Les ondes électromagnétiques

Jusqu’au début du 19^ème siècle, l’électricité et le magnétisme étaient perçus comme deux phénomènes totalement distincts. Pourtant, ces forces invisibles avaient déjà intrigué l’humanité depuis l’Antiquité : les Grecs observaient les propriétés électrostatiques de l’ambre (à l’origine du mot « électricité »), tandis que les Chinois utilisaient la boussole magnétique dès le premier siècle de notre ère.

Après une longue période de stagnation, la Renaissance et le 17^ème siècle ont vu renaître un intérêt scientifique marqué pour ces phénomènes, culminant notamment avec l’ouvrage « De Magnete » de William Gilbert en 1600, première synthèse majeure sur le magnétisme.

Le véritable tournant s’opère cependant au début du 19^ème siècle, quand les travaux de pionniers comme Hans Christian Oersted, André-Marie Ampère et Michael Faraday commencent à révéler une profonde interaction entre l’électricité et le magnétisme. Ces découvertes ouvrent la voie à la théorie de l’électromagnétisme, qui unifie ces deux forces en un seul et même cadre.

Dans cette partie, nous explorerons cette fascinante évolution scientifique, depuis les premières observations de Gilbert jusqu’à la formulation complète de l’électromagnétisme. Nous reviendrons d’abord sur les découvertes fondatrices de l’électromagnétisme par Oersted et Faraday, avant d’aborder les développements majeurs qui suivirent : la théorie formalisée de Maxwell, la découverte des ondes électromagnétiques, puis l’élargissement du spectre électromagnétique avec la découverte des rayons X. Enfin, nous évoquerons l’état des connaissances à l’aube du 20^ème siècle, en soulignant les liens désormais établis entre la lumière et les phénomènes électromagnétiques, un concept révolutionnaire qui a transformé notre compréhension de la physique.

« De Magnete », ouvrage de référence sur le magnétisme (William Gilbert – 1600)

À la charnière des 16^ème et 17^ème siècles, l’Angleterre voit naître une œuvre fondatrice de la science moderne : De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (« Du Magnétisme, des Corps Magnétiques et du Grand Aimant qu’est la Terre »), publiée en 1600 par William Gilbert. Gilbert est considéré comme le père de l’étude scientifique du magnétisme. Par un renversement radical des idées héritées d’Aristote et des spéculations médiévales, il initie une méthode d’observation rigoureuse et formule plusieurs théories majeures sur le magnétisme terrestre et les propriétés des aimants. Son approche reflète parfaitement le nouvel esprit scientifique de cette époque liant théories physiques et observations. On va résumer les principaux apports de De Magnete, en mettant l’accent sur les fondements expérimentaux et conceptuels du magnétisme selon Gilbert.

L’un des apports les plus révolutionnaires de Gilbert est sa conception de la Terre elle-même comme un gigantesque aimant. Avant lui, les phénomènes magnétiques observés, notamment la direction constante de l’aiguille de la boussole, étaient attribués à des causes mystérieuses, souvent occultes ou astrologiques. Gilbert propose une explication physique : la Terre possède un champ magnétique naturel, responsable de l’orientation des aiguilles magnétiques. Gilbert distingue à cette occasion l’attraction magnétique et l’attraction due à la pesanteur.

Il fonde cette hypothèse sur une série d’expériences menées avec une « terrella », petit globe en pierre magnétique (magnétite) qu’il utilise pour imiter le comportement magnétique de la Terre. En approchant une aiguille aimantée de sa terrella, Gilbert observe les mêmes mouvements que ceux des boussoles réelles. Il en conclut que la Terre fonctionne comme un aimant sphérique, avec des pôles magnétiques, et qu’elle exerce une influence magnétique sur les objets environnants. Cette idée, aujourd’hui confirmée par la géophysique, représente l’une des premières tentatives de modélisation physique à l’échelle planétaire et a posé les bases du géomagnétisme moderne.

Une autre contribution fondamentale de De Magnete est la distinction claire entre les phénomènes électriques et magnétiques. Avant Gilbert, on confondait souvent les deux types d’attractions, observées par exemple entre l’ambre frottée (connue depuis l’Antiquité) et les petits objets. Gilbert est le premier à utiliser le terme « electricus » (du grec elektron, signifiant ambre) pour désigner les effets d’attraction générés par certains matériaux après frottement. Il découvre que seuls certains corps – comme l’ambre, le verre ou la résine – manifestent ce type d’attraction, et qu’il s’agit d’un phénomène différent du magnétisme. Ce dernier, selon lui, ne dépend pas du frottement, mais d’une propriété intrinsèque de certains matériaux comme la magnétite ou le fer. Cette séparation entre électricité et magnétisme, même si elle sera remise en question plus tard avec l’unification des forces électromagnétiques au 19^ème siècle, constitue une étape majeure dans la clarification des phénomènes naturels à l’époque moderne.

Gilbert se distingue de ses contemporains non seulement par ses théories, mais aussi par la méthode employée pour les établir. Refusant les spéculations aristotéliciennes encore dominantes à son époque, il fonde sa pensée sur l’observation systématique et l’expérimentation. Dans De Magnete, il décrit en détail ses expériences, souvent reproductibles, qu’il utilise pour tester ses hypothèses. Par exemple, il montre que l’aimant attire le fer même à travers certains matériaux, que l’orientation de l’aiguille varie selon la latitude, ou encore que la force magnétique décroît avec la distance. Ces observations lui permettent de construire une véritable physique du magnétisme, fondée sur des lois et des relations mesurables.

Par cette approche, Gilbert inaugure une nouvelle manière de faire de la science, plus proche des méthodes de Galilée, qui apparaîtront peu après. Il est, à ce titre, considéré comme un des précurseurs de la révolution scientifique. Toutefois, bien que Gilbert ait été un pionnier du magnétisme, certaines de ses théories se sont révélées inexactes ou incomplètes à la lumière des connaissances ultérieures. Par exemple, il considère que toutes les propriétés magnétiques de la Terre ne sont pas dues à la matière qui la constitue, mais à la forme que Dieu lui a donnée (son âme magnétique). De plus, s’il comprend bien la notion de pôles, il ignore les causes profondes du champ magnétique terrestre, que l’on attribue aujourd’hui aux mouvements de convection du noyau externe en fer liquide.

Néanmoins, son influence fut considérable. Ses idées furent reprises et discutées par la suite par des très grands noms de la physique du 17^ème siècle comme Kepler, Descartes ou Huygens. A l’opposé de Gilbert, Kepler identifiera magnétisme et gravitation. Il expliquera le mouvement des planètes autour du soleil par la polarité des aimants planétaires qui sont alternativement attirés et repoussés par l’aimant solaire. A contrario, Descartes n’attribue aucun rôle au magnétisme pour expliquer le mouvement des planètes. Enfin Huygens, proposera une description du magnétisme dans son « Traité sur l’aimant » en 1680, en grande partie inspiré des thèses de Gilbert. Même si l’unification du magnétisme et de l’électricité ne surviendra qu’avec les travaux de Faraday et Maxwell deux siècles plus tard, Gilbert demeure l’un des premiers à avoir donné une description cohérente et physiquement fondée du magnétisme.

Avec De Magnete, William Gilbert a posé les bases d’une science du magnétisme autonome, expérimentale et rigoureuse. En affirmant que la Terre est un aimant et en distinguant clairement les effets électriques des phénomènes magnétiques, il a ouvert un champ de recherche immense. Sa démarche, fondée sur l’expérience et l’observation directe, a marqué un tournant dans l’histoire des sciences et fait de lui un acteur central de la révolution scientifique à l’instar de Copernic en Astronomie.

