La structure atomique : les niveaux d’énergie des électrons

 

Les atomes sont constitués d'un noyau entouré par un nuage d’électrons.

On représente classiquement l'atome comme sur la figure ci-contre, avec des électrons orbitant  autour du noyau. Le nombre d'électrons, de protons et de neutrons détermine la nature de l'atome. Par exemple, l'atome d'hydrogène, ne compte qu'un électron. L'oxygène en compte 8 et le carbone 6.

Les électrons ne sont pas tous à la même distance du noyau; il existe différentes couches qui ne peuvent accueillir qu'un certain nombre d'électrons. Les électrons ne peuvent pas changer de couche ni se trouver entre deux couches. La première couche est appelée K, elle ne peut contenir que 2 électrons. La seconde est la couche L qui peut accueillir 8 électrons. La troisième est la couche M où 18 électrons peuvent loger et ainsi de suite jusqu'à la couche P qui a une capacité maximale de 72 électrons. Dans le schéma ci-après, seules les trois premières couches sont représentées.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Chaque couche est caractérisée par une énergie déterminée. Pour faire passer un électron sur une couche supérieure, il faut lui fournir exactement l'énergie qui sépare les deux couches. Ce que montre le schéma ci-dessous, où les couches sont représentées horizontalement et où l'énergie entre les couches K et L est notée delta E.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les photons et le rayonnement électromagnétique

 

La lumière est à la fois une onde électromagnétique et une particule (le photon). L'onde électromagnétique correspond à la propagation d'une variation du champ électromagnétique. Un photon peut avoir une énergie plus ou moins forte, ce qui se traduit par une variation de fréquence de l'onde associée. Plus le photon est énergétique, plus la fréquence est élevée. La lumière visible correspond aux ondes électromagnétiques dont la fréquence est comprise entre 385 et 790 Téra Hz (1 Téra Hz = 1x1012 Hz).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En général, on fait plutôt référence à la longueur d'onde : l’intervalle de longueur d’onde visible par l’homme est compris entre environ 400 et 780nm (un nanomètre est égal à un millionième de millimètre). Dans cet intervalle appelé spectre, chaque longueur d'onde correspond à une couleur (le spectre est continu, on ne passe pas d'un coup d'une couleur à une autre):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les photons "bleus" sont plus énergétiques que les photons "rouges". Les autres longueurs d'onde correspondent à celles que l'on ne voit pas mais dont on peut ressentir les effets : le rayonnement U.V, les infrarouges, les rayons X etc. En réalité, les longueurs d’ondes appartenant au domaine du visible ne sont qu’une infime partie du spectre électromagnétique.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’interaction entre la lumière et la matière

 

Lorsqu’un photon arrive sur un atome, il peut se produire deux choses :

Si le photon a exactement la charge électrique nécessaire à l’électron pour l’exciter, il va changer de couche et émettre un rayonnement lumineux. Si le photon a une charge différente de celle nécessaire à l’électron pour l’exciter, il ne se passe rien et il n’y a pas d’émission de rayonnement lumineux.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le principe de la physique quantique

 

 

 

A. Le quantum d’énergie

 

Max Planck (physicien allemand) introduit dans ses calculs sur le rayonnement d’un corps noir l’idée d’une quantité s’énergie échangée indivisible. L’émission d’énergie lumineuse par un corps doit se faire de manière discontinue. Les échanges d’énergie entre la matière et un rayonnement électromagnétique monochromatique ne peuvent se faire que par petites quantités d’énergie appelées quanta d’énergie.

 

B. Aspect corpusculaire de la lumière

 

Albert Einstein : La lumière est constituée de corpuscules appelés photons. Tous les photons d’un rayonnement électromagnétique de fréquence ν transportent la même énergie E tel que :

 

E=hν=hc/λ

 

C. Quantification des niveaux d’énergie des atomes

 

Un atome ne peut exister que dans des états bien définis, chaque état étant caractérisé par un niveau d’énergie. L’énergie d’un atome est quantifiée.

 

-Un atome dans son niveau d’énergie le plus bas est dit dans son état fondamental. C’est l’état stable de l’atome.

-Les autres états d’énergie supérieure sont qualifiés d’états excités.

-Dans l’état d’énergie nulle, l’atome est ionisé

-On appelle transition le passage d’un niveau d’énergie à un autre. Une transition est représentée par une flèche droite verticale.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le pompage optique

 

L’action principale du pompage optique est d’envoyer les électrons sur un niveau d’énergie plus stable. Concrètement, cela consiste à passer du niveau fondamental à un niveau plus élevé, puis redescendre à un niveau plus faible. La première transition se fait sans émission de rayonnement. En fait, le but de cette action est de faire tenir les électrons sur un niveau d’énergie plus stable pour que ces électrons soient excités pendant beaucoup plus de temps.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En fournissant de manière constante l'énergie nécessaire (sous forme de rayonnement par exemple) pour maintenir les atomes dans leur état d’énergie supérieur, on augmente petit à petit le nombre d'atomes excités, jusqu'à réaliser une inversion de population. On arrive alors dans une configuration où la majorité des atomes sont excités. Désormais, si l'on envoie un rayonnement pour stimuler l'émission de photons, les photons incidents percuteront certainement un atome excité plutôt qu'un atome dans son état fondamental. Ainsi, peu de photons seront absorbés, la plupart provoqueront une émission stimulée et on sera parvenu à créer une source de lumière cohérente, où tous les atomes sont dans le même état. Les photons émis par stimulation vont stimuler d'autres atomes, qui vont eux même émettre des photons et ainsi de suite. Ce principe de pompage sert à amplifier très rapidement le rayonnement. Le pompage optique fut découvert par le physicien Alfred Kastler en 1950, qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1966.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L’amplification d’un faisceau laser

 

En optique, un amplificateur est un dispositif qui amplifie un signal lumineux sans avoir besoin de le transformer en signal électrique. Les types d’amplificateurs les plus communs et ceux utilisés dans le dispositif du laser sont les amplificateurs dopés à l’erbium. Concrètement, on fait parcourir une boucle fermée au faisceau laser, ce qui le fait traverser de nombreuses fois le milieu excitable. Le rayonnement est envoyé sur un miroir semi-réfléchissant. Une partie du faisceau (environ 1%) sort du circuit : c’est le rayonnement lumineux que l’on peut voir. Le reste du faisceau reste dans le système : à chaque boucle, le rayonnement est amplifié.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Le dispositif laser

 

Dans un laser, on utilise des gaz, des liquides ou des solides (des cristaux ou des verres) comme milieux excitables. Le premier laser fonctionnait avec un cristal de rubis (d'où la couleur rouge). Un tube  de flash en quartz enroulé autour de la barre de rubis permettait d'émettre le flash de lumière verte-jaune nécessaire à l'excitation initiale, faisant passer les électrons successivement sur la couche E3 puis E2.