HAL Id: jpa-00205159
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00205159
Submitted on 1 Jan 1924
HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Considérations sur la diffusion intérieure et l’absorption vraie de la lumière
Tcheslas Bialobjeski
To cite this version:
Tcheslas Bialobjeski. Considérations sur la diffusion intérieure et l’absorption vraie de la lumière. J.
Phys. Radium, 1924, 5 (9), pp.269-279. �10.1051/jphysrad:0192400509026900�. �jpa-00205159�
CONSIDÉRATIONS SUR LA DIFFUSION INTÉRIEURE
ET L’ABSORPTION VRAIE DE LA LUMIÈRE (1)
Par M. TCHESLAS BIALOBJESKI Professeur à l’Université de Varsovie.
Sommaire. 2014 L’onde lumineuse se propageant dans un milieu matériel subit une diffu- sion qui dépend de l’hétérogénéité du milieu. Cette hétérogénéité peut être soit structurale, soit due au mouvement calorifique produisant des fluctuations de densité.
Nous proposons de distinguer une diffusion « intérieure » et une diffusion « extérieure ».
C’est cette dernière qui a été étudiée jusqu’ici.
La diffusion intérieure doit être particulièrement grande au voisinage de la longueur
d’onde qui correspond à la résonance.
Les ondes diffusées intérieurement produisent une pression de Maxwell sur les molécules du corps transmettant la lumière.
Nous pensons que par l’intermédiaire de cette pression s’accomplit l’absorption vraie de
la lumière, c’est-à-dire la transformation de l’énergie rayonnante en chaleur.
Nous établissons un théorème, dit le principe des travaux fluctuants, d’après lequel le travail des pressions des ondes diffusées a toujours une valeur positive. On en déduit l’expression (11) pour l’énergie de radiation transformée en chaleur.
Les conditions de l’absorption se trouvent modifiées s’il y a des centres chargés libres dans la matière, sur lesquels l’onde électromagnétique exerce une action directe.
On peut analyser le mécanisme de l’absorption vraie en se plaçant au point de vue de la
théorie des quanta.
Pendant chaque transformation élémentaire prévue par la théorie, la molécule acquiert
une quantité de mouvement, autrement dit, éprouve une pression. L’application du prin- cipe des travaux fluctuants conduit à l’expression (13) pour l’énergie rayonnante
absorbée.
1. Préliminaires. - L’absorption vraie, dont l’explication constitue le but principal
de cette étude, est la transformation de l’énergie de radiation en chaleur, c’est-à-dire en
énergie cinétique du mouvement moléculaire désordonné. Le mécanisme de ce phénomène,
malgré son importance évidente dans l’économie de la nature, n’est pas jusqu’ici élucidé
d’une façon satisfaisante. Nous n’avons en effet qu’une seule théorie de H. A. Lorentz qui
tend à pénétrer la cause de l’absorption vraie de la lumière (1). Elle la voit dans le boule- versement violent qui accompagne les chocs entre les molécules en agitation thermique. La
vibration régulière d’une molécule excitée par une onde lumineuse incidente est transformée
pendant les chocs en mouvement calorifique irrégulier.
Le développement mathématique de cette idée n’a pas conduit à des résultats conformes
aux données expérimentales, et l’illustre savant conclut son exposé de la théorie par les paroles suivantes : « Nous ne prouvons pas prétendre d’avoir éclairci d’une manière satisfai- sante le phénomène d’absorption. Sa cause véritable reste encore à trouver o.
Ajoutons que la théorie de Lorentz n’explique pas comment le mouvement vibratoire
régulier, excité à l’intérieur d’une molécule, se transforme au moment du choc en mouve-
ment de translation de cette molécule.
Cet état de choses justifie une tentative de découvrir le mécanisme en question,
en prenant comme point de départ les travaux modernes concernant le mode de propaga- tion des ondes électromagnétiques dans la matière. C’est ce qui va être l’objet des considé- rations qui suivent.
