µ (cm-1) UV demi-atténuation Couche de demi-atténuation loi de Lambert-Beer 10 µm 103 CDA ≈ 70 µm (CDA) 102 100 µm 10 1 mm ln2 1 CDA = µ 1 cm 10-1 10 cm 10-2 visible 1m CDA ≈ 7 m 10-3 10 m 10-4 100 m 10-5 radio micro IR UV RX + gamma 1 km 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz) John David Jackson, Classical Electrodynamics, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1998  Un rayonnement UV a une CDA de 70 µm dans l'eau. Quelle proportion du rayonnement traverse une épaisseur de 280 µm sans interagir ? 1. 100% 2. 50% 3. 25% 50% - 200m 25 % - 100m 4. 12.5% 17 , 5 % > - 2104M 5. 6.25% 1 25% 6 > - 280 6. aucune idée  Absorption et CDA absorbé transmis 1 CDA 21 = 2 50 % 50 % 4 CDA 24 = 16 93.75 % 6.25 % 10 CDA 210 ≈ 1'000 99.9 % 0.1 % 20 CDA 220 ≈ 1'000'000 99.9999 % 0.0001 % rotation vibrations excitation ionisation ν1 étirement O-H symétrique ν2 déformation H-O-H ν3 étirement O-H asymétrique énergie fréquence Absorption du rayonnement EM par l'eau 10 nm 100 nm 1 µm Couche de demi-atténuation 10 µm 100 µm 1 mm 1 cm CDA ≈ 2 cm 10 cm 1m 2'450 10 m MHz 100 m radio micro IR UV RX + gamma 1 km 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz)  Ce cake a été réchauffé dans un four pendant 3 minutes ; l'intérieur est froid, quel four a été utilisé ? 1. Four microonde 2. Four conventionnel Absorption du rayonnement EM par l'eau 10 nm 100 nm ≈ 5 THz CDA ≈ 1 µm 1 µm Couche de demi-atténuation 10 µm 100 µm 1 mm 1 cm CDA ≈ 2 cm 10 cm 1m 2'450 10 m MHz 100 m radio micro IR UV RX + gamma 1 km 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz)  Absorption du rayonnement EM par l'eau Imagerie par 10 nm résonance 100 nm magnétique 1 µm (IRM) Couche de demi-atténuation 10 µm 100 µm 1 mm Imagerie par 1 cm CDA ≈ 3 cm rayons X 10 cm CDA ≈ 70 cm 1m 10 m 100 m radio micro IR UV RX + gamma 1 km 102 106 1010 1014 1018 1022 Fréquence (Hz) Diffusion élastique (Thomson-Rayleigh) Changement de direction du photon sans perte d’énergie Pas d’ionisation Jamais prépondérant en radiodiagnostic  Effet photoélectrique Rayonnement caractéristique L'énergie du photon incident doit être ≥ énergie de liaison de l'électron Ejection d'un électron plus ces énergies sont qui absorbe toute proches, plus la probabilité l'énergie du photon de l'effet photoélectrique incident est grande Important aux faibles énergies et aux Z élevés Effet fondamental en radiodiagnostic Effet photoélectrique : émission d’électrons par un métal sous l’actions d’un rayonnement électromagnétique. Cet effet ne peut être expliqué de manière satisfaisante lorsqu’on considère que ce rayonnement est uniquement une onde, si c’était le cas, augmenter l’intensité et attendre suffisamment longtemps devraient fournir assez d’énergie au matériau pour en libérer les électrons. L’expérience montre que le transfert d’énergie provoquant la libération des électrons ne peut se faire qu’a partir d’une certaine fréquence. Albert Einstein (19e) constate que l’observation peut s’interpréter si on admet que l’énergie associée au rayonnement incident est fournie de manière discrète plutôt que de manière continue. Il suggère que la quantité d’énergie associée à chaque quantum lumineux ou photon dépend seulement de la fréquence f du rayonnement et non de son intensité. L’énergie E de chaque photon est égale a hf Le photon n’a pas de masse (m=0) et se déplace a la vitesse de la lumière c  Effet Compton Rayonnement diffusé issu de l'énergie non- transmise à l'électron L'énergie du photon incident doit être Ejection d'un électron ≥ énergie de liaison de qui absorbe une partie de l'énergie du photon l'électron incident la proximité de ces énergies a peu d'effet sur la probabilité de l'effet Compton Peu de variation avec l'énergie Effet fondamental en radiodiagnostic et en thérapie  Création de paire Production d'une paire e-/e+ par absorption de toute l'énergie du L'énergie du photon photon incident e- incident doit être ≥ 1'022 keV e+ Le positron (e+) va ensuite s'annihiler avec un électron (e-) et produire deux photons d'annihilation (2 x 511 keV) Important aux hautes énergies et aux Z élevés Absent en radiodiagnostic, mais présent en thérapie  