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Oscillateur à hydrogène

Oscillateur à hydrogène
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Amplificateur à trois niveaux

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Principes physiques

D'après les théories de Niels Bohr, un atome peut effectuer une transition entre deux niveaux d'énergie discrets E1 et E2 (E2 > E1), à condition que la loi de conservation de l'énergie E2 − E1 = hν soit vérifiée, h étant la constante de Planck et ν la fréquence du rayonnement émis ou absorbé.

Le bilan des échanges de population entre les deux états peut s'établir à l'aide des coefficients de probabilité d'Einstein.

Le nombre dN′ d'atomes qui passent du niveau inférieur au niveau supérieur pendant l'intervalle de temps dt est égal à :

où ρν est la densité spectrale d'énergie, soit l'énergie rayonnante contenue dans l'unité de volume et dans un intervalle de fréquence infiniment petit centré sur ν ; N1 est le nombre d'atomes se trouvant au niveau E1 ; et B12 le coefficient de la probabilité d'absorption. Ce transfert de population s'accompagne de l'absorption de dN′ photons du rayonnement incident.

Du niveau supérieur, les atomes peuvent retourner au niveau inférieur selon deux processus différents : l'émission spontanée ou l'émission induite. Cependant, dans le domaine des fréquences hertziennes qui nous intéresse ici, la seconde est largement prépondérante pour toutes les densités de rayonnement qu'on peut généralement rencontrer. Nous négligerons donc l'émission spontanée. L'émission induite, appelée aussi stimulée, est provoquée, comme l'absorption de rayonnement, par la présence d'une radiation à fréquence ν. Le nombre d'atomes dN″ retournant au niveau inférieur sous l'influence du rayonnement pendant le temps dt, et donc le nombre de photons produits par émission induite, est donné par :

où B21 est le coefficient de la probabilité d'émission induite.

Einstein a montré que les coefficients des probabilités d'absorption et d'émission induite sont égaux. Il en résulte que l'accroissement de la population du niveau inférieur dN est :

Le bilan énergétique de l'effet de l'absorption et de l'émission induite peut s'établir facilement puisque dN représente aussi l'excès du nom [...]


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Écrit par :

  • : directeur de recherche au C.N.R.S.
  • : directeur de recherche au C.N.R.S., directeur du laboratoire de l'horloge atomique de l'université de Paris-XI, Orsay

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Pour citer l’article

Maurice ARDITI, Claude AUDOIN, « MASER », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 11 octobre 2019. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/maser/