niveaux d’énergie

Thème : optique

Chap 6 NOTIONS D'OPTIQUE CORPUSCULAIRE 1) LES PHOTONS :

a) Aspect ondulatoire de la lumière : la lumière est un ensemble d'ondes électromagnétiques. Chaque onde se propage à la célérité c et sa longueur d'onde λ est : λ =

ν

c = c T

ν étant la fréquence en Hz, λ la longueur en m, T la période en s, c la célérité en m/s

b) Aspect corpusculaire de la lumière : la lumière est constituée de "petits paquets de matière" appelés photons qui sont capables de se propager à la vitesse c. Chaque photon transporte de l'énergie :

Ephoton = h ν

h : constante de Planck : h = 6,62.10⁻³⁴ J.s ; Ephoton en Joule (J) ; ν en Hertz (Hz) (autre unité d’énergie : 1 électronvolt : 1eV = 1,6.10⁻¹⁹ J)

L'énergie totale d'un faisceau de lumière émise pendant une durée t et de puissance P est : E = P t P en Watt (W) ; E en Joule (J) ; t en seconde.

Le nombre de photons émis lors d’une impulsion lumineuse d’énergie totale E pendant une durée t est :

photon un

d' Energie

lumineuse impulsion

l' de totale Energie

n= (les énergies étant en Joule)

2) PUISSANCE SURFACIQUE ET ENERGIE SURFACIQUE D’UN FAISCEAU LUMINEUX :

Un faisceau de lumière de puissance P a une section circulaire de rayon R. La puissance surfacique du faisceau lumineux est la puissance par unité de surface :

Surface Puissance P_surfacique =

puissance en Watt, surface en m² (S = π R²) et donc la puissance surfacique en W/m² ou W.m⁻². On peut donner une définition analogue pour l’énergie surfacique d’un faisceau lumineux :

Surface Energie

Energie_surfacique = (Energie en J, S en m² (S = π R²) et l’énergie surfacique en J/m² ou J.m⁻².

Faisceau lumineux cylindrique Source de

lumière Surface de

rayon R

II) L'ATOME ET SES NIVEAUX D'ENERGIE :

Dans un atome, les électrons sont continuellement en mouvement autour du noyau sur des orbites bien déterminées.

Par conséquent, l'atome possède différents états d'énergies bien définis.

- L'état de plus basse énergie correspond à l'état stable ou état fondamental de l'atome : ses électrons sont le plus près possible du noyau.

- Quand un atome est dans un état excité, son niveau d'énergie est plus élevé et des électrons sont situés sur orbites plus éloignées du noyau. C'est un état instable.

a) Spectre d'absorption d'un atome :

On donne de l'énergie lumineuse aux atomes d'un gaz en l'éclairant avec une source de lumière blanche.

Le niveau d'énergie de chaque atome augmente : des électrons s'éloignent du noyau. Chaque atome absorbe des photons correspondant à des longueurs d'onde bien définies.

Des raies noires sont observables sur le spectre de la lumière blanche de la source après la traversée du gaz.

Exemple de spectre d’absorption :

exemple :

∆E = E1 − E0 = Ephoton : on en déduit la longueur d’onde λ01

etc

E1

Ei

E4

E3

E2

Etat fondamental Etats excités Etat ionisé Niveaux d’énergie

niveaux d’énergie

E

stable E

E

E

états excités

photon λ

absorbé photon λ

absorbé

b) Spectre d'émission d'un atome :

exemple : observation avec un spectroscope et une lampe à vapeur de sodium ou d'hydrogène :

Dans la lampe, les atomes du gaz reçoivent de l'énergie grâce à une décharge électrique et se trouvent alors dans un état excité d'énergie élevée.

Ces différents états excités étant instables, chaque atome ne tarde pas à revenir dans un état stable de plus basse énergie en perdant de l'énergie sous forme lumineuse : les électrons se rapprochent du noyau et il y a émission de photons de longueurs d'onde bien définies.

Des raies colorées sont alors observables au spectroscope.