Découverte de l’électromagnétisme (Christian Oersted – 1820)

L’électromagnétisme, c’est-à-dire le fait qu’il existe un lien entre l’électricité et le magnétisme a été découvert par le physicien danois Hans Christian Oersted en 1820^[1]. A l’occasion d’une expérience Oersted observe que l’aiguille d’une boussole est déviée lorsqu’il fait passer un courant électrique dans un fil conducteur voisin de la boussole.

Il reproduira cette expérience avec des courants électriques plus puissants. Il constatera que l’aiguille aimantée de la boussole placée près du fil électrique oscille quelques instants avant de stabiliser dans une position perpendiculaire au fil. Il constatera également qu’en inversant le sens du courant l’aiguille de la boussole s’oriente dans le sens opposé. En affinant son expérience (il positionnera la boussole à différents endroits autour du fil), il montrera que le courant électrique parcourant le fil conducteur crée un champ magnétique circulaire autour de ce fil. Enfin il constatera qu’une force s’exerce entre le fil électrique et la boussole, même s’il interpose entre le fil et la boussole des obstacles en verre, en métal ou en bois.

Oersted savait évidemment qu’un champ magnétique pouvait permettre d’orienter l’aiguille de la boussole. Il en déduisit donc que le courant parcourant le fil électrique était responsable d’un champ magnétique. Au travers de ces expériences, Oersted démontre ainsi pour la première fois un lien entre les phénomènes électrique et magnétique. La publication de ces travaux d’Oersted eut un très grand retentissement partout en Europe et conduisirent très rapidement à des travaux complémentaires de la part du français André-Marie Ampère ou du britannique Michael Faraday pour les plus connus. L’électromagnétisme était né.

Cette découverte d’Oersted pousse immédiatement André-Marie Ampère à entreprendre des recherches fondamentales sur le lien entre courants électriques et champ magnétique. Il démontre que deux fils conducteurs parcourus par un courant exercent une force l’un sur l’autre. Si les courants sont dans le même sens ils s’attirent, alors que si les courants sont dans des sens opposés, les fils se repoussent. Il formalise ses découvertes avec ce qu’on appelle aujourd’hui la loi d’Ampère, qui relie l’intensité du courant et la géométrie du circuit électrique avec le champ magnétique produit par ce courant. Ampère introduit le terme électrodynamique pour désigner cette science nouvelle des forces entre courants électriques. Ampère regroupera toutes ses idées dans un ouvrage de référence, le « Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques » publié en 1827. Sans lien direct avec notre sujet du lien entre électricité et magnétisme, Ampère proposera également que le magnétisme des aimants permanents serait dû à de minuscules courants électriques fermés à l’intérieur de la matière qu’il nomme les courants moléculaires. Cette idée purement intuitive préfigure la vision moderne de l’origine microscopique du magnétisme, qui ne pourra être expliqué que dans le cadre de la physique quantique, sujet sur lequel on reviendra plus loin dans cet ouvrage.

Michael Faraday complétera cette nouvelle théorie de l’électrodynamique d’Ampère en montrant que le phénomène d’interaction entre courant électrique et champ magnétique peut fonctionner dans l’autre sens : un champ magnétique variable peut induire un courant électrique, jetant ainsi les bases de l’induction électromagnétique. Ensemble, ces travaux forment le socle expérimental de l’électromagnétisme moderne, qui sera unifié mathématiquement par Maxwell quelques décennies plus tard.

Découverte de l’induction électromagnétique (Michael Faraday – 1831)

Les travaux d’Ampère avaient montré que le courant électrique pouvait produire un champ magnétique. Restait à savoir si l’inverse était possible : un champ magnétique pouvait-il produire un courant électrique ? C’est cette question que le physicien britannique Michael Faraday explore expérimentalement. En 1831, il découvre le phénomène d’induction électromagnétique : lorsqu’un champ magnétique varie à proximité d’un conducteur, cela induit un courant électrique. Faraday réalise alors en cette année 1831^[2], une série d’expérience qui le conduiront à proposer l’existence d’un lien entre électricité et magnétisme au travers de l’induction électromagnétique. Faraday avait tenté à plusieurs reprises depuis 1824 de mettre en évidence ce phénomène d’induction, mais sans succès.

Dans ces expériences menées par Faraday, on prend deux cylindres entourés de fil de cuivre, l’un pouvant être emboité dans l’autre. Le premier cylindre, de plus grand diamètre est statique. Il est relié à une pile électrique, générant ainsi un champ magnétique à l’intérieur de ce cylindre. Le deuxième cylindre, de plus petit diamètre, peut être mis en mouvement à l’intérieur du premier cylindre. Il est relié à un appareil de mesure permettant de mesurer le courant électrique présent dans ce deuxième cylindre. Lorsque les cylindres sont immobiles, on ne détecte pas de courant électrique. A contrario quand le cylindre à l’intérieur du champ magnétique est mis en mouvement, on détecte un courant électrique, que l’on appelle courant induit.

Les expériences de Faraday sont, dans un premier temps, qualitatives. Mais au cours de l’année 1832 il poursuivra ses expériences pour essayer de quantifier l’intensité de la force d’induction. Faraday déduira de ces expériences une loi, dite loi de Faraday, qui relie la force électromotrice induite dans le circuit à la variation temporelle du flux magnétique. La force électromotrice correspond à la différence de potentiel du circuit électrique dans lequel on constate l’apparition du courant induit.

Ces expérimentations de Faraday sont à la base des travaux de recherche dans le domaine de l’électromagnétisme au 19^ème siècle, qui ont notamment conduit le physicien écossais James Maxwell a proposé les lois fondamentales de l’électromagnétisme en 1865.

Il faut savoir également que Faraday avait prophétisé dès 1846 à l’occasion d’une conférence à la Royal Society de Londres que la lumière était une vibration des lignes de forces magnétiques, ouvrant ainsi la voie à un possible lien entre la lumière et les ondes électromagnétiques qui seront proposées par Maxwell : « la radiation est une espèce de vibration rapide des lignes de force qui joignent entre elles les particules, et par conséquent les masses de matière … [cette hypothèse] ose rejeter l’éther, mais non les vibrations ».

Au-delà de cette propriété d’induction, c’est-à-dire la capacité d’un champ magnétique à induire un champ électrique, Faraday proposera également une théorie pour expliquer les interactions électrique et magnétique à distance. Sa théorie des lignes de force peut être considérée comme la première théorie des champs, et revêt donc une importance toute particulière dans notre histoire du modèle standard de la physique des particules, modèle qui, comme vous le verrez un peu plus tard dans notre histoire, est basé sur la théorie quantique des champs.

Faraday introduit la notion de champ pour expliquer ses observations expérimentales des phénomènes électrique et magnétique. Par exemple, comment expliquer que deux charges électriques s’attirent ou se repoussent dans le vide sans que rien de matériel ne les relie ? Comment expliquer la forme des lignes de limaille de fer autour d’un aimant ? Ou pour faire le lien entre électricité et magnétisme, comment expliquer le phénomène d’induction électromagnétique qu’il avait découvert en 1831 ? Notamment comment expliquer les variations de l’intensité du courant induit avec la distance entre les bobines ?