J’ajoute qu’en parlant de la lumière, nous prenons ce mot dans un sens élargi embras-
sant toutes les ondes électromagnétiques courtes contenues dans les régions infra-rouge,
visible et ultra-violette du spectre, à l’exclusion des rayons X.
(i) Un mémoire plus complet sur ce sujet paraîtra prochainement aux Annales de Physique. Les commu-
nications préliminaires ont été publiées dans le Bulletin de l’Acadérnie Polonaise des Sciences et des Lettres, classe ders Sc. mathém. et nat., (1923), p. 5 ï et (192~),,p. 21.
(2) Theory of electrons, p. 140, (2e éd.).
’
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0192400509026900
2. Le mécanisme de la propagation des ondes électrornagnétiques. -Exami-
nons donc du point de vue moderne, strictement atomistique, la propagation des radiations
à travers la matière. Comme dans la théorie classique de la dispersion, on’ildmet que les molécules des corps possèdent les propriétés des résonateurs électromagnétiques. Lorsqu’une
onde lumineuse pénètre dans la matière, elle imprime aux résonateurs moléculaires des vibrations d’une période égale à la sienne. Chacun des résonateurs mis en mouvement oscillatoire devient la source d’une onde élémentaire. A chaque point du corps considéré
ou de l’espace environnant, on formera, en s’appuyant sur le principe d’interférence, la
somme géométrique de tous les champs électromagnétiques élémentaires émis par tous les résonateurs du corps : on y doit ajouter le champ de l’onde incidente. Or il est démontré que ce champ intégral peut être décomposé en qua tre parties, à savoir : une onde réfléchie,
une onde réfractée, des ondes diffractées et des ondes diffusées. Ce sont ces dernières ondes
.qui jouent le rôle principal dans
notre théorie
de l’absorption vraie.Le développement de ces vues sur le mécanisme en question est dû aux travaux d’Ewald, Esmarch, Natanson, Oseen, Lundblad et d’autres (’ à ~). Pour préciser les notions,
il sera utile d’écrire quelques formules correspondantes. Un résonateur moléculaire excité par une radiation électromagnétique émet une onde élémentaire dont le vecteur électrique
est donné, en un poiot A au moment t, par la formule de Hertz :
où r est la distance qui sépare le résonateur et le point A ; 1), le moment électrique du réso-
nateur au temps t - - (c étant la vitesse de lumière dans le vide) ; le vecteur rot]) a pour
e ,
composantes, sur les axes de coordonnées cartésiennes : -.
La valeur r du vecteur électrique due au total des résonateurs et au champ électrique E’ de
l’onde incidente s’exprimera par
Supposons que le corps considéré, transmettant des ondes lumineuses, est à l’état gazeux. Par suite de l’agitation thermique des molécules, la somme, dans l’expression (2),
varie d’une façon irrégulière.
’
Pour en dégager des ondes régulières, il suffit d’introduire des valseurs moyennes : le nombre moyen des résonateurs moléculaires rapporté à l’unité de volume et la valeur moyenne du vecteur 1) autour du point A~ Alors la formule (2) donnera, en un point intérieur,
l’onde réfractée; en un point extérieur, l’onde réfléchie et les ondes diffractées : les ondes diffusées disparaîtront. Pour les obtenir, il faut prendre en considération des fluctuations de densité accompagnant le mouvement ’moléculaire.
On doit en conclure qu’un corps ayant une structure moléculaire parfaitement régu-
lière ne manifeste aucune diffusion des ondes lumineuses ou, en général, des ondes longues
par rapport aux distances moléculaires.
(1) EwALD, 1)isscricctioci, BIïmchen, 1912 Annalen der Physik; t. 49 (1916), p. 4 t i.
(2) Aiînîden der Physik, t. 42 (iI3), p. f257.
(3) Bulletin internationccl de 1’.1cadémte de A (1914), p. 1 et 335 ; (1916), p. 221. Philo-
j?ï t. 38 (1919), p. 29.
sophical
Magaz7lîîe, t. 38 (1919), p. 219.(4) Annalen der Physik, t. 48 (1915), p. 15.
