Comment les particules perturbent la lumière

Les arcs-en-ciel, comme les plumes de paon, sont les résultats d’un phénomène optique. Il s’agit de la diffusion. Mais comprendre l’envers de ce jeu de lumière risque de vous en gâcher la beauté. Voilà le spoiler de ces petits phénomènes qui rendent le monde plus beau.

Les enfants posent souvent des questions sur le monde avec toute leur naïveté. Nous, adultes, réalisons parfois que soit nous n’avons pas la réponse, soit nous ne nous sommes jamais posé la question. Une ou deux qui reviennent souvent sont : « Pourquoi le ciel est bleu ? » ou « Comment on fabrique des arcs-en-ciel ? »

La réponse simple à ces deux questions est la diffusion. On peut aussi répondre que c’est la magie de mère nature. Mais elle est sympa, elle nous a laissé des indices pour mieux comprendre ses tours de passe-passe.

Deux méthodes pour la diffusion de la lumière

Quand un rayon de lumière (rayon incident) atteint une particule et que cette particule dévie le rayon, c’est la diffusion. Si le rayon est dévié dans une direction particulière, on parle de diffusion anisotrope. Imaginez que Sasuke (celui du manga Naruto) utilise son chakra pour faire sa technique des mille oiseaux, l’énergie générée va dans des directions aléatoires sous forme de petits éclairs.

Figure 1 : schéma de diffusion anisotrope d’une particule, illustration du personnage Sasuke et de sa technique des mille oiseaux.

Si le rayon est dévié dans toutes les directions sans préférence, alors on parle de diffusion isotrope. Comme une sphère ou un dôme. Dans le monde du manga on peut comparer cela à la version 1 de la technique Rasengan de Naruto.

Figure 2 : Schéma de diffusion isotrope d’une particule, illustration de la technique des mille oiseaux de Naruto.

La diffusion se produit avec toutes sortes d’ondes. Pour faire simple, c’est comme le téléphone sans fil. Une information principale arrive à quelqu’un (faisceau incident) lorsqu’une personne la reçoit, il la répand alors aux personnes autour de lui. Soit il le dit à tous ses proches de manière égale (diffusion isotrope). Soit-il ne le dit qu’à certains (diffusion anisotrope). Mais dans les deux cas la gravité de l’information de base est modifiée.

L’effet Tyndall et l’exemple de la boule à facettes

L’effet Tyndall est en gros comme une boule à facettes (comme celles des boîtes de nuit). La lumière arrive dessus et elles réémettent des faisceaux dans toutes les directions. Mais ces faisceaux réémis forment comme un halo autour de la boule (diffusion isotrope) ou juste dans une direction (diffusion anisotrope). Il faut cependant que celle-ci fasse une certaine taille pour que cela soit possible.

Figure 3 : Schéma d’illustration de l’effet Tyndall.

L’effet Tyndall est ce que vous voyez lorsque vous êtes dans une pièce et que la lumière y rentre : vous pouvez voir le faisceau de lumière à cause des particules de poussière qui y flottent.

Figure 4 : Photo d’illustration de l’effet Tyndall

Si les particules touchées ont une taille équivalente à un centième de cheveu (10 nm) proche de la longueur d’onde de l’onde incidente, les particules ne se comportent plus de la même façon. A partir d’une certaine taille, les boules à facette ne vont pas réémettre la lumière de la même manière.

Lorsqu’une particule est en présence de lumière (rayonnement électromagnétique), le nuage électronique de la particule se déforme. Le noyau n’est plus au centre de la particule. C’est comme observer un enfant qui fait du hula hoop depuis le ciel. Quand le cerceau (nuage électronique) tombe par terre l’enfant (le noyau) est au milieu de celui-ci. Quand il commence à faire tourner le cerceau, il n’est jamais au centre exact du cerceau.

Figure 4 : schéma d’un enfant faisant du hula hoop, vue du dessus.

Si l’on était dans un jeu vidéo, plus l’enfant fait tourner le cerceau, plus il gagne de bonus. A la fin il se retrouve comme Mario qui a attrapé une étoile, au volant de son kart. Le nuage électronique oscille à la même fréquence que l’oscillation du faisceau incident. Ce qui va générer un faisceau.

La diffusion de Rayleigh

D’après Lord Rayleigh, physicien anglais, la puissance du faisceau émit est inversement proportionnelle à la longueur d’onde du faisceau incident. Plus la longueur d’onde est courte (proche du violet/bleu), plus la puissance du faisceau émis est grande. Si vous envoyez de la lumière naturelle (lumière blanche du soleil) vers les boules à facettes et qu’elles font la taille d’un centième de cheveu, celles-ci vont réémettre surtout la partie bleue du faisceau incident.

L’exemple le plus typique est le ciel par beau temps. A présent vous savez pourquoi le ciel est bleu. Dans l’atmosphère il y a plein de particules de petite taille. Quand elles sont frappées par les rayons du soleil, celles-ci diffusent. Mais ils diffusent surtout du bleu et du violet. Les particules émettront une onde bleu/violet/verte plus puissante que les autres.

Le même principe s’applique pour les personnes aux yeux bleus.

Figure 5 : Schéma d’illustration de la diffusion de Rayleigh

Dans le fond de nos yeux se trouve la stroma et l’épithélium pigmentaire. L’épithélium contient de la mélanine et de la lipofuscine qui sont des pigments.

Figure 6 : Schéma d’illustration de la cornée présenté sous forme de couches

Ces pigments sont les particules qui vont réagir à la lumière incidente et la diffuser lorsque la lumière se réfléchit dans le fond des yeux. Cette lumière va être diffusée et elle pourra donner la couleur bleu/verte que l’on voit dans les yeux de certaines personnes.

La diffusion de Rayleigh et l’effet Tyndall sont des cas particuliers d’une théorie plus vaste. Il s’agit de la diffusion de Mie. Cette théorie s’applique à des particules dont la taille peut aller entre 0,1 et 10 fois la valeur de la longueur d’onde. Si on pense que la longueur d’onde est égale à la taille moyenne d’un humain (1,70 m), alors les particules ont une taille variante entre la taille d’un petit rat (17 cm) et celle de deux anacondas adultes (17 m).

Plusieurs cas particuliers de cette théorie permettent d’expliquer des événements naturels tel que les arcs-en-ciel, la couleur des plumes de paon, etc. La théorie de Lorrenz Mie permet aussi de faire de la granulométrie, soit mesurer le diamètre de certaines particules. La maîtrise de leur taille peut être utilisée dans la fabrication de médicaments ou de composés thérapeutiques. Lorsqu’une entreprise fabrique un médicament sous forme de poudre, la taille des particules lors de la phase de broyage peut se faire en ligne via une mesure par granulométrie laser. Contrôler le format des particules permet d’avoir la main sur l’efficacité même du médicament.

La diffusion a des champs d’applications plus vastes, tel que les radars ou les sonars (pour la rétrodiffusion d’ondes sonore). Mais à present vous savez que le phénomène qui vous que le phénomène qui vous permet de faire une marche arrière sans heurter le véhicule de derrière, est le même que celui qui « fabrique les arcs-en-ciel ». En comprendre les implications permet de démystifier certains éléments de la nature. Et d’en saisir toute la magie.

Sources :

1. https://fr.wikipedia.org/wiki/Diffusion_de_Rayleigh

2. https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/bilan-radiatif-terre2.xml

3. Comparisons between geometrical optics and Lorenz-Mie theory

4. https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-20-17-2911