Les rayons X sont une forme de lumière invisible à l'œil, avec beaucoup plus d'énergie et des longueurs d'onde bien plus courtes que la lumière visible. L'explorateur montre un rayon X d'une longueur d'onde de 0,5 nanomètre (500 picomètres), bien à l'intérieur du domaine des rayons X. Une longueur d'onde est la distance entre deux crêtes successives d'une onde, et un nanomètre est un milliardième de mètre.

Longueur d'onde

La NASA situe les longueurs d'onde des rayons X entre 0,03 et 3 nanomètres. À l'extrémité la plus longue, les rayons X sont proches de la lumière ultraviolette. À l'extrémité la plus courte, ils sont proches des rayons gamma.

Les sources ne placent pas ces limites au même endroit. Une autre page de la NASA définit les rayons X par leur énergie plutôt que par leur longueur d'onde, ce qui correspond à des longueurs d'onde d'environ 0,012 à 12 nanomètres. Le 0,5 nanomètre de l'explorateur se situe dans les deux plages.

Les scientifiques décrivent généralement les rayons X par leur énergie plutôt que par leur longueur d'onde, en partie parce que ces longueurs d'onde sont si petites. La lumière se déplace sous forme de minuscules paquets d'énergie appelés photons. Plus la longueur d'onde est courte, plus chaque photon transporte d'énergie. Les rayons X peuvent traverser de nombreux matériaux qui absorbent la lumière visible.

Comparaisons de taille

Une longueur d'onde de 0,5 nanomètre correspond à peu près à la largeur d'un atome de césium, l'un des plus grands atomes.
La lumière violette, la lumière visible à la plus courte longueur d'onde que l'œil puisse percevoir, a une longueur d'onde d'environ 400 nanomètres, soit 800 fois plus longue.
Entre environ 160 000 et 200 000 de ces longueurs d'onde couvriraient la largeur d'un cheveu, qui mesure de 0,08 à 0,1 millimètre de large.
Chaque photon de ce rayon X transporte 1 000 fois l'énergie d'un photon de lumière visible d'une longueur d'onde de 500 nanomètres.

Comment les rayons X ont été découverts

Wilhelm Röntgen a découvert les rayons X en 1895. Il faisait passer de l'électricité dans un tube de verre contenant un gaz raréfié, qu'il avait recouvert. Une faible lumière est apparue sur un écran photosensible situé à proximité, provoquée par un nouveau type de rayonnement capable de traverser le revêtement. Röntgen a reçu le prix Nobel de physique en 1901.

Röntgen a découvert que les rayons X traversant les mains et les bras produisaient des images détaillées des os qu'ils contiennent. Les os sont denses et absorbent plus de rayons X que la peau. Ainsi, sur un cliché radiographique, les os laissent des ombres tandis que la peau paraît presque transparente.

Comment les rayons X révèlent la position des atomes

Des ondes qui traversent de petites ouvertures rapprochées forment un motif appelé figure de diffraction. En 1912, Max von Laue a suggéré que les rangées régulières d'atomes d'un cristal produiraient le même effet sur les rayons X. Des expériences lui ont donné raison et ont montré que les rayons X se comportent comme des ondes. Il a reçu le prix Nobel de physique 1914.

William Bragg et son fils Lawrence ont ensuite établi la relation entre la longueur d'onde et l'angle d'un rayon X, d'une part, et l'espacement entre les couches d'atomes, d'autre part. Cela a permis de calculer la position des atomes dans un cristal. Les Bragg ont partagé le prix Nobel de physique 1915.

Pourquoi les télescopes à rayons X sont dans l'espace

L'atmosphère terrestre absorbe les rayons X, si bien que les télescopes à rayons X doivent fonctionner au-dessus d'elle. Les rayons X ne se réfléchissent pas sur un miroir qu'ils frappent de face, si bien que ces télescopes utilisent des miroirs que les rayons X touchent selon un angle rasant. L'observatoire à rayons X Chandra, de la NASA, détecte des longueurs d'onde d'environ 0,12 à 12 nanomètres, ce qui inclut 0,5 nanomètre. Dans l'espace, les rayons X proviennent d'objets chauffés à des millions de degrés, comme les disques de gaz qui entourent les trous noirs.

Sources

X-Rays. NASA Science.
Electromagnetic Spectrum – Introduction. NASA Imagine the Universe.
Electromagnetic Spectrum. NASA Imagine the Universe.
Overview of the Chandra X-Ray Observatory Facility. Weisskopf and Six, NASA, 2002.
Wilhelm Conrad Röntgen: Facts. Nobel Prize Outreach.
Max von Laue: Facts. Nobel Prize Outreach.
Lawrence Bragg: Facts. Nobel Prize Outreach.
Planck constant in eV/Hz. NIST CODATA.
Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.

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