Diffusion Rayleigh - Définition et Explications

La diffusion Rayleigh est un mode de diffusion des ondes (par exemple électromagnétiques ou sonores) dont la longueur d'onde est très supérieure à la taille des particules diffusantes. On parle de diffusion élastique, car cela se fait sans variation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) conserve la même longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde).

Lorsque les particules ont une taille suffisamment grande devant la longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) incidente, il faut utiliser d'autres théories comme par exemple la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de Mie qui fournit une solution exacte à la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) par des particules sphériques de taille quelconque (la diffusion de Rayleigh est un cas limite de la théorie de Mie).

Diffusion de Rayleigh des ondes électromagnétiques

L'onde électromagnétique peut être décrite comme un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) oscillant couplé à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) oscillant à la même fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...). Ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique va déformer le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) électronique des atomes, le barycentre (Le barycentre est un point mathématique (géométrie analytique) construit à partir d'un ensemble...) des charges négatives oscille ainsi par rapport au noyau (charge positive). Le dipôle (D'une manière générale, le mot dipôle désigne une entité qui possède deux pôles. On le...) ainsi créé rayonne, c'est ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) qui constitue la diffusion Rayleigh (La diffusion Rayleigh est un mode de diffusion des ondes (par exemple électromagnétiques ou...).

diffusion Rayleigh : l'atome, excité par l'onde électromagnétique, réémet une onde
Diffusion Rayleigh : l'atome, excité par l'onde électromagnétique, réémet une onde

Ce modèle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) est cohérent avec le principe de Huygens (Le principe de Huygens-Fresnel est un principe utilisé en optique, et qui permet entre autres de...) dans le cas de la propagation dans un milieu matériel : les atomes réémettent réellement les ondes qu'ils reçoivent.

Dans le modèle de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) élastiquement lié, on considère que la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) reliant le barycentre du nuage électronique au noyau est proportionnelle à la distance les séparant. On peut ainsi calculer la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) rayonnée dans une direction donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) en fonction de la longueur d'onde (le rayonnement se fait dans toutes les directions, mais l'intensité varie en fonction de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) par rapport à l'onde incidente).

Ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...)

Sir John William Strutt Rayleigh (John William Strutt, troisième baron Rayleigh, plus connu sous son titre Lord Rayleigh (12...) a calculé l'intensité dispersée par des diffuseurs formés de molécules dipôlaires beaucoup plus petits que la longueur d'onde comme :

I=I_0\cdot 8\pi^4\cdot N\alpha^2\cdot \frac{1+\cos^2(\Theta)}{\lambda^4\cdot R^2}

  • N est le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de particules
  • λ est la longueur d'onde de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) incidente
  • α est la polarisabilité
  • Θ est l'angle entre l'onde incidente et l'observateur

On voit que l'intensité est fortement dépendante de la longueur d'onde et de l'angle de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) dans la formule ci-dessus. Ceci, plus les particularités de la vision photopique, permet d'expliquer pourquoi le ciel est bleu en plein jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) et pourquoi le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) est rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) à son lever et à son coucher. L'image ci-dessous démontre que le ciel est de plus en plus bleu à mesure qu'on s'éloigne de la direction du soleil ce qui résulte de la sélection par la loi de Rayleigh des ondes du spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre...).

La dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...) de Rayleigh n'est valide que pour la dispersion de la lumière par les molécules jusqu'environ un dixième de la longueur d'onde de la lumière incidence. Au-delà de ce rapport, nous avons affaire à la théorie de Mie.

Coloration bleue et verte des plumes

Dans le règne animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un...), il n'y a pas de synthèse de pigment (Un pigment est une substance colorée, naturelle ou artificielle, d'origine minérale ou...) bleu ou vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...), pour obtenir par exemple des plumes de cette couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) (chez le Ara, le Paon, le Canard Colvert (Le Canard colvert (Anas platyrhynchos), aussi nommé « canard mallard » au...) par exemple) il y a effet Tyndall. La couleur se visualise sur les ramifications latérales de la plume (Une plume est, chez les oiseaux, une production tégumentaire complexe constituée de...) appelées barbes, les cellules la constituant peuvent contenir des microgranules à l'origine de ce phénomène. En effet, les rayons incidents à la plume rencontrent des microgranules de mélanine (noire) de très petite taille et peu concentrées, ces microgranules réfléchissent donc les ondes bleues et laissent filtrer les rayons à grande longueur d'onde. Une partie de ces rayons peut être réfléchie par des pigments situés sous les microgranules (cas des plumes vertes qui contiennent des pigments jaunes), le reste des longueurs d'onde est absorbé par des microgranules très concentrées. Ainsi la plume selon l'angle ne présente pas le même ton de couleur (phénomène d'irisation), et de dos (En anatomie, chez les animaux vertébrés parmi lesquels les humains, le dos est la partie...) la plume est de couleur noire (la couleur de la mélanine). Ce phénomène est semblable aussi pour la coloration des yeux chez l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...).

Cas d'un rayonnement particulaire

Lorsque le rayonnement n'est pas électromagnétique mais particulaire (neutron, particule alpha), on observe également une diffusion élastique (Une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction au cours de laquelle la...). Celle-ci résulte du principe d'incertitude d'Heisenberg : comme la particule est bien localisée (elle interagit avec l'électron), l'incertitude sur son impulsion, donc notamment sa direction, est grande, il y a donc une diffusion isotrope. Pour bien comprendre ceci, il faut également bien comprendre la notion de dualité onde-particule (En physique, la dualité onde-particule ou dualité onde-corpuscule est un principe selon...).

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