Effets des rayonnements électromagnétiques sur le vivant/Nature des rayonnements électromagnétiques

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Effets des rayonnements électromagnétiques sur le vivant
Effets des rayonnements électromagnétiques sur le vivant ― Nature des rayonnements électromagnétiques
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Introduction[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 1 : Entrée en matière


Fig. 2 : Une représentation de la Terre : Le globe terrestre
Fig. 3 : Une photo de la Terre (cela reste une représentation)

Nous croyons que les ondes électromagnétiques ont un effet positif sur le vivant... C'est une erreur ; en effet, quand on dit « onde » électromagnétique, on parle de la représentation[1] du rayonnement[2] électromagnétique. Le rayonnement est le phénomène physique, il est réel, tandis que l'onde est une forme de représentation, un modèle qui rend le réel compréhensible. Tout comme on peut dire globe terrestre, on peut dire onde électromagnétique. De manière simplifiée, on pourrait dire que tout ce qui n'est pas réel est une représentation du phénomène réel en question. Lors de ce chapitre, on essaiera de poser les bases indispensables à la compréhension de la suite de l'exposé, et l'on abordera aussi des notions de culture générale. Avant de parler des effets des rayonnements électromagnétiques, il faudrait savoir de quoi on parle, c'est-à-dire définir un peu les différents concepts d'onde électromagnétique, de rayonnement, de photon. Nous aborderons ensuite les différentes manières de classer les rayonnements ; on abordera ici les notions de rayonnement ionisant et non ionisant (RNI), et de spectre électromagnétique. Puis l'on apprendra les méthodes de production, essentiellement à l'échelle atomique et subatomique. Nous aboutirons à des notions sommaires de mécanique quantique et arriverons à la notion d'énergie. En guise de conclusion, nous traiterons de notions d'optique en étudiant la propagation des rayonnements.


Notion d’onde[modifier | modifier le wikicode]

Une première question nous vient alors à l’esprit : Qu’est-ce qu’une onde ?

Fig. 4 : Corps tombant dans un liquide.
Fig. 5 : Représentation d’ondes de longueurs d’ondes différentes.

Prenons l’exemple d’un plan d’eau ; lorsqu’on y laisse tomber un galet, on peut observer des vagues qui forment des cercles concentriques[3] autour du point d’impact (cf. fig. 4). On observe aussi que la perturbation s’étend plus ou moins rapidement. On appelle cette perturbation une onde. On peut définir cette onde par trois paramètres : sa vitesse de propagation, qui dépend du milieu qu’elle traverse[4], son amplitude, qui est la hauteur de la vague et sa longueur d’onde, ou sa fréquence[5]. On dit que l’onde oscille à une certaine fréquence.

Fig. 6 : Schéma d’un ressort se compressant et se décompressant véhiculant une onde, les spires restent à la même place : on a un transfert d’énergie -sous forme de mouvement- sans transfert de matière.

Une onde est une perturbation d’un support –l’eau dans notre exemple– qui se produit de manière répétée : les vagues. Contrairement à ce qu’on pourrait penser, c’est un transfert d’énergie –de mouvement dans le cas de l’eau– sans transfert de matière -les molécules d’eau gardent globalement[6] la même place tandis que la vague peut se propager très loin. Pour visualiser le phénomène, on peut penser à un ressort (cf. fig. 6), lorsqu’on compresse celui-ci, une onde se crée et se propage, cependant, les spires ont juste une agitation qui varie, elles ne se déplacent en aucun cas.

Fig. 7 : Enveloppe d’une onde (trait gras).

Pour visualiser l’amplitude, on peut relier tous les pics des motifs et tracer ainsi l’enveloppe de l’onde (cf. fig. 7).

Généralités sur le rayonnement[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 8 : Interférence destructive : les ondes s'annulent
Fig. 9 : Interférence constructive : l'onde a une amplitude double et une fréquence identique

Un rayonnement électromagnétique se déplace à une vitesse variant en fonction du milieu qu'il traverse ; il est en général plus freiné par un milieu dense que par un milieu ayant une masse volumique plus faible. Il atteint cependant sa vitesse maximale dans le vide ; sa vitesse est alors proche de 300000 km.s-1[7]. On appelle cette vitesse c[8]. Selon la relativité d'Einstein, c est la vitesse maximale que peut atteindre toute particule dans l'univers[9].



