Transferts quantiques d`énergie

Comprendre – Lois et modèles / Energie, matière et rayonnement /
Transferts quantiques d’énergie
Compétences exigibles :
Connaître le principe de l’émission stimulée et les principales propriétés du laser (directivité,
monochromaticité, concentration spatiale et temporelle de l’énergie).
Associer un domaine spectral à la nature de la transition mise en jeu.
Doc 1 : Vidéo « Les 50 ans du laser »
Doc 2:Diagramme des niveaux d’énergie d’un atome
Doc 4 : Emission spontanée et émission stimulée
émission spontanée
Doc 3 : Echanges d’énergie entre atome et
lumière
Le laser
Doc 5 :
Exemple du LASER à gaz hélium-néon
Le laser hélium-néon est un laser à gaz de petite
dimension. Il s'agit du laser que l'on retrouve le
plus souvent dans les établissements scolaires
pour les divers démonstrations d'optique.Il émet
dans le rouge à 632,8 nm.
Dans un laser hélium-néon, tout commence par la
collision d'un électron provenant de la décharge
électrique avec un atome d'hélium dans le
mélange de gaz. Cette collision excite l'atome
d'hélium de son état fondamental à un état
excité à longue durée de vie qui est un état
excité métastable. Une collision d'un atome
d'hélium excité avec un atome de néon dans son
état fondamental crée un transfert d'énergie
vers l'atome de néon qui se trouve alors excité.
Ceci est dû à la concordance des niveaux
énergétiques des atomes d'hélium et de néon. Le
nombre d'atomes de néon à l' état excité
augmente au fur et à mesure des collisions entre
les atomes d'hélium et de néon, d'où il résulte, in
fine, une inversion de population. L'émission
spontanée et l'émission stimulée produisent une
émission lumineuse à 632,82 nm qui est la
longueur d'onde caractéristique du laser héliumnéon.
Doc 6 : Inversion de population
Etat stable
Etat hors équilibre après « pompage »
Doc 7 : Le laser : un oscillateur optique
Grâce à l’émission stimulée, il est possible par pompage de réaliser une inversion de population, de sorte que les atomes
amplifient la lumière. Cependant, un laser est une source de lumière et non pas un amplificateur. Pour réaliser un laser, il faut
donc transformer notre amplificateur de lumière en oscillateur. Pour réaliser un laser, il faut donc renvoyer la lumière dans
le milieu amplificateur grâce à un jeu de miroirs, en réalisant une cavité optique. La cavité laser la plus simple est constituée
de deux miroirs se faisant face. Dans une telle cavité, l’un des miroirs réfléchit totalement la lumière à la longueur d’onde
considérée. L’autre, le miroir de sortie, transmet une petite fraction de la puissance lumineuse présente dans la cavité ;
l’onde transmise constitue le faisceau laser. La lumière, réfléchie successivement par les deux miroirs, fait des allersretours dans la cavité. Pour que la lumière vienne, à chaque passage dans l’amplificateur, renforcer l’onde lumineuse qui
circule dans le laser, il faut que ces ondes soient en phase. Le chemin optique dans la cavité, correspondant à un aller-retour,
doit être égal à un nombre entier de fois la longueur d’onde. C’est la condition de résonance : 2L = pλ, soit L = pλ/2, où L est
la distance séparant les deux miroirs,  la longueur d’onde de la lumière et p un nombre entier. Pour une longueur L fi xée,
seules les longueurs d’onde vérifiant la relation ci-dessus pourront donc être présentes dans le faisceau laser.
Catherine Schwob(et Lucile Julien Refl ets de la Physique n° 21 / Le Bup n° 927
Doc 8 : Résumé schématique :
Doc 9 : Énergie d'édifices microscopiques
La notion de niveau d'énergie s'applique à tout système microscopique : noyau, atome molécules etc.
Il existe trois grands types de niveau d'énergie microscopique :
- les niveaux d'énergie électroniques (ces niveaux d'énergie sont déterminés dans le cas d'un atome
seul, non liée avec d'autre atome)
- les niveaux d'énergie nucléaire correspondant aux différents niveaux d'énergie du noyau (de l'ordre
de la centaine de kilos électronvolt)
- les niveaux d'énergie au sein d'une molécule
1) niveau d'énergie électronique d'un atome
Un atome gagne ou cède de l'énergie en faisant transiter un électron d'un niveau d'énergie quantifiée E n à Ep .
C'est une transition d'énergie électronique. Lors d'une transition électronique, les atomes émettent ou
absorbent des photons dans le domaine UV (10-10 m <  < 0,4.10-6 m) ou visible (400 nm <  < 800 nm).
2) niveaux d'énergie au sein d'une molécule
On distingue quatre types d'énergie au sein d'une molécule :
- l'énergie électronique des électrons. Comme pour les rayonnements électroniques des atomes, les
rayonnements émis se trouvent dans le domaine du visible et des UV.
- l'énergie de translation de la molécule
- l'énergie de vibration due aux oscillations des noyaux autour de leur position d'équilibre.
La transition entre deux niveaux d'énergie de vibrations correspond à 1/10 d'électronvolt environ. Les longueurs
d'onde correspondant à ce type de transition sont dans le domaine de l'infrarouge.
- l'énergie de rotation de la molécule autour de son centre d'inertie. La transition entre deux niveaux
d'énergie de rotation et de l'ordre du milli électronvolt. Les longueurs d'onde correspondantes font partie de
l'infrarouge lointain.
Application :
- Détermination de la structure moléculaire d'une substance par spectroscopie infrarouge.
Questionnement :
Doc1 : Répondre aux questions ci-dessous
-Signification de Laser
-Etapes et acteurs de l’histoire du laser
-Propriétés de la lumière émise
-Relever les termes relatifs au fonctionnement du laser
-Noter quelques applications des lasers
Doc 2,3,4 :
1. Quelle est l’énergie et la longueur d’onde d’un photon émis lors de la lors de la transition d’un niveau E n à un
niveau inférieur Ep ?
2. Dans quelle situation le photon est-il émis ? est-il absorbé ?
3. Compléter le tableau en indiquant la figure correspondante du doc 3:
type de processus
principe du processus
un photon excite un atome ou une molécule à un niveau supérieur
d'énergie
lorsqu'un atome passe du niveau supérieur au niveau inférieur
d'énergie tout en émettant un photon.
un photon interagit avec un atome se trouvant déjà à un niveau
supérieur d'énergie on obtient deux photons ayant la même longueur
d'onde
4. Quelles sont les propriétés des photons émis lors de l’émission stimulée ?
5. Qu’est ce qui différencie les photons émis lors d’une émission stimulée de ceux émis lors d’une émission
spontanée ?
Doc 5,6,7 : Le laser +Animation du livre
1. De quoi est constitué le milieu laser ou milieu actif ?
2. Quels sont les processus possibles pour l’atome présent dans le milieu laser ?
3. Que signifie « une inversion de population » ?
4. Quel est le nom donné à l’opération qui permet de réaliser cette opération ? Par quel moyen est–elle
réalisée ?
5. Justifier que le milieu actif est un amplificateur de lumière ?
6. Quelle est la fonction des miroirs de la cavité ?
propriétés du laser
Doc 9
1. On considère la raie jaune du doublet du sodium de longueur d'onde  = 589,0 nm. Calculer l'énergie E (en
eV) qui correspond à l'émission de cette radiation
2. Donner en fonction du domaine spectral (UV, visible, IR) la nature de la transition mise en jeu