Prédominance des interaction photon-matière A basse d’énergie, l’effet photoélectrique est celui qui a la plus grande probabilité d’être observé. A haute énergie : création de paire entre deux (1MeV) : effet Compton domine: plomb Le type de la matière ( défini par son numéro atomique Z) a également une grande Par exemple, dans le tissu mou (carbone, oxygène), l'effet photoélectrique est dominant pour importance : pus Z est élevé plus la gamme les énergies inférieures à environ 20 keV; la création de paire électron- d’énergies dans laquelle l’effet Compton positron est dominante en dessus d'environ 30 MeV; entre-deux c'est l'effet Compton qui domine dans le domine devient étroite. ( représenté sur un tissu mou. Sur l'axe vertical, à E=400 keV par exemple, l'effet graphique ou l’axe horizontal est l’énergie E du photoélectrique est dominant lorsque l'interaction a lieu dans le plomb (Z=82). En revanche, si photon et l’axe verticale Z) l'interaction a lieu dans l'oxygène (Z=8), c'est l'effet Compton qui domine. os muscle Cherry, Sorenson, Phelps, Physics in Nuclear Medicine, Sauders Elsevir, 2012 Interactions photons matière dans le domaine des Rayons X et gamma Afin de mieux comprendre les image de radiologie et de médecine nucléaire ou comment détruire des cellules tumorales, il faut mieux comprendre les principales interactions photons matière dans le domaine rayons X et gamma. Dans ce domaine du spectre électromagnétique ( plus énergétique que la lumière) , les phénomènes sont décrit du point de vu corpusculaire Diffusion Thomson-Rayleigh/élastique Absorption durant un temps très court d’un photon par les électrons de la matière avant d’être réémis avec la même énergie. tout se passe comme si le photon collision ait avec la matière avant de rebondir avec la même énergie, expliquant pourquoi ce phénomène est appelé diffusion élastique dans l’eau, ce type d’interaction est plus important pour le rayonnement ultraviolet que pour le visible. A plus haute énergie, (photons dans le domaine des rayons X ou gamma) la diffusion élastique est toujours posssible mais les effets décrits sont plus probables : Effet photoélectrique absorption d'un photon par un électron de l'atome. Le photon disparaît dans l'interaction et cède toute son énergie à l'électron. L'atome résultant de cette interaction est ionisé Pour que l'effet photoélectrique ait lieu, le photon doit avoir une énergie au moins égale à l'énergie de liaison de l'électron atomique avec lequel il interagit. A cette énergie, la probabilité est maximale (phénomène de résonnance). Plus l'énergie augmente, plus cette probabilité diminue. La probabilité de l'effet photoélectrique est d'autant plus grande que le numéro atomique (Z) est élevé. Cela vient du fait que plus Z est élevé, plus l'énergie de liaison de ses électrons est proche de l'énergie des rayons X ou gamma. Comme l'énergie de liaison de l'électron le plus lié tend à être relativement basse par rapport aux énergies des photons X et gamma utilisés en médecine, la probabilité de l'effet photoélectrique est maximale aux basses énergies ("basses" étant entendu par rapport aux énergies utilisées en médecine). Suite à un effet photoélectrique, l'orbitale électronique laissée vacante est occupée par un autre électron. L'énergie de liaison ainsi gagnée est évacuée sous la forme d'un rayonnement caractéristique dont l'énergie est égale à la différence des énergies de liaison des deux niveaux considérés. Dans le cas du radiodiagnostic, l'énergie de ce photon est tellement faible que son parcours dans le patient est très court (< 0.1 mm). L'effet photoélectrique est fondamental, car il explique en particulier pourquoi les os apparaissent beaucoup plus clairs que les tissus mous sur une radiographie Effet Compton (observé que sur des électrons libres o faiblement liés) Un photon entre en collision avec un électron atomique faiblement lié. Une partie de l’énergie est utilisée pour ejecter l’électron hors de l’atome. Le reste de l’énergie sort de l’interaction sous la forme d’un photon diffusé. La probabilité d’observer un effet Compton dépend du nombre d’électrons par unité de volume. En