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Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques



  1. #1
    Super Billy

    Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques


    ------

    J'ai lu certaines discussions traitant de ce sujet (beaucoup sur la transparence) mais certaines de mes questions demeurent. Voici ce que j'ai pu comprendre ainsi que les aspects plus nébuleux:

    1- J'ai de la difficulté à intégrer les modèles quantique et classique. Le photon peut transmettre son énergie aux électrons si cette dernière correspond à un gap d'énergie de l'électron (le photon est donc absorbé). Si ce n'est pas le cas, le photon n'interragit pas et la matière est transparente à cette longueur d'onde. Dans le modèle classique, la tranparence est due au fait que l'onde fait vibrer le dipôle (atome, molécule), et celui-ci émet une nouvelle onde et ainsi de suite. Quest-ce qui explique que certaines longueurs d'onde ne peuvent pas faire vibrer la molécule (Parle-t-on de fréquence de résonnance du dipôle?..). Cette difficulté à faire vibrer les atomes explique-t-elle l'impossibilté de traverser le milieu (les deux milieux peuvent-donc être traités comme deux milieux d'impédance différente)? Comment explique-t-on dans la théorie classique l'opacité et les couleurs des matières (certaines longueurs d'onde sont absorbées et d'autres sont réémises).

    2- Milieu transparent: dans l'explication classique, l'onde excite le dipôle. Dans l'explication quantique, le photon n'excite pas les atomes (l'énergie hv ne correspond pas à un gap et donc il ne peut pas y avoir de transfert d'énergie). Que ce passe-t-il vraiment?

    3-Je n'ai pas vraiment entendu parler de la structure de la matière mais je me demandais quel effet celle-ci peut avoir sur les capacités d'absorption, de réflexion et de transmission de la lumière (je considère l'exemple de la structure cristalline du verre par rapport à d'autres formes que peut prendre la silice).

    4- Voici certains exemples qui font intervenir l'interaction matière-onde EM et dont l'explication pourrait éclaircir bien des questions:
    -L'eau semble transparente à la lumière, mais passé une certaine profondeur il ne reste que du bleu et finalement très creux il fait noir (notion de "skin depth" (distance de pénétration) dont je sais faire les calculs...mais je ne comprends ce qui se passe physiquement. Ça valeur ne dépend même pas de la longueur d'onde...)
    - Une pièce de verre peut être tranparente pour les rayons visibles, et les rayons gamma (par exemple), mais pas pour les rayons UV et autres.
    -Pourquoi les rayons très énergétiques traversent tout. Ne peuvent-ils pas ioniser des électrons en leur donnant une énergie cinétique fabuleuse. Je crois tout de même que le rayon gamma interragit avec la matière (ce n'est pas très bon de se faire bombarder de tels rayons...), mais ils passent à travers quand même. Que ce passe-til exactement?

    Désolé pour le nombre de questions, mais j'aimerais bien y voir plus clair.
    Merci,
    Bill

    -----

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  3. #2
    deep_turtle

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Salut,

    Ce sont effectivement des questions subtiles... Je n'ai pas de réponse définitive à tout ça, je te propose juste quelques remarques pour lancer la discussion...

    2- Milieu transparent: dans l'explication classique, l'onde excite le dipôle. Dans l'explication quantique, le photon n'excite pas les atomes (l'énergie hv ne correspond pas à un gap et donc il ne peut pas y avoir de transfert d'énergie). Que ce passe-t-il vraiment?
    Dans l'explication classique, l'onde excite le dipôle, certes, et on pourrait penser que du coup elle perd de l'énergie. En fait il n'en est rien car le dipôle réémet de l'énergie, et l'émission ne se fait de façon constructive que dans la direction de départ... Du point de vue quantique, je dirais (mais je n'en suis pas sûr) que cela correspond à une interaction entre un photon et un électron au cours de laquelle le photon repart dans l'état final dans la même direction que sa direction initiale, si bien que l'électron ne gagne ni ne perd d'énergie au total. Il y a juste un déphasage de la fonction d'onde décrivant le photon.

    -L'eau semble transparente à la lumière, mais passé une certaine profondeur il ne reste que du bleu et finalement très creux il fait noir (notion de "skin depth" (distance de pénétration) dont je sais faire les calculs...mais je ne comprends ce qui se passe physiquement. Ça valeur ne dépend même pas de la longueur d'onde...)
    C'est assez dissocié de ce dont tu parles avant. Ce phénomène est juste dû au fait que la lumière est absorbée par le milieu, cette absorption étant causée par la diffusion et étant plus importante pour les grandes longueurs d'ondes (la couleur rouge est plus diffusée). Ainsi, à une profondeur pas trop grande la plupart du rouge est absorbée et la lumière qui reste apparait bleue. Plus profond, tout est absorbé et c'est noir...

