L'univers du térahertz, ou rayons T.
Bac S Polynésie 2017 .

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Les fréquences des rayons T sont comprises entre 0,1 THz et 30 THz. 1 THz = 1012 Hz.
1. Térahertz et sacnner..
De par leur nature même, à la frontière de l'optique et des micro-ondes, les propriétés des ondes T cumulent les avantages des deux mondes.
- elles peuvent pénétrer certains matériaux opaques au rayonnement visible tels que le carton, les tissus, le bois ou les matières plastiques.
- elles interagissent peu avec la matière, ce qui permet de les utiliser dans des applications d'imagerie pénétrante sans toutefois présenter de danger pour les organismes vivants.
· 1.1. Certains rayonnements sont dits ionisants. Leur énergie supérieure à 10 eV, est suffisante pour transformer les atomes en ions. Ces rayonnements ionisants peuvent être nocifs pour les organismes vivants si la quantité d'énergie reçue est trop élevée.
1.1.1. Calculer l'énergie en eV :
 - d'un proton associé à un rayonnement X de fréquence égale à 1,0 1017 Hz.
E = h n = 6,63 10-34 x1,0 1017=6,63 10-17 J
6,63 10-17 / (1,60 10-19) ~4,1 102 eV.
- d'un proton associé à un rayonnement T de fréquence égale à 1,5 1012 Hz.
E = h n = 6,63 10-34 x1,5 1012=9,945 10-22 J
9,945 10-22 / (1,60 10-19) ~6,2 10-3 eV.


1 .1.2. Comparer l'impact sur les organismes vivants d'un scanner à rayons X et d'un scanner à rayons T. Justifier.
L'énergie des rayons X est supérieure à 10 eV. Ce rayonnement est suffisamment énergétique pour transformer les atomes en ions, donc dangereux pour les organismes vivants..
L'énergie des rayons T est très inférieure à 10 eV. Ce rayonnement n'est pas suffisamment énergétique pour transformer les atomes en ions, donc inoffensif pour les organismes vivants.

1.2. Le pouvoir de résolution d'un système d'observation, est sa capacité à séparer deux points distincts pour qu'ils soient correctement discernés par l'observateur. Il est lié à la diffraction de l'onde, de longueur d'onde l lorsque l'onde traverse le milieu d'observation.

1.2.1. On éclaire une fente de largeur a par un laser de longueur d'onde l.
Rappeler l'expression reliant l'angle q aux grandeurs a et l.
q = l /a.




....

.....
1.1.2. Cette fente est maintenant éclairée par deux faisceaux laser faisant un angle a avec l'axe de la fente. On suppose que l'ouverture q du faisceau liée à la diffraction a la même expression que lorsque l'axe du faisceau arrive perpendiculairement à la fente.

Montrer que si l'angle a est petit, il est impossible de séparer les deux faisceaux à la sortie de la fente. Donner l'expression de la valeur limite de a.
Si a < q, les rayons se chevauchent à la sortie de la fente.

a > q, les rayons ne se chevauchent pas à la sortie de la fente.
La valeur limite de  a est q.
1.3. Plus le diamètre D de lobjectif de la caméra qui équipe le scanner est grand, plus les détails observés sont petits. Un objet étant positionné à une distance L de la caméra, on distingue deux points A et B de l'objet séparés d'une distance d si le diamètre Dmin de l'objectif de la caméra est au minimum de :
Dmini = 1,22 l L / d.
1.3.1. Pour un objet situé à 12 cm de la caméra térahertz, sensible au rayonnement de fréquence égale à 1,5 THz, montrer que deux points séparés de 0,20 mm ne peuvent pas être distingués avec un objectif de diamètre 10 cm.
l = c / f = 3,0 108 / (1,5 1012) = 2,0 10-4 m.
d =
1,22 l L / D = 1,22 x 2 10-4 x0,12 / 0,10 =2,93 10-4 m ~ 0,29 mm.
Cette valeur est supérieure à 0,20 mm.
Deux points séparés de 0,29 mm  peuvent  être distingués avec un objectif de diamètre 10 cm.
Deux points séparés de 0,20 mm  ne peuvent pas  être distingués avec un objectif de diamètre 10 cm.
1.3.2. Comment modifier la valeur de la fréquence des ondes T afin de visualiser distinctement ces deus points ?
 d est proportionnelle à la longueur d'onde.
La longueur d'onde est inversement proportionnelle à la fréquence.
La distance d est inversement proportionnelle à la fréquence.
Pour diminuer d il faut augmenter la fréquence.




2.T érahertz et étude de l'univers.
La naissance de l'univers s'est accompagnée de l'émission d'un intense rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement nous parvient, atténué, après avoir cheminé pendant des milliards d'années dans l'espace. Provenant de toutes les directions de l'univers, ce rayonnement fossile apparaît homogène et se comporte comme le rayonnement d'un corps noir à la température de 3 K.
Loi de Wien : lmax T = 2,90 10-3 m K.
lmax longueur d'onde majoritairement émise ( exprimée en m) dans le spectre d'émission d'un corps noir porté à la température T ( K).
Absorption de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde de l'onde électromagnétique.










2.1. Montrer que le rayonnement fossile peut être considéré comme un rayonnement térahertz.
lmax  = 2,90 10-3 / T = 2,90 10-3 / 3 ~9,67 10-4 m = 0,97 mm.
Fréquence correspondante : f = c / lmax = 3,0 108 / (9,67 10-4) ~3,1 1011 Hz = 0,31 THz.
Or les fréquences des rayons T sont comprises entre 0,1 THz et 30 THz.
Le rayonnement fossile peut être considéré comme un rayonnement térahertz.
2.2. Le rayonnement fossile peut-il être directement étudié avec des instruments au sol ou nécessite -t-il l'utilisation d'un satellite ? Justifier.
L'atmosphère absorbetotalement  le rayonnement fossile de longueur d'onde voisine de 1 mm.
Le rayonnement fossile ne peu pas être directement étudié avec des instruments au sol ; son étude nécessite  l'utilisation d'un satellite.

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