Ultraviolet?

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Ultraviolet

Le soleil vu dans les ultraviolets par le télescope EIT de SoHO.

Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.

Le nom signifie « au-delà du violet » (du latin ultra : « au-delà de »), le violet étant la couleur de fréquence la plus élevée (et donc de longueur d'onde la plus courte) de la lumière visible.

Les ultraviolets ont été découverts en 1801 par le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter d'après leur action chimique sur le chlorure d'argent.

Les ultraviolets peuvent être subdivisés en UV proches (380-200 nm de longueur d'onde) et ultraviolets extrêmes (200-100 nm). La gamme des rayons UV est souvent subdivisée en UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) et UV-C (280-100 nm).

Les ultraviolets sont la cause du bronzage et à haute dose sont nocifs pour la santé humaine. Ils peuvent provoquer des cancers cutanés tel que le mélanome, provoquer un vieillissement prématuré de la peau (rides), des brûlures (coup de soleil), des cataractes

Généralités sur les ultraviolets
Cette plante de l'espèce Rheum nobile peut pousser à très haute altitude grâce à un capuchon de feuilles translucides qui fait effet de serre et la protège du froid et des UV-B qui sont les principaux facteurs limitants de la vie à cette altitude.

Près de 5 % de l'énergie du Soleil est émise sous forme de rayonnement UV. Ces rayons UV sont classés dans trois catégories en fonction de leur longueur d'onde : les UV-A, UV-B et UV-C. Toutefois, en raison de l'absorption des UV par la couche d'ozone de l'atmosphère, 99 % de la lumière UV qui atteint la surface de la Terre appartient à la gamme des UV-A.

Les UV traversent l'atmosphère même par temps froid ou nuageux (ils n'ont rien à voir avec la sensation de chaleur procurée par le Soleil, qui est due aux infrarouges). Ils sont plus nombreux entre 11h et 16h et à haute altitude (car en traversant une plus petite distance dans l'atmosphère, ils ont moins de chances d'être interceptés par des molécules d'ozone). La quantité d'UV-B augmente d'environ 4% à tous les 300 m de dénivelé. Les UV sont réfléchis par l'eau (5 % des UV réfléchis), le sable (20 % des UV réfléchis), l'herbe (5 % des UV réfléchis) et surtout la neige (85 % des UV réfléchis). Le trou dans la couche d'ozone est potentiellement dangereux en raison de la nocivité importante des ultraviolets. Toutefois, seul l'Antarctique est touché par ce trou, donc il ne peut avoir un effet que sur un très petit nombre d'être vivants tels que les manchots.

Dans la majorité de l'Europe, le soleil de midi, le plus agressif, est en été vers 14h, c'est pourquoi il est déconseillé de s'exposer entre 12h et 16h, tout particulièrement à proximité de l'eau ou de la neige qui réverbèrent une partie des UV ou en montagne où les taux d'UV sont plus importants.

Effets sur la santé

En faible quantité le rayonnement UV est bénéfique et indispensable à la synthèse de vitamine D. Les UV servent également à traiter plusieurs maladies, dont le rachitisme, le psoriasis, l’eczéma et l’ictère.

En plus haute quantité (lors d'expositions prolongées au soleil), ils peuvent provoquer des cancers cutanés, un vieillissement prématuré de la peau ainsi que des cataractes.

L'indice UV

L'indice UV (ou Index UV) est une échelle de mesure de l'intensité du rayonnement UV du Soleil, et du risque qu'il représente pour la santé.

L'indice UV se décline en 5 catégories, correspondant à un niveau de risque :