(5) LD-’UBL.tD, Liitersuchungp-n über die Optik der dispergierendeJ’ illedien, Uppsala, 1920.
3. Diffusion « extérieure » et diffusion « intérieure » de la lumière. - d’aller plus loin, il faut approfondir la notion de la diffusion des radiations électromagné- tiques. On étudiait jusqu’à présent expérimentalement et théoriquement la lumière diffusées à l’extérieur des corps transmettant des ondes lumineuses. Or, la diffusion « extérieure o constitue nécessairement une manifestation de la diffusion « intérieure ».
Prenons un volume déterminé d’un gaz. En raison du défaut d’homogénéité produit par le mouvement moléculaire, la résultante, en un point extérieur, des champs électromagné- tiques élémentaires émis par les résonateurs contenus dans notre volume, est différente de
zéro, ce qui fait apparaître la lumière diffusée extérieure.
En un point intérieur, le champ électromagnétique résultant peut être décomposé en
deux parties : l’une ci’elles représente le champ de l’onde réfractée, dont les vecteurs électro-
magnétiques ont une direction déterminée. L’autre partie du champ résultant, contenue dans
la forme générale (2), où l’on ne fait pas abstraction des fluctuations de densité, change avec
le temps d’une façon irrégulière ; c’est elle que nous appelons l’onde diffusée « intérieure ».
4. Expression de Lundblad pour le champ excitateur. - Un calcul, qui se rap-
porte à -la diffusion intérieure de la lumière, a été fait incidemment par R. Lundblad, dans
un mémoire paru en 1918 (’). Son but était de parvenir à une théorie exacte de la diffu- sion extérieure.
Voici comment procède -Lundblad sur le point qui nous intéresse.
En appelant No le nombre moyen des résonateurs par l’unité de volume ; p, leur moment moyen à l’instant t, nous aurons la valeur moyenne P dT de la polarisation élec- trique dans un élement de volume d’t, égale à dr. Nous remplacerons de plus, dans la
formule (2), la sommation par l’intégration. Supposons qu’au point A se trouve un résona-
teur moléculaire du corps traversé par l’onde lumineuse; la force excitatrice Z qui le met en
vibration aura la forme (2) : on doit cependant en retrancher le terme de la somme qui corres- pond au résonateur examiné, celui-ci ne pouvant pas agir sur lui-même. On a donc la valseur moyenne de cette force
où l’intégrale doit être étendue au volume du corps, à l’exception d’un volume très petit
T (6) autour du résonateur considéré : -. on lui attribue le plus souvent une forme sphérique.
Appliquons nos formules à un volume découpé dans un milieu gazeux, en forme de cube. Le nombre réel iV des résonateurs par unité de volume étant assujetti aux fluctua- tions, Lundblad le développe en série de Fourier à l’exemple d’Einstein (2) :
où L désigne l’arête du cube; coefficient, fonction du temps, et régi par les lois de
hasarcl; 1, m, 7~ les nombres entiers prenant toutes les valeurs comprises entre et + ao ; x, y, z sont les coordonnées de l’élément de volume dr. Les valeurs moyennes de
Or, nous tiendrons compte des fluctuations en multipliant la fonction sous le signe d’intégration, dans la formule (3), par le rapport
N donné
par la série (4). Lunclblad supposeNo (1) t. 57 (1918), p 5X 1.
(2) Annalen Physik, t. 33 (1910), p. 1.2’1:5.
encore que l’onde réfractée régulière se propage dans la direction des .r ; on posera par
conséquent (en appelant nQ l’indice moyen de réfraction).
où )est la fréquence de l’onde (nombre de vibrations en 2 x secoiides) ..
Un calcul assez compliqué, au cours duquel Lundblaci se sert du « principe d’extinc-
tion » établi par Oseen, conduit à la formule suivante pour le champ électrique excitateur :
où
On voit que ce champ est la somme géométrique de trois composantes Z’, Z" et Z"’. La
première, Z’, n’est autre chose que le champ excitateur de l’onde réfractée conforme à la théorie classique de dispersion.
