Propagation des photons dans la matière et indice optique

[mikeuline]

Désolée par avance pour la longueur de mon post. Voici mes 3 questions :

**** Discussion scindée en 3***

3) A propos de l'explication de la vitesse de la lumière (inférieure globalement à c) dans un milieu d'indice n, j'ai lu (sur futura) que ceci était expliqué par des absorptions-réémissions successives des photons par les molécules du milieu, ces absorptions-réémissions prenant un certain temps et retardant donc la lumière. Oui, mais l'émission se fait dans toutes les directions de l'espace, et n'a pas de raison de se faire dans le même sens qu'avant l'absorption. Donc je ne l'explique que si l'émission est en fait stimulée par les photons suivants, la forçant à émettre le photon dans le "bon" sens. Déjà vous me direz si cette 1ère explication est juste ou pas.
Ensuite, je me retrouve confrontée à un problème : si c'est bien l'absorption du milieu qui "ralentit" les photons, l'indice n devrait dépendre de la longueur d'onde ! Si mon milieu est un certain gaz qui absorbe à 400 nm, par exemple, un laser rouge vers 610nm ne devrait y voir que du feu (enfin pour lui c'est comme si il n'y avait que du vide), donc il devrait tracer à c. L'indice devrait valoir 1 pour 610 nm. Par contre, un laser vers 400 nm verra son trajet très perturbé : le milieu ne peut donc pas avoir le même indice, pour lui.

Voilà, je vous remercie par avance de réagir sur 1, 2 ou même les 3 questions si vous êtes inspirés.
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[Rincevent]

Discussion scindée, la prochaine fois, merci de :
- pas remettre 3 questions dans un seul fil
- choisir un titre plus explicite...

Pour la modération,

[mikeuline]

Désolée, j'avais le choix entre surcharger le forum ou surcharger un post... je n'ai apparemment pas fait le bon choix...

[Jeanpaul]

Ensuite, je me retrouve confrontée à un problème : si c'est bien l'absorption du milieu qui "ralentit" les photons, l'indice n devrait dépendre de la longueur d'onde ! Si mon milieu est un certain gaz qui absorbe à 400 nm, par exemple, un laser rouge vers 610nm ne devrait y voir que du feu (enfin pour lui c'est comme si il n'y avait que du vide), donc il devrait tracer à c. L'indice devrait valoir 1 pour 610 nm. Par contre, un laser vers 400 nm verra son trajet très perturbé : le milieu ne peut donc pas avoir le même indice, pour lui.

Il n'est pas forcément optimal de toujours parler de photons, on arrive à expliquer beaucoup de choses par les champs oscillants.
Ceci dit, on sait bien que l'indice dépend de la longueur d'onde. Mais cela ne veut pas dire qu'à basse fréquence, l'indice soit égal à 1. C'est un peu comme si tu disais que si je pousse une balançoire à très basse fréquence loin de la résonance, elle ne bouge pas.
La lumière polarise les atomes/molécules à toutes les fréquences, seulement certaines résonnent.

[A voir en vidéo sur Futura]

[mikeuline]

Ceci dit, on sait bien que l'indice dépend de la longueur d'onde.

Ah bon ? Justement, je m'étonnais de n'avoir jamais lu quelque part : "l'indice de tel matériau est de tant pour telle longueur d'onde". On lit plutôt : "l'indice de tel milieu vaut tant." Exemple, je tape indice n sous google, j'ai une floppée de : indice du verre = 1,5 ; indice de l'eau = 1,33. Personne ne parle de la longueur d'onde.

Mais cela ne veut pas dire qu'à basse fréquence, l'indice soit égal à 1.

Non, bien sûr, je n'ai jamais pensé ça. Si le milieu absorbe les basses fréquences, l'indice sera élevé pour les basses fréquences. Mais si c'est un autre milieu (mettons un fluorure, de gap 10eV), les fréquences inférieures à ça passeront allègrement au travers.

C'est un peu comme si tu disais que si je pousse une balançoire à très basse fréquence loin de la résonance, elle ne bouge pas.
La lumière polarise les atomes/molécules à toutes les fréquences, seulement certaines résonnent.

Là j'ai pas compris du tout. Que viennent faire la résonance et la polarisation ? Pour moi les molécules/ions ont des niveaux d'énergie (différents suivant la molécule/ion). Si on leur envoie une énergie qui ne correspond à aucune transition... eh bien il ne se passe rien : la lumière passe au travers sans être absorbée.