Or, pour Faraday, il n’y a pas d’action à distance. Si deux charges électriques s’attirent c’est parce qu’elles émettent des lignes de forces (un champ) comparable à une substance et que cette substance est responsable des forces qui s’exercent entre les charges. Si la limaille de fer se dispose de façon si particulière entre les deux pôles d’un aimant c’est parce que cet aimant émet des lignes de forces suivant lesquelles s’orientent les particules métalliques.

Les observations expérimentales conduisent au fait que les lignes de force électriques et magnétiques ont des propriétés différentes. Les lignes de forces électriques sortent des charges électriques positives et rejoignent les charges électriques négatives en ligne droite. L’intensité du champ électrique qui relie les charges diminue avec la distance entre ces charges suivant la loi de Coulomb. A contrario, les lignes de force magnétiques forment des boucles fermées reliant les deux pôles de l’aimant. Faraday démontra en 1845 par l’expérience que toute matière était susceptible d’être le siège de ces lignes de forces. Il baptisa les matières qui conduisent bien ces lignes de force magnétiques avec le terme paramagnétique, et celles qui a contrario ne les conduisent pas bien avec le terme diamagnétique.

Dans l’esprit de Faraday, sans ces lignes de forces et sans milieu environnant il ne pouvait pas y avoir d’action à distance aussi bien électrique que magnétique. Il ne s’agissait pas simplement d’un concept mathématique, mais d’une propriété physique du milieu environnant. Cette théorie des lignes de force, première théorie des champs de la physique, est donc intimement liée à la notion d’éther sur laquelle on reviendra plus loin.

Pour illustrer l’importance de ce concept de lignes de force proposé par Faraday, on va se référer à Paul Langevin qui écrira en 1923 dans son ouvrage « La physique depuis vingt ans » la chose suivante : « L’histoire des théories électriques jusqu’à la fin du XIX^e siècle comprend deux grandes périodes. Dans la première, que le nom de Coulomb peut servir à caractériser, la notion essentielle est celle des charges électriques agissant à distance les unes sur les autres et jouant un rôle analogue à celui des masses dans la théorie de la gravitation.

La seconde période commence avec Faraday, qui refusa d’admettre la possibilité d’actions immédiates à distance et ramena l’attention sur le milieu à travers lequel ces actions se transmettent. C’est l’état de ce milieu autour d’un corps électrisé qui détermine les forces subies par celui-ci, et la notion fondamentale devient celle de l’intensité du champ, d’une grandeur dirigée qui caractérise l’état du milieu en chaque point, ou plutôt, sous la forme primitive de Faraday, celle de lignes ou de tubes de force tendus à travers le milieu et s’attachant sur les corps électrisés. Faraday représente les phénomènes électriques, et, en particulier, les propriétés des diélectriques matériels, par l’existence de tubes de force portant à leurs deux extrémités des charges électriques égales et des signes contraires sur lesquelles ils tirent avec une force variable d’ailleurs avec la nature du milieu isolant qu’ils traversent et que leur présence modifie.

La charge électrique n’apparaît plus ici que comme une notion secondaire : la quantité d’électricité portée par un corps est déterminée par le nombre des tubes de force qui viennent s’y attacher ». Cette théorie des lignes de forces de Faraday sera le point de départ des réflexions de Maxwell sur l’électromagnétisme qui l’amènera à proposer sa théorie mathématique en 1865, et à postuler l’existence d’un éther électromagnétique support de propagation des ondes électromagnétiques.

Théorie de l’électromagnétisme (James Maxwell – 1865)

Pour introduire la théorie de l’électromagnétisme, on va citer l’astronome français d’origine allemande Rodolphe Radeau qui revient sur ces découvertes d’Oersted et de Faraday en concluant son propos en se demandant quelle est la nature de ces interactions, question à laquelle répond Maxwell avec ses équations de l’électromagnétisme. L’article de Radeau que je vais citer a été publié dans la revue des deux mondes en 1867 et s’intitule « Illustrations scientifiques – Michel Faraday ». Etonnement, cet article est paru deux ans après le premier énoncé de la théorie de l’électromagnétisme par Maxwell, sans qu’il en soit fait mention en conclusion. Je n’ai pas cherché à savoir si Radeau en avait connaissance ou non, mais tout laisse à croire que non. Malgré cette ambiguïté, j’ai retenu ce passage parce qu’il illustre parfaitement les interrogations des scientifiques à cette époque sur la nature des liens entre électricité et magnétisme. Quelle pouvait être l’explication théorique des observations expérimentales de Oersted et Faraday ?

Voilà ce qu’écrivait Radeau : « Ampère venait d’expliquer l’observation d’Œrsted, qui avait vu l’aiguille aimantée se mouvoir sous l’influence d’un courant galvanique ; il venait d’échafauder sur la frêle base d’un petit nombre de faits constatés cette admirable théorie de l’électro-magnétisme qui est sortie victorieuse de toutes les épreuves auxquelles on l’a soumise. Une des conséquences de cette théorie était la possibilité de faire tourner des aimants sous l’action de courants circulaires et vice versa. Faraday parvint à réaliser le phénomène en 1821, et un témoin de cette expérience raconte la scène touchante qui eut lieu quand Faraday vit ses prévisions s’accomplir de point en point. Il fut si satisfait de la réussite de son expérience, qu’il offrit à son jeune assistant de passer la soirée au théâtre d’Astley, où il faillit avoir une rixe avec un malappris qui incommodait son compagnon.

La découverte de l’induction date de 1831. Faraday présenta ses premières recherches à la Société royale au mois de novembre. Le 26 décembre, elles furent communiquées à l’Académie des Sciences par Hachette, qui en avait eu connaissance par une lettre de Faraday… On a essayé plus tard de démontrer que l’induction électrique ou la production de courants par le simple voisinage d’un autre courant avait été déjà observée par Ampère en 1822. MM. Becquerel, dans leur Histoire de l’électricité, citent à ce propos un passage d’un mémoire d’Ampère, où ce dernier dit que « dans un conducteur mobile formant une circonférence complètement fermée, il s’établit un courant électrique par l’influence de celui qu’on produit dans un conducteur fixe, circulaire et redoublé, placé très près du conducteur mobile, mais sans communication avec lui. » Cet énoncé n’est rien moins que clair, et on comprend en le lisant que cette fois Ampère n’avait pas deviné la portée du fait qu’il avait observé par hasard.

