Aurélie 19/06/06
 

Les ondes électromagnétiques: radiations UV et IR ; thermographie, radiographie

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  1. La thermographie :
    Données :c = 3.108 unités S.I ; Constante de Planck h = 6.62. 10-34 J.s
    La thermographie permet de mettre en évidence les différences de température au niveau de la peau du corps humain. Lors de cet examen, un rayonnement de fréquence n =3,22 1013 Hz et de longueur d'onde l est émis par le corps humain et capté par le système de détection de l'appareil. On donne la relation : l =c /n
    - Rappeler ce que signifie c et préciser son unité S.I.
    - Calculer la longueur d'onde l du rayonnement émis. Convertir cette longueur d'onde en micromètre.
    -Le rayonnement précédent émis par le corps humain est détecté lors de cet examen est-il un rayonnement visible, infrarouge ou ultraviolet ? Justifier votre choix.
    - Rappeler la relation qui permet de calculer l'énergie E d'un photon en fonction de sa fréquence.
    - Montrer que l'énergie libérée par ce rayonnement vaut : E = 2,13.10-20 J.
  2. La radiographie :
    Lors d'une radiographie, un faisceau de rayon X traverse le corps du patient. Plus les rayons X impressionnent la plaque photographique située derrière le patient et plus celle-ci noircira. Sur un cliché radiographique les os apparaissent en blanc et les poumons apparaissent en noir.
    Données : Les os contiennent les éléments P (Z = 15) ; Ca (Z = 20). Les poumons contiennent principalement des éléments : O (Z = 8), N (Z = 7), C (Z = 6) et H (Z = 1).
    - Parmi les sources de rayonnements électromagnétiques suivantes, recopier celles qui peuvent produire des rayons X : lampe à vapeur de mercure ; lampe chauffante ; tube de Crookes ;
    - Citer les 2 facteurs dont dépend l'absorption des rayons X.
    -Expliquer à l'aide des données pourquoi les os apparaissent blancs et les poumons noirs sur le cliché.
    - Parmi les métaux suivants choisir celui qui est le plus approprié pour se protéger des rayons X ; justifier la réponse. Fer : Fe (Z = 56) ; Plomb : Pb (Z = 82) ; Zinc : Zn (Z = 30) ;
    - Pourquoi les rayons X sont-ils nocifs à forte dose ? Préciser un effet biologique des rayons X sur le corps humain suite à une exposition prolongée. 
 

corrigé
. ''c'' est la célérité (vitesse) de la lumière dans le vide.

Elle s'exprime en mètres par seconde (m.s-1).

l = c / n = 3 108 / 3,22 1013 =9,32 10-6 m = 9,32 mm.

Le domaine de longueurs d'onde du rayonnement visible est compris entre 0,4 et 0,8 µm (environ).

Le rayonnement précédent a une longueur d'onde nettement supérieure : c'est un rayonnement infrarouge.

L'énergie E d'un photon de fréquence v est définie par E = h. n; (h est la constante de Planck)

Pour le rayonnement étudié :

E = 6,62.10-34 x 3,22.1013 = 2,13.10-20 J.

Source de rayonnement X : tube de Crookes.

L'absorption des rayons X par un corps dépend de :

la nature, la masse volumique et l'épaisseur du matériau, la longueur d'onde des rayons X.

Les os absorbent les rayons X : derrière eux, la plaque photographique n'est pas impressionnée, ils apparaissent donc blancs sur le cliché.

Un atome absorbe d'autant plus les rayons X que son numéro atomique Z est élevé. Le métal le plus approprié pour s'en protéger est donc le plomb (Z = 82).

Les rayons X ont un fort pouvoir ionisant sur les tissus biologiques donc, plus la dose est importante plus le nombre de cellules détruites est élevé.

Effets biologiques possibles sur le corps humain, après une exposition prolongée :

cancers,

stérilité ; mutations biologiques ; malformations du fœtus chez la femme enceinte,

leucémies.

Les ondes électromagnétiques: radiations UV et IR (8pts)

Données :

Une onde électromagnétique est caractérisée par sa fréquence n ou sa longueur d'onde l dans le vide. Ces deux grandeurs sont liées par la relation : l =c/n où

c est la célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 108 m/s. On donne la constante de Planck : h= 6,62 10-34 J.s

  1. Les ondes lumineuses visibles par notre oeil ne représentent qu'une petite partie du vaste domaine des ondes électromagnétiques. Après avoir recopié le schéma ci-dessous, indiquer les domaines des radiations de la lumière visible, des UV et des IR.
  2. Une onde électromagnétique a une longueur d'onde dans le vide l = 1,5 10-5 m (15 mm).
    - Placer cette longueur d'onde sur l'axe précédemment recopié.
    - Dire à quel domaine appartient cette radiation.
    - Calculer la fréquence n de cette onde.
  3. L'énergie E des photons associés à une onde électromagnétique de longueur d'onde l dans le vide et fréquence n peut se déterminer à l'aide de la relation : E= hc /l (1)
    - Montrer que l'énergie des photons de l'onde de longueur d'onde l = 1,5 10-5 m vaut E = 1,32 10-20 J.
    - A l'aide de la relation (1), exprimer littéralement (c'est à dire avec des lettres) l'énergie E des photons en fonction de la fréquence n de l'onde électromagnétique.
    -Comment varie l'énergie des photons quand la fréquence des radiations diminue ? Justifier la réponse.
  4. Radiations UV (UltraViolet)
    - Citer une source de radiations UV.
    - Donner un effet biologique lié aux radiations ultraviolettes.
  5. Radiations IR (Infrarouge)
    - Citer une source de radiations IR.
    - Donner une application liée au rayonnement infrarouge. 
corrigé

Une onde électromagnétique a une longueur d'onde dans le vide l = 1,5 10-5 m (15 mm). Elle appartient au domaine IR.

  1. La fréquence n de cette onde vaut : n = c/l =3 108/ 1,5 10-5 =2 1013 Hz.
L'énergie des photons de l'onde de longueur d'onde l = 1,5 10-5 m vaut :

E =hc/l = 6,62 10-34*3 108 / 1,5 10-5 = 1,32 10-20 J.

L'énergie E des photons s'exprime en fonction de la fréquence n de l'onde électromagnétique :

d'une part E=h c/l et d'autre part l =c/n ; d'où E=hn .

  1. L'énergie des photons et la fréquence des radiations sont proportionnelles : en conséquence l'énergie des photons diminue si la fréquence diminue.
Radiations UV (UltraViolet)
La lumière solaire est une source de radiations UV ;
effet biologique lié aux radiations ultraviolettes : mutagène et carcinogène , vieillissement de la peau.

Radiations IR (Infrarouge)
Le soleil, les appareils de chaufage sont des sources de radiations IR.
application liée au rayonnement infrarouge : chauffage, la thermographie médicale.

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