Interactions UV-atmosphère
  • L'absorption : lors de leur traversée dans l'atmosphère, une partie des rayons UV est absorbée par les molécules de gaz (par les molécules d'oxygène par exemple). Ce phénomène crée de l'énergie capable de provoquer la dissociation de la molécule de gaz en deux autres molécules par exemple.
  • La diffusion : les rayons ultraviolets peuvent aussi être diffusés par les molécules de gaz contenues dans l'atmosphère. Sachant que plus un rayon lumineux a une courte longueur d'onde plus il est diffusé (cela explique que nous percevons le ciel en bleu qui est la couleur de la lumière visible avec la plus courte longueur d'onde), on en conclut que les rayons UV sont fortement diffusés par les gouttelettes d'eau des différentes couches nuageuses. Mais cela n'entraine pas forcément une baisse de l'intensité lumineuse : les nuages hauts n'entrainent pratiquement pas de baisse de l'intensité tandis que les nuages bas diffusent une grande partie des rayons UV vers le haut.
  • La réflexion : les rayons UV sont réfléchis par le sol en fonction de la nature du sol. On mesure cette réflexion par une fraction que l'on appelle l'albédo comprise entre 0 et 1. La réflexion est particulièrement forte sur la neige (albédo de 0,9 ; 0,85 en UV).

La différence entre UV-A, UV-B et UV-C

Ces trois types de rayonnements UV sont classés en fonction de leur activité biologique et de leur pouvoir de pénétration de la peau. Ils correspondent à trois plages de longueurs d’onde. Plus le rayonnement UV a une longueur d’onde longue, moins il est nocif (il se rapproche de la lumière visible) mais il a un pouvoir de pénétration cutanée plus important. Quand sa longueur d'onde diminue, il possède plus d'énergie, se rapproche des rayons X et donc est plus destructeur.

Les UV-A (400-315 nm)

Les UV-A, dont la longueur d’onde est relativement longue, représentent près de 95 % du rayonnement UV qui atteint la surface de la Terre. Ils peuvent pénétrer dans les couches profondes de la peau.

Ils sont responsables de l’effet de bronzage immédiat. En outre, ils favorisent également le vieillissement de la peau et l’apparition de rides, en perturbant l'équilibre des synthèses de protéines (en particulier la dégradation du collagène) et dans les cellules ils sont à l'origine de la production de radicaux libres, très dommageables pour celles-ci. Pendant longtemps, on a pensé que les UV-A ne pouvaient être à l'origine de lésions durables. Des études récentes laissent fortement à penser qu’ils pourraient également favoriser le développement des cancers cutanés (ils affectent l'ADN de la cellule)[1].
Les UVA excitent la molécule d'ADN et favorisent des liaisons entre certaines base notamment quand l’ADN est sous forme de double-hélice, ce qui peut être source de mutations, voire de cancers [2]

Les UVA sont dangereux pour les yeux des enfants dont le cristallin ne joue que partiellement son rôle de filtre. 90 % des UV-A atteignent la rétine chez le nourrisson et encore 60 % avant l'âge de 13 ans. Chez l'adulte de plus de 20 ans, le cristallin arrête les UV-A presque à 100 %.

Les UV-B (315-280 nm)

Les UV-B, de longueur d’onde moyenne, ont une activité biologique importante, mais ne pénètrent pas au-delà des couches superficielles de la peau, ils sont relativement absorbés par la couche cornée de l'épiderme (mélanine). Une partie des UV-B solaires sont filtrés par l’atmosphère.

Ils sont responsables du bronzage et des brûlures à retardement. Ils sont capables de produire de très fortes quantités de radicaux libres oxygénés dans les cellules de la peau, responsables à court terme des coups de soleil et de l'inflammation. Outre ces effets à court terme, ils favorisent le vieillissement de la peau (en abimant les fibres de collagène) et l'apparition de cancers cutanés.

De fortes intensités d'UV-B sont dangereuses pour les yeux et peuvent causer le « flash du soudeur » ou photokératite, car ils ne sont arrêtés qu'à 80 % par le cristallin de l'adulte. Chez l'enfant, la moitié des UV-B atteignent la rétine des nourrissons et 25 % avant l'âge de 10 ans.

En revanche, ils peuvent être bénéfiques pour certains types de pathologies de la peau tel que le psoriasis. Ils sont également importants pour la synthèse de vitamine D. Certaines études indiquent en outre que les bénéfices des courtes expositions aux UV-B (10 minutes quelques fois par semaine) seraient plus grands que les risques (voir bronzage).

Les UV-C (280-100 nm)

Les UV-C, de courte longueur d’onde, sont les UV les plus nocifs, mais ils sont complètement filtrés par la couche d'ozone de l’atmosphère et n’atteignent donc pas théoriquement la surface de la Terre.