Voici, en peu de mots, les phénomènes découverts par Faraday. Un aimant ou un courant galvanique exerce toujours une certaine influence sur la matière placée dans sa sphère d’action. Si cette matière est conductrice et qu’elle forme un circuit fermé, elle est traversée par un courant toutes les fois que l’intensité de l’action qu’elle subit à distance vient à changer. C’est ainsi qu’il s’établit toujours un courant induit dans un circuit métallique ordinaire au moment où l’on rapproche de ce circuit soit un aimant, soit un courant électrique. Un courant induit de sens inverse s’établit lorsqu’on éloigne le courant inducteur. On observe des effets de même nature lorsqu’on ferme ou qu’on interrompt le circuit inducteur : la fermeture ou l’établissement du courant inducteur équivaut à un rapprochement instantané depuis l’infini jusqu’à la distance où se trouvent les fils ; l’interruption équivaut à une séparation brusque qui transporte le courant inducteur à une distance infinie. En somme, on peut dire que toutes les fois que le courant inducteur s’approche, augmente ou s’établit, il donne naissance à un courant d’un certain sens dans le circuit induit, et qu’il y fait naître un courant de sens inverse toutes les fois qu’il s’éloigne, diminue ou disparaît…

Les courants d’induction mettent en mouvement des quantités d’électricité aussi abondantes que celles qui constituent les courants ordinaires ; ils présentent en outre la tension qui produit les étincelles. Grâce à cette troisième forme de l’électricité, nous pouvons obtenir d’une manière presque continue les plus puissants effets de fulguration des anciennes machines sans avoir besoin de charger à chaque fois une grande batterie de bouteilles de Leyde. Les machines d’induction réalisent en quelques instants ce qui autrefois exigeait un long travail de préparation. Elles fournissent tout ce que l’on peut obtenir à l’aide des piles et au moyen des machines à frottement, — attractions, répulsions, étincelles, chaleur, lumière, actions chimiques, commotions nerveuses, aimantation du fer, etc. ; elles sont devenues indispensables à la science, à l’industrie, à l’art de guérir. Tout le monde connaît aujourd’hui la bobine de Ruhmkorff, dont les effets sont comparables à ceux de la foudre. Cet appareil produit des courants induits par les interruptions incessantes d’un courant inducteur. Les machines magnéto-électriques fournissent des courants d’induction en rapprochant et en éloignant alternativement un circuit fermé des pôles d’un aimant. Dans la forme qui leur a été donnée par MM. Siemens et Wheatstone, elles réalisent la transformation la plus immédiate du mouvement mécanique en magnétisme et électricité dynamique.

Si la découverte de Faraday a marqué pour ainsi dire une ère nouvelle dans les applications de l’électricité, elle n’est pas moins importante à un point de vue purement philosophique. Qu’est-ce donc que ces forces instantanées qu’un mouvement fait naître à distance, qui cessent d’agir au moment où ce mouvement s’arrête ? Quelle mystérieuse liaison de toutes les parties de la matière est la cause de cette résonnance électrique en vertu de laquelle le contre-coup d’un changement survenu dans l’intérieur d’un corps se fait sentir immédiatement dans les corps voisins ? Ne dirait-on pas qu’un réseau invisible de forces inconnues s’étend, d’atome en atome, et qu’il est impossible d’en briser une maille sans ébranler une légion de fils enchevêtrés ? ». La réponse est donc venue d’un esprit brillant, celui d’un des plus grands noms de la physique, James Maxwell.

En 1865^[3], Maxwell publie une théorie de l’électromagnétisme dans laquelle il unifie les théories électrique et magnétique. Il voulait « montrer que par une stricte application des idées et des méthodes de Faraday on pouvait montrer mathématiquement le lien entre les phénomènes très différents qu’il avait découvert ». L’histoire de la physique est constituée d’un ensemble de découvertes importantes qui ont progressivement enrichies la compréhension du monde qui nous entoure. Ce sont ces découvertes, qui ont conduit progressivement à la compréhension du monde subatomique que l’on présente dans cet ouvrage. Mais dans ce continuum de découvertes, il y a quelques événements marquants, qui constituent des actes fondateurs de la physique.

L’élaboration de la théorie de l’électromagnétisme par Maxwell fait partie de ces évènements majeurs dans l’histoire des sciences, un peu à l’image de la théorie de la dynamique des corps proposée par Newton en 1687 ou des théories de la relativité restreinte et générale proposées par Einstein respectivement en 1905 et 1915. Pour illustrer l’importance de cette théorie on peut citer les propos que tiendra Einstein au sujet de ces travaux de Maxwell : « La formulation de ces équations est l’événement le plus important en physique depuis l’époque de Newton, non seulement en raison de la richesse de leur contenu, mais également parce qu’il s’agit d’un nouveau type de loi ».

En électromagnétisme, les charges électriques statiques n’affectent que les autres charges, pas les aimants. Et inversement les aimants statiques n’affectent que les autres aimants, pas les charges électriques. Pour qu’il y ait une interaction entre les champs électrique et magnétique, il faut qu’il y ait une dynamique, un mouvement. La description de cette dynamique d’interaction est l’objet des équations proposées par Maxwell. L’idée totalement nouvelle introduite par Maxwell a été de dire qu’un champ électrique variable devait obligatoirement être accompagné d’un champ magnétique, et qu’inversement un champ magnétique variable doit induire un champ électrique.

Cette théorie de l’électromagnétisme repose dans un premier temps sur un ensemble de 20 équations différentielles qui décrivent le comportement des champs électrique, magnétique et leur interaction. Maxwell réduira dans un deuxième temps le nombre de ces équations à 8 en 1873^[4], à l’occasion d’une nouvelle formulation de sa théorie. L’ensemble de ces équations seront ensuite simplifiées par le physicien britannique Oliver Heaviside en 1884, en quatre équations, qui constituent encore aujourd’hui la formulation de la théorie électromagnétique classique. La première de ces équations, dite loi de Gauss pour l’électricité, traduit le fait que les charges électriques créent un champ électrique autour d’elles.

La deuxième, dite loi de Faraday, traduit le fait qu’une évolution temporelle du champ magnétique crée un champ électrique. La troisième, dite loi de gauss pour le magnétisme traduit le fait qu’il n’existe pas de charge magnétique isolée, comme il existe des charges électriques : le champ magnétique n’a pas de source, ses lignes de champs forment toujours des boucles. Enfin la dernière loi, dite loi d’Ampère-Maxwell, traduit le fait qu’une évolution temporelle d’un courant électrique ou d’un champ électrique induit un champ magnétique. En dehors de la loi de Gauss pour le magnétisme, cette formulation d’Heaviside permet de faire directement le lien avec les travaux antérieurs d’Ampère et de Faraday.

Notre propos n’est pas de détailler ces équations différentielles, il y a plein d’ouvrages pour cela, mais de faire le lien entre ces équations différentielles de Maxwell et la nature de la lumière. Il faut en effet bien avoir en tête qu’au moment où Maxwell a formulé sa théorie, il n’y avait aucun lien entre d’un côté l’électricité, le magnétisme et de l’autre la lumière. Même l’effet photoélectrique n’a été découvert que plus tard, par Hertz en 1887. On notera simplement la présence dans ces équations de deux nouvelles constantes, la permittivité du vide ε₀, et la perméabilité du vide µ₀, dont les valeurs sont déterminées par les expériences.

Pour comprendre le lien entre électromagnétisme et lumière, il faut d’abord comprendre comment à partir d’un champ électromagnétique on peut engendrer une onde électromagnétique. Prenons par exemple une charge électrique en oscillation autour d’un point fixe. Le déplacement de cette charge va induire dans l’espace une modification du champ électrique, modification qui va elle-même induire une variation du champ magnétique, qui va également engendrer une nouvelle modification du champ électrique, et ainsi de suite (du fait des équations de Maxwell). Cette répétition à l’infini va se répercuter dans tout l’espace, créant ainsi la propagation d’une onde des champs électrique et magnétique.

On va essayer de formaliser cette idée d’onde électromagnétique d’un point de vue un peu plus mathématique. On va prendre l’exemple d’un électron se déplaçant librement autour du noyau d’un atome. Dans un atome éclairé en continu par de la lumière, un électron peut osciller entre un état excité et son état d’origine plus stable, induisant ainsi une onde électromagnétique monochromatique. On se souviendra toutefois que ces concepts d’électrons et de noyau n’étaient pas connus à l’époque où Maxwell a proposé sa théorie des ondes électromagnétiques.

