La réflexion de la lumière par les matériaux

[lagier74]

Bonjour à tous, lorsqu'on nous parle de réflexion, on nous parle constamment d'indice de réflexion et de transmission pour caractériser les matériaux. Mais jamais de comment ca fonctionne. D'où mon post. J'aimerais savoir le phénomène à l'origine de la réflexion. Avec mes connaissances la seul hypothèse que je peux émettre est que ce sont les électrons libres du matériau qui excités par le champs électromagnétique incident réémettent à leur tour le même champs électromagnétique de même énergie. Merci pour vos réponse. Cordialement
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[LPFR]

Bonjour.
Je vous recopie un explication que j'avais donné il y a longtemps:

Il faut chercher dans le Feynman pour comprendre d'où vient l'indice de réfraction.
Le champ électrique de l'onde incidente "agite" les électrons du solide (même si c'est un diélectrique). Ces électrons oscillants émettent une onde électromagnétique de même fréquence et polarisation et synchrone avec l'onde incidente. Ils l'émettent dans toutes les directions. Mais, pour un solide étendu, seules les émissions vers l'avant et vers l'arrière donnent une interférence constructive. Nous voyons une onde qui part vers l'arrière (somme de toutes les ondes émisses par tous les électrons externes du solide) que nous appelons "onde réfléchie". Alors qu'elle n'est pas vraiment réfléchie mais "toute neuve".
Les ondes émises vers l'avant, s'additionnent avec l'onde incidente et donnent une onde que nous appelons "onde transmise" qui a un décalage de phase que nous interprétons comme une diminution de la vitesse dans le milieu.
Donc, au lieu de nous emmquiquiner à faire tout le traitement lourd que ce modèle physique impose pour chaque cas, on utilise le modèle mathématique d'onde réfléchie, onde transmise et indice de réfraction. Dans ce modèle on peut même inclure les pertes comme une partie imaginaire dans l'indice de réfraction.

On comprend ainsi que pour un diélectrique très polarisable, l'oscillation des électrons ou des dipôles (dans le cas d'un liquide) détermine l'amplitude de l'oscillation et celle des ondes secondaires émises. Ainsi, l'eau, liquide polaire, a un indice de réfraction très grand aux fréquences radio. Car les molécules suivent le champ et changent (partiellement) d'orientation. Par contre, en haute fréquence, les molécules n'ont pas le temps de suivre, et l'indice de réfraction devient celui d'un liquide non polaire.

On comprend aussi que l'amplitude d'oscillation des électrons devient très grande, on arrive à des non linéarités et leur oscillation n'est plus sinusoïdale. Les ondes émises non plus et on retrouve des harmoniques. Et ces harmoniques sont synchrones avec la fondamentale (Fourier élémentaire).

Au revoir.

[lagier74]

merci pour ta réponse précise c'est cool.
au vue de ta super réponse je peux peu-être te poser la seconde.

Donc reflexion,diffusion transmission c'est bon. je comprends également absorption.

mais diffusion ( diffraction ) reste cependant flou. On nous parle de condition de Bragg pour les solides, ce qui du coup ne comprend pas les joints de grains et les pores a l'intérieur des matériaux qui diffractent également la matière. J'aimerais la aussi être éclairé sur le phénomène de diffusion. à savoir par exemple la encore quelles interactions sont à l'origine de ce phénomène.

en tout cas super merci

[LPFR]

Re.
Je vous donnerai une explication demain. Sauf si quelqu’un d’autre l’a fait avant moi.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[lagier74]

ca marche merci

[LPFR]

Bonjour.
Comme je vous avais dit, les électrons des atomes se font agiter par le champ électrique de l’onde incidente et émettent eux-mêmes une onde synchrone avec l’onde incidente. C’est la diffusion.
Quand il y a des atomes, molécules ou des objets qui sont situés à des distances régulières il y a certaines directions pour lesquelles les ondes se retrouvent en phase. Le décalage du à la position différente des centres diffuseurs (atomes, molécules, etc.) correspond exactement à un multiple de longueurs d’onde. C’est la condition de Bragg. Si la zone « éclairée » par l’onde est cristalline, c'est-à-dire que les atomes ou molécules forment un réseau cristallin alors la condition de Bragg est satisfaite pour un nombre énorme d’atomes. L’intensité de l’onde dans les directions de Bragg devient très grande car les amplitudes du champ s’ajoutent et l’intensité est le carrée de l’amplitude. Ainsi, pour 1000 atomes, l’intensité du faisceau dans une bonne direction est un million de fois celle d’un seul atome.

