ATOME
Article modifié le
Atome et physique moderne
Atome et lumière
En physique classique, l' émission de rayonnement par un système de particules chargées dépend de l'accélération de ces particules (théorie de Lorenz de l'électron classique). En mécanique quantique, cette image est remplacée par celle de la transition du système d'un état quantique à un autre d'énergie plus petite ; cette image décrit correctement les phénomènes observés. Le premier traitement quantitatif précis des processus d'émission et d' absorption de lumière fut proposé par Einstein dans un très beau travail, en 1917. L'état d'équilibre à une température donnée d'un rayonnement enfermé dans une cavité est défini par l'hypothèse que l'énergie rayonnée par les atomes des parois de la cavité est égale à l'énergie qu'ils absorbent pendant le même intervalle de temps. Si un atome est dans un état quantique initial W, avec énergie Ew et s'il est atteint par un photon avec fréquence ν, il peut absorber le photon et passer à un état excité s'il existe un état W′ de l'atome avec énergie Ew′, telle que Ew′ — Ew = hν. Einstein a postulé que la probabilité d'absorption d'un tel photon est proportionnelle au nombre de photons ayant l'énergie nécessaire hν à la transition considérée W → W′, c'est-à-dire, à l'intensité I(ν, T) de la lumière ayant la fréquence ν, à la température de l'état d'équilibre T. Si nous désignons par P(W → W′) la probabilité d'absorption du photon considéré par un atome, par seconde, donnant lieu à la transition de l'état W à l'état W′ de l'atome, cette probabilité sera proportionnelle à I(ν,T), et le coefficient de proportionnalité Bww′ est le coefficient d'absorption d'un photon par l'atome et dépend des états initial, W, et final, W′ :
Le nombre d'atomes qui subit la transition W → W′ est évidemment égal au nombre d'atomes nw dans l'état W, multiplié par la probabilité P(W → W′) ; le nombre d'atomes dans la transition inverse W′ → W est égal au nombre d'atomes nw dans l'état W′, multiplié par la probabilité P(W′ → W). L'état d'équilibre du rayonnement dans la cavité est défini par l'égalité des nombres d'atomes qui subissent les deux transitions, par seconde, donc :
Comme la distribution de l'énergie entre les atomes à l'état d'équilibre, respectivement nw et nw′, est donnée par la loi de Boltzmann, la loi de Planck se déduira de l'égalité ci-dessus si Bw′w = Bww′ et si le coefficient d'émission spontanée Aw′w est proportionnel au coefficient d'absorption et à la troisième puissance de la fréquence ν. La détermination du coefficient Bww′ est établie en mécanique quantique par des atomes en interaction avec un champ de rayonnement.
Si les éléments de la matrice du moment dipolaire de l'atome entre les deux états W et W′ ne sont pas nuls, l'atome émettra ou absorbera de la lumière (de dipôle) dans la transition considérée entre ces deux états. Il s'agit d'une transition permise. Si, au contraire, ces éléments de la matrice sont nuls, la transition s'appelle une transition interdite. L'intensité de la lumière alors émise est plus faible que celle qui correspond au terme dipolaire d'un facteur de l'ordre de 10—6. Dans ce cas, la radiation est due au moment quadripolaire et au moment magnétique de l'atome. Ces termes sont importants en physique nucléaire, où le système qui interagit avec le rayonnement est le noyau atomique.
L'absorption d'un photon par un atome peut donner lieu à l'émission d'un électron (cf. effet photoélectrique), l'énergie du photon devant être supérieure à l'énergie de liaison d'un électron dans l'atome.
Enfin, remarquons que certains processus d'interaction entre photons et électrons sont importants quand les énergies qui entrent en jeu sont plus grandes (domaine relativiste) que l'énergie de repos de l'électron. Ce sont :
– l' effet Compton : un photon avec fréquence ν1 entre en collision avec un électron, qui l'absorbe et recule ; un photon est alors émis dans une direction en général différente de celle du photon initial et avec une fréquence plus faible, ν2 < ν1 ;
– l'annihilation d'une paire électron-positron avec émission de deux photons ;
– un électron entre en collision avec un noyau atomique et subit une transition vers un état final émergent avec émission d'un photon : c'est le rayonnement de freinage ou Bremsstrahlung.
Une paire électron-positron subit annihilation et donne lieu ensuite, par moyen d'un photon virtuel (intermédiaire), à une paire particule-antiparticule émergente (électron-positron finals, muon-antimuon, hadron-antihadron, etc.).
Les phénomènes d'émission et d'absorption de la lumière par la matière sont donc bien compris ; leur étude fait partie de l'électrodynamique quantique et, en général, de la théorie quantique des champs et leurs interactions (cf. effet compton, particules élémentaires).
