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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 (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...) 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 électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...) 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 extension de sens, d'une bande très étroite de fréquence...) 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 (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre deux milieux....) 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 transporte de l'énergie sans transporter de matière.) électromagnétique, la célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un phénomène ondulatoire. Elle varie selon les composantes fréquentielles de l'onde et son milieu de propagation.) dans le vide est reliée aux propriétés électromagnétiques du vide (?0μ0c2 = 1) et l'indice est donc lié aux permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du déplacement électrique (aussi appelé induction électrique ou excitation électrique) D (en coulombs par mètre carré) et de...) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...)

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 (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie, dégénèrent sous...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) 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 (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau...) (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 (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 polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de suite. Habituellement les objets et...) 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 constituant l'onde ne se propagent pas à la même...) 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 (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (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...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...), 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C...), 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...) 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 caractéristique du matériau...) de l'air, et sa variation continue entre des couches d'air de température différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de...). 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 (La biréfringence est une propriété qu'ont certains matériaux transparents vis-à-vis de la lumière. Leur effet principal est de diviser en deux un rayon lumineux qui les pénètre. C'est pourquoi, sur la photographie ci-contre, certaines lettres...) 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 selon la direction.) 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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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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