Commentaires de l'article: L'émission stimulée (Einstein 1917) et le laser

Commentaire de Alexandre Moatti

Thu, 13 Jul 2006 17:44:11 +0200

(Réponse de J.L. Basdevant, professeur de physique quantique à l'X )

Alexandre,

Très bonne question, mais il faut se méfier de Feynman lorsqu'il
dit qu'il ne comprend pas quelque chose!

En fait, en mécanique quantique, un électron dans un atome (disons non excité par simplicité) passe son temps à émettre et réabsorber des photons. Pourquoi émet-il ces photons? Car toute charge accélérée rayonne. C'est une conséquence imparable et merveilleuse des équations de Maxwell (les ondes radio proviennent des courants alternatifs dans les antennes d'émission).
Or l'électron, dans un atome non excité, a une vitesse nulle en moyenne, mais pas de façon permanente à cause des relations d'incertitude de Heisenberg. Il "passe donc son temps à changer de vitesse" et à rayonner, ce qui quantiquement veut dire émettre des photons. Mais il doit réabsorber ces photons ("réceptionner" ce rayonnement) car sinon il y aurait non conservation de l'énergie. Pendant un temps ∆t il peut émettre ainsi, puis réabsorber, un photon "virtuel" d'énergie ∆E telle que ∆E x ∆t = h soit un temps ∆t = h /∆E

Cet effet est fondamental et sa conséquence est mesurable dans la structure fine du spectre des atomes. C'est le célèbre "Déplacement de Lamb" des niveaux atomiques, où calculs théoriques et mesures expérimentales sont en accord à 10-12 ou 10-13 près ("records du monde" de l'accord théorie-expérience)

Les choses se passent de même façon dans un atome excité, à cela près, que l'électron a, en plus de la possibilité de réabsorber le photon, la possibilité de l'émettre en retombant dans l'état d'énergie inférieur, ce qui permet la conservation de l'énergie. Cela s'appelle la désexcitation radiative de l'atome. Si l'énergie d'excitation était très élevée (cela se passe dans les noyaux atomiques) il pourrait émettre une paire de particules formée d'un électron et d'un antiélectron (énergie totale de l'ordre de 1 MeV).

Tout ça est effectivement vrai pour le rayonnement gamma des noyaux, et la désintégration de particules "élémentaires" (systèmes de quarks). C'est identiquement ce qu'on appelle l'émission spontanée.

Jean-Louis Basdevant

Commentaire de Alexandre Moatti

Tue, 04 Jul 2006 23:45:59 +0200

Je n'ai pas la réponse. J'y réfléchis, je cherche.
Cette question "D'où vient le photon?" ne se pose sans doute pas que pour l'émission stimulée, mais aussi l'émission spontanée, le rayonnement gamma.

Commentaire de Benjamin Bradu

Mon, 03 Jul 2006 15:01:54 +0200

Bonjour,

Je viens de lire une conférence de Richard Feynman intitulée "Qu'est-ce que la Science? " de 1966 et il pose une question en exemple où il ne peut répondre. Je m'étais déjà posé cette question lors d'un cours de mécanique quantique et je me demande si désormais, une réponse plus "claire" existe. Voici cette question formulée par un non-scientifique en rapport avec l'émission stimulée :

"D'après ce que je sais, un atome émet de la lumière quand il passe d'un état excité à un état de moindre énergie, et la lumière c'est une sorte de particule, un photon. Donc si l'atome en état excité peut émettre un photon , cela veut dire que l'atome possédait déjà à l'avance ce photon ?"

Je sais bien que l'atome "perd" une quantité d'énergie (égale à hν) sous forme de photon mais comment celui-ci est créé puisque en principe ce photon n'existe pas avant ??

Cette question me fait penser aux particules qui se créent et se désintègrent spontanément dans le phénomène de fluctuation du vide quantique.

Bref, si vous pouvez m'éclaircir sur ce phénomène je suis preneur..

Commentaire de Alexandre Moatti

Mon, 26 Jun 2006 08:59:40 +0200

Oui vous avez raison, puisque le prix Nobel est spécifiquement attribué pour des découvertes (et cette notion n'est plus aussi claire après 1900), c'est bien l'effet photoélectrique, et "sa contribution aux travaux de physique théorique" que choisissent les jurys Nobel pour couronner Einstein.

Bien évidemment les travaux de 1917 que je décris sont en droite ligne des travaux de 1905 sur l'effet photoélectrique et contribuent, je pense, au prix. La nouvelle physique quantique de 1900 attend d'ailleurs longtemps ses premier prix Nobel: Planck en 1919, Einstein en 1921, Bohr en 1922.

J'ai aussi choisi de mettre en lumière cet article de 1917 pour montrer justement le caractère ténu de la différence entre théorique/expérimental: en 1905, l'explication de l'effet photoélectrique apparaît comme un sujet pratique; en 1917 la résolution du sujet du corps noir et la découverte de l'émission stimulée apparaissent comme un sujet de physique théorique. Or neuf ans plus tard le phton est caractérisé de manière expérimentale cette fois-ci, et par ailleurs l'émission stimulée, par une suite d'étapes, donne naissance au laser.

Concernant Einstein et la mécanique quantique, il s'oppose plus tard (congrès Solvay 1927) non à la physique quantique elle-même, mais à l'interprétation qu'en font Bohr et Heisenberg, notamment sur la description de la réalité. Mais Einstein continue à contribuer à la physique quantique, comme vous le précisez, de 1905 à 1935 (paradoxe EPR).

Enfin, je partage votre avis sur l'utilisation abusive du mot "croire" en sciences, comme s'il y avait là une quelconque religion!

Commentaire de Benjamin Bradu

Sun, 25 Jun 2006 23:41:01 +0200

On dit souvent qu'Einstein n'était pas un fervent partisan de la mécanique quantique, son intime conviction étant que la statistique ne pouvait rentrer en compte dans la nature, et pourtant il y a contribué ! C'est en ce sens que je trouve que la Science est belle : On peut être amené à montrer des phénomènes auxquels on ne croit pas. Après tout, qui peut vraiment "croire", ou plutot comprendre, la physique quantique bien qu'elle ai fait ses preuves et qu'elle n'est plus à démontrer ??

Sinon concernant le prix Nobel d'Einstein, ce n'était pas à propos de l'effet photoélectrique (c'est à dire l'émission d'un électron lorsqu'un matériaux , souvent métallique, est bombardé de photons )?