 réfraction |
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Chaque fois qu'un faisceau de
lumière
(ou, plus généralement, de
rayonnement électromagnétique
) rencontre une surface matérielle (S) qui sépare le milieu où il se propage d'un milieu de nature physique différente, le
rayonnement
composant ce faisceau, appelé le
rayonnement incident
, est soumis à l'un au moins des trois processus susceptibles de modifier son existence, sa composition ou sa direction : une part de ce rayonnement incident peut être renvoyée vers son milieu d'origine, formant par
réflexion
un
rayonnement réfléchi
; une autre part, celle du
rayonnement absorbé
, peut disparaître en transférant par
absorption
son énergie au milieu qu'il vient d'atteindre ; enfin, la part restante, si elle existe, pénètre dans ce dernier milieu en y constituant le
rayonnement réfracté
. Ainsi, un rayon MI du rayonnement incident, s'il touche la surface (S) au point d'incidence I
—
et s'il n'est pas réfléchi ou absorbé en totalité
—
, pénétrera dans le milieu situé au-delà de l'interface (S) en s'y prolongeant par son rayon réfracté IP : or, les directions des rayons MI et IP sont différentes ou, autrement dit, le rayon incident subit un changement brusque de direction en traversant la surface de séparation, ou
dioptre
, entre le milieu initial et un second milieu où il devient le rayon réfracté ; c'est ce processus de passage avec déviation des rayons lumineux qui est appelé la réfraction, mot qui exprime l'idée de "briser" en latin (le parcours des rayons est en effet comme brisé, de même que paraît brisé un bâton à moitié immergé dans un étang, sa vision sous la surface étant celle d'une image formée par réfraction au passage de l'
air
à l'eau). |
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Appelons NIN' la perpendiculaire à (S) en I, le point N étant du côté du rayon incident et le point N', du côté du rayon réfracté ; sur ces rayons, nous prendrons respectivement deux points A et B à une même distance
R
du point d'incidence, soit IA = IB =
R
, et nous appellerons H et K les pieds des perpendiculaires à NIN' issues de A et B sur IN et IN' : alors, la valeur du rapport de longueurs
n
= HA / KB ne dépend pas du choix de
R
. Dans ces conditions, la direction du rayon réfracté IP correspondant à un rayon incident MI donné est connue grâce à deux lois : premièrement, la droite NIN' et les deux rayons MI, IP sont dans un même plan (qui est perpendiculaire à (S)) ; deuxièmement, le rapport
n
garde une valeur constante quel que soit MI, valeur qui est principalement déterminée par la nature physique du milieu initial (le "premier" milieu) et du milieu d'accueil (le "second" milieu) et qui mesure en fait le rapport des
longueurs d'onde
respectives des rayons incident et réfracté. Ce rapport
n
se nomme l'
indice de réfraction
du second milieu par rapport au premier. |
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Les
rayonnements visibles
, qui se différencient les uns des autres par les longueurs d'onde associées à leurs couleurs, ont aussi des indices de réfraction différents. C'est ce que confirme la classique expérience du spectre des couleurs suivant lesquelles se déploie la lumière blanche après avoir traversé un prisme de verre : le violet subit la plus forte déviation, liée à la plus grande valeur de l'indice de réfraction, mais aussi à la plus courte
longueur d'onde
; à l'autre bout du spectre, le rouge est associé à la plus faible valeur de l'indice de réfraction, mais aussi à la plus grande longueur d'onde. Or, les gouttes et gouttelettes de
pluie
, de
bruine
ou de
brouillard
, de même que les cristaux de
glace
en suspension dans l'
atmosphère
, forment en puissance autant de prismes naturels pour les rayons solaires qui, dans des conditions favorables, peuvent y suivre des chemins construits par la réflexion et la réfraction et produire ainsi des phénomènes optiques dans des hauteurs privilégiées relativement à l'observateur : le fait que l'indice de réfraction dépende de la longueur d'onde explique alors les spectres de couleurs que revêtent notamment les
arcs-en-ciel
et différentes sortes de
halos
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