Une chute à ski? Tu as mal à la jambe? C’est peut-être cassé… il faut le savoir pour pouvoir mieux te soigner. Arrivé aux urgences, on t’oriente immédiatement vers le service de radiologie pour voir s’il y a une fracture.

Pour faire des radios, on utilise une machine qui envoie des rayons X. Sous ce nom un peu bizarre se cache simplement de la "lumière" qu’on ne peut pas voir.

Il existe autour de nous beaucoup d’ondes électromagnétiques qui ont des longueurs d’ondes différentes: les ondes radios, les infrarouges, la lumière et les rayons X, entre autres. Et justement, notre œil ne perçoit que les ondes dont la longueur est comprise entre 400 et 800 nanomètres: la lumière. Les rayons X, eux, ont une longueur d’onde encore plus petite que la lumière qu’on voit: entre 100 et 10'000 fois plus petite. Ils peuvent traverser notre corps.

L’appareil de radiographie exploite cette particularité. Il envoie des rayons X qui traversent la partie du corps que l’on veut examiner. De l’autre côté, des détecteurs captent les rayons qui ont été partiellement absorbés et recomposent l’image par ordinateur. On obtient ainsi une photo de l’intérieur de notre corps: la jambe, par exemple. Mais pourquoi voit-on les os en blanc et d’autres parties en noir?

Notre corps est composé principalement d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Ces éléments laissent passer les rayons X. Mais le calcium qui compose nos os, lui, est plus dense. Il absorbe donc plus les rayons X, comme la toile d’un parasol avec les rayons du soleil! Si bien que quand on prend une radiographie de votre jambe par exemple, les zones composées d’eau comme les muscles ou les vaisseaux sanguins laissent passer plus de rayons et apparaissent foncées sur la radio. Celles des os les absorbent, elles seront plus claires! Un spécialiste qui examine le cliché repère tout de suite une fracture et peut décider des soins à prodiguer.

Sylviane Hanquinet \

Unité de radiopédiatrie \

Hôpitaux Universitaires

Si les miroirs de la boîte sont parfaits et qu'il n'y a personne dedans, les photons (particules de lumière) vont être "piégés" à l'intérieur et se refléter à l'infini sur les murs. C'est un cas idéal. Par contre, dès que l'on va tenter d'observer la lumière, on va absorber les photons jusqu'alors piégés dans la boîte sur le détecteur que l'on va utiliser, par exemple l’œil de l'observateur ou même une caméra placée dans la boîte. Finalement la lumière va disparaître.

Thibaud Magouroux, étudiant doctorant, groupe de physique appliquée (GAP), Université de Genève

Lorsque deux polariseurs de lumières à 90 degrés sont placés de manière perpendiculaire, la lumière ne passe plus, c'est l'extinction. Le premier polariseur ne va laisser passer qu'une lumière polarisée horizontalement (par exemple) et le second polarisé verticalement ne laissera donc rien passer. Par contre un polariseur à 45 degrés ne donne pas une polarisation rectiligne à sa sortie comme une polariseur à 90 degrés, mais une polarisation circulaire. C'est pourquoi le 3ème polariseur rectiligne (à 90 degrés) ne peut plus éteindre la lumière polarisée circulairement, quelque soit la position de ce polariseur. Pour éteindre la lumière polarisée circulairement, il faut la repolariser de façon rectiligne en utilisant un polariseur circulaire et utiliser un polariseur rectiligne pour l'éteindre.

Thibaud Magouroux, étudiant doctorant, groupe de physique appliquée (GAP), Université de Genève

On ne peut pas envoyer d'information plus vite que la lumière, une information partielle n'existe tout simplement pas. Même une probabilité est considérée comme une information.

Thibaud Magouroux, étudiant doctorant, groupe de physique appliquée (GAP), Université de Genève

Cela dépend du type d'amplificateur utilisé.

Pour de faibles puissances de l'ordre du mili-Watt à quelque Watt on peut utiliser un composant appelé 'amplificateur opérationnel' qui fournit un signal amplifié linéairement. Mais ce composant est lui même composé d'éléments appelés transistors et est spécialement conçu pour donner une réponse linéaire, alors que le transistor lui même ne donne pas une réponse linéaire.