Toutefois, des lampes UV-C sont utilisées en laboratoire de biologie pour les effets germicides, afin de stériliser des pièces ou des appareils (hotte à flux laminaire, par exemple).

La bande spectrale des UV-C est constituée de trois sous-bandes :

  • UV-C de 280 à 200 nm.
  • V-UV de 200 à 100 nm, c'est-à-dire les UV exploités dans le vide uniquement.
  • X-UV de 100 à 10 nm, transitions électromagnétiques entre les UV et les rayons X.

Protection

Pour se défendre contre la lumière UV, le corps, selon le type de peau, réagit aux expositions en libérant le pigment brun de mélanine. Ce pigment absorbe les UV, ce qui permet de bloquer leur pénétration et d'empêcher des dommages aux couches plus profondes et plus vulnérables de la peau. Des antioxydants (vitamines E et C, β-carotène…) peuvent neutraliser les radicaux libres formés par les UV.

Les vêtements et lunettes de soleil arrêtent une partie des UV. Il existe des lotions qui contiennent des filtres ultraviolets bloquant en partie les UV, néanmoins, la plupart des dermatologues recommandent de ne pas prendre de bain de soleil prolongé.

Astronomie

En astronomie, les objets très chauds émettent préférentiellement de la lumière UV (loi de Wien). Toutefois, la même couche d'ozone qui nous protège des UV intenses provenant du Soleil cause des difficultés aux astronomes observant à partir de la Terre. C'est pourquoi la plupart des observations UV sont faites à partir de l'espace.

 

Utilisation

Les lampes fluorescentes produisent de la lumière UV dans leur tube contenant un gaz à basse pression ; un enduit fluorescent sur l'intérieur des tubes absorbe les UV qui sont ensuite réémis sous forme de lumière visible.

Les lampes halogènes produisent également des UV et ne doivent pas être utilisées sans leur verre de protection.

Des lampes UV sont également utilisées pour analyser des minerais ou des gemmes ou pour identifier toute sorte de choses, par exemple des billets de banque. Des objets peuvent paraitre semblables sous la lumière visible et différents sous la lumière UV. Des colorants fluorescents UV sont employés dans de nombreuses applications (par exemple en biochimie ou dans certains effets spéciaux).

Des lampes UV de longueur d'onde 253,7 nm (lampe à décharge à vapeur de mercure) sont utilisées pour stériliser des zones de travail et des outils utilisés dans des laboratoires de biologie et des équipements médicaux. Puisque les micro-organismes peuvent être protégés de la lumière UV par de petites fissures présentes dans le support, ces lampes sont utilisées seulement comme supplément à d'autres techniques de stérilisation.

La lumière UV est employée pour la photolithographie à très haute résolution, comme cela est exigé pour la fabrication des semi-conducteurs.

Les UV sont aussi utilisés pour le séchage des encres, la synthèse de polymère par photopolymérisation, le durcissement de certaines colles par photoréticulation et en spectroscopie ultraviolet-visible.

Il est recommandé d'employer des protections pour les yeux lorsqu'on travaille avec de la lumière UV, particulièrement pour les UV de courte longueur d'onde. Des lunettes solaires ordinaires peuvent offrir une certaine protection, mais elles sont souvent insuffisantes.

La vision des insectes, telle celle des abeilles, s'étend dans le spectre de l'ultraviolet proche (UV-A), et les fleurs ont souvent des marques visibles par de tels pollinisateurs. Certains pièges à insectes utilisent ce phénomène.

Bandes spectrales des radiations UV

Les rayonnements UV sont des ondes électromagnétiques situées entre la lumière visible et les rayons X. Cette catégorie de rayonnement marque le début de la zone ionisante du spectre électromagnétique qui s'étend lui de 750 THz à 30 de PHz. Voici la classification des UV qui est actuellement la plus universellement admise :

