Cours : Transferts quantiques d'énergie

Transferts d’énergie quantiques

Définition

Quantas :

En physique quantique, les transferts d’énergie se font par paquets d’énergie définie : les quantas.

Définition

Photons :

Les photons sont des médiateurs de l’interaction électromagnétique qui présentent à la fois des caractéristiques corpusculaires et ondulatoires. Ils transportent les quantas d’énergie.

Absorption d’énergie quantique

À l’état fondamental, une particule (c’est-à-dire un atome, une molécule ou un ion) est dans son plus bas niveau d’énergie. On le notera $E_1$ par la suite, mais il pourra être noté $E_0$ dans certains exercices.

Par ailleurs, $E_0$ ne doit pas être confondu avec $E = 0$, stade où l’électron quitte l’attraction du noyau atomique, provoquant une ionisation de celui-ci.

Il existe plusieurs niveaux d’énergie dits « excités », d’énergie supérieure à $E_1$, leurs énergies sont quantifiées.

À retenir

Pour passer de l’état fondamental à un état d’énergie « excité » quelconque $E_x$ la particule doit absorber une quantité d’énergie de valeur exactement égale à $E_x-E_1$. On dit que l’absorption d’énergie par la matière est quantifiée.

Cette énergie peut être apportée par :

• Un photon d’énergie $E = h\nu$ (voir la partie sur le laser) ;
• Un courant électrique (par exemple dans les lampes halogènes le gaz est excité par le courant électrique et émet de la lumière) ;
• Collision avec d’autres particules (laser hélium-néon, les atomes de néon sont excités par collision avec des atomes d’hélium).

Transition d’énergie quantique

Au sein des particules il y a deux formes d’excitation (on parlera d’absorption) ou de désexcitation (on parlera d’émission) :

• Rien ne se perd, rien ne se crée : s’il y a désexcitation (donc perte d’énergie), il y a nécessairement émission.

• ​Transition électronique : les atomes gagnent ou cèdent de l’énergie en faisant transiter un électron d’un niveau à un autre, c’est une transition électronique.
• Lors de ces transitions, il y a absorption ou émission de photons dans le domaine UV-visible $(<780\ \text{nm})$, donc des photons d’énergie de l’ordre de l’électronvolt.
• Transition d’énergie vibratoire : en considérant les liaisons interatomiques comme des petits ressorts, une molécule peut emmagasiner de l’énergie sous forme vibratoire. Il existe différentes configurations vibratoires d’une même molécule. Lors d’une transition d’énergie vibratoire, la molécule passe d’un niveau vibratoire à un autre.
• Ces transitions sont moins énergétiques et lors de ces transitions il y a émission ou absorption de photons infrarouge $(>780\ \text{nm})$.

Émission spontanée

Définition

Émission spontanée :

Une particule dans un état excité retrouve sa stabilité (en d’autres termes se désexcite) en émettant spontanément un photon : c’est l’émission spontanée.

L’énergie du photon émise est égale à la différence d’énergie entre le niveau énergétique de départ et le niveau énergétique d’arrivée : $\Delta E = h \nu$. L’émission spontanée est quantifiée.

L’émission spontanée est le phénomène mis en jeu dans les lampes usuelles, qui éclairent dans toutes les directions : le photon produit lors d’une émission spontanée est émis dans une direction aléatoire.

Émission stimulée

C’est un concept développé en 1917 par Einstein :

Propriété

Lorsqu’un photon d’énergie $\Delta E = E_2-E_1$ rencontre une particule dans un état excité $E_2$, (ces états d’énergies correspondent à des états énergétiques de la particule) cette particule retrouve un état d’énergie stable $ E_ 1$ en émettant un photon d’énergie $\Delta E$ : c’est l’émission stimulée.

Ces photons sont émis dans la même direction que le photon incident.

C’est une sorte de photocopie du photon incident.

Le laser

Le terme laser est l’acronyme de l’expression anglaise light amplification by stimulated emission of radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement).

Le laser est utilisé dans de très nombreux domaines : du lecteur CD (DVD, blu-ray) à la médecine (chirurgie de l’œil par exemple).

Propriétés du laser

Le laser possède des propriétés caractéristiques qui le distinguent des sources de lumière classique (par exemple les ampoules) :

• La lumière laser se propage dans une seule direction : elle est directive.
• La lumière laser est monochromatique (une seule longueur d’onde).
• La lumière laser produit de l’énergie qui est dirigée selon une seule direction : c’est la concentration spatiale de l’énergie (c’est une conséquence de la directivité vue plus haut).
• La lumière laser peut fournir son énergie de façon continue (laser classique qu’on peut voir dans la vie de tous les jours) ou pulsée (laser médicaux).

Plus l’impulsion pulsée est brève plus le laser délivre une puissance instantanée importante (jusqu’à plusieurs térawatt $10^{12} \text W$ en quelques femtosecondes $10_{-15}\ \text s$) : c’est la concentration temporelle de l’énergie.

Principe du laser

À retenir

Comme son nom l’indique, le laser émet des photons produits par émission stimulée qui permet d’amplifier l’onde lumineuse incidente.

Le laser comporte une cavité où se trouvent des particules. Ces particules, lorsqu’elles sont éclairées par des photons d’énergie adaptée vont amplifier par émission stimulée le nombre de photons.

Cependant, à l’état initial ces particules sont dans l’état fondamental donc au départ il y aura plus d’absorption que d’émission stimulée.

Définition

Inversion de population :

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 : c’est ce qu’on appelle l’inversion de population.

L’inversion de population est obtenue par l’opération de pompage optique.

Dans la pratique, on obtient cette inversion de population par des flashs lumineux.

Comme vu précédemment, la lumière laser est directive, cela est dû à un jeu de miroirs dans la cavité : lors du pompage optique les photons qui ne sont pas émis dans la bonne direction sont évacués, cela permet de sélectionner la direction.

À retenir

Les miroirs qui sont des deux côtés de la cavité permettent de multiplier les passages de photons et donc d’augmenter les photons produits par émission stimulée.

Les pertes (les photons qui vont dans la mauvaise direction) sont compensées par des flashs (notés sur la figure ci-dessous pompage optique).

Lorsque l’impulsion est souhaitée, elle passe par le miroir semi-réfléchissant.

Ce type de cavité est un oscillateur optique entretenu.