Diffusion de Rayleigh - Rayleigh scattering

La diffusion Rayleigh provoque la couleur bleue du ciel diurne et le rougissement du soleil au coucher du soleil .

La diffusion de Rayleigh ( / r l i / RAY -lee ), du nom du dix-neuvième siècle physicien britannique Lord Rayleigh (John William Strutt), est essentiellement la diffusion élastique de la lumière ou un autre rayonnement électromagnétique par des particules beaucoup plus petites que la longueur d' onde de le rayonnement. Pour les fréquences lumineuses bien inférieures à la fréquence de résonance de la particule de diffusion ( régime de dispersion normal ), la quantité de diffusion est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde.

La diffusion Rayleigh résulte de la polarisabilité électrique des particules. Le champ électrique oscillant d'une onde lumineuse agit sur les charges à l'intérieur d'une particule, les faisant se déplacer à la même fréquence. La particule devient donc un petit dipôle rayonnant dont nous voyons le rayonnement comme de la lumière diffusée. Les particules peuvent être des atomes ou des molécules individuels ; il peut se produire lorsque la lumière traverse des solides et des liquides transparents, mais est surtout visible dans les gaz .

La diffusion Rayleigh de la lumière du soleil dans l'atmosphère terrestre provoque un rayonnement diffus du ciel , qui est la raison de la couleur bleue du ciel diurne et crépusculaire , ainsi que de la teinte jaunâtre à rougeâtre du soleil bas . La lumière du soleil est également soumise à la diffusion Raman , qui modifie l'état de rotation des molécules et donne lieu à des effets de polarisation .

La diffusion Rayleigh fait apparaître les nuages ​​colorés. Sur cette image, cela est dû à la diffusion de la lumière sur les particules de fumée pendant la saison des incendies de forêt 2021 au Mexique .

La diffusion par des particules d'une taille comparable ou supérieure à la longueur d'onde de la lumière est généralement traitée par la théorie de Mie , l' approximation de dipôle discret et d'autres techniques de calcul. La diffusion de Rayleigh s'applique aux particules qui sont petites par rapport aux longueurs d'onde de la lumière, et qui sont optiquement "douces" (c'est-à-dire avec un indice de réfraction proche de 1). La théorie de la diffraction anormale s'applique aux particules optiquement molles mais plus grosses.

Histoire

En 1869, alors qu'il tentait de déterminer s'il restait des contaminants dans l'air purifié qu'il utilisait pour des expériences infrarouges, John Tyndall découvrit que la lumière vive diffusée par les particules nanoscopiques était légèrement teintée de bleu. Il a conjecturé qu'une diffusion similaire de la lumière du soleil donnait au ciel sa teinte bleue , mais il ne pouvait pas expliquer la préférence pour la lumière bleue, pas plus que la poussière atmosphérique ne pouvait expliquer l'intensité de la couleur du ciel.

En 1871, Lord Rayleigh a publié deux articles sur la couleur et la polarisation de la lucarne pour quantifier l'effet de Tyndall dans les gouttelettes d'eau en termes de volumes de particules minuscules et d' indices de réfraction . En 1881, avec le bénéfice de la preuve de 1865 de James Clerk Maxwell de la nature électromagnétique de la lumière , il montra que ses équations découlaient de l'électromagnétisme. En 1899, il montra qu'ils s'appliquaient à des molécules individuelles, avec des termes contenant des volumes de particules et des indices de réfraction remplacés par des termes de polarisabilité moléculaire .

Approximation de paramètres de petite taille

La taille d'une particule diffusante est souvent paramétrée par le rapport

r est le rayon de la particule, λ est la longueur d' onde de la lumière et x est un paramètre sans dimension qui caractérise l'interaction avec le rayonnement incident de la particule telle que: Les objets avec x »1 agissent comme des formes géométriques, diffusion de la lumière en fonction de leur surface de projection. A l'intermédiaire x 1 de la diffusion de Mie , des effets d'interférence se développent par des variations de phase sur la surface de l'objet. La diffusion Rayleigh s'applique au cas où la particule diffusante est très petite (x ≪ 1, avec une taille de particule < 1/10 de longueur d'onde) et toute la surface ré-rayonne avec la même phase. Parce que les particules sont positionnées de manière aléatoire, la lumière diffusée arrive à un point particulier avec une collection aléatoire de phases ; elle est incohérente et l' intensité résultante n'est que la somme des carrés des amplitudes de chaque particule et donc proportionnelle à l'inverse de la quatrième puissance de la longueur d'onde et de la sixième puissance de sa taille. La dépendance en longueur d'onde est caractéristique de la diffusion dipolaire et la dépendance en volume s'appliquera à tout mécanisme de diffusion. Dans le détail, l'intensité I de la lumière diffusée par l' une quelconque des petites sphères de diamètre d et un indice de réfraction n à partir d' un faisceau de lumière non polarisée de longueur d' onde λ et l' intensité I 0 est donnée par