Les composantes Z’’ et Z"’ représentent le champ fluctuant des ondes diffusées. Consi- dérons d’abord la composante Z"; dans son expression, R est un vecteur dont les compo- santes sont les coordonnées x, y, z du résonateur considéré ; A, un vecteur fluctuant qui a
les composantes.
A X B et A X Po sont les produits scalaires.
Il y a lieu de remarquer que l’expression ici donnée n’est que le premier terme
d’une série ordonnée suivant les puissances croissantes du rayon de la sphère protectrice
entourant le résonateur en jeu ( voir la remarque à propos de la formule 3). Nous avons négligé tous les termes de la série sauf le premier, ce qui est légitime tant que la longueur
d’onde incidente est grande par rapport aux distances moléculaires.
5. Conditions au voisinage de la résonance. L,e champ d’opalescence. - On
voit que l’amplitude du champ fluctuant est proportionnelle à la polarisation P. Il en
résulte une conclusion importante pour nous, concernant le cas où la fréquence de l’onde
incidente coïncide avec celle (vo) d’une vibration propre des résonateurs moléculaires.
L’amplitude excitée de cette vibration concordante et, par conséquent, la valeur de P,
deviennent relativement énormes. Le champ fluctuant prend aussi des valeurs très grandes
tandis que l’amplitude du champ Z de l’onde excitatrice régulière est diminuée par le fac- teur
2° + ,
2+9 très petit en cas de résonance, comme l’apprend la théorie classique de dis-no -1 persion.
Aussi, au voisinage immédiat de la fréquence propre ’10, il se produit une diffusion
’
intérieure intense; comme le rapport du champ fluctuant à celui de l’onde régulière croît rapidement à mesure qu’on s’approche de la région de résonance, il s’ensuit que l’onde
régulière s’y forme à peine et la plupart de l’énergie incidente se trouve diffusée intérieure-
273 ment. Passons à la composante Z"’ du champ excitateur exprimée par une intégrale
étendue à la surface S de la portion considérée du gaz (en forme de cube). Dans l’expres-
sion de Z"’, ~l sous le signe de rotationnel désigne le point où se trouve le résonateur excité,
~ est la dérivée prise dans la direction de la normale extérieure à la surface S.
du
Lundblad rejette la composante Z"/ comme petite par rapport à Z’.
En effet, parmi les ondes de fluctuation de densité comprises dans la somme (4), ce sont
celles dont la longueur d’onde est petite par rapport à la longueur des ondes lumineuses
qui doivent contribuer le plus au champ fluctuant. Pour ces ondes, la valeur du vecteur A est grande, ainsi qu’on s’en rend compte d’après (6), si l’arête L du cube est grande rela-
tivement à la longueur d’onde A. On a, par exemple, :
la longueur d’onde de fluctuation correspoiidanle est
Alors le facteur dans l’expression de Z", est petit, comparé aux facteurs
. dans celle de la composante Z".
Or il est important, pour notre théorie de l’absorption, que le champ d’opalescence ou
le champ des ondes diffusées à l’extérieur soit précisément donné par la composante Z’ll, les composantes Z’ et Z" n’y existant pas.
On doit en conclure que ce champ d’opalescence est une petite fraction du champ des
ondes diffusées intérieures, surtout dans la région de résonance. Il est intéressant que les déductions qui précèdent soient indépendantes de l’équation de mouvement du résonateur.
On peut se servir, par exemple, de l’équation de Planck :
p, ... sont les dérivées par rapport au temps ; le moment variable }) du résona-
teur provient du mouvement oscillatoire d’un électron ayant la masse rn est la charge e ;
l’électron est attaché à la molécule par un lien quasi-élastique isotrope et a la fréquence ’10
? e’ ..
des vibrations propres. Au terme - -20132013, 73 est dû l’amortissement des vibrations. Son exis- j
tence est précisément justifiée par les fluctuations de densité qui provoquent la diffusion des ondes lumineuses. ~
.