  4. #3
    Super Billy

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Merci Deep Turtle.
    J'avoue que le point sur l'eau était plus ou moins relié au reste mais je voulais simplement m'assurer de bien comprendre ce qui se passait.

    Pour ce qui est du point 1. J'ai lu des notes de cours qui expliquent que le photon peut être absorbé par un électron même si son énergie ne correspond pas à un gap (si hv est plus petit que le plus petit gap, l'énergie est transférée à l'atome). Cela vient brouiller les cartes puisqu'il me semble que ce soit incompatible avec l'explication en 1 de la transparence pour certaines longueurs d'onde. Que se passe-t-il?...

    Je comprends qu'il y a plusieurs questions mais j'apprécierais tout apport à un point ou plusieurs.
    Merci,
    Billy

  5. #4
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Super Billy
    1- J'ai de la difficulté à intégrer les modèles quantique et classique. Le photon peut transmettre son énergie aux électrons si cette dernière correspond à un gap d'énergie de l'électron (le photon est donc absorbé). Si ce n'est pas le cas, le photon n'interragit pas et la matière est transparente à cette longueur d'onde. Dans le modèle classique, la tranparence est due au fait que l'onde fait vibrer le dipôle (atome, molécule), et celui-ci émet une nouvelle onde et ainsi de suite. Quest-ce qui explique que certaines longueurs d'onde ne peuvent pas faire vibrer la molécule (Parle-t-on de fréquence de résonnance du dipôle?..). Cette difficulté à faire vibrer les atomes explique-t-elle l'impossibilté de traverser le milieu (les deux milieux peuvent-donc être traités comme deux milieux d'impédance différente)? Comment explique-t-on dans la théorie classique l'opacité et les couleurs des matières (certaines longueurs d'onde sont absorbées et d'autres sont réémises).
    Bon, je vais essayer de répondre dans l'ordre... Il y a deux types d'interactions: les réactions d'absorption, où le photon disparaît, et les collisions, où on retrouve le photon à la fin. Ce sont deux processus physiques bien distincts, et pour chacun de ces deux processus, on peut élaborer une théorie classique et une théorie quantique. Pour ce qui est des processus d'absorption, je ne suis pas très familier avec les théories classiques, et de toute façon leur succès doit être très limité comme tu peux le comprendre, puisque les niveaux d'énergie de l'atome ou de la molécule entrent en jeu, et ça c'est vraiment de la physique quantique. Pour ce qui est des processus de collision, il y a certaines approximations dans lesquelles la théorie quantique et la théorie classique donnent les mêmes résultats: la diffusion Thomson (orthographe??) qui est la collision élastique d'un photon de basse énergie avec un électron libre, et la diffusion Rayleigh qui est valable pour un photon de grande longueur d'onde (je crois...) et où seul intervient le moment dipolaire de la molécule, et non sa structure électronique précise.

    Les deux processus, absorption et collision, limitent tous deux la transparence du milieu: dans le premier, le photon disparaît, dans le second, il est dévié dans une autre direction.

    Dans le processus d'absorption, le photon change l'état électronique de la molécule, qui passe dans un état excité, et elle finit toujours par le réémettre après un temps plus ou moins long. Donc on pourrait dire en définitive que ça revient au même que le processus de collision. La différence, c'est que les photons qui entrent en jeu ont des longueurs d'onde bien précises. Oui, on peut parler de fréquences de résonance de la molécule. Oui aussi, les longueurs d'onde qui ne font pas vibrer la molécule sont celles pour lesquelles le milieu est transparent.

    Bon je finirai une autre fois...

  6. A voir en vidéo sur Futura
  7. #5
    vanos

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par deep_turtle

    je dirais (mais je n'en suis pas sûr) que cela correspond à une interaction entre un photon et un électron au cours de laquelle le photon repart dans l'état final dans la même direction que sa direction initiale
    Ce phénomène est juste dû au fait que la lumière est absorbée par le milieu, cette absorption étant causée par la diffusion et étant plus importante pour les grandes longueurs d'ondes (la couleur rouge est plus diffusée). Ainsi, à une profondeur pas trop grande la plupart du rouge est absorbée et la lumière qui reste apparait bleue. Plus profond, tout est absorbé et c'est noir...
    Bonjour,
    Premier point.
    Quand un électron absorbe un photon ce dernier doit avoir une energie bien précise, l'éléctron saute alors à un niveau supérieur et quand cet électron revient à son niveau initial un photon de même énergie est émis mais presque jamais dans la même direction. Ce phénomène provoque les raies d'absorbtion, bien connues de tous les astronomes. C'est aussi quand on exicite de la matière avec de l'énergie que l'on obtient des raies d'émission qui sont des photons d'énergie bien caractéristique. Cela permet d'identifier la matière des étoiles, ce comme cela que l'hélium fut découvert sur le Soleil avant de l'être sur Terre.
    Deuxième point.
    Si le rouge est le plus absorbé, pourquoi le Soleil rougit-il quand il est bas sur l'horizon, pourquoi aussi les télescopes IR voient-ils ce qu'on on ne voit pas en lumière visible dans les nuages sombres de l'Univers.
    Connais toi toi-même (Devise de Socrate inspiré par Thalès)