Pour de plus fortes puissances, le transistor devient une option plus utilisée. Afin d'avoir une réponse linéaire, on mesure la distortion du transistor et on intègre dans sa commande sa réponse non linéaire. C'est à dire que le circuit qui commande le transistor connaît la réponse non linéaire de celui-ci et corrige la commande en fonction de la réponse voulue.

Laurent Stark, Ingénieur, DPMC, École de Physique, Université de Genève.

En électronique l'amplification est souvent utilisée pour transformer des grandeurs physiques tel que par exemple la température, la pression ou la luminosité, en signaux électriques. Par exemple transformons une température en électricité. Prenons un capteur de température de type thermocouple. Ce genre de capteur lorsqu'il est chauffé fournit un signal électrique de l'ordre d'une dizaine de mili-Volt. Afin de pouvoir utiliser ce signal pour par exemple le numériser, il faut ramener ce signal dans l'ordre du Volt en l'amplifiant généralement d'un facteur 100 à l'aide d'un élément linéaire appelé amplificateur opérationnel.

Un autre exemple serait celui de transformer une pression acoustique en signal électrique grâce à un microphone à électret. Un signal acoustique fait vibrer la membrane du microphone et produit un signal électrique faible. Pour pouvoir enregistrer le signal à travers une entrée audio d'un ordinateur le signal est préalablement amplifié sur la carte son de l'ordinateur avant d'être numérisé et utilisé par ce dernier.

On utilise aussi très fréquemment l'amplificateur pour donner de la puissance à un signal électrique. Par exemple, on peut piloter un moteur de plusieurs centaines de Watts grâce à un microntrôleur consommant quelques millièmes de watts. Dans ce cas, pour amplifier le signal électrique provenant du microcontrôleur on utilise des transistors qui fourniront la puissance nécessaire au moteur.

Laurent Stark, Ingénieur, DPMC, École de Physique, Université de Genève.

La nature produit des cristaux de glace avec des formes diverses et variées possédant un ordre cristallin parfait. Nous appelons plus communément ces cristaux « neige ». Cette croissance naturelle peut se faire avec un nombre important de formes en fonction de la température environnante. Par exemple un cristal se formant entre -4 et 0°C prendra la forme de minces plaquettes alors qu’un cristal se formant à plus basse température formera plus facilement des dendrites (aiguilles). Quelque soit la forme que prendra ce cristal, il possèdera forcement une symétrie hexagonale, caractéristique de la structure de la molécule H2O. Les cristaux de glace formés dans les nuages sont des monocristaux, c'est-à-dire qu’ils présentent un ordre chimique parfait sur l’intégralité de leur volume. Il est très difficile de reproduire les conditions propices à la croissance qui règnent dans les nuages. En effet, les cristaux croissent de manière isolée par un refroidissement brutal d’une atmosphère saturée en vapeur d’eau. Dans le cas d’une eau parfaitement pure que l’on laisserait geler dans un récipient, la nucléation spontanée, c'est-à-dire la formation de cristaux de taille nanométrique, se produit en de nombreux endroits de manière simultanée. De plus, l’eau est un des rares exemples de matériaux dont la phase solide est moins dense (occupe un plus grand volume pour une masse donnée) que la phase liquide. On imagine aisément maintenant que la croissance de ces petits cristaux nanométriques dont le volume grossi au fur et a mesure de leur solidification, amènera forcément à la formation de défauts dans la structure qui seront visibles à l’œil nu.

S’il est assez facile de reproduire les conditions propices à la formation de cristaux de neige de manière artificielle (pour notre plus grand plaisir sur les pistes de ski lors d’hivers peu neigeux), les conditions pour poursuivre cette croissance jusqu’à l’obtention du glaçon parfait requière l’utilisation d’équipement de laboratoire. Ainsi des cristaux de glace de plusieurs dizaines de centimètre ont été produit par une technique similaire a celle mise en œuvre pour la production des cristaux de silicium utilisés en électronique.

