Émettre un photon

[invited5405a9a]

Je sais qu'un atome isolé peut émettre un photon lorsqu'un électron change de couche. De ce même fait l'énergie interne de l'atome diminue. Ma question est : est ce qu'un électron isolé peut émettre un photon?
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[jiherve]

Bonsoir,
oui voir rayonnement synchrotron entre autres.
JR

[invited5405a9a]

Merci Beaucoup

[invite57f37970]

Bonsoir,
oui voir rayonnement synchrotron entre autres.
JR

Bonjour,
Tout dépend de ce qu'on entend vraiment par isolé car pour qu'un électron rayonne il faut qu'il soit accéléré donc soumis à une force extérieure, comme c'est le cas dans un synchrotron.
Contrairement à un atome isolé, un électron isolé n'a pas d'énergie interne à perdre pour lui permettre d'émettre un photon. En se plaçant dans le référentiel où l'électron est initialement au repos, l'énergie initiale vaut mc². Après émission hypothétique d'un photon, l'énergie finale serait de mc² plus la somme de l'énergie du photon et l'énergie cinétique de l'électron, ce qui violerait la conservation de l'énergie. Donc un électron vraiment isolé ne peut pas émettre un photon.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite69d38f86]

un électron s'il a une énergie parfaitement définie ne peut émettre de photon. c'est peut etre dans ce sens qu'il serait appelé isolé.
S'il est dans une superposition de diverses valeurs d'énergie il pourra évoluer vers un état d'énergie définie (via un photon).

[invite7ce6aa19]

un électron s'il a une énergie parfaitement définie ne peut émettre de photon. c'est peut etre dans ce sens qu'il serait appelé isolé.
S'il est dans une superposition de diverses valeurs d'énergie il pourra évoluer vers un état d'énergie définie (via un photon).

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Bonjour,

Il n' a rien de vraiment faux, mais pour que cela soit très clair, il faudrait que tu précises pourquoi un électron dans un état stationnaire d'un état excité de l'atome d'hydrogène n'est pas dans un état d'énergie parfaitement défini, cad bien définir la superposition.

[invite69d38f86]

Il y a par transformation de fourier un lien étroit entre durée de vie d'un état excité et largeur de son spectre énergétique.
La probabilité d'émission d'un photon est donc liée à la forme de ce spectre.

[Deedee81]

Salut,

Ok pour l'atome d'hydrogène (on peut effectivement avoir des états superposés et la largeur de raie dite "naturelle" (quelle drôle de nom) est reliée à ça).

Mais je croyais qu'on parlait d'un électron isolé. Est-ce qu'un atome isolé dans un état superposé (un paquet d'ondes, ce qui est toujours le cas évidemment) peut émettre un photon ? Je vois mal comment (il y aurait forcément violation de la quantité de mouvement).

[invite69d38f86]

je pensais à ce genre de choses
regarde en 3
Après le passage après les fentes l'atome excité n'a pas non plus une inpulsion dans le plan des fentes bien définie non plus.

[invite7ce6aa19]

Il y a par transformation de fourier un lien étroit entre durée de vie d'un état excité et largeur de son spectre énergétique.
La probabilité d'émission d'un photon est donc liée à la forme de ce spectre.

bonjour,

Oui c'est exacte mais ce n'est pas l'explication, ce que tu écris c'est une conséquence.

Les états propres d'un atome d'hydrogene ne sont des états propres qu en première approximation. En effet les états de l'atome d"hydrogène sont couplés aux états quantiques du champ électromagnétique, cad les excitations élémentaires du vide électromagnétique. En conséquence de quoi les seuls véritablement états propres sont les états propres de l'hamiltonien matiere-électromagnétisme.

Donc si a t=0 on est dans un état |A,>* |n,k,m> où A est un état purement électronique et |n,k,m> un état du champ électromagnétique, le système n'est pas dans un état stationnaire et donc il va évoluer.

Supposons que l'état initial soit un état excité |E1> et le champ dans l'état vide |0,0,> alors le système va évoluer vers un état d'énergie |E2, K,> et le champ électromagnétique vers un état |1,k,m> cad avec 1 photon dans le mode k.

On a bien sur:

E2 = E1 + h.c.|-k| conservation de l'énergie

K +k = 0 conservation de la quantité de mouvement.