Modèles[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 10 : Une photo de la Terre (cela reste une représentation)
Fig. 11 : Une représentation de la Terre : Le globe terrestre

Notre seul moyen de comprendre les rayonnements électromagnétiques est de les représenter. On utilise pour cela des modèles, représentations simplifiées de la réalité. Nous parlerons des deux principaux modèles du rayonnement électromagnétique : le modèle -ou théorie- ondulatoire et le modèle corpusculaire.

Tout d'abord, il faut savoir qu'un modèle reste un modèle, c'est-à-dire une vision simplifiée de la réalité. tout comme on peut représenter la Terre par une sphère (cf fig. 11), on peut modéliser un rayonnement électromagnétique. Mais ce modèle ne peut pas être parfait ; dans l'exemple de la Terre, la Terre n'est pas une sphère parfaite, elle est aplatie aux pôles. (cf Fig. 10). Dans notre cas, il serait illusoire de vouloir créer un modèle « réel » d'un rayonnement électromagnétique qui nous soit compréhensible.


Modèle ondulatoire[modifier | modifier le wikicode]

Jusqu'au début du XXe siècle, les physiciens étaient persuadés que les rayonnements électromagnétiques étaient des ondes, comme celles produites par un caillou tombant dans l'eau.

Cette onde est définie par deux paramètres : son amplitude et sa longueur d'onde. Il n'est pas idiot du tout de faire le parallèle avec une onde sonore, où l'amplitude représente le volume du son et la longueur d'onde sa tonalité, c'est-à-dire s'il est aigu ou grave. Pour les rayonnement électromagnétique, l'amplitude représente la quantité de rayonnement émise et la longueur d'onde sa position sur le spectre électromagnétique. Cet état ondulatoire des rayonnements électromagnétiques a été mis en évidence par l'expérience de Young (cf Annexe 1).


Modèle décomposé de la théorie ondulatoire[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 12 : Représentation d'une onde suivant le modèle d'un champ électrique perpendiculaire à un champ magnétique

On peut décomposer l'onde électromagnétique en deux composantes : le champ électrique[10] et le champ magnétique. Nous savons tous que des particules chargées électriquement s'attirent ou se repoussent mutuellement conformément à la loi de Coulomb[11] ; Le champ électrique est un objet physique qui permet de définir ou de mesurer l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.

Fig. 13 : Une autre représentation d'un rayonnement électromagnétique.

Le champ magnétique[12] est quant à lui un objet physique qui permet de définir l'influence d'un aimant, d'un électroaimant ou d'un déplacement d'électrons sur un autre corps.

On représente dans ce cas le rayonnement électromagnétique par un champ magnétique alternatif perpendiculaire au champ électrique. Ces deux ondes étant en phase, on peut se contenter de n'en représenter qu'une seule, généralement le champ électrique. Les variations du champ électrique et magnétique sont liées par les équations de Maxwell[13].


Spectre[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 14 : Le spectre visible

Avant de parler du second modèle, celui corpusculaire, beaucoup plus complexe, nous allons parler du spectre électromagnétique. Tout le monde a déjà vu un spectre lumineux. Selon le modèle ondulatoire, chaque couleur représentée sur le spectre correspond à un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde précise ; par exemple la couleur bleue a une longueur d'onde de 300 nanomètres[14], alors que la couleur rouge a une longueur d'onde de 700 nanomètres.

Fig. 15 : Le spectre électromagnétique

La question qui nous vient à l'idée est : Pourquoi le spectre électromagnétique se limite-il à ça ? Pourquoi n'y a-t-il rien plus à gauche que le bleu ou plus à droite que le rouge ? Et bien en fait nous n'avons représenté ici que ce qu'on appelle le spectre visible, c'est-à-dire que ce sont les seules longueurs d'ondes auxquelles nos yeux sont sensibles. Les autres ne sont pas détectés par les cônes de nos yeux[15]. Mais revenons à notre spectre[16], il continue donc à gauche et à droite. Par longueur d'onde décroissante, on voit apparaître les ondes radio, les microondes, les ondes radar, le rayonnement infrarouge, le fameux rayonnement visible, l'ultraviolet et les rayons gammas ; on a ici un spectre à peu près complet des rayonnements électromagnétiques.