Jeremie Teyssier, étudiant doctorant, DPMC, Université de Genève

Les rayons X s’appellent ainsi car lors de leur découverte en 1895 par le physicien allemand Wilhelm Röntgen, leur nature était encore inconnue. Depuis cette découverte, qui nous value la première radiographie de la main de madame Röntgen, nous en avons découvert un peu plus sur ces rayons étranges. Il se trouve que derrière ce nom un peu mystérieux de rayon X se cache tout simplement de la lumière. Mais pourquoi ne les voit-on pas dans ce cas ? Et bien nous ne les voyons pas parce que notre œil n’est pas sensible à leur longueur d’onde (leur couleur). En effet, notre œil perçoit des rayonnements qui vont du rouge au violet soit une longueur d’onde comprise entre 800 nanomètre et 400 nm (1 nanomètre est un milliard de fois plus petit qu’un mètre). Les rayons X ont quant a eu une longueur d’onde entre 100 a 10 000 fois plus petite. Pourquoi ont-ils la propriété de traverser notre corps ? Il faut savoir que la lumière (une onde électromagnétique) interagit avec des objets qui on une taille comparable à la longueur d’onde. Un objet comparable à la longueur d’onde des rayons X est le nuage d’électron qui forme les atomes. Ces rayons sont donc un outil parfait, utilisé par les scientifiques pour sonder la matière.

Un atome léger comme le carbone, l’oxygène, l’hydrogène, éléments qui composent en grande partie notre corps sont des éléments possédant peu d’électrons. Ils absorbent peu les rayons X. Le calcium qui compose nos os est quand a lui plus lourd et absorbera le rayonnement de manière plus importante. Si on prend une photographie (radiographie) avec des rayons X a travers notre corps, les zones ou les os font de l’ombre recevront moins de rayons et seront plus claires (négatif) que les zones composées essentiellement d’eau.

Un atome de plomb a, quant à lui, 82 électrons qui gravitent autour de son noyau. Il interagie de manière très forte avec les rayons X et les absorbe. Le tablier du radiologue est composé de feuilles de plomb qui le protègent du rayonnement, car les rayons X font partie des rayonnements que l’on dit ionisant qui peuvent s’avérer dangereux pour la santé en cas d’exposition prolongée. Mais pas de panique, le progrès technique dans le domaine des instruments médicaux permet aujourd’hui de faire une radiographie avec un temps d’exposition inférieur à la seconde.

Jeremie Teyssier, étudiant doctorant, DPMC, Université de Genève

Le miroir est un instrument très ancien puisque son utilisation la plus ancienne remonte à la préhistoire. Si on l’utilise depuis des temps très anciens, il a fallu attendre l’an 90 et les premiers ouvrages scientifiques de Ptolémée sur la réflexion et la réfraction de la lumière. Dire qu’un miroir nous renvoie notre image signifie que notre image est réfléchie sur le miroir. Lorsqu’on éclaire un objet, il émet de la lumière dans toutes les directions de l’espace. C’est ce que l’on appelle la lumière diffuse. Si on place cet objet devant le miroir, les rayons qui arrivent sur le miroir sont réfléchis. Et ils ne sont pas réfléchis de n’importe quelle manière. Snell et Descartes ont mis en évidence que l’angle sous lequel est réfléchit un rayon lorsqu’il rencontre une surface est le même que l’angle incident. On peut faire le parallèle avec une balle de tennis qui rebondirait au sol. L’angle avant l’impact est le même que l’angle après impact. Seulement voila. Notre cerveau n’a jamais entendu parler de Snell ni de Descartes et lorsqu’un rayon arrive a notre œil, notre cerveau considère qu’il a parcouru une ligne droite parfaite depuis l’objet. Ainsi, le reflet d’un objet par un miroir parvient à notre œil après une réflexion que notre cerveau inconsciemment ignore. Nous avons donc l’impression que l’image se trouve derrière le miroir. Le miroir fonctionne donc sur le principe de la réflexion qui lui-même fait partie de ce que l’on appelle l’optique géométrique.

Jeremie Teyssier, étudiant doctorant, DPMC, Université de Genève

On appelle ça un "Univers à rebonds", et son éventualité a été étudiée: selon la quantité d'énergie et de matière contenue dans l'Univers, il est envisageable que la phase d'expansion s'inverse à un moment donné et que l'Univers termine en un "Big Crunch". Certains scientifiques proposent même que notre Univers est "né" des suite d'un tel Big Crunch. Cette théorie permettrait d'expliquer certains phénomènes comme l'uniformité du fond de rayonnement cosmologique ou la platitude de l'Univers. Ce modèle n'a pas pu être vraiment modélisé avec succès, donc il reste une supposition. L'éventualité que notre propre Univers termine en un Big Crunch, en revanche, semble exclue par les mesures cosmologiques telles que nous les analysons actuellement.

Dr. Sylvia Ekström

Observatoire de Genève

Université de Genève