L'état |E2> a donc une durée de vie T, ce qui permet d'écrire ce niveau avec une énergie E2 + i.G

en effet:

exp [-i/h (E2 + i.G).t] = exp-.G/h.t . exp (-i.E2/h.t) qui représente bien la disparition de l'état E2 dans un temps moyen T = h/G

Ce qui va déterminé G, la large de raie est l'ensemble des k finaux fortement couplés et qui constituent un continum au voisinage de E2-E1

[Deedee81]

Salut,

je pensais à ce genre de choses
regarde en 3
Après le passage après les fentes l'atome excité n'a pas non plus une inpulsion dans le plan des fentes bien définie non plus.

Ah, d'accord. Ce n'est pas exactement ce que j'avais compris de ton explication initiale mais ça n'est pas non plus ce que j'appelle un électron isolé. De toute façon, un électron libre isolé perdu dans le grand vide spatial ce n'est pas spécialement très intéressant. Et en tout cas nos explications n'étaient pas incompatibles (peut être juste un peu confuse).

D'ailleurs dans cette veine merci à Mariposa pour l'explication détaillée ci-dessus dans le cas de l'atome d'hydrogène.

[invite69d38f86]

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Mais je croyais qu'on parlait d'un électron isolé. Est-ce qu'un atome isolé dans un état superposé (un paquet d'ondes, ce qui est toujours le cas évidemment) peut émettre un photon ? Je vois mal comment (il y aurait forcément violation de la quantité de mouvement).

On peut reformuler la question de façon la plus générale:
soit un atome excité avec une fonction d'onde donnée (non forcément monochromatique) il émet un photon lui aussi non forcément monochromatique mais de fonction d'onde donnée.
Quelle est la fonction d'onde de l'atome après l'émission?
On devine bien que la réponse n'est pas dans une simple conservation.

La réponse est ici (en anglais malheureusement)
formule 3
On a l'exemple d' un atome initialement d'impulsion nulle ayant émis un photon ayant une probabilité P(k) en 1+k² entre deux bornes.

[invite69d38f86]

En fait la formule 3 indiquée est particulierement simple.
on a un atome avec une fonction d'onde initiale dont on notera P1 (k1) le carré de la norme (c'est une probabilité).
Il émet un photon avec une amplitude dont on notera P(k2) le carré de la norme (probabilité)
On associe à l'atome final une probabilité P2 (k)
la probabilité P2 (k0) est égale à la somme des probabilités P1(k0 - k) P(k) ou k variant, la somme (k0 - k) + k donne k0.
C'est la convolution de P1 et de P.

N'étant pas dans le milieu universitaire je ne sais pas si ce résultat est enseigné couramment.

[Deedee81]

Salut,

Roooooh, le gros lapsus. Je m'en suis rendu compte en lisant les réponses ci-dessus. Si je rajoute à la confusion, ça ne va plus là. Désolé, c'est moi qui avait introduit cette incompréhension, tout ça à cause d'un grmmmbl de lapsus. Je me reformule donc :

Est-ce qu'un électron isolé dans un état superposé (un paquet d'ondes, ce qui est toujours le cas évidemment) peut émettre un photon ? Je vois mal comment (il y aurait forcément violation de la quantité de mouvement).

(et pas un atome isolé, mais un électron libre).

(P.S. la discussion concernant de cas de l'atome n'en reste pas moins intéressante et peut éclairer David)

[invite69d38f86]

J'avais bien noté (et relu) que tu parlais maintenant d'atomes et j'ai cru que tu élargissais le sujet.

J'aimerais avoir une réponse sur l'enseignement ou pas de cette formule avec la convolution.

revenons à l'électron. Avec l'effet Compton un photon interagit avec un electron. l'electron devient tres excité. il émet plus tard un photon et revient à sa triste vie d'électron.
On peut contester que l'on aie eu ici un electron isolé,je l'admets. Mais revenons à ce que disait david:

un atome isolé peut émettre un photon lorsqu'un électron change de couche

Cet atome qui va émettre un photon est dans un état résultant d'une absorbtion antérieure d'un autre photon qui a mis l'electron sur une couche supérieure.
Pourquoi admettre qu'il est isolé si on refuse ce qualificatif à l'electron de Compton?

[Deedee81]

Pas trop le temps d'intervenir sur l'atome mais ça :

Avec l'effet Compton un photon interagit avec un electron. l'electron devient tres excité. il émet plus tard un photon et revient à sa triste vie d'électron.

Wow ! Non, je ne décrirais pas ça du tout comme ça. Dans les calculs en QED en tout cas, l'électron "intermédiaire" n'a rien d'excité. En fait, je pense que pour une situation comme l'effet Compton une telle description est encore trop "classique" pour être correct.

