Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique

Chapitre 16 : Introduction à la physique quantique
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CHAPITRE 16 : INTRODUCTION A LA PHYSIQUE QUANTIQUE
I) TRANSFERTS QUANTIQUES D’ENERGIE (rappels et compléments)
I-1) Quantification des énergies d’un atome
 Les niveaux d’énergie d’un atome sont quantifiés Ils ne peuvent prendre que des valeurs bien
déterminées, caractéristiques de l’atome.
Diagramme des niveaux d’énergie d’un atome
Energie
0
E
E
E
E
1
2
3
4
Atome ionisé
 On appelle transition quantique le passage de l’atome d’un niveau d’énergie à un autre (il est
représenté sur le diagramme par un segment fléché)
I-2) Absorption et émission spontanée
I-2-1) Absorption d’un photon
Un atome initialement au niveau fondamental d’énergie E1 peut passer au niveau d’énergie E2 supérieur en
absorbant un et un seul photon d’énergie E = h.telle que E = E2 – E1 (ou h. = E2 –E1)
h est la constante de Planck : h = 6,63 x 10-34 J.s et  la fréquence (en Hz) de la radiation monochromatique
associée au photon.
N.B.
vide
c
Absorption d'un photon

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I-2-2) Emission spontanée d’un photon
L’atome au niveau excité d’énergie E2 peut spontanément revenir au niveau fondamental d’énergie E1 en
émettant un photon d’énergie E = h. = E2 – E1. C’est l’émission spontanée. Le photon est émis dans une
direction quelconque avec un déphasage aléatoire.
Emission spontanée d’un photon
II) LA LUMIERE LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
II-1) Emission stimulée
En 1917, Albert Einstein évoque l’idée qu’un photon d’énergie choisie peut amener une particule vers un état
d’énergie plus stable. Dans ce cas, la particule va produire un photon « jumeau » du photon incident.
Lorsqu’un photon incident d’énergie E = h. = E2 – E1 interagit avec un atome se trouvant dans un état excité
d’énergie E2, ce photon n’est pas absorbé, il induit la désexcitation de l’atome qui retrouve sont état
d’énergie fondamental E1 en émettant un photon identique au photon incident (même fréquence, même
direction et sens et déphasage nul). L’émission stimulée a pour effet d’amplifier l’onde lumineuse incidente.
Emission stimulée
Energie
E
E1
2
II-2) Principe de fonctionnement du Laser
Contrairement aux autres sources de lumière qui utilisent l’émission spontanée, la lumière du laser est
produite par émission stimulée. Réaliser un laser consiste donc à favoriser l’émission stimulée au détriment de
l’émission spontanée (l’émission stimulée est un phénomène très peu probable par rapport à l’émission
spontanée)

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II-2-1) Pompage optique
Pour favoriser l’émission stimulée par rapport à l’émission spontanée et donc pour qu’il y ait amplification
de l’onde lumineuse il faut qu’il y ait beaucoup plus d’atomes dans un état excité que dans l’état
fondamental. Il faut pour cela réaliser une inversion de population. Cette opération peut être effectuée par
pompage : un excitateur, une décharge électrique ou un faisceau lumineux (on parle alors de pompage
optique), excite les atomes qui passent du niveau fondamental E1 à un niveau excité E3, légèrement
supérieur à E2. Les atomes du niveau E3 peuplent le niveau E2 en se désexcitant très rapidement ce qui réalise
l’inversion.
Opération de pompage
Energie
E
E
E
3
2
1
II-2-2) Amplification de la lumière
Voir paragraphe 2.4 page 384
Dans l’oscillateur laser, limité par deux miroirs, les émissions stimulées successives font augmenter le
nombre de photons qui ont même fréquence, même direction et sens de propagation et qui sont en phase.
C’est l’amplification par effet laser.

