vignette|redresse=1.5|Diagramme montrant le spectre électromagnétique dans lequel se distinguent plusieurs domaines spectraux en fonction des longueurs d'onde (avec des exemples de tailles), les fréquences correspondantes, et les températures du corps noir dont l'émission est maximum à ces longueurs d'onde.
Le spectre électromagnétique est le classement des rayonnements électromagnétiques par fréquence et longueur d'onde dans le vide ou énergie photonique..
Le spectre électromagnétique s'étend sans rupture de zéro à l'infini. Pour des raisons tant historiques que physiques, on le divise en plusieurs grandes classes, dans lesquelles le rayonnement s'étudie par des moyens particuliers.
Domaines du spectre électromagnétique Vue générale On décrit un rayonnement électromagnétique par ses caractéristiques les plus accessibles, selon sa forme et son utilisation.
On caractérise habituellement les ondes radio par la fréquence, qui s'applique aussi bien aux circuits des appareils qu'on utilise pour les produire.
Quand les fréquences croissent, les longueurs d'onde correspondantes se raccourcissent jusqu'à devenir du même ordre de grandeur que les appareils, et deviennent le paramètre d'utilisation le plus courant.
Au-delà d'une certaine limite, on utilise principalement des instruments d'optique, tout comme pour la lumière, et la longueur d'onde dans le vide devient la caractéristique la plus commode. Elle joue directement dans le calcul des interférences dans les réseaux de diffraction et dans beaucoup d'autres applications.
À partir des rayons X, les longueurs d'onde sont rarement utilisées : comme il s'agit de particules très énergétiques, c'est l’énergie correspondant au ou γ détecté qui est plus utile.
On découpe habituellement le spectre électromagnétique en divers domaines selon la longueur d'onde et le type de phénomène physique émettant ce type d'onde. :
+Domaines du spectre électromagnétique Nom Longueur d'onde Fréquence Énergie du photon (eV) Type de phénomène physique Rayon gamma < > > Transitions au sein du noyau atomique, souvent émis lors de la désexcitation de noyaux-fils issu de la désintégration radioactive d'un noyau instable, de façon spontanée ou sous l'effet d'une accélération au sein d'un accélérateur de particules. Rayon X — — — Transitions d'électrons des couches profondes au sein d'un atome, accélération ou décélération (bremsstrahlung) d'électrons libres de haute énergie. Ultraviolet — — — Transitions d'électrons de valence d'atomes ou de molécules de plus haute énergie encore, non observables par l'œil humain. Visible — — — Infrarouge — — 1, — Oscillations de particules, vibration moléculaire, transitions d'électrons de valence au sein d'atomes ou de molécules. Térahertz / submillimétrique — — — Vibration de molécules complexes, de réseaux cristallins. Micro-ondes — — — Oscillations d'électrons au sein de composants électriques spécifiques (comme une diode Gunn par exemple), rotation moléculaire, ou d'antenne (comme c'est le cas pour la téléphonie mobile, qui peuvent utiliser des micro-ondes comme ondes porteuses, comme ). Ondes radio — — — Oscillations d'électrons au sein d'un circuit électrique comme une antenne.
Le découpage détaillé en bandes de fréquence selon les normes de l'UIT se trouve dans le paragraphe « Usages et classification » ci-dessous.
Spectre optique Le spectre optique recouvre les domaines de l'infrarouge, le spectre visible, et de l'ultraviolet. La discipline étudiant les lois et comportements des ondes de ce domaine est l'optique.
Spectre visible
vignette|Le domaine visible du spectre électromagnétique.
