Physique atomique et spectroscopie optique

Michel Moisan, L. Stafford, D. Kéroack

Description

Cet ouvrage fournit les bases de la physique atomique dans un langage adapté aux expérimentateurs confrontés à l’analyse de spectres optiques : Comment obtenir les diagrammes d’énergie des atomes ? Quelles sont les notations usuelles repérant les niveaux d’énergie et les règles de sélection pour les transitions permises ou interdites ? Quelles formes peuvent prendre les spectres d’émission et d’absorption ? Enfin, sont présentées des méthodes diagnostiques qui permettent de déterminer la population des atomes dans un état d’énergie donné, la température du milieu lorsque celui-ci est en équilibre thermodynamique et d’établir, de façon générale, la cinétique d’excitation et de désexcitation d’un niveau d’énergie de l’atome.

L’accès à ces thèmes est facilité par une rédaction claire, rigoureuse, avec de nombreuses illustrations sur les lasers et les plasmas. Des développements plus pointus et les détails de calculs sont proposés en annexes. Ainsi plusieurs publics utiliseront l’ouvrage chacun à leur manière.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Physique
• Physical attractiveness
• Science
• Physics
• Sciences et techniques

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 01 juillet 2016
• Nombre de lectures: 2
• EAN13: 9782759828708
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Michel Moisan, Danielle Kéroack et Luc Stafford
Physique atomique et spectroscopie optique
Copyright

EDP Sciences, Les Ulis, 2023
ISBN papier : 9782759819805 ISBN numérique : 9782759828708
Composition numérique : 2023
http://publications.edpsciences.org/
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Présentation