De fait Maxwell étudiera cette question de la création d’une onde électromagnétique en prenant l’exemple de l’oscillation d’une charge électrique autour d’un point fixe, qui est l’équivalent du mouvement de l’électron autour du noyau. Cette oscillation d’une charge autour d’un point fixe peut être décrit par un dipôle électrostatique vibrant. Sous réserve que la vibration soit régulière, ce dipôle engendre une onde sphérique avec une fréquence donnée. Ce mouvement d’une charge autour d’un point fixe s’apparente à une excitation régulière que l’on viendrait faire à la surface de l’eau et qui engendrerait une onde.

On va illustrer ce phénomène par les calculs, mais pour simplifier un peu on va considérer une onde plane de fréquence donnée, se déplaçant suivant l’axe des x. Je n’utilise délibérément pas le terme de monochromatique pour caractériser cette onde, dans la mesure où à ce stade il n’y a aucun lien apparent avec la lumière. Le champ électrique est de la forme \(E = e^{i(\omega t – kx)}\), avec ω la pulsation et k le vecteur d’onde. Ces différentes grandeurs sont reliées par les relations bien connues ω=2πv/λ et k=2π/λ où v est la vitesse de propagation de l’onde.

En combinant les différentes équations de Maxwell, on trouve l’équation de propagation du champ électrique :

\[\mathbf{- \mathrm{\Delta}E + \ }\mathbf{µ}_{\mathbf{0}}\mathbf{\varepsilon}_{\mathbf{0}}\mathbf{\ }\frac{\mathbf{\partial}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{\partial t}^{\mathbf{2}}}\mathbf{\ E = \ – \ }\mathbf{\nabla}\left( \frac{\mathbf{\rho}}{\mathbf{\varepsilon}_{\mathbf{0}}} \right)\mathbf{- \ }\mathbf{µ}_{\mathbf{0}}\mathbf{\ }\frac{\mathbf{\partial j}}{\mathbf{\partial t}}\]

On trouve exactement la même relation pour la propagation du champ magnétique. Pour trouver la vitesse de propagation de l’onde, on dérive deux fois le champ électrique à la fois par rapport à x (dans le Laplacien), et par rapport à t, et on trouve, µ₀ε₀ ω² = k².

En introduisant les relations entre pulsation, vecteur d’onde et longueur d’onde dans cette équation, on trouve la vitesse de propagation de l’onde, qui est directement liée à la permittivité et à la perméabilité du vide, par la formule ci-dessous.

Avec les valeurs de la permittivité et de la perméabilité du vide respectivement égales à 8,854×10^-12 F.m^-1 et 1,256×10^-6 T.m.A^-1, on trouve une vitesse de propagation de l’onde électromagnétique de l’ordre de 300 000 km/s.

\[\mathbf{V = \ }\frac{\mathbf{1}}{\sqrt{\mathbf{µ}_{\mathbf{0}}\mathbf{\varepsilon}_{\mathbf{0}}}}\mathbf{= c}\]

Des mesures assez précises de la vitesse de la lumière avaient été faites plus tôt dans le siècle, notamment par Fizeau en 1849. En comparant la vitesse de propagation de l’onde électromagnétique avec celle de la lumière précédemment mesurée, Maxwell suggèrera que la lumière pouvait être une onde électromagnétique. Il écrivait : « La vitesse des ondes transverses dans notre milieu hypothétique, calculée à partir des expériences électromagnétiques de MM. Kohlrausch et Weber, s’accorde de manière si parfaite avec la vitesse de la lumière calculée à partir des expériences optiques de M. Fizeau que nous ne pouvons guère éviter de postuler que la lumière est constituée des ondulations transverses du milieu qui sont à l’origine des phénomènes électrique et magnétique » (les travaux de Kohlrausch et Weber auxquels se réfère Maxwell avait permis de mesurer la permittivité et la perméabilité de l’air). Mais il n’avait aucune preuve expérimentale ou théorique pour étayer cette idée d’identité entre la lumière et les ondes électromagnétiques. La première preuve expérimentale fut apportée par le physicien allemand Heinrich Hertz en 1887 dans le cadre de ses expériences sur les ondes radios.

La découverte des ondes radioélectriques (Heinrich Hertz – 1887)

En 1879, le célèbre scientifique allemand Hermann Von Helmholtz a proposé de décerner le prix de l’académie des sciences de Berlin à celui qui démontrerait expérimentalement l’existence des ondes électromagnétiques dont la théorie venait d’être énoncée par Maxwell. La question était formulée de la façon suivante : « Mettre expérimentalement en évidence une relation entre forces électrodynamiques et polarisation diélectrique ». Un des anciens étudiants de Von Helmholtz, le jeune physicien allemand Heinrich Hertz, comprit que la solution à cette question pouvait être donnée par des expériences sur les décharges oscillantes des condensateurs. En 1885 son attention fut attirée vers le phénomène des oscillations électriques par l’observation fortuite d’étincelles jaillissant simultanément de deux circuits électriques couplés. Or Hertz sait que pour produire une onde électromagnétique il faut des charges électriques oscillantes. Il pense alors pouvoir produire des champs électromagnétiques par des décharges électriques dans des circuits ouverts. Ces décharges, qui se manifestent par des étincelles, s’apparentent à des oscillateurs électromagnétiques rudimentaires.

Hertz conduisit alors entre 1886 et 1889^[5] pas loin d’une centaine d’expériences en lien avec cette théorie de l’électromagnétisme de Maxwell, et en particulier sur le sujet de la propagation des ondes électromagnétiques. Pour démontrer l’existence des ondes électromagnétiques, il imagine un dispositif expérimental qui lui permet de travailler dans le domaine des très hautes fréquences. Son dispositif comprend un émetteur et un récepteur pouvant être éloignés l’un de l’autre d’une cinquantaine de mètres.

L’émetteur est constitué de deux sphères creuses de cuivre reliées par une tige conductrice interrompue en son milieu par un très petit interstice. Ces deux sphères sont alimentées par les décharges d’une bobine de Ruhmkorff. Cette bobine a la propriété de pouvoir obtenir des tensions très élevées de façon récurrente. Ces décharges conduisent à l’apparition d’une étincelle au niveau de l’interstice, et ont pour effet d’engendrer des oscillations de tensions importantes entre les deux sphères. Hertz estime que la fréquence de ces oscillations est de l’ordre de soixante-dix millions de périodes par seconde. L’apparition de ces oscillations conduira à donner le nom d’oscillateur de Hertz à son émetteur.

Le récepteur est constitué par une spire conductrice interrompue par une ouverture garnie de deux petites boules de laiton, dont on peut régler l’écart. A l’occasion des décharges dans l’émetteur, Hertz constate également des étincelles entre les deux boules de laiton. Il en déduit que des radiations électriques sont transmises dans l’air de l’émetteur vers le récepteur.

Il démontre que les radiations électriques produites avec son dispositif expérimental, ont les mêmes propriétés que la lumière : réflexion par un miroir, réfraction, diffraction par un prisme, interférences. Il en déduit que ses radiations électriques et la lumière sont deux manifestations, à des fréquences différentes, d’un même phénomène physique, les ondes électromagnétiques. Dans la conclusion de son dernier mémoire sur le sujet présenté à l’académie des sciences de Berlin, Hertz dira la chose suivante : « Pour moi, les faits observés me paraissent mettre hors de doute l’identité de la lumière, de la chaleur rayonnante et des mouvements électrodynamiques. Je crois que l’identité conduira à des conséquences aussi profitables pour la théorie de l’optique que pour celle de l’électricité ».