Le rayonnement électromagnétique visible est la très étroite portion du spectre électromagnétique accessible à la perception humaine visuelle ; elle correspond à la plus forte énergie de rayonnement solaire arrivant à la surface de la Terre. La sensibilité humaine est maximale aux alentours d'une longueur d'onde dans le vide de en vision photopique, avec des éclairements importants, de l'ordre de grandeur de ceux qui se trouvent dans la journée à la surface de la Terre. De part et d'autre de ce maximum, la sensibilité diminue progressivement. Elle est de moins de 1 % du maximum à et à , et il n'en reste rien à . Du côté des basses énergies, on détecte au plus jusqu'à , bien que très faiblement, mais les êtres humains et autres animaux terrestres sentent le rayonnement infrarouge sous forme de chaleur sur la peau. En vision scotopique, nocturne, le maximum est à et on ne distingue pas les couleurs.
La colorimétrie relie la mesure physique du rayonnement à la couleur perçue. Un humain normal peut distinguer des ondes monochromatiques dont la longueur d'onde diffère d'un peu moins de , et plus d'une centaine de niveaux de luminosité.. Pourtant, la description d'une couleur n'a pas besoin d'autant de données que pourrait laisser croire la spectroscopie. Les humains n'ont en vision diurne que trois types de récepteurs, et de nombreux mélanges de radiations de longueurs d'onde différentes, dites « métamères », se perçoivent identiquement.
Histoire Jusqu'au , la seule partie du spectre électromagnétique qui était connue était le spectre visible ou spectre optique. Si le phénomène d'arc-en-ciel était connu des premiers humains, ce n'est qu'au que Newton a mis en évidence le fait que la lumière blanche peut être décomposée en diverses couleurs.
Le terme spectre, signifiant « apparence immatérielle », « illusion » s'appliquait, au , à tous les phénomènes optiques qu'on ne s'expliquait pas. Synonyme de couleur accidentelle, il servait pour les impressions rétiniennes du contraste simultané ou successif aussi bien que pour les irisations vues au bord d'un objet regardé à travers un prismeTrésor de la langue française, Oxford English Dictionnary.. Newton l'employa une seule fois pour présenter ses expériences en optique dans son article de 1671 ; voir Spectre visible. Ayant expliqué que la lumière blanche est et que les couleurs ne sont pas des qualifications de la lumière, comme on l'estimait depuis Aristote, mais des propriétés originales, différentes dans chaque rayon ; que les moins réfrangibles sont de couleur rouge, et les plus réfrangibles sont d'un violet profond, et cette association de propriétés ne peut être brisée par aucun moyen ; que les transmutations de couleurs ne se produisent que lorsqu'il y a mélange de rayons. Ce sont ces couleurs de mélange, et non celles séparées par le prisme, qui sont illusoires, fugaces et apparentes. Dès lors, Newton utilise toujours l'expression , laissant le spectre pour les phénomènes douteux ou inexpliqués. Mais l'usage d'appeler ces couleurs « spectrales » persiste, alimenté et promu par les opposants à la théorie physique de la lumière comme GoetheTraité des couleurs, 1810. suivi par SchopenhauerSur la vue et les couleurs, 1816..
En 1800 William Herschel découvre de façon plutôt fortuite l'existence d'une radiation lumineuse non visible, le rayonnement infrarouge. L'année suivante, le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter prolonge le spectre électromagnétique connu du côté des courtes longueurs d'onde en mettant en évidence l'existence du rayonnement ultraviolet.
L'interprétation de la lumière comme la propagation d'une onde électromagnétique est due à James Clerk Maxwell dans les années 1860, qui prédit également l'existence d'ondes électromagnétiques de toutes les fréquences possibles, se déplaçant toutes dans le vide à la vitesse de la lumière c. Les travaux du physicien Heinrich Hertz permettent la découverte en 1886 des ondes hertziennes, dites aussi ondes radio, qui étendent encore le spectre électromagnétique en deçà de l'infrarouge dans le domaine des basses fréquences ou des grandes longueurs d'onde. Les expériences sur les tubes électroniques permettent à Wilhelm Röntgen de mettre en évidence l'existence d'un nouveau type de rayonnement, de plus courte longueur d'onde que l'ultraviolet, les .
La dernière portion du spectre électromagnétique, les rayons gamma, commence à être explorée au début du avec les travaux de Paul Villard et William Henry Bragg.