R est la distance de la particule et θ est l'angle de diffusion. La moyenne sur tous les angles donne la section efficace de diffusion de Rayleigh

La fraction de lumière diffusée par les particules de diffusion sur la longueur de parcours unitaire (par exemple, un mètre) est le nombre de particules par unité de volume N fois la section transversale. Par exemple, le principal constituant de l'atmosphère, l'azote, a une section efficace de Rayleigh de5,1 × 10 −31  m 2 à une longueur d'onde de 532 nm (feu vert). Cela signifie qu'à la pression atmosphérique, où il y a environ2 × 10 25 molécules par mètre cube, environ une fraction 10 -5 de la lumière sera diffusée pour chaque mètre de trajet.

La forte dépendance à la longueur d'onde de la diffusion (~ λ −4 ) signifie que les longueurs d'onde plus courtes ( bleues ) sont diffusées plus fortement que les longueurs d'onde plus longues ( rouges ).

De molécules

Figure montrant la plus grande proportion de lumière bleue diffusée par l'atmosphère par rapport à la lumière rouge.

L'expression ci - dessus peut également être écrit en terme de molécules individuelles en exprimant la dépendance de l' indice de réfraction en fonction de la molécule polarisabilité α , proportionnelle au moment dipolaire induit par le champ électrique de la lumière. Dans ce cas, l'intensité de diffusion Rayleigh pour une seule particule est donnée en unités CGS par

Effet des fluctuations

Lorsque la constante diélectrique d'une certaine région de volume est différente de la constante diélectrique moyenne du milieu , alors toute lumière incidente sera diffusée selon l'équation suivante

où représente la variance de la fluctuation de la constante diélectrique .

Cause de la couleur bleue du ciel

La lumière bleue diffusée est polarisée . L'image de droite est prise à travers un filtre polarisant : le polariseur transmet une lumière polarisée linéairement dans une direction spécifique.

La forte dépendance à la longueur d'onde de la diffusion (~ λ −4 ) signifie que les longueurs d'onde plus courtes (

bleues ) sont diffusées plus fortement que les longueurs d'onde plus longues ( rouges ). Cela se traduit par la lumière bleue indirecte provenant de toutes les régions du ciel. La diffusion de Rayleigh est une bonne approximation de la manière dont la diffusion de la lumière se produit au sein de divers milieux pour lesquels les particules de diffusion ont une petite taille ( paramètre ).

Une partie du faisceau de lumière provenant du soleil diffuse des molécules de gaz et d'autres petites particules dans l'atmosphère. Ici, la diffusion Rayleigh se produit principalement par l'interaction de la lumière du

soleil avec des molécules d'air situées au hasard. C'est cette lumière diffusée qui donne au ciel environnant son éclat et sa couleur. Comme indiqué précédemment, la diffusion Rayleigh est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de longueur d'onde, de sorte que la lumière violette et bleue de longueur d'onde plus courte se dispersera plus que les longueurs d'onde plus longues (lumière jaune et surtout rouge). Cependant, le Soleil, comme toute étoile, a son propre spectre et donc I 0 dans la formule de diffusion ci-dessus n'est pas constant mais tombe dans le violet. De plus, l'oxygène de l'atmosphère terrestre absorbe des longueurs d'onde à la limite de la région ultra-violette du spectre. La couleur résultante, qui ressemble à un bleu pâle, est en fait un mélange de toutes les couleurs dispersées, principalement le bleu et le vert. Inversement, en regardant vers le soleil, les couleurs qui n'ont pas été dispersées - les longueurs d'onde plus longues telles que la lumière rouge et jaune - sont directement visibles, donnant au soleil lui-même une teinte légèrement jaunâtre. Vu de l'espace, cependant, le ciel est noir et le soleil est blanc.

