Lumière diffusée

Dans un fluide aux caractéristiques optiques stables (indice de diffraction et absorption constants), la lumière se déplace de façon linéaire. A strictement parler ce n’est le cas uniquement dans le vide. Toute modification des conditions optiques provoquée par un obstacle fait dévier le faisceau lumineux de son trajet. Cet effet physique est appelé diffusion de lumière par des particules. La diffusion de la lumière provoque le phénomène de turbidité.

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Fig. 37: Propagation de la lumière dans un fluide exempt de particules (A

) et en présence d’un obstacle (B)

Cette modification de la propagation ne se limite toutefois pas à la présence de particules visibles à l’œil ou au microscope. Elle se manifeste aussi dans l’air pur ou l’eau limpide par la diffusion des molécules du fluide-même. L’intensité de cette diffusion dite diffusion moléculaire est extrêmement faible, mais pas négligeable : le bleu du ciel par exemple, est la conséquence de la diffusion de la lumière du soleil des molécules de l’air.

Les effets responsables de la diffusion sont premièrement la diffraction et deuxièmement la création de rayonnement. La diffraction est due au caractère ondulatoire de la lumière : lorsqu’une onde passe en proximité d’un obstacle, elle est déviée de son trajet. L’angle de déviation dépend du rapport entre la longueur d’onde et la taille de l’obstacle. La création de rayonnement par contre est fondée sur l’excitation des atomes de l’obstacle qui renvoie la lumière incidente. Selon le genre et la nature des particules, cette lumière est émise dans des directions différentes en suivant les lois de la réfraction, la réflexion ou le rayonnement dipolaire (la réflexion d’un miroir en représente un cas particulier).

Les critères qui influencent l’intensité de la lumière diffusée sont présentés en figure 38 :

Fig. 38: Diffusion de la lumière par une particule sphérique

Le rayon incident de l’intensité Iin et la longueur d’onde λ tombe sur une particule de forme sphérique. L’intensité de la lumière diffusée I_sc dépend de l angle de diffusion, la taille de la particule, la longueur d’onde et des caractéristiques optiques des particules et du milieu. On peut donc noter :

Θ désignant l angle de diffusion, d le diamètre de la particule, λ la longueur d’onde et n l’indice de réfraction par rapport au milieu.

La formulation explicite est fournie par la théorie de la diffusion. La solution générale pour des particules sphériques et des paramètres au choix est donnée par la théorie de Mie. La théorie de Rayleigh (diffusion Rayleigh) fait partie de la théorie de Mie en tant que cas particulier de particules très petites (<0.05 µm). L’équation est d’un caractère mathématique complexe.

Une application pratique de la mesure de la lumière diffusée se trouve dans l’évaluation de la valeur de turbidité, mesure qui fournit des informations sur le contenu de matières solides dans des liquides et gaz.