On se rend compte que tous ces rayonnements sont de même nature, seul un paramètre change : la longueur d'onde. Plus on diminue la longueur d'onde, plus l'énergie de ces rayonnements augmente et plus ces rayonnements sont potentiellement dangereux.

Le modèle ondulatoire permet d'expliquer la parenté entre tous les rayonnements électromagnétiques, il a cependant ses limites ; montrées par exemple par l'expérience de l'effet photoélectrique[17]. La question posée était : Comment des rayonnements dépourvus de masse peuvent-ils interagir avec la matière. C'est notamment à partir de ces interrogations qu'un autre modèle a vu le jour. On l'appelle théorie -ou modèle- corpusculaire du rayonnement électromagnétique.


Modèle corpusculaire[modifier | modifier le wikicode]

La théorie corpusculaire affirme que les rayonnements sont de minuscules grains appelés photons, qui seraient des particules d'énergie pure dépourvue de masse. Ce modèle est très dépendant d'une autre théorie, appelée mécanique quantique, extrêmement complexe, qui permet d'expliquer le comportement de particules telles que les électrons ou encore les quarks.

Fig. 16 : Schéma d'équivalence onde/corpuscule

D'une manière outrageusement simplifiée, on dira que la mécanique quantique affirme que tout paramètre doit être quantifié, c'est-à-dire qu'il ne peut pas prendre n'importe quelle valeur. Dans le cas de notre photon, il ne peut pas avoir n'importe quel niveau d'énergie -ou n'importe quelle longueur d'onde dans le modèle ondulatoire-. Ceci s'explique très facilement par la méthode de production des rayonnements électromagnétiques que nous verrons plus tard. On constate qu'on peut assimiler le niveau d'énergie d'un photon à la longueur d'onde dans le modèle ondulatoire. Quant à l'amplitude de l'onde, elle est déterminée par la quantité de photons émis ; plus celle-ci est élevée, plus l'amplitude de l'onde sera importante. On voit donc que l'amplitude de l'onde ne peut pas prendre n'importe quelle valeur. La longueur d'onde et l'amplitude d'un rayonnement dans le modèle ondulatoire -ou son niveau d'énergie et le nombre de photons considérés dans le modèle corpusculaire- sont donc quantifiés.


Nous avons vu que les deux modèles actuels du rayonnement électromagnétique, le modèle ondulatoire et le modèle corpusculaire, sont nécessaires pour le représenter. Il faut cependant garder à l'esprit qu'il ne s'agit que de modèles du rayonnement, deux manières de représenter une seule et même chose, deux manières de représenter un rayonnement électromagnétique. Bien que les résultats obtenus durant les expériences précédentes puissent paraître contradictoires, il faut savoir que le rayonnement ne va pas se transformer en onde ou en photon suivant la situation qu'il rencontre. Ces modèles ne sont qu'une simplification de la réalité pour la rendre compréhensible. Tout comme on peut voir un cylindre comme un cercle ou comme un rectangle suivant l'angle d'observation, on peut voir un rayonnement électromagnétique comme une onde ou une particule, or il se trouve qu'un modèle explique un certain phénomène tandis que l'autre ne donne pas d'explication satisfaisante. Dans le cas de notre cylindre, le modèle « cercle » permet d'expliquer pourquoi il roule sur une pente -ou passe à-travers un trou en forme de cercle-, et le modèle rectangle explique pourquoi il ne roule pas dans une pente -ou pourquoi il passe à-travers d'un trou en forme de cercle.


Rayonnement ionisant[modifier | modifier le wikicode]

On appelle rayonnement ionisant un rayonnement qui a assez d'énergie pour arracher des électrons à un matériau, et donc transformer les atomes en ions. Les Rayons X et les rayonnement γ font partie des rayonnements ionisants. On notera que les UV-A[18] s'en rapprochent beaucoup. Par leur capacité à arracher des électrons aux matériaux, ils sont considérés comme très dangereux.