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II-3) Caractéristiques de la lumière laser
II-3-1) Monochromaticité
 Tous les photons émis par le laser ont même fréquence La lumière produite par un laser est donc
monochromatique.
II-3-2) Concentration spatiale et temporelle
 Contrairement aux sources de lumière classiques, la lumière laser se propage dans une direction
privilégiée : elle est directive.
 La concentration spatiale de l’énergie de la lumière laser est une conséquence directe de sa
directivité : l’ensemble de l’énergie produite est dirigée selon une seule direction.
 Le laser peut fournir son énergie de façon continue ou de façon pulsée (émission de brèves
impulsions). Dans ce dernier cas, plus l’impulsion est brève, plus le laser délivre une puissance
importante : c’est la concentration temporelle de l’énergie
N.B. La concentration de l´énergie (1 MW pendant 10 ns et jusqu'à100 TW pendant 10 fs) de la lumière laser
est utilisée :
- dans la recherche : essai de fusion nucléaire ;
- dans l’industrie : soudure, découpe, usinage des métaux ;
- en médecine : « bistouri » optique en microchirurgie.
III) TRANSITIONS D’ENERGIE
III-1) Transitions d’énergie électroniques
Lorsqu’un atome gagne ou cède de l’énergie (respectivement par absorption ou émission d’un photon) cet
atome passe d’un niveau d’énergie à un autre (transitions quantiques évoquées au paragraphe I). Cela
correspond en fait à la transition d’un électron de cet atome d’un niveau d’énergie vers un autre : c’est une
transition d’énergie électronique (qui, en étant schématique, s’accompagne pour cet électron d’un
changement de couche électronique).
Lors d’une transition d’énergie électronique (ordre de grandeur de 1 eV = 1,6 x 10-19J), les atomes émettent
ou absorbent des photons dans le domaine visible ou UV.
III-2) Transitions d’énergie vibratoires
Les molécules possèdent différentes énergies, toutes quantifiées. Parmi ces énergies on peut distinguer :
- l’énergie électronique liée à la répartition des électrons ;
- l’énergie vibratoire : énergie de vibration des atomes dans la molécule.
Lors d’une transition d’énergie vibratoire (ordre de grandeur de 0,1 eV = 1,6 x 10-20 J) moins énergétique
qu’une transition électronique les molécules émettent ou absorbent des photons dans le domaine de
l’infrarouge.
N.B. Ces transitions sont utilisées en analyse spectrale IR (le très grand nombre de transitions possibles fait que
l’on observe des bandes d’absorption plutôt que des raies d’absorption).

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IV) DUALITE ONDE-PARTICULE
IV-1) Photon et onde lumineuse
IV-1-1) Historique : la lumière onde ou particule ?
Comportement particulaire de la lumière
Comportement ondulatoire de la lumière
Pour Isaac Newton (1643-1727) la lumière est
composée de petites particules massiques et rapides.
C’est une conception particulaire de la lumière .Elle
ne permet pas d’expliquer les phénomènes
d’interférence ou de diffraction.
En 1887 L’allemand Heinrich Hertz (1857-1894) met
en évidence l’effet photoélectrique : lorsqu’un métal
est éclairé par un rayonnement UV des électrons sont
arraché de sa surface. L’effet photoélectrique ne peut
s’expliquer par le caractère ondulatoire de la lumière.
En 1905, afin d’expliquer l’effet photoélectrique,
Albert Einstein (1879-1955) postule qu’un
rayonnement électromagnétique est constitué de
particules transportant des quanta d’énergie. Ces
particules seront par la suite appelées photons. C’est
le retour de la conception particulaire. En 1921
Albert Einstein reçoit le prix Nobel pour ses travaux
sur l’effet photoélectrique.
Au début du XXème siècle la nature ondulatoire de la
lumière est presque unanimement admise. Il est
solidement établi (Maxwell 1831-1879) qu’il s’agit ‘un
cas particulier d’onde électromagnétique. Le
comportement ondulatoire de la lumière permet
d’expliquer les phénomènes de diffraction et
d’interférence.
IV-1-2) La conception actuelle : dualité onde particule de la lumière
Louis de Broglie 1892-1987
Les concepts corpusculaires ou ondulatoires de la lumière pris isolément sont insuffisants pour décrire dans
son ensemble la nature de la lumière.
La lumière et plus généralement les ondes électromagnétiques sont décrites comme des flux de photon. Un
photon se comporte soit comme une onde soit comme une particule, suivant le contexte expérimental
considéré : c’est la dualité onde-particule. Un photon n’est ni une particule ni une onde c’est un objet
quantique.
Temps