[invité576543]

Ah bon ? Justement, je m'étonnais de n'avoir jamais lu quelque part : "l'indice de tel matériau est de tant pour telle longueur d'onde". On lit plutôt : "l'indice de tel milieu vaut tant." Exemple, je tape indice n sous google, j'ai une floppée de : indice du verre = 1,5 ; indice de l'eau = 1,33. Personne ne parle de la longueur d'onde.

Parce que la différence est faible. Tu la trouves sous le nom de "dispersion chromatique" par exemple, "verre à faible dispersion", etc. L'indice est donné pour une couleur moyenne (jaune par exemple).

Cordialement,

[inviteb85b19ce]

Oui, par exemple, certains milieux vérifient la loi de Cauchy :
Il me semble que c'est une loi expérimentale...

[mikeuline]

Ah mais alors ça ne peut pas être lié aux niveaux d'énergie des molécules du milieu, parce que dans ce cas la différence serait au contraire énorme.
Un milieu constitué de molécules absorbant mettons à 900 nm, 550 et tout au-delà de 200 n'aura pas du tout le même comportement avec un laser vert (le vert sera absorbé donc retardé, l'indice sera très grand) et avec un rouge (qui passera sans problème sans être absorbé, l'indice sera 1).

Alors je devrais peut-être plutôt reformuler la question : qu'est-ce qui ralentit la lumière lors de son passage dans un milieu autre que le vide (si ce n'est pas l'absorption due aux niveaux énergétiques des molécules du milieu) ?

[invité576543]

Ah mais alors ça ne peut pas être lié aux niveaux d'énergie des molécules du milieu, parce que dans ce cas la différence serait au contraire énorme.
Un milieu constitué de molécules absorbant mettons à 900 nm, 550 et tout au-delà de 200 n'aura pas du tout le même comportement avec un laser vert (le vert sera absorbé donc retardé, l'indice sera très grand) et avec un rouge (qui passera sans problème sans être absorbé, l'indice sera 1).

Alors je devrais peut-être plutôt reformuler la question : qu'est-ce qui ralentit la lumière lors de son passage dans un milieu autre que le vide (si ce n'est pas l'absorption due aux niveaux énergétiques des molécules du milieu) ?

Je ne suis pas sûr, et je vais peut-être dire des bétises...

Il me semble qu'il y a une différence entre deux mécanismes d'absorption et réémission.

Si le temps est long entre les deux, il y a changement d'état des électrons (contraint par les niveaux énergétiques), la réémission de l'énergie se fera de diverses manières, thermiquement (absorption), lumineuse (diffusion), en plusieurs fois (fluorescence), très tardivement (phosporescence), ...

Mais si le temps est très court (par exemple plus petit que ), on ne peut pas parler de changement d'état (pour parler d'un état il faut qu'il soit stable pendant un certain temps), et les lois genre respect des valeurs de transition entre orbitales ne s'appliquent pas. Dans ce cas le photon réémis garde en gros les caractéristiques de celui d'origine, avec des effets secondaires qui doivent être à l'origine de la dispersion.

Voilà. Ce sont des réminiscences peut-être mal digérées, tout infirmation est bienvenue!

Cordialement,

[invite19415392]

Je crois qu'il faut plutôt voir la chose comme la propagation d'une onde EM (la dualité ondeo-corpuscule, tout ça : ne pas se focaliser trop sur le photon).
On voit en électromagnétisme dans un milieu matériel que : n = √‾εr, où εr est la permittivité relative.
En termes imagés, quand l'onde arrive dans la matière, elle excite les dipôles, qui vont entrer en vibration forcée. Il n'y a pas d'absorption, note bien ; mais par contre, l'onde ne peut plus se déplacer qu'à la vitesse où elle réussit à faire se déplacer les dipôles.

Je te renvoie à ce site, pas mal fait :
http://culturesciencesphysique.ens-l...Indice.html#I2

[Jeanpaul]

Cette discussion montre bien que le formalisme des photons et des niveaux d'énergie n'est pas le mieux adapté au problème posé. C'est faisable en analysant l'opérateur P.E. et les transitions qu'il induit.
P est l'opérateur dipôle électrique (ou polarisation de l'atome) et E le champ électrique.
Un modèle d'électrons élastiquement liés parle beaucoup mieux et explique la courbe de dispersion (dont la loi de Cauchy est un exemple en-dessous des fréquences absorbées).
Faire la même chose avec la mécanqiue quantique requiert des connaissances non élémentaires.