Hertz parviendra également à mesurer la vitesse de propagation de ces ondes, et il vérifiera qu’elles se propagent bien à la vitesse de la lumière, ce que Maxwell avait constaté au travers de ses équations de l’électromagnétisme quelques années plus tôt.

Pour déterminer la vitesse de propagation de l’onde, Hertz aura recours à un dispositif ingénieux. Il positionnera un matériau réfléchissant sur le trajet de l’onde électromagnétique. Il placera ce matériau réfléchissant à la bonne distance pour obtenir une onde stationnaire. Sur le trajet entre l’émetteur et le matériau réfléchissant, il pourra alors mesurer la distance entre deux creux de l’onde électromagnétique stationnaire en promenant son récepteur entre l’émetteur et le matériau réfléchissant (les creux étant les points pour lesquels il n’y a pas de signal reçu par le récepteur). Il calculera ainsi la longueur d’onde, et connaissant la fréquence, en déduira directement la vitesse de propagation de l’onde suivant la formule ci-dessous :

\[\mathbf{V = \vartheta.\lambda\ }avec\ V\ la\ vitesse\ de\ l’onde,\ \vartheta\ la\ fréquence\ et\ \lambda\ la\ longueur{\ d}’onde\]

Il vérifiera que les ondes électromagnétiques se déplacent bien à la vitesse de la lumière. Il mesurera ainsi une fréquence de l’ordre de 7×10⁷ Hz et une longueur d’onde de 4,5 mètres, c’est-à-dire une vitesse de propagation de l’onde de 315 000 km/s, très proche de celle de la lumière, aux incertitudes de mesure près.

Au-delà de la démonstration de l’existence des ondes électromagnétiques se déplaçant à la vitesse de la lumière, cette expérience de Hertz est aussi le début d’une grande aventure scientifique et technique dans le domaine des télécommunications, initiée quelques années plus tard par le physicien italien Guglielmo Marconi. Ces ondes électromagnétiques découvertes par Hertz seront alors désignées sous le terme d’ondes radio dans les années 1920. Mais ceci est une autre histoire. A la fin du 19^ème siècle, la théorie de l’électromagnétisme de Maxwell était devenue grâce à l’expérience de Hertz un des piliers de la physique, au même titre que les lois du mouvement de Newton.

La découverte des rayons X (Wilhelm Röntgen – 1895)

En 1895^[6], le physicien allemand Wilhelm Röntgen découvre l’existence d’un nouveau type de rayonnement. Röntgen les appellera les rayons X, en raison de leur nature inconnue. Pour illustrer l’importance de cette découverte de Röntgen, on peut mentionner que le tout premier prix Nobel de physique lui fut décerné en 1901, très rapidement après sa découverte, preuve étant qu’elle fut universellement reconnue. Mais comme vous allez le voir ce n’est pas très surprenant au regard du caractère très démonstratif de son expérience.

Röntgen s’intéressait au rayonnement cathodique, qu’il étudiait avec un tube de Crookes. Le tube de Crookes est un tube de verre contenant un gaz à basse pression, avec deux électrodes situées à chaque extrémité du tube. Lorsqu’une tension est appliquée entre les électrodes, des électrons traversent le tube, de la cathode vers l’anode. Le fait que la pression soit faible permet d’éviter les collisions des électrons avec les molécules d’air. On peut considérer que le tube de Crookes est le précurseur des accélérateurs de particules modernes. Les rayons cathodiques créés par cette différence de tension entre les électrodes provoquent une fluorescence sur la paroi de verre opposée, du fait de l’excitation des atomes du verre par les électrons du faisceau cathodique. Ce phénomène était connu bien avant les expérimentations de Röntgen.

Röntgen eut l’idée de recouvrir le tube de Crookes d’un carton noir. Lorsqu’il met sous tension le tube, Röntgen observe un phénomène de fluorescence sur un écran recouvert de platinocyanure de baryum, situé à distance du tube, et ce malgré le cache de carton noir qui enveloppe le tube de Crookes. Il relatera cette découverte en 1896 de la façon suivante : « Je travaillais avec un tube de Crookes entièrement recouvert de papier noir. Un morceau de papier de platinocyanure de baryum se trouvait à proximité sur une table. J’envoyais un courant à travers le tube et remarquais sur le papier une trace noire. Il était exclu que la lumière puisse venir du tube car il était entièrement recouvert de papier, et ce dernier ne laissait passer aucune lumière. … je pensais qu’il s’agissait de quelque chose de nouveau mais encore inconnu ».

En poursuivant son expérience, il constate qu’il n’arrive pas à obtenir de déviation de ces nouveaux rayons avec des aimants, et en déduit que ces rayons, qu’il appellera les rayons X, ne peuvent pas être identiques aux rayons cathodiques du tube de Crookes. Il observe aussi que ce phénomène persiste s’il interpose des objets entre le tube et l’écran. L’histoire veut que le soir du 22 décembre 1895, il appelle sa femme pour venir voir sa découverte extraordinaire, lui demande d’interposer sa main entre le tube et l’écran et réalise ainsi la toute première radiographie en rayons X d’une partie du corps humain.

Röntgen en déduisit qu’un rayonnement invisible d’origine inconnue est émis par le tube de Crookes. On abordera spécifiquement les rayons émis par les tubes de Crookes lorsqu’on parlera de la découverte de l’électron par Thomson en 1897. Ce qu’il faut retenir à ce stade c’est que lorsque Röntgen fait sa découverte, les scientifiques étaient désormais en présence de deux types de rayonnements inconnus, les rayons cathodiques et les rayons X. Les propriétés de ces deux types de rayonnements étaient très différentes : les rayons cathodiques étaient déviés par des champs électriques, alors que les rayons X ne l’étaient pas et les rayons cathodiques étaient arrêtés par une fine plaque d’un matériau quelconque alors que les rayons X ne l’étaient pas. Il s’agissait donc bien de rayonnements de nature bien différente. Autant l’explication de la nature des rayons cathodiques fut apportée dès 1897 par Thomson (il s’agissait d’un faisceau d’électrons), autant l’explication de la nature des rayons X du attendre encore quelques années.

Et pourtant ce n’est pas faute d’intérêt de la part les scientifiques. L’expérience de Röntgen était en effet tellement démonstrative qu’elle attira la curiosité de très nombreux scientifiques. Rien qu’en 1896, soit dans l’année qui suivi la découverte de Röntgen, plusieurs centaines d’articles scientifiques avaient été publiés sur le sujet. Et je ne parle pas de la curiosité du public ou de l’intérêt des médecins pour cette nouvelle technique d’observation du corps humain. Même si la majorité des scientifiques pensaient qu’il s’agissait d’ondes électromagnétiques, aucune expérience n’en apportera une véritable preuve.

Il fallut attendre les travaux menés par le scientifique britannique Charles Barkla entre 1903 et 1906 pour apporter les premières preuves expérimentales au fait que les rayons X étaient une onde électromagnétique au même titre que la lumière ou les ondes radios découvertes par Hertz quelques années plus tôt. Barkla cherchait à démontrer que les rayons X étaient une onde électromagnétique comme cela était imaginé par de nombreux scientifiques. Pour ce faire il étudiait les rayonnements émis par un gaz lui-même éclairé par des rayons X.