En faisant, dans l’équation (7), Z _-_ Z’, on obtient aussitôt la formule connue de dis-
persion :
.) 1 - - -
’
6. Diffusion intérieure de la lumière par les corps solides et liquides. --- En
ce qui concerne la diffusion intérieure de la lumière par les corps à l’état solide ou liquide,
nous devrons nous contenter de quelques indications sommaires, faute de travaux théoriques
sur ce sujet.
La plupart des corps solides naturels ont une structure extrêmement hétérogène ; le plus souvent, ils sont constitués par une agglomération de cristaux généralement déformés.
La théorie moléculaire de la propagation des ondes lumineuses, y dont nous avons donné l’idée, conduit assurément à la conclusion que, dans ces corps, la formation d’une onde
régulière est impossible.
"
18
La radiation incidente y doit subir une diffusion intérieure totale. En même temps, la
diffusion extérieure peut être tout à fait insignifiante. L n faisceau de lumière diffusé inté- rieurenlellt éprouve l’éparpillement réitéré, s’égare dans la matière et finit par être com-
plètement absorbé en vertu du mécanisme qui sera expliqué dan la suite.
Ces conclusions ne s’appliquent pas aux corps amorphes tels que le verre, ceux-ci devant être plutôt considérés comme liquides surfondus. Il existe sans doute une analogie
entre la diffusion de la lumière par des liquides et des gaz. Raman et ses collaborateurs ont
prouvé expérimentalement que la diffusion par les liquides purs est conforme aux prévisions
de la théorie cinétique. La structure d’un cristal homogène se distingue par une régularité parfaite. L’onde lumineuse devrait se propager dans un tel milieu sans subir de diffusion ; cependant, la régularité structurale est troublée par les vibrations calorifiques des résona- teurs qui constituent le réseau cristallin. Debye démontra qu’il en résulte une diffusion con-
sidérable des rayons X (1). Dans le cas des ondes lumineuses, la diffusion est en général insi- gnifiante ; on doit pourtant faire une exception pour les ondes correspondant à la région de
résonance : leur diffusion intérieure aurait été relativement grande.
7. La pression de radiation sur un résonateur moléculaire. - La physique
moderne voit dans la chaleur l’énergie du mouvement moléculaire désordonné. Il est natu- rel de présumer qu’une onde lumineuse régulière, avant d’éprouver l’absorption vraie,
doive se transforlner en un mouvement électromagnétique irrégulier : la lumière diffusée intérieurement possède justement ce caractère d’irrégularité.
Nous pensons que l’absorption se produit par l’intermécliaire de la pression exercée par des ondes diffusées sur les molécules considérées comme résonateurs électromagnétiques, la pression de Maxwell étant l’unique force mécanique avec laquelle une onde lumineuse agit
sur la matière neutre.
Debye, dans un travail substantiel (z), étudia la pression d’une onde électromagnétique plane sur le résonateur de Planck, dont l’équation de mouvement est représentée par la formule (7). Appelons ? l’amplitude de l’onde incidente ; ?,, sa longueur d’onde ; ~, la diffé-
rence de phase entre les vibrations de l’onde excitatrice et celles du résonateur. La pression
moyenne f est donnée par l’expression :
/.... B..} ,>
Ào désignant la longueur d’onde d’une vibration propre du résonateur ; ’3, le coefficient T e‘a
d’amortissement de ses vibrations ; on a ’3 == 2013201320132013, et e étant la masse et la charge d’un
électron. On peut introduire le moment du résonateur p - po ei-,t, où po == 4
2013
3c sin ; il7C"
en résulte que f = po sin (8’).
£
La pression agit dans la direction de propagation de l’onde ; son maximum corres- pond à p
== ~
(pour X = )B°’ approximativement) : il est extrêmement prononcé par suite de la petitesse de cr, dont l’ordre de grandeur est de i0~. Cela signifie que la pression desondes concordant avec les vibrations propres du résonateur est relativement énorme et diminue très rapidement lorsqu’on s’éloigne de la région de résonance. On calculera sans
peine, à l’aide de la formule (8), que la pression éprouvée par un résonateur dont la vibra- tion propre a une longueur d’oncle 5.10-5 cm, est égale à 4.10~" dyne, en admettant que la radiation incidente a cette même longueur d’onde et une intensité égale à l’unité. On se
(.1) Annalen der 43 (1914), p. 49.