Accédez à l'intégralité de nos articles
- Des contenus variés, complets et fiables
- Accessible sur tous les écrans
- Pas de publicité
Déjà abonné ? Se connecter
Écrit par
- José LEITE LOPES : professeur de physique nucléaire, université Louis-Pasteur, directeur du groupe physique théorique et hautes énergies du Centre de recherche nucléaire de Strasbourg
Classification
Médias
Composants de base de l'atome
Encyclopædia Universalis France
Modélisation de l'atome d'uranium
DeAgostini/Getty Images
Max Planck
Hulton Archive/ Getty Images
Autres références
-
ATOME, notion d'
- Écrit par Bernard PIRE
- 1 499 mots
« Brique insécable » de la matière selon son étymologie, l'atome est le terme ultime de la division de la matière dans lequel les éléments chimiques conservent leur individualité. C'est la plus petite particule d'un élément qui existe à l'état libre ou combiné, les corps simples étant...
-
DESCRIPTION DE L'ATOME
- Écrit par Bernard PIRE
- 104 mots
Ernest Rutherford (1871-1937) propose en 1911 un modèle planétaire de l'atome. L'interprétation des résultats expérimentaux obtenus par ses collaborateurs Hans Geiger et Ernest Marsden sur la déviation violente des rayons α une mince feuille d'or lui permet de comprendre qu'un atome est...
-
AGRÉGATS, physico-chimie
- Écrit par Jean FARGES et Rémi JULLIEN
- 1 616 mots
- 7 médias
...nombreuses méthodes physiques utilisées, la spectrométrie de masse est la plus importante. Elle permet en effet de classer les agrégats selon le nombre N d'atomes ou de molécules qu'ils contiennent. Ainsi, les spectres de masses, pour certaines valeurs de N appelées « nombres magiques », font apparaître... -
ALLIAGES
- Écrit par Jean-Claude GACHON
- 7 363 mots
- 5 médias
La seconde voie non expérimentale est celle de la théorie physique de l'état solide.Les atomes interagissent entre eux par l'intermédiaire de leurs couches électroniques externes, lesquelles sont bien décrites par la mécanique quantique. Des modèles des alliages ont été construits pour essayer,... -
BOHR ATOME DE
- Écrit par Bernard PIRE
- 369 mots
- 1 média
Deux ans après avoir soutenu sa thèse sur la théorie électronique des métaux, le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) écrit en 1913 trois articles fondamentaux qui révolutionnent la compréhension de la structure de la matière. Le premier, paru le 5 avril dans le Philosophical Magazine...
-
ATOME HABILLÉ
- Écrit par Bernard CAGNAC
- 424 mots
La théorie de l'« atome habillé » est une méthode de mécanique quantique permettant de calculer de manière simple et facile à interpréter les phénomènes qui se produisent lorsqu'un atome interagit avec un champ électromagnétique très intense résonnant ou voisin d'une résonance...
- Afficher les 87 références
Voir aussi
- FRÉQUENCE, physique
- ONDE ou RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- ABSORPTION, physique
- ISOTOPES
- POSITONIUM ou POSITRONIUM
- ORBITALES ATOMIQUES
- NOYAU ATOMIQUE
- INTERACTIONS MOLÉCULAIRES
- ÉMISSION, physique
- HAMILTONIEN
- SCHRÖDINGER ÉQUATION DE
- CRISTAL IONIQUE
- AVOGADRO LOI D'
- GAY-LUSSAC LOI DE
- SCIENCES HISTOIRE DES, XIXe s.
- MÉCANIQUE ONDULATOIRE
- MUONS
- EXCITATION, physique
- CHARGE ÉLECTRIQUE
- QUANTIQUES NOMBRES
- TRANSITION, physique
- COVALENTE LIAISON
- FONCTION D'ONDE
- COUCHES ÉLECTRONIQUES
- ÉNERGIE POTENTIELLE
- SCIENCES HISTOIRE DES, Antiquité et Moyen Âge
- BREMSSTRAHLUNG ou RAYONNEMENT DE FREINAGE
- ÉMISSION SPONTANÉE
- ÉMISSION STIMULÉE ou ÉMISSION INDUITE
- HÉLIUM
- ÉLÉMENTS CHIMIQUES
- PROPORTIONS LOI DES, chimie
- QUANTIQUE MÉCANIQUE
- PAULI PRINCIPE D'EXCLUSION DE
- POSITONS ou POSITRONS
- SOLIDES PHYSIQUE DES
- HEISENBERG RELATIONS DE ou RELATIONS D'INCERTITUDE
- COMMUTATION RELATION DE
- RÈGLES DE SÉLECTION, physique
- ÉLECTRONIQUE STRUCTURE
- FRANCK & HERTZ EXPÉRIENCE DE
- RYDBERG FORMULE DE
- PROBABILITÉ DE TRANSITION
- PÉRIODIQUE CLASSIFICATION
- NIVEAU, physique atomique
- CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE
- MUONIUM
- ATOME ARTIFICIEL
- CHIMIE HISTOIRE DE LA
- ATOME EXOTIQUE
- HÉLIUM MUONIQUE
- SPECTRE, optique
- MOMENT CINÉTIQUE ou MOMENT ANGULAIRE
- AVOGADRO NOMBRE D'
- RYDBERG CONSTANTE DE
- RAIE SPECTRALE
- RUTHERFORD ATOME DE
- DUALITÉ ONDE-CORPUSCULE
- LENNARD-JONES POTENTIEL DE
- PHYSIQUE HISTOIRE DE LA
- SCIENCES HISTOIRE DES
- ÉTAT QUANTIQUE