[mikeuline]

Cette discussion montre bien que le formalisme des photons et des niveaux d'énergie n'est pas le mieux adapté au problème posé. C'est faisable en analysant l'opérateur P.E. et les transitions qu'il induit.
P est l'opérateur dipôle électrique (ou polarisation de l'atome) et E le champ électrique.
Un modèle d'électrons élastiquement liés parle beaucoup mieux et explique la courbe de dispersion (dont la loi de Cauchy est un exemple en-dessous des fréquences absorbées).
Faire la même chose avec la mécanqiue quantique requiert des connaissances non élémentaires.

Les niveaux d'énergie dont je parlais sont justement issus de la mécanique quantique et sont des transitions dipolaires électriques et/ou magnétiques.
Je vais lire le lien proposé par Baygon_Jaune et j'y verrai peut-être un peu plus clair. Merci à tous pour vos réponses.

[diamantx]

Désolée par avance pour la longueur de mon post. Voici mes 3 questions :

**** Discussion scindée en 3***

3) A propos de l'explication de la vitesse de la lumière (inférieure globalement à c) dans un milieu d'indice n, j'ai lu (sur futura) que ceci était expliqué par des absorptions-réémissions successives des photons par les molécules du milieu, ces absorptions-réémissions prenant un certain temps et retardant donc la lumière. Oui, mais l'émission se fait dans toutes les directions de l'espace, et n'a pas de raison de se faire dans le même sens qu'avant l'absorption. Donc je ne l'explique que si l'émission est en fait stimulée par les photons suivants, la forçant à émettre le photon dans le "bon" sens. Déjà vous me direz si cette 1ère explication est juste ou pas.
Ensuite, je me retrouve confrontée à un problème : si c'est bien l'absorption du milieu qui "ralentit" les photons, l'indice n devrait dépendre de la longueur d'onde ! Si mon milieu est un certain gaz qui absorbe à 400 nm, par exemple, un laser rouge vers 610nm ne devrait y voir que du feu (enfin pour lui c'est comme si il n'y avait que du vide), donc il devrait tracer à c. L'indice devrait valoir 1 pour 610 nm. Par contre, un laser vers 400 nm verra son trajet très perturbé : le milieu ne peut donc pas avoir le même indice, pour lui.

Voilà, je vous remercie par avance de réagir sur 1, 2 ou même les 3 questions si vous êtes inspirés.

moi j'aimerais connaître la personne qui a écrit ça

[diamantx]

Il n'est pas forcément optimal de toujours parler de photons, on arrive à expliquer beaucoup de choses par les champs oscillants.
Ceci dit, on sait bien que l'indice dépend de la longueur d'onde. Mais cela ne veut pas dire qu'à basse fréquence, l'indice soit égal à 1. C'est un peu comme si tu disais que si je pousse une balançoire à très basse fréquence loin de la résonance, elle ne bouge pas.
La lumière polarise les atomes/molécules à toutes les fréquences, seulement certaines résonnent.

ça a le mérite d'être clair

[diamantx]

Ah bon ? Justement, je m'étonnais de n'avoir jamais lu quelque part : "l'indice de tel matériau est de tant pour telle longueur d'onde". On lit plutôt : "l'indice de tel milieu vaut tant." Exemple, je tape indice n sous google, j'ai une floppée de : indice du verre = 1,5 ; indice de l'eau = 1,33. Personne ne parle de la longueur d'onde.


Non, bien sûr, je n'ai jamais pensé ça. Si le milieu absorbe les basses fréquences, l'indice sera élevé pour les basses fréquences. Mais si c'est un autre milieu (mettons un fluorure, de gap 10eV), les fréquences inférieures à ça passeront allègrement au travers.


Là j'ai pas compris du tout. Que viennent faire la résonance et la polarisation ? Pour moi les molécules/ions ont des niveaux d'énergie (différents suivant la molécule/ion). Si on leur envoie une énergie qui ne correspond à aucune transition... eh bien il ne se passe rien : la lumière passe au travers sans être absorbée.

c'est pour ça que le verre laisse passer le visible mais est opaque aux uv et à certains infra rouge

[mc222]

n=c/v

v². μ . ε = 1 et v = λ. F

v=vitesse de l'onde
μ= permeabilité magnétique du milieu
ε= permitivité diélectrique du milieu
λ=longueur de l'onde
F=fréquence de l'onde




v²= 1/ ( μ . ε)


½
v = (1/μ . ε )



½
n = (c²/μ . ε ) et n = c/ (λ . F)