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Transferts quantiques d'énergie
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Introduction :
Ce cours traite des transferts quantiques d’énergie.
Dans un premier temps nous traiterons des transferts quantiques d’énergie, avant d’étudier l’une de ses applications, le laser.
Transferts d’énergie quantiques
Quantas :
En physique quantique, les transferts d’énergie se font par paquets d’énergie définie : les quantas.
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 par la suite, mais il pourra être noté dans certains exercices.
Par ailleurs, ne doit pas être confondu avec , 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 , leurs énergies sont quantifiées.
Les différents niveaux d’énergie
Pour passer de l’état fondamental à un état d’énergie « excité » quelconque la particule doit absorber une quantité d’énergie de valeur exactement égale à . On dit que l’absorption d’énergie par la matière est quantifiée.
Cette énergie peut être apportée par :
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) :
Absorption et émission, deux formes de transmission d’énergie au sein des particules
Émission spontanée
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 : . L’émission spontanée est quantifiée.
Émission spontanée
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 :
Lorsqu’un photon d’énergie rencontre une particule dans un état excité , (ces états d’énergies correspondent à des états énergétiques de la particule) cette particule retrouve un état d’énergie stable en émettant un photon d’énergie : 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.
Émission stimulée
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) :
Plus l’impulsion pulsée est brève plus le laser délivre une puissance instantanée importante (jusqu’à plusieurs térawatt en quelques femtosecondes ) : c’est la concentration temporelle de l’énergie.
Principe du laser
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.
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.
Représentation de l’inversion de population
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.
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.
Oscillateur optique entretenu