Absorption d'un photon: vulgarisation

[Pfhoryan]

Bonjour,

On voit souvent revenir des questions du genre "comment un photon est-il absorbé par une molécule/un atome".

La réponse n'est pas si compliquée.

La lumière est une oscillation du champ électromagnétique (EM). Si la fréquence d'oscillation du champ EM est égale à la fréquence de résonance d'une charge, celle-ci va se mettre à osciller.
Pour un atome, la charge qui peut entrer en résonance est un électron qui va se mettre à osciller sous l'effet de la variation du champ EM, passant éventuellement d'une orbitale à une autre d'énergie plus élevée. La mise en mouvement de la charge nécessite une quantité d'énergie précise qui est prise au champ EM. C'est quantité d'énergie est un photon.

Même chose pour les molécules comportant plusieurs atomes. Sous l'effet de l'oscillation d'un champ électromagnétique de fréquence adéquate, la densité de charge (électron) va se déplacer le long des liaisons entre atomes d'un bout à l'autre molécule, en oscillant. Là aussi, l'énergie qui est prise au champ (le photon) correspond à celle nécessaire pour faire osciller la charge.

Comme des illustrations valent souvent mieux qu'un long discours, voici une animation montrant l'oscillation de la densité de charge dans une molécule de porphyrine excitée par un laser (à la base des chlorophylles):



Même chose mais pour une paire de base d'ADN, avec transfert de la charge d'une base à l'autre via une liaison hydrogène:



Question à 2 centimes d'euro: comment un photon est-il émis par une molécule ou un atome?
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[Chip]

Joli, mais ce genre de visualisation peut tout de même induire en erreur... voir cette discussion par exemple.

l'énergie qui est prise au champ (le photon) correspond à celle nécessaire pour faire osciller la charge.

Ce n'est pas qu'une question d'oscillation. Par exemple si l'atome (ou la molécule) fait une transition vers un niveau d'énergie plus élevée, la densité de charge n'oscille plus, et l'énergie a bien été absorbée.

Question à 2 centimes d'euro: comment un photon est-il émis par une molécule ou un atome?

Pas évident de s'appuyer sur cette visualisation pour répondre à cette question. Pour un atome dans un état excité, la densité de charge n'oscille pas.

[Chip]

Pour un atome dans un état excité, la densité de charge n'oscille pas.

Pour un état stationnaire, bien sûr. On peut préparer des états où la densité de charge oscille, et même de façon assez spectaculaire, comme des superpositions d'états de Rydberg.

[coussin]

Il ne s'agit pas ici d'oscillations dues à une superposition d'états. Ça oscille à cause du laser extérieur qui fait la transition (on comprend alors les règles de sélection, l'effet de la polarisation du laser, etc). Pour l'émission, c'est pareil : on peut dire que la densité électronique se met à osciller spontanément..

[A voir en vidéo sur Futura]

[Deedee81]

Salut,

Ce n'est pas qu'une question d'oscillation. Par exemple si l'atome (ou la molécule) fait une transition vers un niveau d'énergie plus élevée, la densité de charge n'oscille plus, et l'énergie a bien été absorbée.

Elle oscille le temps de l'absorption. Si l'on résout (numériquement ou par des méthodes approchées) l'équation de Schrödinger dépendant du temps en présence d'une onde EM, on constate que l'électron passe d'une orbitale a l'autre en passant par un état oscillant (à la fréquence de l'énergie échangée).

C'est assez parlant.

Par contre, je suis d'accord que sans un minimum de précaution et un minimum d'explications techniques.... les erreurs sont au coin de la rue.

[Chip]

Il ne s'agit pas ici d'oscillations dues à une superposition d'états. Ça oscille à cause du laser extérieur qui fait la transition (on comprend alors les règles de sélection, l'effet de la polarisation du laser, etc). Pour l'émission, c'est pareil : on peut dire que la densité électronique se met à osciller spontanément..

Ben si, s'il y a oscillation c'est qu'il y a superposition d'états propres de l'énergie... Superposition induite par le laser, dans le cas de l'absorption. Pour l'émission spontanée, cf la remarque que je faisais dans discussion donnée en lien plus haut.