L’existence de ces rayons secondaires avait été découverte par le physicien George Sagnac en 1897, c’est ce qu’on appelle aujourd’hui la fluorescence X ou émission secondaire de rayons X. Le phénomène est très simple, lorsqu’on envoie des rayons X sur de la matière, celle-ci réémet de l’énergie entre autres sous forme de rayons X. Ce rayonnement secondaire comprend à la fois des rayons X de même longueur d’onde qui sont simplement diffusés par la matière, et d’autres rayons X dont la longueur d’onde est différente des rayons X incidents. Le spectre de rayonnement de cette deuxième partie du rayonnement secondaire est caractéristique du gaz que l’on a éclairé. On peut d’ailleurs utiliser cette technique pour caractériser la nature du matériau. Ces rayons secondaires firent l’objet de nombreuses recherches. On peut citer les travaux du physicien français Pierre Curie avec George Sagnac en 1901 dont ils publièrent les résultats dans le bulletin des séances de la société française de physique sous le titre : « Electrisation négative des rayons secondaires issus de la transformation des rayons X ». On va se contenter de citer l’introduction et la conclusion de cet article fort éclairant sur l’état de la connaissance sur ces rayons secondaire avant les travaux détaillés de Barkla : « Le faible pouvoir de pénétration des rayons secondaires des métaux lourds fait penser aux rayons cathodiques de Lenard, lesquels peuvent seulement parcourir quelques centimètres à peine dans l’air atmosphérique, où ils sont énergiquement diffusés. Cette analogie conduit à rechercher si les rayons secondaires, très absorbables par l’air, transportent avec eux des charges électriques négatives, puisque tel est le caractère fondamental des rayons cathodiques ; la déviation des rayons par le champ magnétique ou par le champ électrique sera une conséquence probable de leur électrisation…

L’action des rayons X et des rayons secondaires sur les gaz n’est pas essentiellement différente de l’action des rayons ultra-violets étudiés par Lenard. D’autre part, l’émission des rayons cathodiques par un métal lourd que frappent les rayons X n’est pas plus étrange que le phénomène analogue produit par les rayons ultra-violets : le professeur Righi, et, plus récemment, le professeur P Lenard, les professeurs E. Merritt et O.-M. Stewart, ont en effet trouvé qu’un métal frappé par les rayons ultra-violets émet un flux d’électricité négative, même lorsque la surface métallique frappée par les rayons n’est pas électrisée. Cette émission a les caractères de rayons cathodiques particulièrement absorbables et l’étude n’a pu en être faite par le professeur Lenard que dans le vide de Crookes.

L’électrisation négative des rayons secondaires fournit donc une analogie nouvelle entre les rayons X et les rayons ultraviolets. Il devient alors de plus en plus probable qu’il y a, dans les rayons secondaires, des rayons non électrisés de l’espèce même des rayons X incidents qui les produisent en se diffusant ou se transformant ». Sagnac et Curie avaient mis en évidence le fait que les rayons X pouvait entrainer une ionisation des atomes et ainsi conduire à un effet photoélectrique au même titre que les rayons ultra-violets.

Mais revenons à Barkla qui entreprit une étude approfondie de ces rayonnements secondaires afin de les caractériser plus précisément. Dans un premier temps, il découvrit qu’il y avait en fait potentiellement deux types de rayonnements émis lorsque l’on envoyait des rayons X sur un matériau, des rayons cathodiques et d’autres rayons. On savait depuis 1897 et Thomson que les rayons cathodiques étaient des faisceaux d’électrons. Les autres rayons avaient exactement les mêmes propriétés que les rayons X incidents. Il en déduisit qu’il s’agissait également de rayons X. Il conduisit une étude approfondie de ces rayons X secondaires et constata que les rayons X secondaires étaient diffusés dans toutes les directions, quel que soit l’angle du rayon incident.

En étudiant les propriétés de ces rayons X secondaires avec différents types de matériaux, il distingua deux catégories de rayons secondaires en fonction de leur pouvoir de pénétration (caractérisé par le nombre de feuilles d’aluminium traversées), les rayons X de type K et les rayons X de type L, les rayons K étant plus pénétrants que les rayons L. Il ira même plus loin en montrant que ce rayon secondaire ne dépendait que des atomes présents dans la matière irradiée indépendamment de leur constitution moléculaire ou de leur température : les atomes de calcium jusqu’au cérium émettaient le rayonnement X de type K, les atomes d’argent jusqu’au bismuth émettaient que le rayonnement X de type L. Les rayons X émis par la matière avaient donc exactement les mêmes propriétés que la lumière visible vis-à-vis des atomes (cf. spectres d’émissions un peu plus loin). Le lien entre ces rayons de type K ou L et le modèle atomique de Bohr sera établi en 1914 par le physicien Walther Kossel, qui établira la correspondance entre les longueurs d’onde de ces rayons et les différences d’énergie des orbites de plus basse énergie du modèle de Bohr. Il existe différentes explications des dénominations K et L choisies par Barkla pour ces rayonnements, mais la plus probable est liée au fait que Barkla était persuadé qu’il existait des rayons à la fois de plus basse et de plus haute énergie, et qu’il choisit en conséquence des lettres du milieu de l’alphabet pour les désigner.

Par ailleurs, Barkla réussit à démontrer que les rayons X pouvaient être polarisés, ce qui est une autre propriété caractéristique d’une onde électromagnétique. Il a montré que les rayons X émis par une ampoule et frappant de la matière étaient moins dispersés par celle-ci dans une direction parallèle au faisceau de rayons cathodiques de l’ampoule que dans les directions perpendiculaires au faisceau.

Mais ce n’est qu’en 1912 que le physicien allemand Max Von Laue montrera définitivement que les rayons X découvert par Hertz étaient des rayonnements électromagnétiques, en réussissant expérimentalement à réaliser la diffraction des rayons X par un cristal. Comme on l’a déjà évoqué cette expérience de diffraction permet de mesurer la longueur d’onde caractéristique des rayons X, ce qui permis définitivement de les ranger dans la catégorie des rayonnements électromagnétiques.

L’explication complète de l’apparition des rayons X lors de l’expérience de Röntgen sera donnée en 1934^[7] par Hans Bethe et W. Heitler grâce à la théorie de la mécanique quantique. Les rayons X sont dus au phénomène de Bremsstrahlung, littéralement rayonnement de freinage en allemand. Lorsque des électrons interagissent avec des atomes, ils perdent de l’énergie. Cette énergie des électrons étant constituée de l’énergie de masse \(mc^{2}\ \)fixe et d’énergie cinétique \(E_{c}\), la perte d’énergie se traduit automatiquement par une perte de vitesse de l’électron. Dans le même temps cette perte d’énergie cinétique de l’électron conduit à l’émission d’un photon de fréquence \(v\) suivant la formule :

\[\mathrm{\Delta}E_{c} = hv\]

De la décélération des électrons au contact de la paroi de verre résulte un flux continu de photons. Ce rayonnement dit de freinage est un rayonnement électromagnétique continu de large spectre (l’énergie de décélération est quantifiée suivant des valeurs rapprochées, ce qui engendre un spectre quasiment continu).

