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Ondes et ionisation

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Ondes et Ionisation

Une fois de plus on va démarquer le vrai du faux concernant les ions et l'ionisation, ainsi que leur lien avec les ondes électromagnétiques. Ici nous aborderons les principes physiques nécessaires pour comprendre des cas d'étude concrets comme la 5G, le four à micro-onde ou les compteurs Linky.

Cet article prendra appui sur des notions fondamentales concernant les ondes. Il est donc recommandé de lire l'article ci-dessous avant 

 

Sommaire

  1. Structures des atomes et molécules

  2. Transferts d'énergie

  3. Ionisation

  4. Conséquences et impacts*

  5. Conclusion

 


 

Atomes et molécules - Structure

Pour bien comprendre l'ionisation et ses effets, il est important de savoir déjà ce que c'est que l'ionisation. Voyons alors la structure d'un atome :

Dans la vision populaire, un atome est composé d'un petit noyau, chargé positivement, et d'électrons qui tournent autour, à la manière des planètes autour du soleil. Bien que cette vision soit globalement fausse, elle est suffisante pour comprendre les principes que l'on veut aborder. Il faut juste préciser que la mécanique quantique interdit aux électrons de tourner n'importe où.

Donc pour faire simple, les électrons tournent seulement à certains endroits, plus ou moins proche de leur noyau, mais à uniquement certaines distances du noyau. Grossièrement : un électron peu tourner à 1 cm de son noyau, ou à 2 cm de son noyau, mais pas à 1,5 ou 2,3 cm par exemple (bien entendu ces valeurs sont uniquement données à titre d'exemple.) On parle d'orbitales atomiques.

Enfin le dernier principe à assimiler est que plus un électron gagne de l'énergie cinétique (donc de la vitesse), plus il s'éloignera du noyau. De la même manière que plus vous tirez fort dans un ballon, plus le ballon ira haut dans le ciel. Donc quand un électron gagne de l'énergie, il change d'orbitale et va sur une orbitale plus éloignée ; et inversement quand il perd de l'énergie il revient sur des orbitales plus proches du noyau. On dit que l'atome est excité ou qu'il se désexcite.

 

Une molécule est simplement un agencement d'atomes liés entre eux. Les électrons, au lieu de tourner autour de leur noyau d'atome, vont tourner un peu autour de tous les noyaux d'atomes présents dans la molécule. De la même manière ils ne peuvent pas tourner n'importe où et occupent uniquement certaines trajectoires précises. Et de la même manière, il vont occuper des trajectoires plus éloignées de la molécule quand ils gagnent en énergie et inversement.

 

Dans les deux cas on parle alors de niveaux d'énergie au sein des atomes ou des molécules.

Quand un électron reçoit de l'énergie, il passe d'un niveau d'énergie bas à un niveau élevé. Ainsi il s'éloigne du centre. (Et inversement).

 

Les transferts d'énergie

Voyons maintenant rapidement comment un électron peut recevoir de l'énergie. L'énergie thermique est la première : Les atomes d'un gaz peuvent être excités quand on chauffe le gaz.

Mais la forme d'énergie qui nous intéresse ici, c'est le rayonnement : les ondes électromagnétiques. Rappelons que pour une onde, l'énergie de cette onde correspond à la fréquence de cette onde. (Pour une onde électromagnétique, c'est donc la fréquence à laquelle varie la valeur du champ électromagnétique).

Quand on envoie une onde électromagnétique sur un atome, alors l'électron peut absorber l'onde et donc son énergie. Inversement, lorsqu'un électron revient sur une orbitale plus basse, il libère de l'énergie (les différentes manières de libérer l'énergie seront abordées plus loin).

Mais, de la même manière que les électrons ne peuvent pas être à n'importe quelle distance du noyau, leur énergie qu'ils peuvent emmagasiner ne peut pas être n'importe laquelle non plus. Un électron dans un atome ou une molécule ne peut absorber que certaines quantité d'énergie.

Donc ce qu'il faut retenir c'est qu'une onde électromagnétique n'aura aucun effet sur l'électron et l'atome si elle n'a pas la bonne fréquence. Pour simplifier, on peut voir ça comme un message radio que l'on peut entendre uniquement si notre radio est réglée sur la bonne fréquence. En réalité c'est exactement le même effet commun qu'on appelle la résonance.

Un atome ou une molécule ne pourra absorber ou émettre des ondes avec seulement certaines fréquences précises.

 

Ionisation

La question qu'on peut désormais se poser, c'est ce qu'il se passe lorsque l'on fourni trop d'énergie à un électron. Très simplement : si plus l'énergie de l'électron est haute, plus il s'éloigne du centre, il y a un niveau d'énergie à partir duquel l'électron sera trop loin du centre pour rester en rotation. L'électron s'échappe alors de l'atome ou de la molécule, on parle d'électron libre, contrairement à l'électron lié (quand il tourne autour du noyau).

