POMPAGE OPTIQUE
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Le pompage optique est un procédé qui permet de changer d'une manière appréciable les valeurs des populations des états quantifiés des atomes, des molécules et des ions (on désigne par le mot « population » le nombre d'atomes dans un état quantique donné). On peut ainsi créer une distribution de population très différente de la distribution d'équilibre thermique et maintenir un état permanent de cette nouvelle distribution. En irradiant une assemblée d'atomes avec une lumière monochromatique dont la fréquence correspond à une raie d'absorption de l'atome à partir de l'état fondamental (raie de résonance), on peut peupler un niveau excité donné et changer la répartition de population entre les états de structure hyperfine et les états Zeeman de l'état fondamental. On est amené à employer une radiation incidente convenablement polarisée pour modifier la population des états Zeeman.
Dans cet article, après avoir rappelé quelques notions fondamentales relatives aux niveaux d'énergie des atomes, on s'intéressera au mécanisme du pompage optique dans le cas particulier de l'atome de sodium, et on rappellera les applications des techniques du pompage optique aux différents domaines de la physique, en renvoyant, pour plus de précisions, le lecteur à l'article lasers.
Répartition entre niveaux d'énergie
L'état énergétique d'une assemblée comprenant un grand nombre d'atomes identiques peut être caractérisé par leur répartition entre les différents niveaux d'énergie : N1 est le nombre des atomes qui se trouvent à l'état E1, et, d'une façon générale, Nn est le nombre d'atomes dans un état d'énergie En. On dit que Nn est la population de l'état En.
Lorsque le milieu auquel appartiennent les atomes est à l'état d'équilibre thermique à une température donnée T, les populations Nn des différents états En obéissent à la loi de Boltzmann, soit Nn proportionnel à exp(− En/kT), où k est la constante de Boltzmann égale au quotient de la constante R des gaz parfaits par le nombre d'Avogadro

(la constante k a les dimensions d'une énergie divisée par une température ; elle est ici exprimée en joule par kelvin).
Plus l'état d'énergie est élevé (En grand), plus la population correspondante Nn est faible.
L'état d'énergie le plus bas, E1, s'appelle l'« état fondamental de l'atome » ; les autres états d'énergie s'appellent les « états excités ». La relation de Boltzmann peut se mettre sous la forme :

Sous cette forme, elle permet de comparer directement la population d'un état excité En à celle de l'état fondamental E1.
Lorsque la différence d'énergie ΔEn est très supérieure à kT (soit ΔEn >> kT), la population Nn est pratiquement négligeable par rapport à celle de l'état fondamental ; en outre, lorsqu'il en est ainsi pour tous les états En, tous les atomes se trouvent dans l'état fondamental à l'équilibre thermique, et les états excités sont vides.
Au contraire, quand il existe des états En proches de l'état fondamental (ΔEn de l'ordre de kT), leur population est importante, et, dans le cas où ΔEn ⪡ kT, ils sont aussi peuplés que l'état fondamental.
Si une assemblée d'atomes est perturbée et mise dans un état différent de l'état d'équilibre thermique (par exemple, par une décharge électrique au sein du gaz ou par une irradiation optique), les processus de relaxation ont toujours tendance à rétablir l'état d'équilibre thermique. Lorsqu'ils interviennent seuls, le système se maintient à l'équilibre thermique.
En général, à un changement de structure électronique d'un atome par rapport à l'état fondamental correspond une variation d'énergie ΔEn de l'ordre de plusieurs électrons-volts, grande par rapport à kT (1 eV = 1,602 × 10−19 J), et les états excités correspondants sont complètement dépeuplés à la température ordinaire.
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Écrit par :
- Alfred KASTLER : membre de l'Académie des sciences, Prix Nobel de physique
Classification
Autres références
« POMPAGE OPTIQUE » est également traité dans :
KASTLER ALFRED (1902-1984)
Physicien français, né le 3 mai 1902 à Guebwiller (alors en Allemagne) et mort à Bandol le 7 janvier 1984. Professeur à l'université de Paris et à l'École normale supérieure, Alfred Kastler a obtenu le prix Nobel de physique en 1966 pour « la découverte et le développement de méthodes optiques dans l'étude des résonances hertziennes des atomes ». La plus connue de ces méthodes porte le nom imagé […] Lire la suite
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Voir aussi
- ABSORPTION physique
- LOI DE DISTRIBUTION DE BOLTZMANN
- CHAMP MAGNÉTIQUE
- COLLISION physique
- DEGRÉ D'ORIENTATION pompage optique
- ÉMISSION SPONTANÉE
- EXCITATION physique
- FRÉQUENCE physique
- HORLOGES ATOMIQUES
- INVERSION DE POPULATION
- MAGNÉTOMÈTRE
- MOMENT MAGNÉTIQUE
- ONDE ou RAYONNEMENT ÉLECTROMAGNÉTIQUE
- PARAMAGNÉTISME
- POLARISATION CIRCULAIRE
- POLARISATION DE LA LUMIÈRE
- RAIE SPECTRALE
- RELAXATION physique
- R.M.N.
- SOURCES optique
Pour citer l’article
Alfred KASTLER, « POMPAGE OPTIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 07 février 2023. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/pompage-optique/