Le rougissement du soleil est intensifié lorsqu'il est près de l'horizon, car la lumière reçue directement de lui doit traverser une plus grande partie de l'atmosphère. L'effet est encore accru parce que la lumière du soleil doit traverser une plus grande proportion de l'atmosphère plus près de la surface de la terre, où elle est plus dense. Cela supprime une proportion importante de la lumière de longueur d'onde plus courte (bleu) et de longueur d'onde moyenne (verte) du chemin direct vers l'observateur. La lumière non diffusée restante est donc principalement de longueurs d'onde plus longues et apparaît plus rouge.

Une partie de la diffusion peut également provenir de particules de sulfate. Pendant des années après les grandes éruptions pliniennes , la dominante bleue du ciel est notamment égayée par la charge persistante de sulfate des gaz stratosphériques . Certaines œuvres de l'artiste JMW Turner peuvent devoir leurs couleurs rouges vives à l'éruption du mont Tambora de son vivant.

Dans les endroits peu pollués par la lumière , le ciel nocturne éclairé par la lune est également bleu, car le clair de lune reflète la lumière du soleil, avec une température de couleur légèrement inférieure en raison de la couleur brunâtre de la lune. Le ciel éclairé par la lune n'est cependant pas perçu comme bleu, car à faible luminosité, la vision humaine provient principalement de cellules en bâtonnets qui ne produisent aucune perception des couleurs ( effet Purkinje ).

Dans les solides amorphes

La diffusion de Rayleigh est également un mécanisme important de diffusion des ondes dans les solides amorphes tels que le verre, et est responsable de l'amortissement des ondes acoustiques et de l'amortissement des phonons dans les verres et la matière granulaire à des températures basses ou pas trop élevées.

En fibres optiques

La diffusion de Rayleigh est une composante importante de la diffusion des signaux optiques dans

les fibres optiques . Les fibres de silice sont des verres, des matériaux désordonnés avec des variations microscopiques de densité et d'indice de réfraction. Celles-ci donnent lieu à des pertes d'énergie dues à la lumière diffusée, avec le coefficient suivant :

n est l'indice de réfraction, p est le coefficient photoélastique du verre, k est la constante de Boltzmann , et β est la compressibilité isotherme. T f est une température fictive , représentant la température à laquelle les fluctuations de densité sont "gelées" dans le matériau.

En matériaux poreux

Diffusion de Rayleigh dans du verre opalescent : il apparaît bleu de côté, mais la lumière orange brille à travers.

La diffusion λ -4 de type Rayleigh peut également être présentée par des matériaux poreux. Un exemple est la forte diffusion optique par les matériaux nanoporeux. Le fort contraste d'indice de réfraction entre les pores et les parties solides de l' alumine frittée entraîne une très forte diffusion, la lumière changeant complètement de direction tous les cinq micromètres en moyenne. La diffusion de type λ -4 est causée par la structure nanoporeuse (une distribution de taille de pores étroite autour de ~ 70 nm) obtenue par frittage de poudre d'alumine monodispersive.

Voir également

Travaux

  • Strutt, JW (1871). "XV. Sur la lumière du ciel, sa polarisation et sa couleur". The London, Edinburgh et Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 41 (271) : 107-120. doi : 10.1080/14786447108640452 .
  • Strutt, JW (1871). "XXXVI. Sur la lumière du ciel, sa polarisation et sa couleur". The London, Edinburgh et Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 41 (273) : 274-279. doi : 10.1080/14786447108640479 .
  • Strutt, JW (1871). "LVIII. Sur la diffusion de la lumière par de petites particules". The London, Edinburgh et Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 41 (275) : 447-454. doi : 10.1080/14786447108640507 .
  • Rayleigh, seigneur (1881). "X. Sur la théorie électromagnétique de la lumière" . The London, Edinburgh et Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 12 (73) : 81-101. doi : 10.1080/14786448108627074 .
  • Rayleigh, seigneur (1899). "XXXIV. Sur la transmission de la lumière à travers une atmosphère contenant de petites particules en suspension, et sur l'origine du bleu du ciel" . The London, Edinburgh et Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 47 (287) : 375-384. doi : 10.1080/14786449908621276 .

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes