Comment la lumière conserve-t-elle sa direction dans la matière

[Mmarc]

Bonjour

Une question que j’avais déjà posé sur des forum de physique, sans avoir eu de réponse satisfaisante, je re-tente ici :

La lumière qui se propage dans la matière va moins vite que dans le vide car elle est absorbée et réémise par la matière.
Absorption d’un photon fait monter un électron sur la couche suivante, puis le photon et réémis et l’électron reprend sa couche d’origine.
Dans ce processus, comment est conservée la direction de la lumière ?
Ou autrement dit, un atome a « capturé » un photon qui lui arrive par la gauche, comment peut-il le réémettre vers la droite ?
Dans l’électron qui a changé de niveau, je ne vois pas où pourrais se « cacher » l’information « direction » qui forcerait le photon a être réémis vers la droite.
Ou, si ce n’est pas au niveau d’un atome que ça se passe, comment en moyenne, les absorption réémission peuvent elles conserver la direction ?

Et, la même question pour la lumière qui se réfléchi sur un miroir. Un rayon qui arrive à -45degrès de la normale à la surface du miroir, repartira a 45 degré de la normal. Mais au niveau atomique, comment ça peut se passer ?
-----

[f6bes]

Bjr à toi et bienvneue sur FUTURA,
Ben c'est TOI qui postule que la lumiére ne change pas de direction !
Rien n'indique que la direction est FORCEMENT inchangée.
A+

[Mmarc]

Merci de ta réponse.

Je n'avais pas l'impression de le postuler, mais plutôt de le constater : quand je regarde à travers une vitre, je vois une image très peu déformée.
Si les photons prenais une direction complètement aléatoire a chaque réémission, je verrais une bouillie de pixel, pas une image a peu près identique a celle sans vitre.
Quand je met un éclairage dans l'eau, grosso modo, la lumière va bien là ou je dirige mon source. Dans l'air, mon laser va bien doit et n'est pas diffusé dans toutes les directions (sauf s'il y a de la poussiere, of course). Bon, dans l'aire, il n'y a peut être pas énormément d'absorption/réémission, ce n'est peut être pas un bon exemple

Me gours-je quelque part dans mon raisonnement ?

Et pour le miroir ?

[LPFR]

Bonjour et bienvenu au forum.
Je comprends le pourquoi de votre question et il est dommage que tous les profs de physique ne se la posent pas.
Si la transmission de la lumière dans la matière passait par l'absorption de photons et la réémission de photons, elles ne conserveraient pas ni sa direction ni sa phase.
C'est une explication complètement fausse.
D'abord il n'y a pas des niveaux d'énergie pour toutes les énergies possibles de photons.
Ce processus l'absorption plus émission existe, mais cela s'appelle de la fluorescence et de la phosphorescence. Et la direction n'est pas conservée (ni l'énergie ou longueur d'onde).

Quand une onde électromagnétique arrive sur un milieu diélectrique, le champ électrique de l'onde induit une oscillation sur les électrons de couches les plus externes des molécules. Et cette oscillation des électrons leur fait rayonner une onde électromagnétique de même fréquence que l'onde originale et synchrone (décalage de phase fixe). Ce que nous voyons est l'addition de l'onde incidente plus toutes les ondes secondaires émises par les électrons oscillants.
Le résultat est une onde de même fréquence mais qui semble se propager à une vitesse plus faible que la vitesse dans le vide. C'est aussi une onde qui part en sens inverse et que nous percevons comme une onde réfléchie (alors que c'est une nouvelle onde).
Donc, au lieu de calculer des sommes infinies d'ondes, on utilise le modèle d'indice de réfraction et on dit que l'onde incidente se réfléchit partiellement à l'interface et qu'elle se propage à une vitesse plus faible dans le diélectrique.

