3. Exemple du sodium
• États quantiques du sodium
Pour analyser le mécanisme du pompage optique, on va considérer l'exemple d'un atome alcalin, celui du sodium, en faisant abstraction de la complication de structure hyperfine qui est due à l'existence du spin et du moment magnétique nucléaire du 23Na. Cette simplification est justifiée dans le cas où le champ magnétique appliqué est suffisamment fort pour produire des intervalles Zeeman qui sont grands par rapport aux intervalles de structure hyperfine.
L'état fondamental de l'atome de sodium est un état désigné par le symbole S1/2 par les spectroscopistes. Dans un tel état, le moment magnétique de l'atome, égal à un magnéton de Bohr, est dû au spin de l'électron de valence. Ce moment peut s'orienter soit dans le sens du champ magnétique, soit en sens opposé. Chacune de ces orientations correspond à un état Zeeman. L'état Zeeman pour lequel le moment magnétique est orienté dans le sens du champ possède l'énergie la plus basse et est noté : état m = − 1/2 ; l'état Zeeman pour lequel le moment magnétique est orienté en sens opposé à celui du champ est noté : m = + 1/2. L'intervalle d'énergie entre ces deux états m de l'état fondamental est proportionnel au champ magnétique appliqué.
Dans la vapeur de sodium, à température modérée (300 à 400 K), les deux états m = − 1/2 et m = + 1/2 possèdent sensiblement la même population : 50 p. 100 des atomes se trouvent dans l'un des états Zeeman et 50 p. 100 dans l'autre.
La vapeur de sodium absorbe très fortement la lumière jaune émise par une lampe à sodium. Cette lumière est composée de deux radiations monochromatiques D1 et D2, dont les nombres d'onde diffèrent de 17 cm−1 et qu'on distingue aisément avec un bon spectroscope. L'absorption de la radiation D1 porte l'atome de sodium de l'état fondamental S1/2 à un état excité que les spectroscopistes désignent par le symbole P1/2 ; l'absorption de la radiation D2 porte l'atome à un état excité voisin appelé P3/2. Dans un champ magnétique, l'état P1/2 est décom […]
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