(2) Annalen der Plzysik, t. 30 (1909), p. 5T.
275 rendra compte de l’éiiorinilé relative de cette pression, si l’on représente l’intensité du
rayonnement solaire par l’intégrale
/ /(A)dX :
alors dans la région jaune du spectre,est de l’ordre de grandeur de 1011 i ergs : s.
8. La pression de radiation d’après la théorie des quanta. - La théorie clas-
sique du rayonnement étant reconnue insuffisante pour expliquer une série de phénomènes qui ont rapport à l’émission et l’absorption des radiations électromagnétiques, il est néces-
saire d’examiner ta réaction entre la lumière et les molécules du point de vue de la théorie des quanta.
Nous nous appuierons sur les idées émises par Einstein, dans son mémoire de 1917 (1)
et nous allons résumer en quelques mots tout ce qui nous est utile. ’
’
La molécule d’un corps peut prendre une série discontinue d’états stables qui déter-
minent ses propriétés en ce qui concerne l’émission et l’absorption du rayonnement. Soient Sn, et Sh deux états stables voisins; appelons Um et úTn les valeurs de l’énergie intérieure
d’une molécule dans ces états et supposons que Un. Einstein distingue trois espèces
de transformations élémentaires faisant passer une molécule de l’état S’fi1l à l’état S",J ou
inversement.
D’abord, la molécule peut passer spontanément de Sm à 8,, en émettant de l’énergie
sous forme de radiations d’une frécluence v déterminée par la formule de Bohr :
Lorsque la molécule considérée se trouve dans un champ de rayonnement dont la fréquence est v, elle peut, sous l’influence de ce champ, passer soit de l’état 8, à l’état ~m
en absorbant une quantité a’énergie soit de à Sn en émettant cette même
°
quantité d’énergie : les probabilités de ces deux transformations sont différentes.
La radiation produit sur la molécule une pression qui modifie sa quantité de mouve-
ment. En conséquence, il doit s’établir une distribution déterlninée de vitesses parmi les
molécules. L’énergie cinétique moyenne d’une molécule dans un champ de rayonnement en équilibre thermodynamique doit avoir (à une température suffisamment élevée) une valeurs
3 kT, où fi est la constante gazeuse relative à une molécule ; l’, la température absolue.
2
Einstein obtient cette valeur à l’aide d’hypothèses nouvelles concernant la communication de la quantité de mouvement au résonateur moléculaire, dont la fréquence est donnée par la formule (9). Il admet qu’au bout de chacune des trois transformations élémentaires défi- nies tout à l’heure, la molécule acquiert une quantité de mouvement égale à
Dans la deuxième transformation, la direction de cette quantité de mouvement coïn- cide avec la direction de la radiation excitatrice, elle est opposée dans la troisième trans- formation. En ce qui concerne la première transformation, c’est-à-dire le rayonnement spontané d’un résonateur moléculaire, Einstein est conduit à supposer que le rayonnement
se produit toujours dans une direction déterminée ; pendant l’émission d’un quantum Il ’1 d’énergie, le résonateur reçoit une quantité de mouvement (10) dans la direction opposée à
celle du rayonnement émis. Provisoirement, on doit admettre que la direction d’émission de ces flèches énergétiques est accidentelle.
9. Mécanisme de l’absorption vraie de la lumière. - Nous sommes maintenant
en possession de toutes les notions nécessaires pour l’établissement de la théorie de l’absorp-
tion vraie. Auparavant, nous allons l’envisager en nous plaçant au point de vue de la théorie
classique du rayonnement.
Notre hypothèse fondamentale est que l’absorption vraie se trouve étroitement liée à la diffusion intérieure de la lumière. On a vau que la diffusion, aussi bien intérieure
qu’extérieure, dépend de l’hétérogénéité de la matière traversée par les ondes lumineuses.
(1) Pltysikalisr:he Zeitschri{t, t. 18 (191"7), p. 121.