Un photon peut interagir avec un atome suivant trois processus possibles:

Emission spontanée
Absorption
Emission stimulée (ou induite)

L'importance de cette interaction dépendant de la
Densité spectrale d’énergie par unité de volume


Emission spontanée

Considérons un système à deux niveaux d’énergie E1 et E2

avec E2 > E1 .
Un atome excité au niveau
E2 a une durée de vie limitée et passe spontanément au niveau E1 en émettant un photon de fréquence n telle que hn = E2 - E1.

En notant N2(t) le nombre d’atomes dans le niveau supérieur 2 , ses variations sont données par: dN2/dt = -A.N2(t).
Le coefficient
A qui a les dimensions de l’inverse d’un temps représente la probabilité d’émission spontanée par unité de temps. Son inverse t = A-1 représente la durée de vie moyenne de l’état excité 2 (en général de l’ordre de 10-8 à 10-9 s).
Il peut arriver que
A soit nul , la transition entre E2 et E1 est alors interdite.
L’émission spontanée se fait sans direction privilégiée: elle est isotrope.
Elle est spontanée en ce sens qu’il est impossible d’exercer une action qui la modifie.


Absorption

C’est le processus inverse de l’émission spontanée: un photon de fréquence n est absorbé par un atome dans le niveau E1 qui passe ainsi au niveau supérieur E2.

Le nombre d’atomes qui absorbent par unité de temps noté (-dN1 /dt )abs est proportionnel au nombre d’atomes susceptibles d'absorber N1(t) et à la densité spectrale d’énergie par unité de volume u(n) :
(-dN1/dt)abs=B.u(n).N1(t).
Le coefficient B est appelé coefficient d’Einstein pour l’absorption.


Emission stimulée

La transition du niveau E2 vers le niveau E1 est stimulée par un photon de fréquence n c’est à dire d’énergie égale à E2 - E1.

Le photon produit par cette désexcitation est indiscernable du photon incident, il s’incorpore à l’onde incidente, qu’il vient renforcer; en outre, il se raccroche en phase au photon incident, et il est émis dans la même direction: l’émission induite n’est pas isotrope.
Le processus a de nombreux caractères communs avec l’absorption et est représenté par des équations analogues, en particulier on obtient : (dN1 /dt)es = (-dN2 /dt)es = B.u (n).N2 .
Le coefficient B ( coefficient d’Einstein pour l’émission stimulée ) est le même que pour l’absorption.


En fait, l’absorption, l’émission spontanée et l’émission induite se produisent en même temps dans la même population d'atomes; les variations totales de N1 et N2 dues au rayonnement sont donc données par l’addition des trois phénomènes:


(-dN1 /dt) = (dN2 /dt) = -A. N2 + B.u (n) .(N1-N2)


Densité spectrale d’énergie par unité de volume u(n)
Une onde électromagnétique transporte de l’énergie. Un train d’ondes n’étant jamais parfaitement monochromatique, on peut caractériser ce transport par la densité volumique d’énergie
dU = u (
n).dn contenue dans l'onde dans l'intervalle spectral ( n,n+dn).
u (n) est la densité spectrale d’énergie par unité de volume.


Exercice interactif


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