  8. #6
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Super Billy
    -Pourquoi les rayons très énergétiques traversent tout. Ne peuvent-ils pas ioniser des électrons en leur donnant une énergie cinétique fabuleuse. Je crois tout de même que le rayon gamma interragit avec la matière (ce n'est pas très bon de se faire bombarder de tels rayons...), mais ils passent à travers quand même. Que ce passe-til exactement?
    Voici au moins une question facile... L'effet photoélectrique, dans lequel le photon disparait et transmet toute son énergie a un electron qui est éjecté de l'atome, devient de moins en moins probable au fur et a mesure que l'énergie augmente. En pratique, il devient négligeable lorsque l'énergie du rayonnement devient beaucoup plus grande que l'énergie d'ionisation: si l'énergie qui relie l'électron a l'atome est tres petite par rapport a celle du rayonnement incident, celui-ci "voit" les électrons comme s'ils étaient libres de tout contexte. Le seul processus possible est alors l'effet Compton (les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie interdisent en effet l'absorption d'un photon par un electron isolé), c'est a dire une collision entre le photon et l'électron. Le photon repart avec une énergie moindre, mais il peut encore traverser de la matière et provoquer d'autres collisions avant de disparaitre. Si son énergie est vraiment très grande, il y a un troisième processus qui entre en jeu, apres l'effet photoélectrique et l'effet Compton, qui est la "création de paire" électron-positon: le photon disparait a nouveau. Enfin, il ne faut pas perdre de vue que lorsqu'on dit qu'un "rayonnement" (je mets des guillemets car on désigne souvent sous le meme terme des particules chargées, par exemple des protons dans les "rayons cosmiques" ) traverse la matière, il change souvent de nature en cours de route: un photon de très haute énergie crée une paire qui a son tour se propage, par exemple.

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  10. #7
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Super Billy
    Je n'ai pas vraiment entendu parler de la structure de la matière mais je me demandais quel effet celle-ci peut avoir sur les capacités d'absorption, de réflexion et de transmission de la lumière (je considère l'exemple de la structure cristalline du verre par rapport à d'autres formes que peut prendre la silice).
    Bill
    Tu veux dire l'influence de la facon dont sont assemblés les atomes et les molécules? C'est surement une question tres complexe et je ne suis pas spécialiste, mais il y a au moins un exemple ou on peut comprendre l'effet de la structure dans le cadre de la physique classique, c'est celui des métaux: les électrons dits de "conduction" passent d'un atome a l'autre et rendent le métal conducteur. Du fait qu'il est conducteur, il devient opaque a la lumiere: celle-ci ne pénetre que sur une faible épaisseur (c'est l'effet "de peau"), qui dépend de la longueur d'onde et de la conductivité du métal. Sur cette épaisseur, elle perd un peu de son énergie par effet Joule, mais la plus grande fraction de l'énergie est réfléchie: on se voit dedans

    Et le verre n'a pas du tout une structure cristalline, qui est un assemblage régulier d'atomes! Le verre est au contraire le type meme du solide désordonné.

  11. #8
    deep_turtle

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par vanos
    Bonjour,
    Premier point.
    Quand un électron absorbe un photon ce dernier doit avoir une energie bien précise, l'éléctron saute alors à un niveau supérieur et quand cet électron revient à son niveau initial un photon de même énergie est émis mais presque jamais dans la même direction. Ce phénomène provoque les raies d'absorbtion, bien connues de tous les astronomes. C'est aussi quand on exicite de la matière avec de l'énergie que l'on obtient des raies d'émission qui sont des photons d'énergie bien caractéristique. Cela permet d'identifier la matière des étoiles, ce comme cela que l'hélium fut découvert sur le Soleil avant de l'être sur Terre.
    Tu raisonnes en termes d'absorption, ce qui à mon avis (?) est un erreur dans le contexte de la propagation du photon dans un milieu. Les processus virtuels (qui eux n'ont pas à obéir à la conservation que tu mentionnes) jouent vraisemblablement un rôle important dans la propagation du photon dans le milieu, dans ses interactions avec les atomes du milieu. Précisément, dans un milieu transparent, le fait que les niveaux disponibles pour un électron soient occupés empêche l'absorption que tu mentionnes ! (alors que dans les gaz diffus, comme les atmosphères stellaires, ce n'est pas le cas et la lumière est effectivement absorbée par raies). Maintenant, il n'est pas clair pour moi quel processus quantique joue le rôle dominant dans la propagation dans un milieu comme le verre. En comparant au cas classique, j'aurais tendance à (re)dire que ce sont bien les interactions dans lesquelles le photon est réémis dans la même direction. Je suis d'accord avec toi avec le fait que celles-ci sont très minoritaires, mais les autres s'annulent par interférence destructive et ne jouent finalement quasiment aucun rôle, malgré le fait qu'elles sont bien plus probables !

