Comment l’interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques contribue-t-elle au diagnostic médical ?

Une onde est une propagation d’énergie sans transport de matière.

Les ondes sonores sont mécaniques et périodiques. Elles correspondent à la propagation dans un milieu matériel d’une surpression par la vibration d’un objet (mais pas dans le vide). Les ultrasons sont des sons dont la fréquence est supérieure à 200 00 Hertz.

La lumière est une onde, elle se diffracte à la rencontre d'objets de dimension de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde de l'onde. La lumière peut se propager dans le vide, ce n'est pas une onde mécanique. La lumière est une onde électromagnétique comme les ondes hertziennes, les rayons UV, IR. Une onde électromagnétique est un phénomène vibratoire qui se propage dans le vide à la célérité c de la lumière.

Les ondes électromagnétiques et sonores ont en commun plusieurs caractéristiques : la fréquence, la longueur d’onde et la vitesse de propagation.

Sachant que la vitesse de la lumière dans le vide (célérité) est égale $\mathrm{3.10^8\: m.s^{-1}}$, on peut écrire la vitesse de propagation $v$ d'une onde suivant le milieu transparent d'indice $\rm n (n>1)$ qu'elle traverse : $\rm v = c/ n. v$ et $\rm c$ s'expriment en $\rm m.s^{-1}$ et n est sans unité. La fréquence d'une onde $\upsilon$ est l'inverse de la période $\rm T$ soit $\rm \upsilon = 1 / T$ avec $\upsilon$ en $\rm Hz$ et $\rm T$ en $\rm s$. La longueur d'onde $\lambda$ est la distance parcourue par une onde électromagnétique de fréquence υ pendant une période $\rm T.\lambda$ dépend du milieu de propagation $\rm \lambda = c.T= c / \upsilon$, $\upsilon$ avec $\lambda$ en $\rm m$. Les ondes lumineuses ont des longueurs d'onde comprises entre $400$ et $\rm 800~nm$.

L'effet photoélectrique s'explique en considérant le caractère corpusculaire de la lumière lié aux photons. Les photons sont des corpuscules de masse nulle, de charge nulle qui se propagent dans le vide à la célérité de la lumière et transportent un quantum d'énergie donné par la relation $\rm E= h.\upsilon = h.c / \lambda$ avec $\rm E$ en joules $\rm J$, $\rm h$ constante de Planck. On peut convertir l'énergie en $\rm e_V$ (électronvolt) avec $\rm 1 e_V= 1,6.10^{-19}\: J$. L'énergie d'un photon est d'autant plus importante que la fréquence de l'onde est élevée ou que la longueur d'onde est petite. Ainsi, les photons associées aux rayonnements $\rm X$ et $\gamma$ sont très énergétiques et donc sont très dangereux.