radiodiagnostic cet effet est un rôle important dans le contraste de l’imagerie ( particulièrement pour les images de scanner X) Energie du photon doit être supérieur ou égal a l’énergie de liaison de l’electrons Effet photonucléaire A haute énergie (≥ 10 MeV), les photons peuvent être absorbés par le noyau et conduire ainsi a l’éjection d’un neutron: Ce phénomène n’est jamais présent en radiodiagnostic ou en médecine nucléaire, mais peut être observé avec les accélérateurs linéaires en radiothérapie lorsque l’énergie est suffisamment élevé e Création de paire Absorption d’un photon par le champ électromagnétique du noyau. Consiste en la matérialisation du photon en une paire electron-positrion. L’énergie minimales nécessaire au photon pour qu’une création de paire soit possible est de 1’022keV ( 2x une masse de 511kev/c^2). Cette énergie est trop élevée pour que cet effet soit présent en radiodiagnostic , il se produit avec un faible probabilité dans les patients en radio-oncologie. Le positron provenant d’une création de paires est rapidement freiné par collisions successives dans la matière et perd son énergie jusqu’à annihilaton avec un électron du milieu Onde ou particule ?  Onde ou particule ? YouTube Science étonnante, "Les photons existent-ils ?", https://youtu.be/mfhfSRjzlvc?si=tk4eCWjCU0cmXS04  Onde ou particule ? YouTube Science étonnante, "Les photons existent-ils ?", https://youtu.be/mfhfSRjzlvc?si=tk4eCWjCU0cmXS04  Onde ou particule ? YouTube Science étonnante, "Les photons existent-ils ?", https://youtu.be/mfhfSRjzlvc?si=tk4eCWjCU0cmXS04  Onde ou particule ? L'effet photoélectrique démontre qu'il faut que l'énergie soit transmise dans des "paquets" suffisamment grands Des "paquets" plus petits ne peuvent pas se combiner pour délivrer une énergie suffisante (il n'y a pas d'interférence constructive dans ce cas) Le rayonnement électromagnétique a aussi les propriétés d'une particule (Einstein, 1905)  Onde et particule direction de masse nulle propagation charge nulle de l'onde E = hf E = mc2 un photon se déplace à la vitesse de la lumière il n'a donc pas de masse au repos se déplace à la vitesse de la lumière c = 299'792'458 m/s (dans le vide, quelle que soit la fréquence) Dualité onde-corpuscule pour expliquer les figures d'interférence de Young, nous devons considérer le rayonnement électromagnétique comme une onde alors que pour expliquer l'effet photoélectrique, le rayonnement doit être considéré comme un faisceau de corpuscules (les photons). Dans le cas du rayonnement électromagnétique, nous pouvons décrire certains phénomènes par l’approche corpusculaire, en considérant la particule comme une "petite bille". Mais si l’on veut une meilleure compréhension physique de la réalité, il faut se tourner vers la mécanique quantique et considérer la particule comme une densité d’énergie dont la description ondulatoire permet d’évaluer la probabilité de trouver cette énergie dans l’espace‐temps. En ce sens, le photon n’est représenté que par l’énergie qu’il véhicule. Il ne faut en aucun cas limiter sa description à une bille. Généralisation de la dualité onde-corpuscule Tout objet peut être décrit comme une onde ou une particule La dualité onde-corpuscule ne concerne pas que les photons. Louis broglie a montré la longueur d’onde de n’importe quel objet ayant une quantité de mouvement p Pour un photon d’énergie hf cela implique que la longueur d’onde vaut c/f. Une grande longueur d’onde est donc associée a une basse fréquence et réciproquement. Pour un objet pourvu de masse, plus celle-ci est élevée plus sa longueur d’onde est petite. (Un objet de 70kg se déplaçant a 1 m/s aune longueur d’onde d’environ. 