[Chip]

Elle oscille le temps de l'absorption. Si l'on résout (numériquement ou par des méthodes approchées) l'équation de Schrödinger dépendant du temps en présence d'une onde EM, on constate que l'électron passe d'une orbitale a l'autre en passant par un état oscillant

Bien sûr, je n'ai pas dit le contraire (voir mon message initial).

[Amanuensis]

Est-ce que "état oscillant" ne serait pas une forme d'oxymore en Physique Quantique ? Ou encore, dans quelle mesure peut-on parler d'état si des valeurs conservatives comme l'énergie, la quantité de mouvement ou le moment cinétique ne sont pas définies, alors que l'atome reste localisé ?

[Deedee81]

Bien sûr, je n'ai pas dit le contraire (voir mon message initial).

Excuse-moi, j'avais mal lu.

[Deedee81]

Est-ce que "état oscillant" ne serait pas une forme d'oxymore en Physique Quantique ?

La fonction d'onde (son amplitude) peut très bien varier de manière périodique (ou quasi). Les solutions qu'on étudie habituellement sont plutôt de type stationnaires mais c'est surtout parce qu'elles sont "faciles" (équation de Schrödinger indépendante du temps) (oui, bon, elles sont aussi très utile, évidemment ).

On observe ça aussi avec la traversée d'une barrière par effet tunnel. Si la particule est décrite par une bosse (un paquet gaussien par exemple) qui se propage, elles se transmet et se réfléchit (le paquet repart diminué des deux cotés, ce qui donne la probabilité de transmission et réflexion) avec une oscillation violente de l'amplitude au voisinage et dans la barrière pendant la phase de "contact". D'autant plus forte qu'on est près de la résonance (transmission forte).

Là aussi il faut faire le calcul sur ordinateur (et c'est du lourd).

[coussin]

Ben si, s'il y a oscillation c'est qu'il y a superposition d'états propres de l'énergie... Superposition induite par le laser, dans le cas de l'absorption. Pour l'émission spontanée, cf la remarque que je faisais dans discussion donnée en lien plus haut.

C'est la vision en terme d'états habillés, oui
Mais sinon, de manière beaucoup plus simple, les charges composant la molécule (les électrons bien sûr et dans une moindre mesure le noyau) sont secouées dans un champ oscillant via la force de Coulomb.
Ça devient alors très simple de comprendre l'émission stimulée par exemple

[inviteccac9361]

Bonjour,

Question à 2 centimes d'euro: comment un photon est-il émis par une molécule ou un atome?

A mon avis, il est émis lorsqu'il n'est pas "réabsorbé".

[Amanuensis]

La fonction d'onde (son amplitude) peut très bien varier de manière périodique (ou quasi). Les solutions qu'on étudie habituellement sont plutôt de type stationnaires mais c'est surtout parce qu'elles sont "faciles" (équation de Schrödinger indépendante du temps) (oui, bon, elles sont aussi très utile, évidemment ).

Certes !

Mais s'agit-il d'un état ? Ou d'oscillations entre différents états ?

On observe ça aussi avec la traversée d'une barrière par effet tunnel. Si la particule est décrite par une bosse (un paquet gaussien par exemple) qui se propage, elles se transmet et se réfléchit (le paquet repart diminué des deux cotés, ce qui donne la probabilité de transmission et réflexion) avec une oscillation violente de l'amplitude au voisinage et dans la barrière pendant la phase de "contact".

Ce cas est plus en ligne avec la discussion : difficile de voir dans une transition un "état" ! Il s'agit plutôt d'une successions d'états distincts, non ? Et comment parler "d'oscillations" dans cette suite (et a fortiori "d'état oscillant") ?

[Chip]

Ben si, s'il y a oscillation c'est qu'il y a superposition d'états propres de l'énergie... Superposition induite par le laser, dans le cas de l'absorption. Pour l'émission spontanée, cf la remarque que je faisais dans discussion donnée en lien plus haut.