Usages et classification Les définitions des bandes mentionnées dans le tableau sont les suivantes (normalisation internationale effectuée par l’UIT pour les à 15, soit de à ., sauf pour la bande THF) ; elles sont aussi communément désignées par leur catégorie de longueur d’onde métrique.
Bandes Fréquence Longueur d’onde (dans le vide) Usages Ondes TLF (tremendously low frequency) 0 Hz à à ∞ Champs magnétiques, ondes et bruits électromagnétiques naturels Ondes ELF (extremely low frequency) à à Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes du cerveau humain, recherches en géophysique, raies spectrales moléculaires Ondes SLF (super low frequency) à à Ondes électromagnétiques naturelles, résonance terrestre de Schumann, ondes physiologiques humaines, ondes des lignes électriques, usages inductifs industriels, télécommandes EDF Pulsadis, harmoniques ondes électriques Ondes ULF (ultra low frequency) à à Ondes électromagnétiques naturelles notamment des orages solaires, ondes physiologiques humaines, ondes électriques des réseaux téléphoniques, harmoniques ondes électriques, signalisation TVM des TGV Ondes VLF (very low frequency) à à Ondes électromagnétiques naturelles, radiocommunications submaritimes militaires, transmissions par CPL, systèmes de radionavigation, émetteurs de signaux horaires Ondes LF (low frequency) ou ondes kilométriques à à Ondes électromagnétiques naturelles des orages terrestres, radiocommunications maritimes et submaritimes, transmissions par CPL, radiodiffusion en OL, émetteurs de signaux horaires, systèmes de radionavigation Ondes MF (medium frequency) ou ondes hectométriques à à Systèmes de radionavigation, radiodiffusion en OM, radiocommunications maritimes et aéronautiques, radioamateurs, signaux horaires et ADSL Ondes HF (high frequency) ou ondes décamétriques à à Radiodiffusion internationale, radioamateurs, radiocommunications maritimes, aéronautiques, militaires et d’ambassades, aide humanitaire, transmissions gouvernementales, applications inductives autorisées, transmissions par CPL, signaux horaires, CB en , radar trans-horizon Ondes VHF (very high frequency) ou ondes métriques à à Radiodiffusion et télédiffusion, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires, liaisons des secours publics, radionavigation (VOR et ILS) et radiocommunications aéronautiques, radioamateurs, satellites météo, radioastronomie, recherches spatiales Ondes UHF (ultra high frequency) ou ondes décimétriques à à Télédiffusion, radiodiffusion numérique, radioamateurs, radiocommunications professionnelles, transmissions militaires y compris aéronautiques, liaisons gouvernementales, liaisons satellites, FH terrestres, radiolocalisation et radionavigation, services de la DGAC, usages spatiaux, satellites météo, téléphonie GSM, UMTS et DECT, liaisons Wi-Fi et Bluetooth, systèmes radar, fours à micro-ondes Ondes SHF (super high frequency) ou ondes centimétriques à à FH terrestres et par satellite, systèmes radar, liaisons et FH militaires divers, systèmes BLR, radioastronomie et usages spatiaux, radiodiffusion et télédiffusion par satellite, liaisons Wi-Fi Ondes EHF (extremely high frequency) ou ondes millimétriques à à FH terrestres et par satellite, recherches spatiales, radioastronomie, satellites divers, liaisons et FH militaires, radioamateurs, systèmes radar, raies spectrales moléculaires, expérimentations et recherches scientifiques Ondes THF (tremendously high frequency) à 0,78 µm à (Ondes micrométriques) Ondes infrarouges (subdivis. recommandée par la CIE) Infrarouges C ou IR lointain (IR-C ; LIR)( à 100 THz)(3 µm à ) Infrarouges à ondes longues (LWIR)(8 µm à 15 µm) Infrarouges à ondes moyennes (MWIR)(3 µm à 8 µm)
Infrarouges B ou IR moyen (IR-B ; MIR)(100 à 214 THz)(1,4 µm à 3 µm)