Cet ouvrage fournit les bases de la physique atomique dans un langage adapté aux expérimentateurs confrontés à l’analyse de spectres optiques : Comment obtenir les diagrammes d’énergie des atomes ? Quelles sont les notations usuelles repérant les niveaux d’énergie et les règles de sélection pour les transitions permises ou interdites ? Quelles formes peuvent prendre les spectres d’émission et d’absorption ? Enfin, sont présentées des méthodes diagnostiques qui permettent de déterminer la population des atomes dans un état d’énergie donné, la température du milieu lorsque celui-ci est en équilibre thermodynamique et d’établir, de façon générale, la cinétique d’excitation et de désexcitation d’un niveau d’énergie de l’atome.
L’accès à ces thèmes est facilité par une rédaction claire, rigoureuse, avec de nombreuses illustrations sur les lasers et les plasmas. Des développements plus pointus et les détails de calculs sont proposés en annexes. Ainsi plusieurs publics utiliseront l’ouvrage chacun à leur manière.
Table des matières Avant-propos Présentation du manuel La spectroscopie en 1888 Remerciements Symboles et abréviations Liste des symboles Liste des abréviations Note concernant l'index alphabétique Constantes physiques Chapitre 1. Notions de base et terminologie en spectroscopie atomique et moléculaire 1.1. Paramètres et caractéristiques des spectres d'émission et d'absorption 1.2. Longueur d'onde : étalon et précision 1.3. Coefficient d'absorption optique, k v , et épaisseur optique d'un milieu, v 1.4. Règles de sélection des transitions entre niveaux d'énergie et notation de ceux-ci : un premier aperçu 1.5. Excitation et désexcitation d'un atome (molécule) en phase gazeuse 1.6. Excitation et désexcitation des atomes dans les solides 1.7. Spectres expérimentaux de l'atome d'hydrogène : regroupement en séries et expressions mathématiques empiriques les reproduisant Chapitre 2. Modèle de Bohr et ses améliorations : examen critique 2.1. Le moment cinétique en mécanique classique 2.2. Modèle de B OHR de l'atome d'hydrogène 2.3. Excitation des atomes par collisions électroniques : mise en Évidence des états quantifiés du modèle de B OHR (l'expérience de F RANCK et H ERTZ ) 2.4. Modèle de B OHR -S OMMERFELD 2.5. Dualité onde-corpuscule : le point de départ de la mécanique quantique Chapitre 3. Propriétés quantiques de l'atome à un électron sans spin 3.1. Électron dans un potentiel coulombien 3.2. Atome à un électron en périphérie d'une configuration orbitale de gaz rares 3.3. Définition générale et propriétés du moment cinétique en mécanique quantique Chapitre 4. Spectroscopie de l'atome à deux électrons : rôle essentiel du spin 4.1. Principe d'indiscernabilité des particules : symétrie des fonctions d'onde 4.2. Application du principe d'indiscernabilité à un système à deux électrons 4.3. Calcul de l'énergie des niveaux singulet et triplet de l'hélium : intégrale d'échange Chapitre 5. Atomes à plusieurs électrons : configuration orbitale et états d'énergie 5.1. Insuffisance du principe d'exclusion de P AULI pour expliquer l'ordre de remplissage en électrons autour du noyau atomique 5.2. Résolution de l'équation de S CHRÖDINGER pour l'atome à plusieurs électrons dans l'approximation de H ARTREE -F OCK 5.3. Configuration orbitale des électrons des éléments du tableau périodique (état fondamental) 5.4. Addition de moments cinétiques représentée par le modèle vectoriel 5.5. Niveaux d'approximation de l'hamiltonien suivant les differents types de couplage Chapitre 6. Interaction rayonnement-matière 6.1. Probabilité de transition radiative spontanée : définition phénoménologique 6.2. Émission stimulée et absorption 6.3. Théorie classique de L ORENTZ du rayonnement EM par les atomes 6.4.Interaction rayonnement-matière : théorie semi-quantique 6.5.Rayonnement EM dans un système en équilibre thermodynamique : le corps noir. Définition de l équilibre thermodynamique 6.6.Intensités du spectre d émission dans un milieu en équilibre thermodynamique : loi de B OLTZMANN 6.7. Intensités du spectre d émission dans un milieu hors équilibre thermodynamique 6.8. Coefficient d absorption optique Exercices du chapitre 1 Exercice 1.1 Exercice 1.2 Exercice 1.3 Exercices du chapitre 2 Exercice 2.1 Exercice 2.2 Exercice 2.3 Exercice 2.4 Exercice 2.5 Exercice 2.6 Exercice 2.7 Exercice 2.8 Exercice 2.9 Exercice 2.10 Exercice 2.11 Exercices du chapitre 3 Exercice 3.1 Exercice 3.2 Exercice 3.3 Exercice 3.4 Exercice 3.5 Exercice 3.6 Exercices du chapitre 4 Exercice 4.1 Exercice 4.2 Exercice 4.3 Exercice 4.4 Exercice 4.5 Exercices du chapitre 5 Exercice 5.1 Exercice 5.2 Exercice 5.3 Exercice 5.4 Exercice 5.5 Exercice 5.6 Exercice 5.7 Exercice 5.8 Exercice 5.9 Exercice 5.10 Exercice 5.11 Exercice 5.12 Exercice 5.13 Exercice 5.14 Exercice 5.15 Exercice 5.16 Exercices du chapitre 6 Exercice 6.1 Exercice 6.2 Exercice 6.3 Exercice 6.4 Exercice 6.5 Annexes Annexe A1. Énergie totale de l'électron dans l'atome d'hydrogène Annexe A2. Les divers types de niveaux d'énergie d'une molécule et nombres quantiques correspondants Annexe A3. Notation et dénominations propres aux systèmes moléculaires des décharges dans N 2 Annexe A4. Notation en couplage L · S des états d'énergie électroniques des molécules diatomiques homonucléaires (par exemple : N 2 , H 2 , O 2 ) Annexe A5. Séparation minimale en longueur d'onde de deux raies dans le spectre : critère de R AYLEIGH Annexe A6. Structure fine de l'atome d'hydrogène dans la série de B ALMER Annexe A7. Une conséquence du piégeage du rayonnement dans un milieu où la température du gaz n'est pas homogène : l'apparition d'un faux doublet Annexe A8. Principe de la convolution de deux profils spectraux Annexe A9. Continuum de recombinaison des hydrogénoïdes Annexe A10. Rayonnement de freinage ( Bremsstrahlung ) Annexe A11. Transfert radiatif d'une source spectrale à travers un milieu gazeux Annexe A12. Loi de K LRCHOFF dans un milieu en équilibre thermique Annexe A13. Comment reconstituer les niveaux d'énergie d'un atome à partir d'une expérience mettant en jeu la fluorescence et la résonance : un exemple pratique Annexe A14. E FFET Z EEMAN Annexe A15. Postulats de la mécanique quantique Annexe A16. He I : série de termes singulet et série de termes triplet pour une même configuration orbitale d accueil Annexe A17. Illustration de la méthode de perturbation stationnaire pour un état non dégénéré Annexe A18. Champ magnétique créé par la charge électrique du noyau dans le repère de l électron Annexe A19. Lien des coefficients d E INSTEIN B ij avec ceux de M ILNE Annexe A20. Variante du calcul du coefficient d absorption optique Annexe A21. Dérivation de l expression du coefficient d absorption optique intégré dans le cas d une raie élargie par effet D OPPLER Postface Bibliographie Index
Avant-propos