Sinon, on aurait un sérieux problème avec les diagrammes (l'effet Compton étant une superposition quantique de tous les états décrits par tous les diagrammes (*)) où le deuxième photon est émis AVANT que le premier arrive. Hé oui !
(*) pire encore, parler des diagrammes isolément a peu de signification physique, ce ne sont que des intermédiaires de calcul. Seule la somme totale a un sens physique.

Y a rien de pire à "vulgariser" (même à un niveau un peu technique comme ici) que la théorie quantique des champs.

Dommage, car j'aime assez l'image (ici il y a bien conservation, contrairement à ce que j'affirmais, car l'électron virtuel n'est pas sur la couche de masse).

[invite57f37970]

revenons à l'électron. Avec l'effet Compton un photon interagit avec un electron. l'electron devient tres excité. il émet plus tard un photon et revient à sa triste vie d'électron.

Si tout au long du processus l'électron a une énergie bien définie alors il ne peut pas devenir "très excité", contrairement à l'atome, en vertu de mon argument précédent considérant son référentiel propre. A moins d'être une particule virtuelle entre absorption et réémission du photon, donc de ne plus être sur la couche de masse.

Mais si on admet une distribution d'énergie pour l'électron alors mon argument n'est plus valide car le référentiel propre peut avoir avec .

(croisement avec DeeDee81)

[invite69d38f86]

Si on relis mon intervention humoristique sur l'électron de Compton on voit que l'essentiel porte sur l'atome isolé.
je me répète;
Ce qu'on refuse à l'électron virtuel entre absorption et réémission, on aurait tendance à l'accorder à l'électron excité sur une couche supérieure.
Dans l'atome d'hydrogène les états excités de l'électron ne sont ils pas aussi des états virtuels.
En a t on jamais observé un? Heisenberg disait qu'on n'observe jamais une orbitale, on n'observe que des raies d'absorption ou d'émission.
C'est sur ce principe qu'il a fondé la théorie des matrices qui met en avant la primauté des transitions (lignes colonnes).

[Deedee81]

SAlut,

Si on relis mon intervention humoristique sur l'électron de Compton on voit que l'essentiel porte sur l'atome isolé.

Ok, j'avais bien compris que tu te concentrais sur le cas de l'atome, mais, désolé, je n'avais pas vu d'humour dans l'histoire de Compton. Ce n'est franchement pas flagrant.

je me répète;
Ce qu'on refuse à l'électron virtuel entre absorption et réémission, on aurait tendance à l'accorder à l'électron excité sur une couche supérieure.
Dans l'atome d'hydrogène les états excités de l'électron ne sont ils pas aussi des états virtuels.

Ca dépend. Là tu as la possibilité de les observer (à condition que la désexcitation ne soit pas trop rapide, évidemment, sinon bonjour pour le mesurer). Virtuel, réel, même combat (ça dépend de ce qu'on appel "initial" et "final" dans le processus).

(ce que je refuse dans le cas des l'électron Compton n'est pas lié au fait qu'il est virtuel même si les complications que j'ai citée ne se produiraient pas autrement).

Ton interrogation qui suit est justement en désaccord avec ce qui précède. Evidemment, Heisenberg ne pouvait pas connaitre l'observation par impulsion femtoseconde (j'ai lu l'observation de tels états excités atomiques ou moléculaires dans un article de PLS ou La Recherche. C'est franchement impressionnant).

Mais de toute façon, je répète, la situation est singulièrement différente. Ce n'est pas le caractère virtuel ou réel qui fait la différence. C'est la situation. Un électron dans la couche supérieure est un état excité, l'état de l'électron intermédiaire dans Compton ne l'est pas. D'ailleurs si on veut comparer les situations, il faut le faire sur le même pied, pour vraiment voir si c'est différent ou pas. Et pour ça il faut décrire le processus d'excitation / désexcitation par la théorie quantique des champs (bonjour pour le faire quantitativement !). Et là, autant dans l'état de base que dans l'état excité, l'électron échange de "nombreux" photons virtuels avec le noyau (guillemets car là aussi c'est une superposition quantique). Or l'électron intermédiaire Compton, lui de fait pas ça (hors des diagrammes énergie propre). Donc, non, cet électron excité dans l'atome ne peut pas être vu comme un état isolé (d'ailleurs il y a des effets de recul du noyau, que l'on prend en compte dans une analyse très fine).