L'atome, ou la molécule, qui avait le même nombre de charges positives que de charges négative (électroniquement neutre), perd alors une charge négative. Il y a alors plus de charges positives que de charges négatives, et donc l'atome est globalement chargé positivement : l'atome est devenu un ion. (Inversement on peut avoir un électron qui vient se rajouter en plus, il a donc une charge négative en trop, mais ce cas de figure ne nous intéresse pas ici).

C'est le phénomène d'ionisation.

 

Bien sur, si l'on fourni à l'atome une énergie insuffisante, il ne sera pas ionisé. Il faut donc une énergie au moins supérieure à l'énergie d'ionisation de l'atome pour libérer un électron. (Cette énergie limite change selon si l'électron est le premier à devenir libre, ou le deuxième etc... Dit autrement, l'énergie nécessaire pour libérer deux électrons ne sera pas la même que pour n'en libérer qu'un, et encore différente que pour libérer le troisième.)

 

Conséquences et impacts

Première conclusion On peut donc avoir tendance à penser que plus le rayonnement est énergétique, plus il aura un impact sur la matière (l'ionisation ou l'excitation des molécules peuvent changer par exemple les propriétés physico-chimique de ces molécules) ; mais c'est plus subtil que ça.

A part donc, si on va chercher dans les très hautes énergies de rayonnement (rayons gamma, rayons X), on peut dire que l'énergie du rayonnement n'est pas directement reliée à l'impact de celui-ci, et même plus, un rayonnement n'aura d'impact que sur certains atomes et molécules.

 

Maintenant comprenons les conséquences de ces phénomènes.

Pour l'excitation En général, sauf exceptions, l'atome ou la molécule est excité, gagne donc de l'énergie, et libère cette énergie presque aussitôt car les atomes vont toujours chercher à revenir dans leur état fondamental, c'est-à-dire l'état dans lequel ils ont le moins d'énergie.
Ils peuvent libérer cette énergie sous forme de rayonnement (les molécules qui font les pigments colorés par exemple), ou sous forme de chaleur (principe du micro-onde). Il est très rare que les molécules demeurent dans un état excité, il faut des conditions spécifiques pour cela, c'est ce qui est fait par exemple dans les Lasers.

Pour l'ionisation : quant à elle, permet par exemple le déclenchement de certaines réactions chimiques, car l'ionisation des molécules en particulier consiste à briser les liens qui lient les atomes entre eux au sein de la molécule, et ceci est le principe même d'une réaction chimique. Encore une fois, l'ionisation requiert bien plus d'énergie que la simple excitation, c'est pourquoi elle nécessite des ondes assez énergétiques comme les Ultra-Violets (et vous comprenez alors pourquoi les UV font bronzer).

En cas d'ionisation totale, c'est-à-dire que tous les électrons se sont libérés (et on a vu que ça demandait d'autant plus d'énergie), alors la matière est devenue plasma.

 

Enfin dernière chose à bien assimiler : on a vu que les bonnes quantités d'énergies, et donc les bonnes fréquences sont nécessaires pour avoir un impact sur différents atomes et molécules. Cependant c'est l'intensité de ces fréquences et le temps qui va donner plus ou moins d'impact.

En fait, tout est question d'augmenter la probabilité d'interaction rayonnement-matière. Plus on attend longtemps plus les interactions vont se réaliser, et de même plus le rayonnement (à une fréquence donnée donc) est intense, plus les interactions vont s'effectuer.

On comprend en plus pourquoi on dit qu'il ne faut pas s'exposer trop longtemps au UV. Ou encore pourquoi une seule radiographie médicale n'a pas d'effet, alors que les rayons X sont pourtant très énergétiques ; c'est que vous êtes exposés peu de temps a du rayonnement suffisamment peu intense ; et c'est pourquoi l'opérateur de la machine à rayons X (qui passe donc ses journées à faire des radios) doit être protégé.

A la manière donc des produits, liquides et aliments : c'est la dose qui fait le poison ; ici c'est la dose qui fait l'impact.

 


Conclusion

Pour qu'une onde électromagnétique aie un impact sur la matière, il faut qu'elle aie premièrement la fréquence adéquate, et deuxièmement que l'onde soit suffisamment intense.

A titre de rappel : une onde électromagnétique désigne aussi bien la lumière visible, que les ondes radios, les micros-ondes de votre four, ou les UV du soleil. Alors la bonne chose à faire quand on vous mentionne "une onde" est :

  • déjà de vous demander de quelle type est cette onde
  • si elle est électromagnétique de quel domaine de fréquence
  • et enfin de vous demander de quelle intensité et de quel type d'exposition on parle.

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