  • 750,000 à 788,927 THz : fin du spectre visible du violet et début de la transition vers les UV-A.
  • 788,927 à 849,481 THz : transition spectrale vers les UV-A.
  • 849,481 à 951,722 THz : UV-A.
  • 951,722 à 1.070,687 THz : UV-B.
  • 1.070,687 à 29.979,245 THz : UV-C (bande spectrale constituée de 3 sous-bandes) :
    • 1.070,687 à 1.498,962 THz : UV-C.
    • 1.498,962 à 2.997,924 THz : V-UV.
    • 2.997,924 à 29.979,245 THz : X-UV, c'est-à-dire les transitions spectrales vers les rayons X.

 http://fr.wikipedia.org/wiki/Chimie_analytique

Chimie analytique

La chimie analytique est la partie de la chimie qui concerne l'analyse des produits, c'est-à-dire la reconnaissance et la caractérisation de produits connus ou inconnus. Cela va du suivi de production (vérifier qu'une chaîne fabrique un produit conforme aux spécifications) à l'enquête policière (déterminer la nature d'une trace, la provenance d'une terre, d'une peinture...).

 http://fr.wikipedia.org/wiki/Activation_neutronique

L'analyse chimique par activation neutronique est une méthode analytique très sensible, particulièrement bien adaptée pour analyser la pureté d'un échantillon. La méthode consiste à irradier un échantillon par un flux de neutrons. Les différentes impuretés contenues dans l'échantillon subissent alors des réactions nucléaires qui conduisent à la formation d'isotopes instables. Ces isotopes sont alors identifiés et quantifiés par l'étude de leur spectre de rayons γ.

 http://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_%C3%A9lectromagn%C3%A9tique

Rayon gamma est le nom donné au rayonnement électromagnétique produit par la désintégration des noyaux atomiques ou par des phénomènes subatomiques comme l'annihilation d'une paire électron-positon. Ils ont une énergie qui varie dans une plage allant de la centaine à plusieurs centaines de GeV. La découverte des rayons gamma est due à Paul Villard, chimiste français (1860-1934).

Caractéristiques

Les rayons gamma sont plus pénétrants que les rayonnements alpha et les bêta, mais sont moins ionisants. Ils sont de même nature que les rayons X mais sont d'origine différente. Les rayons gamma sont produits par des transitions nucléaires tandis que les rayons X sont produits par des transitions électroniques provoquées en général par la collision d'un électron avec un atome, à haute vitesse. Comme il est possible pour certaines transitions électroniques d'être plus énergétiques que des transitions nucléaires, il existe un certain chevauchement entre les rayons X de haute énergie et les rayons gamma de faible énergie.

Le blindage contre les rayons gamma requiert des grandes quantités de matière. Par exemple un blindage qui réduit de 50 % l'intensité de rayons gamma de 1 MeV nécessite 1 cm de plomb, 6 cm de béton ou 9 cm de terre. Aucune épaisseur de plomb n'arrête à 100% les rayons gamma.

Les sources cosmiques du rayonnement gamma

Article détaillé : Astronomie gamma.

Les sources de rayonnement gamma dans l'univers sont connues depuis 1948 mais n'ont été observées que depuis le début des années 1960. En effet les photons gamma sont presque complètement arrêtés par l'atmosphère terrestre. Les premières observations astronomiques ont été faites à partir de ballons-sondes, de fusées-sondes (temps d'observations très courts). Ils sont aujourd'hui observés par des télescopes spatiaux spécialisés et pour les rayonnements gamma les plus énergétiques par des observatoires terrestres qui les étudient indirectement en observant la cascade électromagnétique générée par l'effet Čerenkov. Le rayonnement gamma de source cosmique résulte des événements les plus violents de l'univers : jets relativistes produits par des trous noirs supermassifs (blazars), sursauts gamma,etc. L'énergie des photons gamma émis peut atteindre des centaines de GeV.

 

Interaction avec la matière

Illustration de la Crête de Tavernier qui se caractérise par l'accroissement de la dose d'irradiation de certains rayonnements, dont les rayons gamma, dans l'organisme avant sa décroissance exponentielle

En passant par la matière, les rayons gamma sont absorbés d'une manière exponentielle :

\displaystyle I(d) = I_0 e^{-\mu d}

Ici :

  • μ = nσ est le coefficient d'absorption, mesuré en cm-1;
  • n le nombre d'atomes par cm3 dans la matière ;
  • σ la section efficace d'absorption en cm2 est donnée pour un couple rayonnement-matière caractérisé par l'énergie du faisceau incident et la nature chimique du matériau cible (son numéro atomique Z, au premier ordre) ;
  • et d l'épaisseur du matériau en cm.


