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Indice de réfraction

L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme coefficient dans les lois de Snell-Descartes.

L'indice comme caractéristique de propagation

L'indice de réfraction d'un milieu déterminé pour une certaine radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement...) monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par...) caractérise la vitesse (On distingue :) de propagation de cette radiation dans ce milieu, v étant la vitesse de propagation de la radiation considérée dans le milieu étudié.

Plus précisément, l'indice de réfraction du milieu A par rapport au milieu B est le rapport des vitesses vB / vA, vA et vB étant les vitesses de la même radiation simple dans les milieux A et B. Si le milieu B est le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), la vitesse vB est égale à la constante c = 299 792 458 m/s (célérité de la lumière), et l'indice de réfraction est appelé indice absolu : n = \frac{c}{v}

Dans le modèle de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle...) électromagnétique, la célérité dans le vide est reliée aux propriétés électromagnétiques du vide (?0μ0c2 = 1) et l'indice est donc lié aux permittivité et perméabilité du matériau : ?r, μr.

Nota Bene : dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) ce qui précède, les formulations relatives à la vitesse dans le milieu, sous-entend l'existence d'une vitesse unique et donc que le matériau est homogène et isotrope.

Dépendance de l'indice en fonction de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...)

La valeur de l'indice dépend généralement de la longueur d'onde du rayon lumineux utilisé.

La première conséquence est l'effet sur la réfraction : l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de réfraction n'est pas le même pour différentes « couleurs ». Ceci explique la décomposition de la lumière par un prisme ou par des gouttes d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) (arc-en-ciel).

Les indices de réfraction doivent donc se référer à une radiation monochromatique précise : la raie D de l'hélium (longueur d'onde 587,6 nm), proche du milieu du spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), est utilisée fréquemment comme référence. On utilise également la raie D du sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve...) (longueur d'onde 589 nm). Il faut donc faire attention puisque toutes les deux ont tendance à être représentées par l'indice « nD », mais puisque les valeurs des deux longueurs d'ondes sont très près l'une de l'autre, les indices sont généralement équivalents dans les deux cas, compte tenu de l'arrondissement des décimales et des incertitudes liées aux instruments de mesures.

La variation de l'indice de réfraction d'un milieu transparent dans le spectre visible est appelée dispersion ; elle est caractérisée par le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un...) de dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences...) ou nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'Abbe :

\nu = \frac{n_D - 1}{n_F - n_C}

F et C désignant deux raies de l'hydrogène (longueurs d'onde λF = 486,1 nm et λC = 656,3 nm)

Pour la radiation D, l'indice absolu nD de l'eau à 20°C est de 1,333 ; celui d'un verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants,...) ordinaire est compris entre 1,511 à 1,535.

Dépendance de l'indice en fonction des conditions liées au milieu

L'indice d'un milieu dépend des paramètres qui caractérisent le milieu : température, pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), densité, etc.

Ainsi, l'indice de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines...) est égal à 1,000 292 6 dans les conditions normales de température et de pression, mais cet indice dépend de la masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une...) de l'air, et sa variation continue entre des couches d'air de température différente. Ceci permet d'expliquer les mirages.

Les contraintes imposées à un matériau transparent modifient son indice. La conséquence est généralement l'apparition d'une biréfringence liée à l'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques...) qui en résulte. Ceci est utilisé pour étudier certaines structures mécaniques.

Biréfringence

Les milieux biréfringents ont deux indices de réfraction, appelés indice ordinaire et indice extraordinaire, qui correspondent à des rayonnements de polarisations différentes.

Indices multiples dans les matériaux cristallins

Certains matériaux n'ont pas un indice constant suivant la direction de propagation de la lumière. C'est le cas de certains cristaux dits cristaux anisotropes.

Liste d'indices de réfraction

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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