10^-35. Difficilement démontrable expérimentalement pour un être humain avec l’expérience des 2 fentes, la dualité onde-corpuscule l’a cependant été pour de nombreux objets microscopiques: l’électron dont la longueur d’onde peut être facilement réduite a des tailles inférieur a celle de l’atome. La description corpusculaire se justifie lorsque la longueur d’onde de broglie est faible par rapport aux distances entre les particules. Triantafillos Vaitsis, "The beginning of the end and the end of the beginning"  Les électrons ont aussi une dualité onde-corpuscule En microscopie électronique, on met à profit la h λ= petite longueur d'onde des électrons de grande Moins de diffraction que la lumière mv vitesse afin d'imager des objets de petite taille Grains de pollen imagés par microscope électronique https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=6263 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=24407  Microscopies optique et électronique microscope optique λlumière ≈ 380-780 nm la résolution dépend de λ et des caractéristiques optiques du microscope résolution max 200 nm https://manuelnumeriquemax.belin.education/enseignement_scientifique-premiere/topics/ens-scient1-c03-054-a_la-cellule-au-microscope-electronique  Microscopies optique et électronique microscope électronique microscope optique à transmission λélectrons ≈ 4 pm – quelques nm la résolution dépend de λ et des caractéristiques optiques du microscope résolution max 200 nm résolution max 0.1 nm https://manuelnumeriquemax.belin.education/enseignement_scientifique-premiere/topics/ens-scient1-c03-054-a_la-cellule-au-microscope-electronique Microscopie électronique Comme La longueur d'onde de la lumière est située entre 380 et 780 nm les phénomènes de diffraction apparaissent lorsqu'elle rencontre des objets de taille inférieure ou égale à environ 1 μm (expliquant pourquoi les plus petits objets que nous pouvons voir avec un microscope sont de l’orde de 0.2 μm) pour voir des objet plus petit il faut utiliser des rayonnements de longueur d’onde plus petite comme les rayons X ou les électrons. La microscopie électronique à transmission permet d’obtenir une image agrandie d’échantillons très minces : un faisceau d’électrons de haute énergie traverse l’échantillon et permet d’en obtenir grâce a un jeu de lentilles composées de champs électriques, une image agrandie jusqu’à la solution atomique. Un fonctionnement en mode balayage associé a la mesure de la perte d’énergie des électrons permet d’analyser la composition élémentaire de l’échantillon point par point  Résumé Dualité onde – particule Rayons X et gamma en médecine – "paquet d'énergie" se propageant à la – effet photoélectrique vitesse de la lumière c toute l'énergie du photon est absorbée pour – description ondulatoire : probabilité de ioniser un atome trouver cette énergie dans l’espace-temps – effet Compton – fréquence f une partie de l'énergie du photon est utilisée définit la longueur d'onde pour ioniser un atome et le reste continue sa et l'énergie du photon route sous la forme d'un photon dit diffusé – création de paire Absorption du rayonnement le photon disparaît dans le champ électromagnétique électromagnétique du noyau et se matérialise – loi de Lambert-Beer (e-µx) en une paire électron/positron – mécanismes d'absorption : rotation, – contraste des images vibration, excitation, ionisation, etc. défini par les effets photoélectrique – dans l'eau, fenêtre ouverte sur le visible et Compton Exemple de question d'examen  Quelle séquence de domaines de rayonnement électromagnétique correspond à un ordre croissant en énergie ? L’énergie d’un rayonnement électromagnétique dépend 1. infrarouge – ionisant – radio – microonde de sa fréquence ou de sa longueur d’onde. Plus la fréquence est élevée (ou plus la longueur d’onde est courte), plus l’énergie du rayonnement est grande. 2. ionisant – infrarouge – microonde – radio L’ordre croissant d’énergie des rayonnements électromagnétiques est donc le suivant : 1. Ondes radio : Très faible énergie, longue 3. microonde – radio – ionisant – infrarouge longueur d’onde. 2. Micro-ondes : Plus énergétiques que les ondes radio, mais encore faibles. 4. radio – microonde – infrarouge – ionisant 3. Infrarouge : Énergie plus élevée, associé à la chaleur. 4. Rayonnement ionisant : Comprend les ultraviolets, rayons X, et rayons gamma, qui possèdent des énergies très élevées capables d’ioniser la matière.  Objectif correspondant Classer par ordre d'énergie croissante les différents domaines du rayonnement électromagnétique et expliquer les principales interactions possibles avec de l'eau