    Citation Envoyé par vanos
    Si le rouge est le plus absorbé, pourquoi le Soleil rougit-il quand il est bas sur l'horizon, pourquoi aussi les télescopes IR voient-ils ce qu'on on ne voit pas en lumière visible dans les nuages sombres de l'Univers.
    Tu as raison mon explication se prend les pieds dans le tapis de façon lamentable... Le bleu est plus diffusé que le rouge, et donc la lumière diffuse dans l'eau est bleutée... Je n'aurais pas dû employer le terme d'absorption, merci de me corriger.

  12. #9
    Super Billy

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Merci pour les réponses à bien des questions.

    Pour ce qui est de la couleur bleue dans l'eau je croyais que (comme Deep Turtle disait auparavant) les plus grandes longueurs d'onde étaient absorbées par l'eau alors que le bleu se rendait plus loin. J'aimerais bien savoir ce qui se passe exactement. Si je comprends bien, le bleu est la longueur d'onde la plus diffusée et donc tout est bleu. Les autres longueurs d'ondes sont-elles absorbées (un photon est réémit de toute façon)?...J'aimerais bien voir clairement ce qui se passe au photons qui ne passent pas.
    Pourquoi ne peut-on pas parler d'absorption dans le contexte de la propagation d'un photon dans un milieu (qu'est-ce qui justifie la différenciation entre la transparence d'un nuage et d'un autre milieu?).

    J'aimerais également être certain de ce que j'affirmais dans mon deuxième message voulant qu'un photon peut être absorbé par un électron même si son énergie ne correspond pas à un gap (si hv est plus petit que le plus petit gap, l'énergie est transférée à l'atome).
    De plus, un ami (assez calé en physique...) m'affirme qu'un photon dont l'énergie et plus grande que le gap entre deux niveaux peut transférer sont énergie à l'électron, ce dernier cédant l'excédant d'énergie à l'atome sous forme d'énergie cinétique. Même si seulement le premier point est vrai, cela ne vient-il pas contredire le fait que la matière est transparente pour les longueurs d'ondes ne correspondant pas à un gap (et ne pouvant ainsi supposément pas interragir avec les électrons).

    En tout cas, je me suis peut-être un peu égaré dans mes commentaires, mais ça me semblait être un problème si simple en surface... Je vais devoir tout relire à tête froide demain et voir si je peux faire le ménage dans mes idées.

    Merci,
    Bill

  13. #10
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Super Billy
    Pour ce qui est de la couleur bleue dans l'eau je croyais que (comme Deep Turtle disait auparavant) les plus grandes longueurs d'onde étaient absorbées par l'eau alors que le bleu se rendait plus loin. J'aimerais bien savoir ce qui se passe exactement. Si je comprends bien, le bleu est la longueur d'onde la plus diffusée et donc tout est bleu.
    Je me demande s'il n'y a pas une confusion entre deux bleus... le bleu du ciel, il est effectivement dû au fait que la lumière bleue est davantage diffusée par l'atmosphère, et repart dans toutes les directions. Par contre, pour l'eau c'est bien de l'absorption qu'il s'agit. Le spectre d'absorption de l'eau en fonction de la longueur d'onde se trouve dans les livres d'électromagnétisme (par exemple celui de Jackson) et il y a un minimum d'absorption très pointu dans le spectre du visible : les infrarouges et les ultraviolets ne passent pas du tout, l'eau n'est transparente très précisément que pour la lumiére visible.

    Quant à la question de savoir ce que devient la lumière absorbée... j'aurais tendance à penser qu'elle finit par se convertir en énergie cinétique qui chauffe l'eau... Les mécanismes précis c'est sûrement pas simple...

