Diffusion des ondes électromagnétiques

Lorsqu'une onde électromagnétique rencontre un objet, elle induit des charges oscillantes qui réémettent l'onde, la diffusant dans de nouvelles directions.

Definition

La diffusion électromagnétique est le processus par lequel une onde incidente induit des charges et des courants oscillants dans un objet qui réémettent l'onde dans d'autres directions, caractérisée par des sections efficaces et des distributions angulaires qui dépendent de la taille de l'objet par rapport à la longueur d'onde et de ses propriétés électromagnétiques.

Scope

Ce sujet traite de la diffusion des ondes électromagnétiques par les particules et les obstacles : les sections efficaces de diffusion et d'absorption, la diffusion de Rayleigh par des particules beaucoup plus petites que la longueur d'onde, la diffusion de Mie par des particules comparables à la longueur d'onde, le théorème optique, et la dépendance de la diffusion à la taille, à la forme et à l'indice de réfraction. Il établit un lien entre les ondes incidentes et le rayonnement réémis par les courants induits.

Core questions

• Comment un objet réémet-il une onde électromagnétique incidente ?
• Pourquoi la diffusion de Rayleigh favorise-t-elle les courtes longueurs d'onde ?
• Comment la diffusion change-t-elle lorsque la taille des particules approche la longueur d'onde ?

Key concepts

• section efficace de diffusion
• section efficace d'absorption
• diffusion de Rayleigh
• diffusion de Mie
• théorème optique
• dipôle induit
• section efficace différentielle

Key theories

Rayleigh scattering

Pour les particules beaucoup plus petites que la longueur d'onde, le dipôle induit réémet avec une intensité proportionnelle à l'inverse de la quatrième puissance de la longueur d'onde, expliquant la couleur bleue du ciel.

Mie scattering

Pour les particules comparables à la longueur d'onde, la solution complète des équations de Maxwell pour une sphère donne la série de Mie, avec des motifs angulaires complexes et des résonances dépendant de la taille et de l'indice de réfraction.

Clinical relevance

La théorie de la diffusion explique la couleur et la polarisation du ciel, la télédétection atmosphérique et le lidar, les sections efficaces radar, la diffusion de la lumière utilisée pour dimensionner les particules et étudier les aérosols et les colloïdes, ainsi que les diagnostics optiques dans les tissus biologiques.

History

Rayleigh a expliqué le ciel bleu par la diffusion par de petites particules dans les années 1870. Lorenz et, indépendamment, Mie en 1908 ont résolu la diffusion par une sphère de taille arbitraire, fournissant le cadre désormais central pour l'optique des aérosols, des colloïdes et de l'atmosphère.

Key figures

• John William Strutt (Lord Rayleigh)
• Gustav Mie
• Ludvig Lorenz

Seminal works

• mie1908
• bohren1983

Frequently asked questions

Pourquoi le ciel est-il bleu ?

Les molécules d'air diffusent la lumière du soleil par diffusion de Rayleigh, qui est beaucoup plus forte pour les longueurs d'onde courtes (bleues) que pour les longues (rouges), de sorte que la lumière diffusée qui nous parvient du ciel est majoritairement bleue.

Quelle est la différence entre la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie ?

La diffusion de Rayleigh s'applique aux particules beaucoup plus petites que la longueur d'onde et dépend fortement de la longueur d'onde, tandis que la diffusion de Mie s'applique aux particules comparables à la longueur d'onde et produit des motifs plus complexes, moins sensibles à la longueur d'onde, comme c'est le cas pour les gouttelettes d'eau dans les nuages.