L'interférence entre toutes les ondes émisses par les électrons oscillants fait que, pour des fronts d'onde étendus (grands devant la longueur d'onde), seules deux directions donnent les interférences constructives: vers l'avant et vers l'arrière de l'onde incidente. Pour des petits objets, la lumière part "dans toutes les directions" (pas vraiment) données par les interférences.

Au revoir.

[A voir en vidéo sur Futura]

[narakphysics]

Bonjour
Merci M. LPFR pour l'information.

L'interférence entre toutes les ondes émisses par les électrons oscillants fait que, pour des fronts d'onde étendus (grands devant la longueur d'onde), seules deux directions donnent les interférences constructives: vers l'avant et vers l'arrière de l'onde incidente. Pour des petits objets, la lumière part "dans toutes les directions" (pas vraiment) données par les interférences.

J'ai pas bien compris ce paragraphe ,pourriez vous détailler votre réponse ??
merci d'avance

[LPFR]

Re.
Chaque électron est une petite source de rayonnement. Quand vous additionnez toutes les sources en tenant compte de leur déphasage et de celui induit par la différence de chemin due à la direction, vous obtenez l'mage d'interférence. Pour des sources étendues (avec les sources en phase) la somme est nulle pour toutes les directions sauf pour "la bonne".
Pour des sources petites, l'addition n'est pas nulle dans toutes les autres directions.
Comparez avec la diffraction par un réseau ou avec le disque d'Airy..
Sauf que cette fois c'est en trois dimensions.
A+

[narakphysics]

Merci de votre réponse

[invitef73a730a]

Bonjour,

Je suis tout à fait d'accord avec l'explication de LPFR, et je crois comme lui que c'est quelque chose qu'il est très intéressant de savoir. L'explication de la réfraction par l'électrodynamique classique est sans doute un des succès les plus spectaculaires de cette théorie.

En revanche, je voulais tout de même signaler qu'on peut également rendre compte de ce phénomène par l'électrodynamique quantique (c'est à dire en terme de photon plutôt qu'en terme d'onde). Le concept d'absorption et de réémission de photon intervient alors bien dans cette explication, sauf qu'il s'agit d'absorptions et d'émissions virtuelles. Ce serait un peu long à expliquer ici car il y a le concept quantique d'interférence des amplitudes de probabilité derrière tout ça (grosso modo, la clé de la réponse à ta question réside dans le fait qu'il faut envisager simultanément toutes les possibilités de diffusions des photons, mais que mis à part pour certaines directions, ces possibilités interfèrent destructivement entre elles), mais pour avoir l'explication intégrale, je ne saurais mieux faire que te recommander le petit et génial livre de Feynman : Lumière et matière, une étrange histoire. L'explication en question est p146, mais bien sûr, il faut avoir lu ce qui précède pour la comprendre (mais ne t'inquiète pas, ça vaut vraiment le détour, et c'est très accessible).

[Mmarc]

Un grand merci à tous pour vos réponses détaillées et claires.

Et pof, une idée reçue en moins sur l'absorption/réémission. Impeccable. Suivante

[LPFR]

Re.
Je suis d'accord avec Aristark, sur la physique et sur le petit bouquin de Feynman (6 €) que je recommande aussi chaudement.
Ce que Aristark a bien dit et que des enseignant oublient de dire est que les photons sont virtuels. Et qu'il s'agit d'un processus très compliqué et bien résumé par Aristark.
Et les photons de L'Électrodynamique Quantique ne sont pas les photons "grand public" d'Einstein, qui ne comportaient pas de phase et qui transportaient un quantum d'énergie. Les photons de la QED ont une phase (comme les ondes électromagnétiques) et ce qu'ils transportent est une amplitude dont l'intensité est la densité de probabilité de trouver un "vrai photon" (à la Einstein).
Le problème est que des enseignants donnent une explication "à la QED" avec des photons "grand public".
Heureusement qu'il y a des étudiants pas bêtes, comme Mmarc qui se posent des questions et qui raisonnent, au lieu de gober des idioties.
A+