En pénétrant une substance, telle la matière vivante, la dose d'irradiation par les rayons gamma passe d'abord par un maximum ou "Crête de Tavernier", du nom du physicien belge Guy Tavernier qui découvrit ce phénomène en 1948, avant de décroître exponentiellement avec la profondeur. Ce maximum se situe à environ 1 cm de profondeur pour les rayons gamma et l'intensité de ce rayonnement gamma est fort dépendant de la longueur de diffusion valable pour la substance pénétrée.

Le coefficient d'absorption total de l'aluminium pour les rayons gamma, et les contributions des trois effets. Ici, l'effet Compton domine.
Le coefficient d'absorption total du plomb pour les rayons gamma, et les contributions des trois effets. Ici, l'effet photoélectrique domine pour l'énergie basse, et la production des paires au-dessus de 5 MeV.


Les rayons gamma interagissent avec la matière via trois mécanismes principaux :

 Les électrons (positons) produits par ces trois processus, produisent beaucoup d'ionisations, qui les ralentissent jusqu'à la fin de leur parcours, où les positons s'annihilent

L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - perdant ou gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion.


Les applications sont nombreuses :

  • décontamination alimentaire
  • modifications des plastiques
  • stérilisation des matériels médicaux
  • étude des matériaux
  • etc.

 

Il s'agit donc d'une spectrométrie d'absorption.

L'échantillon est excité par un rayonnement gamma (photons) dont on fait varier l'énergie autour d'une énergie de transition nucléaire. Pour cela, on dispose d'une source émettant un rayonnement continu, et on fait se déplacer la source par oscillations ; c'est l'effet Doppler-Fizeau qui produit la variation de l'énergie.

Un détecteur se trouve derrière l'échantillon. Lorsque l'énergie du rayonnement incident correspond à l'énergie de transition, le rayonnement est absorbé, et donc l'intensité collectée est plus faible.

Le spectre Mössbauer est constitué d'un ensemble de multiplets dont la forme et la position (déplacement chimique) est à la fois caractéristique du nombre d'oxydation, mais aussi de la nature et de la géométrie des plus proches voisins de l'élément chimique étudié.

Danger

Les rayons gamma provenant de retombées radioactives seraient probablement le plus grand danger dans le cas d'une guerre nucléaire. Si les rayons gamma sont moins ionisants que les rayons alpha ou bêta, ils demandent des épaisseurs de blindage beaucoup plus importantes pour s'en protéger (de l'ordre de quelques mètres d'épaisseur de béton armé). Ils peuvent produire des dégâts similaires à ceux produits par les rayons X et les autres rayonnements ionisants, tels que brûlures (effet déterministe), cancers et mutations génétiques (effets stochastiques).

 

Par exemple avec l'hydrogène, l'énergie de première ionisation sera celle permettant d'ioniser l'électron de la couche K, soit 13,6 eV (énergie calculable, en particulier, à l'aide de la constante de Rydberg)

Impact électronique

Ce type d'ionisation est couramment utilisé en spectrométrie de masse. Un électron émis par un filament rencontre l'atome ou la molécule et lui arrache lors du choc un de ses électrons (spectrométrie de masse).

Exemple avec le méthane : CH_4 + e^- \rightarrow CH_4^+ + 2e^-

Photo-ionisation

L'ionisation peut être réalisée par des rayonnements de longueur d'onde suffisante pour éjecter cet électron périphérique. Lorsque le rayonnement ionisant est constitué de photons, on parle de photoionisation. C'est par exemple ce qui se passe dans les nébuleuses planétaires.

Ionisation thermique

Si on apporte suffisamment d'énergie thermique à un gaz, son énergie moyenne peut devenir égale ou supérieure à son énergie d'ionisation. Les constituants de ce gaz peuvent donc s'ioniser sous les chocs entre atome/molécule. C'est ce qui arrive dans la couronne solaire.

 

 Suite !!

 

 

 

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