Université Joseph Fourier Master Physique et Ingénieries. Physique Atomique et Moléculaire, Spectroscopie

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1 Université Joseph Fourier Master Physique et Ingénieries Physique Atomique et Moléculaire, Spectroscopie Jacques DEROUARD, Professeur Juin 2006

2 Table des matières 1 Introduction à la Physique Atomique Qu'est-ce que la physique atomique? Physique "de" l'atome Physique "avec" des atomes Applications (sciences fondamentales et appliquées) Quelques développements récents But de ce cours Ouvrages généraux suggérés Physique des atomes et des molécules: ordres de grandeur Structure électronique Taille des atomes Niveaux d'énergie électroniques Vibration et rotation des molécules Vibration et liaison chimique Rotation Niveaux et Transitions "rovibroniques" Interactions magnétiques Le photon Energie Quantité de mouvement Pression de radiation en électromagnétisme classique Manifestations physiques et applications Forces dipolaires et piégeage radiatif Moment cinétique Couple exercé par une onde électromagnétique Interprétation quantique: spin du photon et états de polarisation de la lumière Spin du photon, conservation du moment cinétique et règles de sélection lors de transitions radiatives Moment cinétique orbital de la lumière et transitions multipolaires

3 4 Processus de transitions entre niveaux atomiques et moléculaires Principaux schémas d'expériences de spectroscopie Spectroscopie optique Spectroscopies non optiques Cinétique de désexcitation d'un niveau Détermination expérimentale de la durée de vie d'un état excité Désexcitation radiative Processus collisionnels Désexcitation collisionnelle Transferts collisionnels Notion de section ecace Modèle classique Dénition plus formelle Section ecace et taux de collision Prols de raie Prol "homogène" de Lorentz, largeur "naturelle" Prol "inhomogène". Cas de l'eet Doppler Processus d'interaction des atomes avec la lumière et cinétique d'évolution Absorption Emission spontanée Emission stimulée Eet laser Relations entre coecients d'einstein Sections ecaces Atome d'hydrogène et "hydrogénoïdes" Introduction Rappels de quelques résultats de mécanique classique Résultats de la mécanique quantique Niveaux d'énergie Fonctions d'onde radiales Fonctions d'onde angulaire Orbitales hybrides dirigées Extension au cas des atomes alcalins et atomes de Rydberg: "concept de défaut quantique" Atomes à plusieurs électrons Hamiltonien d'un atome à p électrons: Approximation des électrons indépendants, potentiel eectif Structure en couches. Congurations électroniques Conguration fondamentale des atomes

4 6.2.2 Congurations électroniques excitées Lien entre Z eff (r) et conguration électronique Moment cinétique des congurations. Energie d'échange Moments cinétiques et termes spectraux Règle de Hund et énergie d'échange Structure ne et interactions magnétiques Introduction: structure ne des raies spectrale Interaction spin-orbite: Atomes à 1 électron actif Hamiltonien: cadre electrodynamique Ordre de grandeur et lois d'échelle Niveaux propres et états propres de l'énergie Interaction spin-orbite: Atomes à plusieurs électrons Hamiltonien Niveaux propres: Approximation du "couplage LS" Niveaux et états propres: Approximation du "couplage jj" Inuence du noyau, structure hyperne et eets isotopiques Eet de masse Eet de volume Spin et moment magnétique du noyau Spin et moment quadrupolaire du noyau Interaction avec un champ magnétique externe Hamiltonien d'intéraction Niveaux et états propres de l'énergie en champ faible: eet Zeeman Niveaux et états propres de l'énergie en champ fort: eet Paschen Back Conclusion Transitions radiatives. Intensités et règles de sélection Introduction Hamiltonien d'interaction champ-atome Probabilités de transitions Développement multipolaire du Hamiltonien Termes dipolaire électrique et dipolaire magnétique: ordre de grandeur Règles de sélection Parité Moment cinétique Multiplicité et spin électronique Moment orbital Exemples Quelques remarques sur les cas non traités

5 8.4 Aspects géométriques: polarisation et transitions radiatives, répartition angulaire de l'émission Transitions radiatives par émission spontanée Transitions radiatives par absorption ou émission induite Conclusion