Production[modifier | modifier le wikicode]

Fig. 18 : Modèle d'un atome d'Hélium selon Rutherford

Parlons maintenant des différentes manières de produire des rayonnements électromagnétiques. Tout d'abord, il faut savoir qu'au niveau atomique[19], il n'existe que deux modes de production : soit par la desexcitation du noyau de l'atome[20], soit par la desexcitation des électrons de cet atome. On peut donc classer les rayonnements suivant leur mode de production. On constate alors que seuls les rayons les plus énergétiques que l'on connaisse, les rayons gammas, sont produits par la desexcitation du noyau de l'atome ; tous les autres rayonnements sont produits par la desexcitaion de l'atome. Il faut aussi savoir que tout corps à une température supérieure à 0°K (zéro absolu[21]) émet des radiations électromagnétiques. Nous sommes donc entourés d'un flot continu de radiations électromagnétiques, sans que cela nous affecte le moins du monde.

Dans un atome, les électrons sont organisés en orbites autour du noyau. Le rayon de ces orbites est quantifié, ainsi que le nombre d'électrons qu'elle peut contenir ; par exemple, la couche la plus proche du noyau, c'est-à-dire celle qui correspond au niveau d'énergie le plus faible est appelée K et peut contenir au maximum deux électrons tandis que la couche de rayon supérieur, notée L peut en contenir huit. Les électrons vont toujours sur les orbites d'énergie les plus faibles, c'est-à-dire les couches les plus proches du noyau, lorsque celle-ci sont pleines, les électrons s'ajoutent sur l'orbite supérieure et ainsi de suite. Bien que les orbites aient un rayon fixe et très précis, la mécanique quantique veut que ce ne soit qu'une valeur statistique, ce qui veut dire que les électrons ont juste plus de chance de se trouver sur les orbites qu'ailleurs[22]. Un atome a un nombre défini d'électrons, celui-ci étant déterminé par le nombre de protons du noyau ; cependant, il peut en gagner ou en perdre pour que sa couche supérieure d'électrons -appelée couche externe- soit pleine -on dit aussi saturée-.

Fig. 19 : Schéma représentant l'excitation et la desexcitation d'un atome

Lorsqu'on donne de l'énergie à un atome, par exemple en le soumettant à une tension électrique, en lui faisant absorber un photon ou tout simplement lorsque sa température est supérieure au zéro absolu, celui-ci passe dans un état dit excité, c'est-à-dire qu'il a un niveau d'énergie supérieur au niveau d'énergie minimum précédent. Ceci se traduit par le fait qu'un ou plusieurs électrons des couches les plus basses vont sauter sur une couche d'énergie plus élevée. Ces électron qui ne sont plus à leur place sont appelés électrons excités. L'état d'excitation n'est pas un état stable, c'est pourquoi l'électron reprend sa place en émettant un photon. L'énergie du photon est déterminée par la différence de niveaux d'énergie entre les couches électroniques. Par exemple lorsqu'un électron revient de la couche L à la couche K, il émet un photon dont l'énergie est la différence entre les niveaux d'énergie des deux couches. Plus la différence est grande, donc plus l'électron « est allé haut », plus le photon aura une énergie élevée[23]. On notera que plus l'atome est gros, plus il pourra produire des rayonnements d'énergie élevée.

Pour ce qui est de l'excitation du noyau, il faut savoir que les protons et les neutrons du noyau sont eux aussi organisés en couches d'énergies différentes. Lorsqu'on excite ce noyau -en le bombardant avec un neutron par exemple[24]-, les protons et les neutrons vont se réorganiser, et un ou plusieurs nucléons vont passer sur une orbite supérieure à celle qu'ils avaient à l'origine, le noyau de l'atome est dit excité. Lorsque l'atome va se désexciter, les nucléons vont reprendre leur place originelle et relâcher l'énergie qu'ils avaient emmagasinée sous forme d'un photon. Cependant, ce photon sera beaucoup plus énergétique que lorsqu'un électron se désexcite, car il faut plus d'énergie au noyau pour que ses nucléons se réorganisent. Le photon émis sera un rayonnement gamma, c'est-à-dire un photon de la plus haute énergie que l'on connaisse[25].