Exemple de spectre d’émission :

Exemple :

∆E = E1 − E0 = Ephoton : on en déduit la longueur d’onde λ10

Les longueurs d'onde des raies noires du spectre d'absorption sont les longueurs d'onde des raies colorées du spectre d'émission : exemple : λ01 = λ10

Spectre d’absorption

Spectre d’émission

niveaux d’énergie

E

stable E

E

E

états excités

photon λ

émis photon λ

émis

IV) LE LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

1917 : Albert Einstein décrit le principe de l'émission stimulée (production sur commande d'un photon par un électron)

1958 : Townes et Schawlow déposent un brevet sur le laser.

1960 : Maiman obtient l'émission laser en excitant des cristaux de rubis.

1961 : Javan met au point le laser à gaz (hélium-néon).

1966 : Sorokin construit le premier laser à liquide

a) Principe du laser :

Le pompage consiste à exciter des électrons d'un milieu liquide, solide ou gazeux : chaque atome du milieu est alors dans un état excité correspondant à un niveau d’énergie élevé. Ces états étant instables, il y a déclenchement de l'émission de photons qui a leur tour excite de nouveau les électrons du milieu (émission stimulée) : on a alors une émission de photons en cascade. Enfin, on accumule ce rayonnement entre deux surfaces réfléchissantes avant de le relâcher sous forme de rayon. Tous les photons sont en phase entre eux.

ex : laser au rubis :

b) Rôle de la cavité résonante :

Elle permet de réaliser la mise en oscillation du laser et de sélectionner ses fréquences de fonctionnement. Par allers-retours successifs de la lumière entre les deux miroirs, des ondes vont interférer dans la cavité. Si ces interférences sont constructives, une onde pourra s'établir, sinon l'oscillation disparaît.

Condition pour avoir des interférences constructives :

Soit L la longueur da la cavité. Après un aller-retour l'onde réfléchie doit se trouver en phase avec l'onde incidente : la différence de trajet optique entre ces deux ondes est : ∆ = 2 L. Ces deux ondes sont en phase si ∆ = k λ avec k un entier.

D'où : 2L = kλ soit : ν = fréquences de résonance possibles dans la cavité. A chaque fréquence on a un mode.

Entre deux modes consécutifs, l'intervalle de fréquence est :

∆ ν = ν

− ν = =

c) propriétés du faisceau laser :

lumière pratiquement monochromatique, faisceau faiblement divergent, l'énergie est concentrée dans un très petit volume (dangereux et puissant), c'est une lumière cohérente spatialement et temporellement (contrairement à une lampe classique) : les photons émis ont tous la même longueur d’onde, la même direction.

Les différents types de lasers selon la nature du milieu actif :

type de laser puissance utilisation

laser Hélium-Néon de lycée 0,5 à 1mW expériences simples d'optique diode laser As-Ga (arséniure de

gallium) 1 à 3mW lecteurs de code-barre, de CD,

télécommunication (fibres optiques)

laser de type YAG (cristal

d'yttrium et l'aluminium) de l'ordre de 500W sous forme

d'impulsions de fréquence 1kHz micro-usinage laser à gaz CO2 en continu

(pompage continu) 100W à plusieurs kW

découpes d'étoffes, micro- usinage, chirurgie (couper et cautériser des tissus organiques)…

lasers impulsionnels (azote, CO2) (pompage par flashage)

puissances crêtes pouvant atteindre 1MW pendant des durées de l'ordre de 10 ns, ou des

puissances bien plus grandes encore lors d'impulsions très brèves de durée voisine de 10^-15 s

recherche, laboratoires (étude des mécanismes de réactions chimiques...)

Les rayons lasers permettent de focaliser une forte puissance rayonnante sur une petite surface.

Ils sont ainsi utilisés pour chauffer, fusionner ou vaporiser la matière.

On les emploie dans l’industrie pour percer les matières les plus dures, comme le diamant.

Dans les bâtiments et les travaux publics, les rayons lasers servent à vérifier l’alignement des structures.

Ils permettent aussi de mesurer des distances afin de déterminer la vitesse de véhicule par exemple.

Technologie militaire : des systèmes de guidage à laser ont été développés pour les missiles, les avions et les satellites.

En art : photographie de phénomènes très brefs. Eclairages de concerts, spectacles son et lumière…

On utilise aussi les rayons lasers pour nettoyer la façade de certains monuments historiques.

En informatique : lecteur, graveur : laser pour « lire », « écrire » , « effacer » des CD ou DVD.