C'est la vision en terme d'états habillés, oui

Je ne me plaçais pas dans le point de vue de l'atome habillé, je parlais des niveaux non perturbés. Je disais qu'au cours de la transition il y a superposition de ces états non perturbés.

Mais sinon, de manière beaucoup plus simple, les charges composant la molécule (les électrons bien sûr et dans une moindre mesure le noyau) sont secouées dans un champ oscillant via la force de Coulomb.

Je ne veux pas jeter le bébé avec l'eau du bain, juste attirer l'attention sur le fait qu'une telle visualisation peut induire en erreur. Par exemple, le champ electromagnétique n'est pas obligé d'"osciller" de façon classique pour induire une transition (je suis sûr que tu sais ces choses, mais bon ça me paraît intéressant à préciser). Pour un champ d'un photon unique induisant une transition atomique, le champ electromagnétique n'"oscille" pas, du moins pas de façon classique. De plus cette visualisation néglige complètement un aspect fondamental : l'intrication entre l'état atomique et l'état du champ.

Ça devient alors très simple de comprendre l'émission stimulée par exemple

Si je reprends littéralement le raisonnement du message initial pour expliquer l'émission stimulée par un champ cohérent d'un atome initialement dans un état excité, ça va devenir : "L'atome est initialement dans un état excité. La densité de charge est stationnaire, elle n'oscille pas. Le champ met en mouvement la charge, et cette mise en mouvement de la charge nécessite une quantité d'énergie précise qui est prise au champ EM", ce qui est bien évidemment incorrect, et c'est ce que je signalais dans mon premier message.

[Deedee81]

Salut,

Mais s'agit-il d'un état ? Ou d'oscillations entre différents états ?

Olàlà, ça c'est plus une question de convention qu'autre chose. Dans le style "point de vue de Heisenberg" (un état) ou "point de vue de Schrödinger" (variation de l'état, donc passage d'un état à un autre).

Pour ce qui est de parler d'oscillation, c'est assez simple. Si tu regardes la valeur de l'amplitude de la fonction d'onde (la densité de probabilité) dans l'espace et le temps, ça oscille clairement. C'est assez clair autant dans les équations que sur un graphique (ou une animation). Quand je vois l'amplitude varier rapidement dans le temps et l'espace, ça ne me gêne pas de parler d'oscillation.

Et comme il est franchement abusif (il me semble) de parler de l'oscillation de l'électron, je préfère parler de l'oscillation de l'état (ici c'est plutôt un raccourci de langage pour "oscillation de l'amplitude de présence de l'électron").

[Pfhoryan]

Si je reprends littéralement le raisonnement du message initial pour expliquer l'émission stimulée par un champ cohérent d'un atome initialement dans un état excité, ça va devenir : "L'atome est initialement dans un état excité. La densité de charge est stationnaire, elle n'oscille pas. Le champ met en mouvement la charge, et cette mise en mouvement de la charge nécessite une quantité d'énergie précise qui est prise au champ EM", ce qui est bien évidemment incorrect, et c'est ce que je signalais dans mon premier message.

On peut éventuellement s'en sortir pour l'émission stimulée: Le champ initie l'oscillation de la densité de charge, à la fréquence de la transition vers un niveau d'énergie plus bas, précipitant cette transition. Comme lors de la transition, l'oscillation de la charge génère un champ EM, après transition, de l'énergie a bien été restituée au champ.
Bon ok, c'est pas parfait, cela reste de la vulgarisation.

[Amanuensis]

Un autre point qui me gène dans ce type de vulgarisation, c'est l'accent mis sur l'énergie. Il y a aussi (et tout aussi bien) échange de quantité de mouvement et de moment cinétique. Comment fait-on entrer cela dans la "description vulgarisée" ?

[coussin]

La quantité de mouvement linéaire est négligeable mais peut être prise en compte en imaginant tout bêtement un recul de la molécule (de manière classique, balistique). La quantité de mouvement angulaire est dans la forme des orbitales initiale et finale. On s'en rend compte en regardant les noeuds de celles-ci.