Les ondes électromagnétiques sont l’une des formes de rayonnement les plus connues et les plus couramment rencontrées qui subissent une diffusion. La diffusion de la lumière et des ondes radio (notamment dans les radars) est particulièrement importante. Plusieurs aspects différents de la diffusion électromagnétique sont suffisamment distincts pour avoir des noms conventionnels. Les principales formes de diffusion élastique de la lumière (impliquant un transfert d’énergie négligeable) sont la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie. La diffusion inélastique comprend la diffusion Brillouin, la diffusion Raman, la diffusion inélastique des rayons X et la diffusion Compton.
La diffusion de la lumière est l’un des deux principaux processus physiques qui contribuent à l’apparence visible de la plupart des objets, l’autre étant l’absorption. Les surfaces décrites comme blanches doivent leur apparence à la diffusion multiple de la lumière par les inhomogénéités internes ou de surface de l’objet, par exemple par les limites des cristaux microscopiques transparents qui composent une pierre ou par les fibres microscopiques d’une feuille de papier. Plus généralement, la brillance (ou l’éclat ou le lustre) de la surface est déterminée par la diffusion. Les surfaces fortement diffusantes sont décrites comme étant ternes ou ayant une finition mate, tandis que l’absence de diffusion de surface conduit à un aspect brillant, comme pour le métal ou la pierre polie.
L’absorption spectrale, l’absorption sélective de certaines couleurs, détermine la couleur de la plupart des objets avec une certaine modification par la diffusion élastique. La couleur bleue apparente des veines de la peau est un exemple courant où l’absorption spectrale et la diffusion jouent toutes deux des rôles importants et complexes dans la coloration. La diffusion de la lumière peut également créer une couleur sans absorption, souvent des nuances de bleu, comme dans le ciel (diffusion Rayleigh), l’iris bleu humain et les plumes de certains oiseaux (Prum et al. 1998). Cependant, la diffusion résonante de la lumière dans les nanoparticules peut produire de nombreuses teintes différentes très saturées et vibrantes, en particulier lorsque la résonance plasmonique de surface est impliquée (Roqué et al. 2006).
Les modèles de diffusion de la lumière peuvent être divisés en trois domaines basés sur un paramètre de taille sans dimension, α qui est défini comme:
α = π D p / λ , {\displaystyle \alpha =\pi D_{\text{p}}/\lambda ,}
où πDp est la circonférence d’une particule et λ est la longueur d’onde du rayonnement incident dans le milieu. En fonction de la valeur de α, ces domaines sont :
α ≪ 1 : diffusion de Rayleigh (petite particule par rapport à la longueur d’onde de la lumière) ; α ≈ 1 : diffusion de Mie (particule à peu près de la même taille que la longueur d’onde de la lumière, valable uniquement pour les sphères) ; α ≫ 1 : diffusion géométrique (particule beaucoup plus grande que la longueur d’onde de la lumière).
La diffusion de Rayleigh est un processus dans lequel le rayonnement électromagnétique (y compris la lumière) est diffusé par un petit volume sphérique d’indices de réfraction variables, tel qu’une particule, une bulle, une gouttelette, ou même une fluctuation de densité. Cet effet a été modélisé pour la première fois avec succès par Lord Rayleigh, qui lui a donné son nom. Pour que le modèle de Rayleigh s’applique, le diamètre de la sphère doit être beaucoup plus petit que la longueur d’onde (λ) de l’onde diffusée ; généralement, la limite supérieure est d’environ 1/10 de la longueur d’onde. Dans ce régime de taille, la forme exacte du centre de diffusion n’est généralement pas très significative et peut souvent être traitée comme une sphère de volume équivalent. La diffusion inhérente que le rayonnement subit en traversant un gaz pur est due aux fluctuations microscopiques de la densité lorsque les molécules de gaz se déplacent, qui sont normalement à une échelle suffisamment petite pour que le modèle de Rayleigh s’applique. Ce mécanisme de diffusion est la principale cause de la couleur bleue du ciel terrestre par temps clair, car les courtes longueurs d’onde bleues de la lumière solaire passant au-dessus de nos têtes sont plus fortement diffusées que les grandes longueurs d’onde rouges, selon la célèbre relation 1/λ4 de Rayleigh. Avec l’absorption, cette diffusion est une cause majeure de l’atténuation du rayonnement par l’atmosphère. Le degré de diffusion varie en fonction du rapport entre le diamètre de la particule et la longueur d’onde du rayonnement, ainsi que de nombreux autres facteurs, notamment la polarisation, l’angle et la cohérence.
Pour les diamètres plus importants, le problème de la diffusion électromagnétique par les sphères a été résolu pour la première fois par Gustav Mie, et la diffusion par les sphères plus grandes que la gamme de Rayleigh est donc généralement connue sous le nom de diffusion de Mie. Dans le régime de Mie, la forme du centre de diffusion devient beaucoup plus importante et la théorie ne s’applique bien qu’aux sphères et, avec quelques modifications, aux sphéroïdes et aux ellipsoïdes. Des solutions à forme fermée pour la diffusion par certaines autres formes simples existent, mais aucune solution générale à forme fermée n’est connue pour les formes arbitraires.
La diffusion de Mie et la diffusion de Rayleigh sont toutes deux considérées comme des processus de diffusion élastique, dans lesquels l’énergie (et donc la longueur d’onde et la fréquence) de la lumière n’est pas substantiellement modifiée. Toutefois, le rayonnement électromagnétique diffusé par des centres de diffusion en mouvement subit un décalage Doppler, qui peut être détecté et utilisé pour mesurer la vitesse du ou des centres de diffusion au moyen de techniques telles que le lidar et le radar. Ce décalage implique un léger changement d’énergie.
Pour des valeurs du rapport entre le diamètre de la particule et la longueur d’onde supérieures à environ 10, les lois de l’optique géométrique sont le plus souvent suffisantes pour décrire l’interaction de la lumière avec la particule. La théorie de Mie peut encore être utilisée pour ces sphères plus grandes, mais la solution devient souvent numériquement lourde.
Pour la modélisation de la diffusion dans les cas où les modèles de Rayleigh et de Mie ne s’appliquent pas, tels que des particules plus grandes et de forme irrégulière, il existe de nombreuses méthodes numériques qui peuvent être utilisées. Les plus courantes sont les méthodes par éléments finis qui résolvent les équations de Maxwell pour trouver la distribution du champ électromagnétique diffusé. Il existe des logiciels sophistiqués qui permettent à l’utilisateur de spécifier l’indice ou les indices de réfraction de l’élément de diffusion dans l’espace, créant ainsi un modèle à deux ou parfois trois dimensions de la structure. Pour des structures relativement grandes et complexes, ces modèles nécessitent généralement des temps d’exécution importants sur un ordinateur.
L’électrophorèse implique la migration de macromolécules sous l’influence d’un champ électrique. La diffusion électrophorétique de la lumière consiste à faire passer un champ électrique dans un liquide qui fait bouger les particules. Plus la charge est importante sur les particules, plus elles sont capables de se déplacer rapidement.