Propagation[modifier | modifier le wikicode]

Les rayonnements visibles faisant partie des rayonnements électromagnétiques, les règles d'optiques s'appliquent[26] à tous les rayonnements (réflexion, réfraction, diffraction, interférence...). Les rayonnements électromagnétiques se propagent en ligne droite à une vitesse proche de 300000km.s-1c – Cette propagation forme une « bulle » dont le diamètre augmente à la vitesse de 600000km.s-12c -. Tout ce qui est hors de la « bulle » ne voit pas le rayonnement a ce moment la ; mais comme la bulle est en expansion, le rayonnement finira par atteindre le point. La quantité de rayonnement reçue par une surface donnée décroit avec la distance au carré. Si on multiplie par deux la distance à une source de rayonnements, on reçoit quatre fois moins de rayonnements. Comme toute onde se propage sur un support, Einstein a énoncé dans une de ses théories que les rayonnements électromagnétiques se propageaient en suivant les courbes d'espace-temps, et donc qu'elles étaient déviées par les corps très massifs[27].

Un rayonnement électromagnétique peut être réfléchi sur un miroir, de l'eau – tout comme les rayonnements lumineux- mais aussi sur un mur ou encore les couches de l'atmosphère[28], tout dépend de la longueur d'onde du rayonnement. La réfraction et la diffusion s'appliquent aussi mais l'effet varie en fonction de la longueur d'onde.

Fig. 20 : Quelques règles d'optique

Conclusion[modifier | modifier le wikicode]

Tenter de définir les rayonnements électromagnétiques est une tâche extrêmement complexe qui fait sans cesse appel aux toutes dernières théories. Il serait donc illusoire de présenter totalement les rayonnements électromagnétiques lors de cette introduction. Nous avons tenté de développer à la fois des notions de culture générale et les bases essentielles pour la suite de notre exposé.

Fig. 21 : Une galaxie observée sous différentes longueurs d'ondes

Il faut donc différencier onde électromagnétique et rayonnement électromagnétique, l'un n'est qu'un modèle de l'autre. Un rayonnement électromagnétique est un phénomène physique que l'on tente de représenter par des modèles. Il est impossible d'avoir un modèle réel du rayonnement. Dans notre cas, deux modèles existent et sont complémentaires, c'est-à-dire que l'un explique des phénomènes que l'autre n'explique pas. Un modèle -appelé modèle corpusculaire- montre que la lumière est constituée de grains ; les photons. L'autre modèle -appelé modèle ondulatoire- représente le rayonnement comme une onde composée d'un champ magnétique et d'un champ électrique. On classe les rayonnements électromagnétiques selon leur fréquence[29] et on représente ces rayonnements, classés par niveau d'énergie sur un spectre électromagnétique. Différents phénomènes tels que la lumière visible, les rayons X ou encore les ondes radio sont des rayonnements électromagnétiques notamment car ils sont produits de la même manière -la désexcitation d'un électron ou d'un noyau d'atome-. La seule différence entre ces rayonnements qui semblent très différents est leur longueur d'onde. Tous les rayonnements ayant une énergie supérieure ou égale à celle des rayons X sont appelés rayonnements ionisants, ce qui signifie qu'ils peuvent arracher des électrons aux atomes. Ils respectent les règles d'optique (réflexion, réfraction, diffusion, diffraction et interférence).

Notes et références[modifier | modifier le wikicode]