  14. #11
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Super Billy
    J'aimerais également être certain de ce que j'affirmais dans mon deuxième message voulant qu'un photon peut être absorbé par un électron même si son énergie ne correspond pas à un gap (si hv est plus petit que le plus petit gap, l'énergie est transférée à l'atome).
    De plus, un ami (assez calé en physique...) m'affirme qu'un photon dont l'énergie et plus grande que le gap entre deux niveaux peut transférer sont énergie à l'électron, ce dernier cédant l'excédant d'énergie à l'atome sous forme d'énergie cinétique. Même si seulement le premier point est vrai, cela ne vient-il pas contredire le fait que la matière est transparente pour les longueurs d'ondes ne correspondant pas à un gap (et ne pouvant ainsi supposément pas interragir avec les électrons).
    Si l'atome est dans son état fondamental, celui de plus basse énergie, alors il ne peut pas absorber un photon sous forme d'énergie cinétique, c'est interdit par les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie. Il n'y a, à mon sens, absolument aucun doute là-dessus... Le photon peut à la rigueur faire une collision élastique avec l'atome, auquel cas il peut avoir une énergie aussi petite qu'il veut, mais il y a un photon qui repart: c'est ça la diffusion, par opposition avec l'absorption.

  15. #12
    deep_turtle

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Super Billy
    De plus, un ami (assez calé en physique...) m'affirme qu'un photon dont l'énergie et plus grande que le gap entre deux niveaux peut transférer sont énergie à l'électron, ce dernier cédant l'excédant d'énergie à l'atome sous forme d'énergie cinétique.
    oui c'est vrai, mais il y a différents cas de matériaux et il faut un peu les séparer pour ne pas mélanger. Dans les matériaux transparents tels les cristaux de quartz, les diamants, ou les verres, les niveaux d'énergie forment plusieurs continuums séparés par des "gaps", les niveaux situés en-dessous étant remplis d'électrons, ceux au-dessus étant vides. L'énergie qu'il faut pour passer le gap est bien plus grande en général que celle des photons optiques.

    Citation Envoyé par Super Billy
    Même si seulement le premier point est vrai, cela ne vient-il pas contredire le fait que la matière est transparente pour les longueurs d'ondes ne correspondant pas à un gap (et ne pouvant ainsi supposément pas interragir avec les électrons).
    Attention, "transparent" ne veut pas dire que les photons n'interagissent pas avec les électrons ! Dans les milieux transparents cette interaction existe et elle est même fondamentale, c'est elle qui explique que ces milieux ont un indice différent de l'unité, qui fait que la vitesse de la lumière dans le milieu est plus petite que dans le vide !

    Citation Envoyé par j.yves
    Le spectre d'absorption de l'eau en fonction de la longueur d'onde se trouve dans les livres d'électromagnétisme (par exemple celui de Jackson) et il y a un minimum d'absorption très pointu dans le spectre du visible : les infrarouges et les ultraviolets ne passent pas du tout, l'eau n'est transparente très précisément que pour la lumiére visible.
    Je n'ai pas le Jackson sous les yeux, l'eau absorbe plus le rouge que le bleu ?

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  17. #13
    Lambda0

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Absorption des grandes longueurs d'onde : il peut s'agir aussi
    de transitions entre des niveaux d'énergie rotationnels.

    Un photon peut interagir avec la matière suivant trois processus :
    - absorption
    - émission spontanée
    - émission induite
    Pour un matériau et des conditions données, l'importance relative de ces processus est contenue dans les coefficients d'Einstein, qui correspondent en fait à des sections efficaces d'interaction, que l'on calcule par la MQ. Le traitement correct de l'émission induite (effet laser) passe nécessairement par la MQ, même si on utilise souvent des modèles hybrides semi-classiques (on traite le milieu par la MQ et le champ incident par la théorie EM).
    La propagation dans un milieu actif est un problème complexe,qui dépend de chaque matériau, dans lequel entrent en compétition des transitions entre plusieurs niveaux d'énergie, des phénomènes non linéaires à 2 ou 3 photons, etc...
    Et même dans un milieu passif et à des niveaux de puissance relativement faibles, on peut être très gêné par les effets non-linéaires : ceux-ci ne sont absolument pas négligeables dans les fibres optiques, du fait de la distance de propagation.
    On observe des générations de 2ème harmonique, 3ème harmonique (effet Kerr), des rotations de polarisation, etc.
    Il n'y a pas tant de théoriciens qui ont une vue d'ensemble de toutcelà, et la seule connaissance des phénomènes fondamentaux ne permetpas en pratique de comprendre ce qu'on observe.

    Je rajouterais également à tout ce qui précède une propriété très importante du champ, dont il faut tenir compte : la cohérence spatiale et temporelle.
    En réalité, que ce soit dans la matière ou dans le vide, le champ EM doit être considéré comme une variable aléatoire, dont les propriétés statistiques sont décrites dans une grandeur appelée fonction de cohérence mutuelle.
    La cohérence du champ dépend du processus d'émission, et on peut montrer que cette cohérence obéit également à une équation de propagation.
    Reste maintenant à interpréter quantiquement la propagation de la cohérence mutuelle dans la matière, dans un milieu passif ou actif.

    Héhé, on croyait comprendre ce qu'était la lumière en écrivant les équations de Maxwell et en comptant les photons...