L 'étude de la structure atomique vise à déterminer la configuration orbitale des électrons autour du noyau de l'atome de même que les états d'énergie qui lui correspondent. Ainsi comme nous le verrons au cours du premier chapitre notamment, la première configuration excitée du néon se décrit dans la notation orbitale par 1 s 2  2 s 2  2 p 5  3 s et donne lieu à quatre niveaux d'énergie (états 3   P 2,1,0 et 1 P 1 , dans la notation du couplage L · S ). Dans le cas d'une structure moléculaire, les mouvements relatifs de vibration et de rotation des atomes de la molécule viennent ajouter un très grand nombre de niveaux d'énergie aux états dits électroniques pour former des spectres d'émission et d'absorption qui peuvent être très complexes. D'une manière générale, la physique atomique s'intéresse aux niveaux d'énergie de l'atome alors que le centre d'intérêt du présent ouvrage se situe dans les transitions entre niveaux d'énergie. La spectroscopie (optique) permet d'enregistrer le résultat de telles transitions entre deux niveaux d'énergie, c'est-à-dire leur spectre en longueur d'onde, soit en émission (passage d'un niveau supérieur d'énergie vers un niveau inférieur), soit en absorption (niveau inférieur vers niveau supérieur). À noter que le présent ouvrage ne fait qu'effleurer l'instrumentation correspondante.
Le manuel que nous présentons se distingue d'un traité de mécanique quantique : il n'en comprend pas tout le formalisme habituel, visant plutôt à renforcer le sens physique des phénomènes atomiques que la mécanique quantique, très mathématisée, conduit à négliger comme le soulignent d'ailleurs Claude C OHEN -T ANOUDJI , B. Diu et F. L ALOË dans l'introduction de leur ouvrage Mécanique quantique  : "Il nous paraît nécessaire de compléter l'enseignement de la mécanique quantique, tel que nous le proposons, par un cours de physique atomique (au sens large du terme), plus descriptif [des phénomènes] et plus lié concrètement à l'expérience".
La démarche suivie dans cet ouvrage est celle d'expérimentateurs qui : i) utilisent la spectroscopie optique pour connaître les propriétés d'un plasma, un milieu composé de particules chargées et, le cas échéant, d'atomes neutres, en cherchant à déterminer, par exemple, le degré d'excitation ou d'ionisation de ces atomes (molécules), la densité des diverses espèces de particules du plasma et leur "température" ; ii)