  1. Cette notion est très importante et constitue la base du chapitre « Modèles du rayonnement ».
  2. Ou de la radiation. Les deux termes sont équivalents.
  3. On parle de perturbation.
  4. Par exemple, une onde se propage plus vite dans la gélatine que dans l’eau. Ce paramètre est - entre autres - fonction de la densité du milieu.
  5. La longueur d’onde λ est inversement proportionnelle à la fréquence f, on a donc :
  6. C’est à dire que la molécule d’eau a la même position avant et après le passage de la perturbation. On notera qu’elle se déplace lors du passage de la perturbation, mais que la distance parcourue par la molécule est souvent négligeable au vu de la distance parcourue par l’onde.
  7. En réalité 299 792 458 m.s-1 , elle a été fixée en 1983 par le bureau international des poids et mesures, en redéfinissant le mètre.
  8. C'est à dire célérité. En effet, pour une onde -ou un rayonnement- on ne parle pas de vitesse, mais de célérité (du latin celeritas, « vitesse »).
  9. En gros, plus la vitesse v (donc l'énergie) d'une particule augmente, plus sa masse m augmente et tend vers l'infini, on a donc : avec v la vitesse de la particule, et e son énergie. Cette constatation découle de l'équation .
  10. Le champ électrique s'exprime en volt par mètre () ou en newton par coulomb () d'après le Système International (SI).
  11. Loi de Coulomb : – où d est la distance, q1 et q2 les charges des particules, G une constante valant :
  12. L'unité moderne utilisée pour quantifier l'intensité du champ magnétique est le tesla, défini en 1960. C'est une unité dérivée du système international.
  13. Vers 1865, James Clerk Maxwell (1831-1879) a réalisé une synthèse des diverses lois expérimentales découvertes par ses prédécesseurs (lois de l'électrostatique, du magnétisme, de l'induction...) en les exprimant sous la forme d'un système de quatre équations.
  14. 1nm = 10-9m
  15. Pour plus d'informations, référez vous à l'annexe 2 : La vision
  16. Une expérience interactive est disponible à l'adresse : http://www.gel.ulaval.ca/~mbusque/spectre/ (requiers java)
  17. Voir annexe 4
  18. Voir la partie sur les ultraviolets pour de plus amples informations
  19. On représente généralement l'atome comme un noyau constitué de protons - de charge positive– et de neutrons -de charge négative – autour duquel gravitent des électrons de charge négative. Il y a autant de charges électriques positives que négatives, on dit que l'atome est électriquement neutre. Le noyau est 100000 fois plus petit que l'atome, les schémas ne sont donc pas à l'échelle.
  20. On considérera ici le modèle de l'atome de Rutherford. Ernest Rutherford (1871-1937) est un physicien anglais et est considéré comme le père de la physique nucléaire. Il a été le premier à présenter le modèle planétaire de l'atome. Il affirme aussi que l'atome est constitué à 99,9 % de vide.
  21. Ce que nous percevons comme de la chaleur est en réalité l'agitation des atomes ; plus ceux-ci sont agités, plus nous avons l'impression qu'ils dégagent de la chaleur. Si on les refroidit jusqu'à rendre les atomes parfaitement immobile – ce qui est impossible dans la réalité – on obtient ce que l'on appelle le zéro absolu, c'est à dire la température minimale que peut avoir tout corps. En effet, on ne peut pas rendre plus immobile - refroidir – un atome à l'arrêt. Le zéro absolu vaut -273,15°C et s'exprime en degré Kelvin (°K). Ainsi, -273,15°C = 0°K. Il n'existe bien évidemment pas de température négative dans le système Kelvin.
  22. Dans notre cas, les électrons ont près de 95% de chances de se trouver sur l'orbite. Dans le cas où ils n'y sont pas, ils sont en train de changer d'orbite, passant par exemple de l'orbite K à l'orbite L.
  23. On définit l'énergie de ce photon par l'équation , où ΔΕ est la différence entre le niveau d'énergie du photon au départ et à l'arrivée, h est la constante de Planck, et ν est la fréquence du rayonnement émis. En physique quantique, la constante de Planck joue un rôle fondamental. Elle a été nommée du nom du physicien allemand Max Planck (1848-1947). Elle s'exprime en J.m et vaut approximativement
  24. C'est ce qui se passe lors d'une réaction nucléaire.
  25. Sa longueur d'onde sera inférieure à 5 picomètres (10-12m).
  26. Avec quelques restrictions liées à la longueur d'onde, en effet, un rayonnement gamma ne se propage pas de la même manière que de l'infrarouge ou des rayonnements radio.
  27. Par exemple par les trous noirs. Cette effet sert aussi à détecter des corps peu lumineux dans l'espace grâce au phénomène de lentille gravitationnelle.
  28. Les rayonnements radios sont réfléchis -ils subissent en fait une suite continue de réfractions- sur la ionosphère, ce phénomène permet les communications transcontinentales. La ionosphère est une région de l'atmosphère située entre la mésosphère et la magnétosphère, c'est-à-dire entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz fortement ionisé à très faible pression (entre 2.10-2 mb et 1.10-8 mb) et à haute température (-20 à +1000°C).
  29. Ou selon leur longueur d'onde, voyez la note 6 pour plus d'explications.