L 10 : Transferts quantiques d`énergie

Transferts quantiques d’énergie
Le physicien danois Niels Bohr proposa un modèle planétaire de l'atome dans lequel les orbites des différents
électrons autour du noyau ne pouvaient prendre que des valeurs « particulières », discrètes, quantifiées.
De la quantification des rayons orbitaux électroniques, découla la quantification d'un certain nombre de grandeurs
(énergie des orbites, transition entre ces orbites).
Il avait jeté les bases d'une nouvelle branche de la physique, propre au monde de l'infiniment petit : la physique
quantique.
Absorption et émission quantiques
Quantification des niveaux d’énergie
 L’énergie d’un atome ne peut prendre que certaines valeurs discrètes
appelées niveaux d’énergie.
A chaque atome correspond un ensemble unique de niveaux d’énergie
discrets.
 Le niveau d’énergie le plus faible d’un atome est associé à son état stable,
appelé état fondamental.
Un atome initialement dans son état fondamental, en l’absence de
perturbation extérieure, reste dans cet état.
 Les niveaux d’énergie plus élevés sont associés aux états excités de l’atome.
Le passage d’un état à un autre, de niveau inférieur ou supérieur au premier, est appelé transition quantique.
Absorption et émission spontanée
 Les échanges d’énergie entre les atomes et la lumière sont
quantifiés : ils se font par paquets d’énergie appelés photons.
Chaque photon représente une quantité élémentaire d’énergie hυ =
hc
, appelée quantum d’énergie et proportionnelle à la fréquence.
h est appelée constante de Planck : h = 6,62618.10-34 J.s
 Lors d’une transition d’un niveau d’énergie Ei vers un niveau
inférieur Ej (Ei > Ej), un atome émet, en se « désexcitant », un photon
, qui emporte l’excès d’énergie Ei – Ej . Le photon est émis dans une direction quelconque avec un déphasage
aléatoire.
La fréquence du photon émis est donnée par la relation de Bohr : h.υij = Ei -Ej
Emission stimulée
 C’est l’émission d’un photon provoquée par l’interaction d’un
photon avec un atome dans un état excité. Le photon émis et le
photon incident ont la même fréquence, la même direction et
un déphasage nul.
 Les photons produits par émission stimulée augmentent donc
l’énergie de l’onde qui interagit avec les atomes.

Application au laser
Principe de fonctionnement
 Le laser émet des photons produits par émission stimulée, qui a pour effet d’amplifier
l’onde lumineuse incidente.
 Pour qu’il y ait amplification de l’onde lumineuse, il faut qu’il y ait plus de particules dans un état d’énergie excité
que dans l’état fondamental. L’inversion de population
consiste à placer une majorité des particules de la cavité dans
un état excité, ceci est réalisé par pompage optique.
 Pour amplifier davantage l’onde, on peut lui faire parcourir
un très grand nombre d’aller-retour dans le milieu actif : la
cavité résonante.
 L’énergie fournie par le pompage compense l’énergie perdue
par émission : le laser constitue un oscillateur optique
entretenu.
Propriétés et applications
 Le faisceau émis par un laser est très directif.
 La lumière émise est monochromatique.
 La lumière émise est d’une très grande cohérence.
 Les lasers sont des sources lumineuses très intenses car l’énergie rayonnée est concentrée dans un pinceau très
étroit.
Domaine spectral et transitions quantiques
Energie de transition
de l’ordre du MeV
Energie de transition
de l’ordre de l’ eV
Energie de transition
de l’ordre du meV