    Bon, voilà. Maintenant que j'ai bien ajouté à la confusion, je vous souhaite une bonne journée.
    Si quelqu'un a compris ce qu'est la lumière, et plus particulièrement la lumière dans la matière, je suis vivement intéressé, et je suis ces discussions avec intérêt, même si je n'ai pas beaucoup de temps pour intervenir.

    A+

  18. #14
    deep_turtle

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Je pense que cette discussion va être intéressante... Juste pour apporter un élément qui n'a pas été évoqué, une autre difficulté qui apparait lorsqu'on assimile la lumière à une assemblée de photons, c'est que ces photons ne sont pas indépendants en général (ça rejoint ce que tu dis Lambda0), mais même leur nombre n'est pas fixé ! Le plus proche qu'on puisse faire d'une onde "classique" (qui a une phase bien définie, cette même phase qu'on utilise quand on fait des calculs d'interférence ou de diffraction) avec des photons, ça s'appelle des états cohérents, qui est une superposition d'états contenant un nombre différent de photons. Il y a une sorte de relation d'incertitude intéressante et peu connue (je sais, je radote, pour ceux qui m'ont déjà lu écrire ça...), entre la phase de l'onde et le nombre de photons présents :



    Mieux la phase est définie, moins bien le nombre de photons l'est...

    Je continue de réfléchir sur la vision quantique de la propagation dans un milieu transparent...

  19. #15
    humanino

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Je n'ai pas réussi à trouver de réference sur internet. Je crois me souvenir pourtant de qui se réduit à pour un petit angle. Je suis troublé, parce qu'écrit sous la forme cette formule suggère fortement une analogie avec la mécanique classique et les variables "actions/angles" qui sont fondamentales (elles sous tendent le tore de KAM par exemple). J'aurais pourtant préferé que fût fondamentale. Me trompe-je ?
    "Puisque toute ces choses nous depassent, feignons de les avoir organisees"

  20. #16
    invite73192618

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Bonjour,

    HS complet, désolé..

    Citation Envoyé par j.yves
    l'eau n'est transparente très précisément que pour la lumiére visible.
    C'est vrai ça? Si oui ça donne une jolie "explication" à la sensibilité de nos rétines!

    HS_fin

  21. #17
    Lambda0

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Rep Deep_turtle, humanino

    Effectivement.
    Il est connu, en particulier par les spécialistes des lasers, que l'opérateur associé à l'intensité ne commute pas avec l'opérateur associé à la phase, d'où cette relation.
    Le bruit quantique standard (bruit de grenaille) est défini à partir des propriétés des états cohérents.

  22. #18
    vanos

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par j.yves
    l'eau n'est transparente très précisément que pour la lumiére visible.
    Salut,
    Et aussi certaines ondes radio de très basse fréquence. Elle sont utilisées par les sous-marins nucléaires porte-missiles. Ceux-ci traînent derrière eux un fin câble métalique de plusieurs kilomètres de long qui sert d'antenne. Cela leur permet de communiquer avec leur base sans se rapprocher de la surface qui trahirait leur présence, ce qui est important en cas de crise internationale.
    Ciao.
    Connais toi toi-même (Devise de Socrate inspiré par Thalès)

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  24. #19
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par deep_turtle
    Je n'ai pas le Jackson sous les yeux, l'eau absorbe plus le rouge que le bleu ?
    Oui apparemment. Je ne sais pas a quelle couleur correspond exactement le minimum d'absorption... Pour corriger ce que je disais tout a l'heure, si la mer est bleue c'est bien parce que le ciel qui est bleu se reflete dedans... mais le bleu qu'on voit quand on plonge c'est a cause du reste qui est absorbe

  25. #20
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Gamma
    C'est vrai ça? Si oui ça donne une jolie "explication" à la sensibilité de nos rétines!
    oui, la longueur de pénétration augmente d'un facteur au moins 10 millions dans le visible par rapport à ce qu'elle est dans l'infrarouge et l'ultraviolet. Les conséquences biologiques potentielles sont nombreuses, pas seulement sur l'oeil mais aussi sur les longueurs d'onde impliquees dans la photosynthese. Je ne connais pas le point de vue des biologistes sur la question.

  26. #21
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par vanos
    Et aussi certaines ondes radio de très basse fréquence.
    Merci pour cette précision. Effectivement, les longueurs de pénétration deviennent aussi grandes que dans le visible voire plus pour des longueurs d'onde supérieures au mètre. Je pense que dans ce domaine de longueur d'onde, ce sont surtout les propriétés de conduction du courant qui comptent (les isolants laissent passer les basses fréquences), et la composition chimique de l'eau doit entrer en jeu, suivant qu'elle est salée ou non!