Conclusion – Le spectre électromagnétique à l’aube du 20ème siècle

L’étude du spectre électromagnétique prend naissance avec l’analyse de la lumière visible. Au 17^ème siècle, les expériences d’Isaac Newton montrent que la lumière blanche du Soleil, lorsqu’elle traverse un prisme, se décompose en une succession continue de couleurs allant du violet au rouge. Newton établit ainsi que les couleurs ne sont pas produites par le prisme, mais qu’elles constituent les composantes intrinsèques de la lumière blanche. Il montre également que ces différentes couleurs peuvent être recomposées pour redonner de la lumière blanche, ce qui marque une étape décisive dans la compréhension du phénomène. À ce stade toutefois, la question de la nature de la lumière (corpusculaire ou ondulatoire) demeure ouverte.

Au début du 19^ème siècle, l’étude du spectre visible gagne en précision et en richesse. En 1814, Joseph von Fraunhofer observe dans le spectre solaire une multitude de fines raies sombres, dont la position est remarquablement stable. Ces raies, qui porteront son nom, révèlent que le spectre visible n’est pas une simple continuité uniforme, mais qu’il possède une structure fine. Sans que leur signification physique soit immédiatement comprise, ces observations ouvrent la voie à la spectroscopie et, plus tard, à l’identification des éléments chimiques présents dans les étoiles. Ainsi, bien avant que le spectre ne soit conçu dans toute son extension, la partie visible fait déjà l’objet d’une exploration expérimentale minutieuse et d’une conceptualisation approfondie.

C’est précisément en cherchant à mieux comprendre les propriétés du spectre visible que celui-ci va s’étendre au-delà de ses limites apparentes. En 1800, l’astronome anglais William Herschel entreprend de mesurer la chaleur associée aux différentes couleurs de la lumière solaire. À l’aide d’un prisme, il décompose la lumière du Soleil et place des thermomètres dans chacune des régions colorées. Il constate que la température augmente progressivement du violet vers le rouge. Poursuivant son exploration au-delà de la zone rouge visible, il découvre qu’une région apparemment obscure produit une élévation de température encore plus importante. Il met ainsi en évidence l’existence d’un rayonnement invisible, doté des mêmes propriétés de réflexion, de réfraction et d’absorption que la lumière visible. Il en conclut qu’il s’agit d’un rayonnement de même nature, qu’il désigne sous le nom de rayons thermiques, aujourd’hui appelés infrarouges.

L’année suivante, en 1801, le chimiste allemand Johann Wilhelm Ritter adopte une démarche différente. S’appuyant sur le fait que le chlorure d’argent noircit sous l’action de la lumière, et plus fortement encore sous l’action du violet, il expose une bande de papier imprégnée de ce composé à la lumière solaire décomposée par un prisme. Il observe que le noircissement maximal se produit au-delà du violet visible. Il en déduit l’existence d’un rayonnement invisible aux propriétés chimiques marquées, qu’il nomme rayons oxydants, puis que l’on appellera rayons chimiques avant que ne s’imposent les termes actuels d’ultraviolet et d’infrarouge. Ainsi, dès le tout début du 19^ème siècle, le spectre visible apparaît comme la portion perceptible d’un domaine plus vaste, qui s’étend de part et d’autre dans l’invisible.

La seconde moitié du 19^ème siècle apporte le cadre théorique capable d’unifier ces découvertes. Les travaux de James Clerk Maxwell établissent une théorie cohérente de l’électromagnétisme, montrant que les variations des champs électrique et magnétique peuvent se propager sous forme d’ondes à une vitesse identique à celle de la lumière. La lumière elle-même apparaît alors comme une onde électromagnétique particulière. Cette prédiction reçoit une confirmation expérimentale en 1887 lorsque Heinrich Hertz produit et détecte en laboratoire des ondes électromagnétiques de grande longueur d’onde, aujourd’hui appelées ondes radio. Le spectre s’élargit ainsi considérablement vers les basses fréquences.

La fin du siècle voit apparaître un nouveau prolongement vers les très hautes fréquences. En 1895, Wilhelm Conrad Röntgen découvre un rayonnement d’un type inconnu en étudiant les décharges électriques dans des tubes à vide. Ces rayons, capables de traverser la matière opaque à la lumière visible et d’impressionner des plaques photographiques, sont baptisés rayons X. Leur nature suscite immédiatement des débats. Les travaux de Charles Glover Barkla montrent qu’ils peuvent être polarisés, ce qui constitue un argument fort en faveur de leur caractère ondulatoire. La démonstration décisive intervient en 1912 lorsque Max von Laue met en évidence leur diffraction par des cristaux : les rayons X sont bien des ondes électromagnétiques de longueur d’onde extrêmement courte.

Dans le contexte des recherches sur la radioactivité, un rayonnement encore plus pénétrant est mis en évidence en 1900 par Paul Villard. Ce rayonnement, que Ernest Rutherford nommera rayonnement gamma, se distingue des particules alpha et bêta déjà identifiées. Là encore, la question de sa nature reste ouverte jusqu’à ce que des expériences de diffraction établissent qu’il s’agit d’ondes électromagnétiques de longueur d’onde plus courte encore que celle des rayons X. Le spectre électromagnétique se trouve ainsi prolongé aux deux extrémités : vers les très grandes longueurs d’onde avec les ondes radio, vers les très courtes avec les rayons X puis gamma.

Entre ces deux extrêmes, l’exploration expérimentale se poursuit. Dès 1894, le physicien indien Jagadish Chandra Bose réalise des expériences utilisant des ondes de longueur d’onde millimétrique, situées dans la région que l’on désigne aujourd’hui comme celle des micro-ondes. Les développements technologiques majeurs dans cette gamme de fréquences interviendront toutefois plus tard, notamment pendant la Seconde Guerre mondiale, avec la mise au point des radars. Le principe en est purement classique : une onde électromagnétique est émise vers une cible, et l’analyse de l’écho réfléchi permet d’en déterminer la position et la vitesse. Les besoins militaires, en particulier la détection d’objets de petite taille tels que les périscopes de sous-marins, conduisent à l’utilisation de longueurs d’onde centimétriques et stimulent des progrès techniques considérables. Peu après la guerre, Percy Spencer mettra à profit ces développements en observant que les micro-ondes émises par les magnétrons des radars peuvent chauffer efficacement les aliments, ouvrant la voie au four à micro-ondes.

Ainsi, à l’aube du 20^ème siècle, la lumière visible n’apparaît plus que comme une mince portion d’un vaste continuum de rayonnements. Des ondes radio aux rayons gamma, l’ensemble forme un domaine unifié par la théorie de Maxwell et confirmé par l’expérience. La conception ondulatoire du rayonnement électromagnétique s’est alors imposée de manière largement majoritaire dans la communauté scientifique, au point de sembler, pour beaucoup, solidement établie, juste avant que les développements de la physique quantique ne viennent en nuancer la portée.

1. Hans Christian Oersted, “Experiments on the effect of a current of electricity on the magnetic needle”, Annals of philosophy, 1820 ↑
2. Michael Faraday, Lectures to the Royal Society in London, 1831 ↑
3. James Maxwell, “A dynamical theory of the Electromagnetic field”, Philosophical transactions of the Royal society, 155, 1865 ↑
4. James Maxwell, “A treatise on electricity and magnetism”, Oxford, 1873 ↑
5. Heinrich Hertz, « Recherches sur les ondulations électriques », Archives de sciences physiques et naturelles (Genève), 1889 ↑
6. Wilhelm Röntgen, „Über eine neue Art von Strahlen“, Universität Würzburg, 1896 ↑
7. Hans Bethe and W. Heitler, “On the stopping of fast particles and the creation of positive electrons”, Proceedings of the Royal society, 146, 1934 ↑