Diffusion Rayleigh
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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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (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.) conserve la même 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).

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 réversible des propriétés physiques locales. Elle...) incidente, il faut utiliser d'autres théories comme par exemple la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) de Mie qui fournit une solution exacte à la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) 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 (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...) oscillant couplé à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et...) oscillant à la même fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision,...). 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 suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la...) électronique des atomes, le barycentre (Le barycentre est un point mathématique (géométrie analytique) construit à partir d'un ensemble d'autres. Il correspond) 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 retrouve dans plusieurs domaines :) ainsi créé rayonne, c'est ce rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) qui constitue la diffusion Rayleigh (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...).

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 « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) est cohérent avec le principe de Huygens (Le principe de Huygens-Fresnel est un principe utilisé en optique, et qui permet entre autres de calculer l'intensité dans les phénomènes de diffraction et d'interférence.) 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 électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) élastiquement lié, on considère que la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) 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, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) 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 apparentés.) 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 primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan à une teinte...)

Sir John William Strutt Rayleigh (John William Strutt, troisième baron Rayleigh, plus connu sous son titre, Lord Rayleigh était un physicien anglais (Landford Grove (Essex), 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 grammatical ».) de particules
  • λ est la longueur d'onde de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) 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 l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...) et pourquoi le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) est rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) 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 électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.).

La dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel...) 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 être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances organiques. On...), il n'y a pas de synthèse de pigment bleu ou vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède...), 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 lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) (chez le Ara, le Paon, le Canard (Les canards sont des oiseaux aquatiques au bec caractéristique, domestiqués ou non. Le terme « canard » est un terme...) Colvert 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 β-kératine. La plume est un élément caractéristique de la...) 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 du corps consistant en les vertèbres et les côtes. Les dorsaux étaient les muscles les plus sollicités par les...) 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 sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...).

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 quantité d'énergie cinétique entre deux corps est conservée.). 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 (« Les objets quantiques sont dingues, mais au moins, ils sont tous dingues de la même manière. Richard Feynman » ).

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