Table des matières. Avant-propos Remerciements Symboles et abréviations Constantes physiques... 13

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1 Avant-propos... 1 Remerciements... 5 Symboles et abréviations... 7 Constantes physiques Chapitre 1. Notions de base et terminologie Paramètres et caractéristiques des spectres Diagramme des niveaux d énergie d un atome Spectre de raies, spectre moléculaires et continuum Profil de raie Fond continu des spectres Longueur d onde : étalon et précision Coefficient d absorption et épaisseur optique d un milieu Règles de sélection des transitions entre niveaux d énergie et notation Transitions radiatives permises et interdites Aperçu des notations désignant l état d excitation d un atome Excitation et désexcitation d un atome (molécule) en phase gazeuse Mécanismes mettant en jeu des photons Mécanismes collisionnels Excitation et désexcitation des atomes dans les solides Spectres expérimentaux de l atome d hydrogène... 57

2 VI Physique atomique et spectroscopie optique Chapitre 2. Modèle de Bohr et ses améliorations Moment cinétique en mécanique classique Modèle de Bohr de l atome d hydrogène Point de départ de Bohr : Rutherford Postulats de Bohr Calcul du rayon des orbites quantifiées et de leur énergie Conclusion sur le modèle de Bohr (premièreversion) Excitation des atomes par collisions électroniques : expérience de Franck et Hertz Principes de l expérience et montage Résultats expérimentaux Conclusion Modèle de Bohr-Sommerfeld Dérivation du postulat de Bohr sur la quantification du moment cinétique orbital Améliorations à la quantification de l atome hydrogénoïde suivant Wilson et Sommerfeld Correction relativiste de Sommerfeld (structure fine) Principe de correspondance Bilan et critique du modèle de Bohr-Sommerfeld La dualité onde-corpuscule Chapitre 3. Propriétés quantiques de l atome à un électron Électron dans un potentiel coulombien Équation de Schrödinger stationnaire Séparation de la fonction d onde de l équation de Schrödinger stationnaire Valeurs permises des nombres quantiques Densité de présence de l électron Atome à un électron en périphérie d une configuration orbitale de gaz rares

3 VII 3.3. Définition et propriétés du moment cinétique Définition et axiomatique Relations entre les valeurs propres de Ĵ 2 et celles de Ĵz Chapitre 4. Spectroscopie de l atome à deux électrons Principe d indiscernabilité des particules : symétrie des fonctions d onde Application du principe d indiscernabilité Mode d expression de la symétrie de la fonction d onde Cas d électrons interagissant, sans corrélation position-spin Fonctions de spin pour deux électrons en faible corrélation de spin Énergie des niveaux singulet et triplet de l hélium Chapitre 5. Atomes à plusieurs électrons Insuffisance du principe d exclusion de Pauli Équation de Schrödinger ; approximation de Hartree-Fock Expression de l énergie potentielle répulsive Algorithme du calcul auto-cohérent Énergie potentielle moyenne et charge effective Propriétés de la partie radiale R nl de la fonction d onde Configuration orbitale des éléments du tableau périodique Précisions sur la désignation d une configuration orbitale Habillage en orbitales des différents éléments du tableau périodique Examen des résultats du remplissage du tableau périodique Addition de moments cinétiques : modèle vectoriel Niveaux d approximation de l hamiltonien suivant les différents types de couplage Couplage L S Couplage j j Couplage (j, l) dit de Racah Structure hyperfine et moment cinétique nucléaire

4 VIII Physique atomique et spectroscopie optique Chapitre 6. Interaction rayonnement-matière Probabilité de transition radiative spontanée Émission stimulée et absorption Théorie classique de Lorentz du rayonnement EM par les atomes Absorption Émission Interaction rayonnement-matière : théorie semi-quantique Hamiltonien tenant compte de l incidence du rayonnement EM sur l atome Solution de l hamiltonien par une méthode de perturbation Probabilité de transition indépendante du temps Expression des coefficients d Einstein Probabilité de transition spontanée Règles de sélection pour les transitions dipolaires électriques Règles de sélection pour les transitions dipolaires magnétiques et quadripolaires électriques Rayonnement EM dans un système en équilibre thermodynamique : le corps noir Intensités du spectre d émission dans un milieu en équilibre thermodynamique : loi de Boltzmann Intensités du spectre d émission dans un milieu hors équilibre thermodynamique Coefficient d absorption optique Coefficient d absorption optique k ν (ν) intégré sur la largeur de raie Cas d un ensemble d atomes obéissant à une distribution en vitesse de Maxwell-Boltzmann Coefficient global d absorption Exercices du chapitre Exercices du chapitre Exercices du chapitre Exercices du chapitre

5 IX Exercices du chapitre Annexes A1. Énergie totale de l électron dans l atome d hydrogène A2. Niveaux d énergie d une molécule et nombres quantiques A3. Notation des systèmes moléculaires des décharges dans N A4. Notation en couplage L S des états d énergie des molécules diatomiques homonucléaires A5. Séparation minimale de deux raies : critère de Rayleigh A6. Structure fine de l atome d hydrogène dans la série de Balmer A7. Piégeage du rayonnement dans un milieu à T gaz inhomogène A8. Principe de la convolution de deux profils spectraux A9. Continuum de recombinaison des hydrogénoïdes A10. Rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) A11. Transfert radiatif à travers un milieu gazeux A12. Loi de Kirchoff dans un milieu en équilibre thermique A13. Fluorescence et résonance : reconstitution des niveaux d un atome A14. Effet Zeeman A15. Postulats de la mécanique quantique A16. He I : série de termes singulet et série de termes triplet A17. Illustration de la méthode de perturbation stationnaire pour un état non dégénéré A18. Champ magnétique créé par la charge électrique du noyau dans le repère de l électron A19. Lien des coefficients d Einstein B ij avec ceux de Milne B ij A20. Variante du calcul du coefficient d absorption optique A21. Coefficient d absorption optique intégré dans le cas d une raie élargie par effet Doppler Postface Bibliographie Index