  27. #22
    j.yves

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par Lambda0
    Un photon peut interagir avec la matière suivant trois processus :
    - absorption
    - émission spontanée
    - émission induite

    La propagation dans un milieu actif est un problème complexe,qui dépend de chaque matériau, dans lequel entrent en compétition des transitions entre plusieurs niveaux d'énergie, des phénomènes non linéaires à 2 ou 3 photons, etc...
    Et même dans un milieu passif et à des niveaux de puissance relativement faibles, on peut être très gêné par les effets non-linéaires : ceux-ci ne sont absolument pas négligeables dans les fibres optiques, du fait de la distance de propagation.
    On observe des générations de 2ème harmonique, 3ème harmonique (effet Kerr), des rotations de polarisation, etc.
    Il n'y a pas tant de théoriciens qui ont une vue d'ensemble de toutcelà, et la seule connaissance des phénomènes fondamentaux ne permetpas en pratique de comprendre ce qu'on observe.
    Merci pour ces precisions... Comme le disait l'initiateur de la discussion, il y a d'une part l'interaction de la lumiere avec des atomes ou des molecules isolees (ou interviennent les trois processus ci-dessus, auxquels je rajouterais egalement les collisions?), et d'autre part l'interaction avec un milieu dense qui est beaucoup plus complexe, d'une part a cause des proprietes du milieu lui-meme, d'autre part parce que les interactions de la lumiere avec deux atomes successifs interferent.

    Il me semble quand meme que tous les aspects non-lineaires peuvent etre negliges pour des lumieres d'intensites suffisamment faibles?

  28. #23
    Agel

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Salut,

    Citation Envoyé par Lambda0
    Si quelqu'un a compris ce qu'est la lumière, et plus particulièrement la lumière dans la matière, je suis vivement intéressé, et je suis ces discussions avec intérêt, même si je n'ai pas beaucoup de temps pour intervenir.
    L'effet lumière peut-il exister en dehors de la matière ? Non puisque l'onde EM pour "être visible" a besoin d'un support matériel, en premier lieu œil, est tous les objets qu'elle rend visibles en se reflétant de façon plus ou moins dispersive. Ces ondes du visible comme toutes les ondes, sont créées par un mouvement d'électron(s), cependant, cette onde ne peut exister que dans un milieu vide de matière ionique. Cela sous-entend que "ce même vide" est aussi présent dans le volume de la matière atomique tout autant que dans celui de l'univers. L'onde quelle quelle soit peut, avec des variantes qui dépendent de son énergie, traverser pratiquement tous les matériaux jusqu au plus lourd plomb à faible ou moyenne épaisseur. On peut donc concevoir que l'onde qui pénètre un milieu sera, en fonction de ses propres caractéristiques et de celles du milieu (qu il soit transparent ou opaque) emprunte, plus ou moins ralentie, réfléchie, réfractée absorbée…

    La particularité de l'onde lumineuse, c'est que l'on perçoit ses effets. La surface plane et polie d'un miroir produit un reflet parfait, celui-ci, si la surface est rugueuse, est réfracté et plus ou moins absorbé et se transforme en énergie calorifique. Cette énergie calorifique n'étant autre qu'un rayonnement d'une fréquence dans les IR. On peut ainsi remarquer que tout corps éclairer se comporte comme un changeur de fréquences qui restitue dans le spectre des infrarouges, l'énergie absorbée dans le spectre du visible et autres.

    "Quand les mystères sont très malins, ils se cachent dans la lumière."
    Giono (Jean),

  29. #24
    deep_turtle

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    L'effet lumière peut-il exister en dehors de la matière ?
    Et comment expliques-tu que la lumière du soleil arrive jusqu'à la Terre, en traversant toute cette étendue de vide ?

  30. Publicité
  31. #25
    Agel

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par deep_turtle
    Et comment expliques-tu que la lumière du soleil arrive jusqu'à la Terre, en traversant toute cette étendue de vide ?
    La lumière du soleil nous parvient, en empruntant le milieu qui compose et qui est donc l'univers.

    Mais comme ce milieu est dépourvu de matière ionique ou atomique, l'onde EM en provenance de l'astre du jour ne rencontre aucun atome et/ou électron sur qui interagir. Ce voyage s'accomplit donc dans un noir total et sans la moindre perte d'énergie autre que la dilution spatiale de la quantité de celle-ci.

    J'entends donc par effet lumière, simplement les actions du rayonnement visible, effets qui ne peuvent se produire que sur la matière baryonnique.

  32. #26
    vanos

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Bonsoir,
    Je vous propose un petit test. La fumée de cigarette est-elle bleue ? Oui car le bleu est plus diffusé par elle. Mais si vous faites passer la fumée entre une source lumineuse assez puissante et vous, sans autre source de lumière, vous verrez la fumée de couleur rouge sang.
    Ce qui prouve par l'expérience que c'est le rouge qui passe le mieux.
    Bye.