Tous les objets diffusent les ondes. Y compris ceux qui « ne sont pas à leur place ». Mais ces ondes diffusées ne sont pas en phase avec les ondes diffusées par les objets « qui sont à leur place ». La somme des amplitudes est presque nulle et leur intensité est ça au carré. Comme me disait un cristallographe : « L’ordre s’ajoute dans l’ordre et le désordre s’ajoute dans le désordre ». Donc, l’amplitude de l’ordre est très grande.

Et c’est heureux. Car il y a un tas de choses qui font que cet ordre n’est pas très étendu, même dans un cristal.
Une des causes est la cohérence du faisceau. La distance pour laquelle les ondes d’un faisceau sont synchrones n’est pas énorme. Mais je ne m’étends pas sur le sujet. Il s’agit de la distance de cohérence et du temps de cohérence.
Une autre cause est que la régularité d’un cristal est aussi limitée dans l’espace. Donc, les seules ondes diffusées qui s’ajoutent dans l’ordre sont celles des petites zones (les 1000 atomes de mon exemple ne font qu’un cube de 10x10x10 atomes). C’est le cas pour des poudres de produits cristallins. La direction des faisceaux cohérents est différente pour chaque grain et l’image de diffraction donne des cercles plus ou moins gris. Les cristallographes sont capables d’utiliser la direction de ces cercles pour donner la structure cristalline du produit.
Au revoir.

[lagier74]

d'accord je vois pouvez vous me dire si mes prochaines affirmations sont justes pour savoir si j'ai bien compris.

1) chaque atome diffuse une nouvelle onde electromagnétique lors qu'une onde électromagnétique arrive sur le matériau. Qui va être en phase seulement pour certaines directions. la diffusion est donc toujours présente mais observable seulement dans certaines directions.

2) Dans le cas des métaux, les électrons sont libres, ils peuvent donc se mouvoir facilement et réémettent presque exactement la même onde électromagnérique ce qui à pour conséquence l'effet miroir des métaux. cependant une fois dans les UV le champ E vibre trop vite, les électrons n'ont plus le temps de suivre, du coup les métaux ne réfléchissent pas les UV en général

3) Pour les matériaux transparents, les électrons ne vibrent pas et ne réémettent donc pas d'ondes électromagnétiques. De plus aucuns états électroniques ou vibrationnelles ne sont permis. Ce qui se traduit par aucune couleur par le matériau. les matériaux transparents colorés ont quant à eux des états possibles.

4) Pour les matériaux opaques, les électrons sont liés et ne réémettent pas exactement le même champs électromagnétique reçu, d'où l’absence d'effet miroir. ils prennent une certaines couleur, en fonction des états électroniques et vibrationnels possible.

5) Je ne comprend cependant toujours pas pourquoi les pores où les joins de grains d'une céramique diffuse la lumière dans toutes les directions, le rendant blanc. Le vide devrait justement laisser passer le champs. à moins que ca fasse à nouveau un phénomène de réflexion dans toutes les directions. Réflexion et diffusion sont en fait similaires j'ai l'impression

merci en tous cas, j en ferais peu être une nouvelle discussion sur le forum

[LPFR]

Re.
1 - Ce sont les ondes émises par plusieurs atomes qui seront en phase (entre elles) uniquement dans certaines directions.
2 – Les métaux réfléchissant en général les UV (proches). Le cas du potassium et des métaux alcalins est plutôt une exception.
3 – Dans les matériaux transparents les électrons (liés à des atomes ou molécules) vibrent aussi et réémettent). Ces matériaux, comme le verre, réfléchissent une partie des ondes et pressentent un indice de réfraction supérieur à 1.
4 – Dans les matériaux opaques, les électrons vibrent toujours comme d’habitude. Mais certaines longueurs d’onde peuvent exciter des atomes et les faire monter à des niveaux supérieurs. Dans ce cas, l’onde de cette longueur d’onde ne passe pas (ou moins bien).
5 – Chaque fois que la lumière traverse une frontière, une partie de la lumière est réfléchie. C’est pour cela que le sel ou le sucre apparaissent blanc, alors que les grains, vus à la loupe, sont transparents.
A+

[lagier74]

merci beaucoup pour la réponse

[lagier74]

vous avez fait quoi comme étude pour être si connaisseur ?

[LPFR]

Re.
Avec les choses que j’ignore on remplirait des bibliothèques entières.
Tout ce que je vous ai raconté se trouve dans le Feynman, que j’ai beaucoup lu et qui se trouve à 1 m derrière moi dans ma bibliothèque. Les trois tomes ont un peu souffert car je les ai achetés il y a plus de 50 ans.
A+