    P.S. Je suis non-fumeur.
    Connais toi toi-même (Devise de Socrate inspiré par Thalès)

  33. #27
    Coincoin

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Salut,
    C'est normal... Si c'est le bleu qui est diffusé, c'est le rouge qui traverse le mieux. C'est la même chose avec le ciel qui est bleu, et le Soleil qui est rouge (et ce d'autant plus que la lumière solaire a traversé une grande épaisseur d'atmosphère et a "perdu en bleu"...)
    Encore une victoire de Canard !

  34. #28
    Lambda0

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Citation Envoyé par j.yves
    Il me semble quand meme que tous les aspects non-lineaires peuvent etre negliges pour des lumieres d'intensites suffisamment faibles?
    En général oui, mais beaucoup de dispositifs technologiques manifestent des comportements essentiellements non linéaires. A commencer par les lasers. Et dans les fibres optiques, on observe toutes sortes d'effets non-linéaires dûs à la distance de propagation, même pour des faibles puissances.
    D'un autre côté, cette distinction entre linéaire/non linéaire provient d'une façon particulière d'écrire les développements limités, sur une base de monomes...

    Rep diverses interventions sur le ciel bleu
    La diffusion Rayleigh varie comme la puissance 4 de la longueur d'onde. Donc lambda=800nm (rouge lointain) est 16 fois moins diffusé que lambda=400nm (bleu). Mais il ne s'agit là que de la diffusion par les molécules.
    En réalité, la diffusion atmosphérique est beaucoup plus complexe, et la diffusion Rayleigh entre en compétition avec la diffusion par des particules diverses, phénomènes plus ou moins bien compris et décrit par une grande variété de modèles phénoménologiques.
    On connait quand même quelques modèles rigoureux, comme la théorie de Mie.


    Rep Agel
    Merci pour la tentative.
    Le langage est un peu confus (je ne sais pas ce qu'on entend par "effet lumière"), mais il s'agit globalement de l'interprétation électromagnétique, qui ne pose plus trop de problèmes.
    Néanmoins, même en se limitant à la description EM, il faut ajouter les notions de cohérence spatiale, temporelle, et de polarisation, pour comprendre la propagation de la lumière : même classiquement, le champ EM est une variable aléatoire, et la "simplicité" apparente des équations de Maxwell est trompeuse.

    Mes interrogations portaient surtout sur l'interprétation quantique de la propagation de la cohérence spatiale dans un milieu matériel (passif!), mais celà n'a pas l'air d'inspirer grand monde...

    A+

  35. #29
    deep_turtle

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Mes interrogations portaient surtout sur l'interprétation quantique de la propagation de la cohérence spatiale dans un milieu matériel (passif!), mais celà n'a pas l'air d'inspirer grand monde...
    Si si !!! Moi ça m'inspire, c'est juste que ça prend un peu de temps de comprendre le truc de façon claire... En fait, ce qui me bloque pour le moment ce n'est pas tant l'aspect quantique de la lumière, mais celui des électrons. PLus précisément, je réfléchis en ce moment à la question suivante : comment le principe de Pauli "bloque"-t-il les interactions de la lumière avec les émectrons dans un matériau transparent passif...

  36. #30
    deep_turtle

    Re : Interaction entre la matière et les ondes électromagnétiques

    Bon, je crois que j'ai finalement débroussaillé mon cerveau, grâce à un petit séjour à la bibli... Il me semble clair que pour comprendre la propagation d'une onde électromagnétique dans un diélectrique transparent, l'existence d'un gap en énergie dans les bandes de niveau ne joue aucun rôle, et le principe d'exclusion non plus... Je m'explique :

    La théorie classique de l'électron lié, ainsi que le traitement quantique d'une onde classique sur un électron traité quantiquement, donnent le même résultat : l'onde incidente induit une distribution de moment dipolaire dans le milieu, qui est responsable d'une onde secondaire. L'onde totale dans le milieu (onde incidente + onde secondaire) va moins vite que c... Les détails se trouvent notamment dans le complément AXIII du Cohen-Tannoudji, tome 2, pages 1309-1312. Il est montré notamment comment l'onde incidente transforme les états propres d'un électron dans un atome en une superposition d'états d'énergie différente (plus un état stationnaire donc)., ce qui se traduit au niveau de la proba de présence par une distribution de charge oscillante.

    J'avais du mal à comprendre comment un état donné pouvait se transformer en se mélangeant à un autre état qui a priori est complètement occupé par un autre électron, et donc est inaccessible d'après le principe de Pauli. En fait, c'est l'ensemble de la distribution électronique qui est altérée par le passage de l'onde, et il faut appliquer la théorie des perturbations à la fonction d'onde totale, antisymétrisée...

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