P.S. je ne préjuge pas de tes messages précédents que je n'ai pas eut le temps d'approfondir. Je répond seulement au message 18.

[invite69d38f86]

Il y a un truc que j'aimerais bien comprendre.
Prenons un electron d'un atome d'hydrogène sur son niveau fondamental. On lui fournit une certaine énergie. il va se retrouver sur une couche supérieure. J'ai cru comprendre qu'il y a eu des observations d'un tel état. Il va ensuite se désexcité emettre un photon pour retomber sur une autre orbitale.
Y a t il jusque là une grossiere erreur de description?
Sinon je continue. l'electron est resté un temps delta(t) sur le niveau supérieur. Quelle est la loi reliant (en probabilité) ce delta(t) avec le deilta(E)
Comment evolue delta(t) quant delta(E) augmente? (électron devenant libre)

Si un electron est tres peu lié loin du proton les diagrammes de Feynman décrivent son interaction avec un rayonnement extérieur. Il y a des contributions dans des graphes à la compton ou l'émissio a lieu avant l'absorbtion.
Quand l'electron est fortement lié comme dans la situation du début y a t il des contributions de graphes avec "mition avant l'absorbtion?

[invite1a73c863]

Bonjour,

où le deuxième photon est émis AVANT que le premier arrive. Hé oui !

Vous avez mis "AVANT" en majuscules, on peut supposer que ce mot a alors ici toute importance. Au-delà des démonstrations mathématiques, existe-t'il une méthode pédagogique montrant cet "avant", soit une chronologie? A partir de quels référentiels est-elle établie? "référentiels" est un mot inadapté en mécanique quantique, mais il faut bien que le constat soit fait de quelquepart...
Merci. Cordialement.

[invite7ce6aa19]

Il y a un truc que j'aimerais bien comprendre.
Prenons un electron d'un atome d'hydrogène sur son niveau fondamental. On lui fournit une certaine énergie. il va se retrouver sur une couche supérieure. J'ai cru comprendre qu'il y a eu des observations d'un tel état. Il va ensuite se désexcité emettre un photon pour retomber sur une autre orbitale.
Y a t il jusque là une grossiere erreur de description?

Bonjour,

Non pas de grossiere erreur.

Sinon je continue. l'electron est resté un temps delta(t) sur le niveau supérieur. Quelle est la loi reliant (en probabilité) ce delta(t) avec le deilta(E)
Comment evolue delta(t) quant delta(E) augmente? (électron devenant libre)

J'ai répondu a cette question beaucoup plus haut. Sinon tu regardes dans un livre theorie des perturbations dependantes du temps.

Si un electron est tres peu lié loin du proton les diagrammes de Feynman décrivent son interaction avec un rayonnement extérieur. Il y a des contributions dans des graphes à la compton ou l'émissio a lieu avant l'absorbtion.
Quand l'electron est fortement lié comme dans la situation du début y a t il des contributions de graphes avec "mition avant l'absorbtion?

Pourquoi mettre des graphes de Feymnam, la theorie classique des perturbations dépendantes du temps classique suffit.

[invite69d38f86]

La question est de savoir si la mecanique quantique a qqchose à dire de ce qui se passe aux temps finis. Elle sait tres bien faire le lien entre des etats in dans le passé infini vers des etats out dans le futur éloigné. Mais pour ce qui se passe dans le présent tout semble ete dans une boite noire.
Pas étonnant que qu'elle n'aie rien a dire sur ces histoire de collapse!
Faut il s'en extraire comme tu l'indique pour traiter ces problèmes?
j'ai cité les diagrammes de Feynman parce que c'est typiquement un outil perturbatif mais on doit intégrer sur le temps de moins a plus l'infini. quid des duree de vie moyenne des etats excités?

[invite7ce6aa19]

La question est de savoir si la mecanique quantique a qqchose à dire de ce qui se passe aux temps finis. Elle sait tres bien faire le lien entre des etats in dans le passé infini vers des etats out dans le futur éloigné. Mais pour ce qui se passe dans le présent tout semble ete dans une boite noire.
Pas étonnant que qu'elle n'aie rien a dire sur ces histoire de collapse!
Faut il s'en extraire comme tu l'indique pour traiter ces problèmes?
j'ai cité les diagrammes de Feynman parce que c'est typiquement un outil perturbatif mais on doit intégrer sur le temps de moins a plus l'infini. quid des duree de vie moyenne des etats excités?

Bonjour,

Là tu parles de collisions ou l'on s’intéresse qu'aux état asymptotiques, comme en physique classique d'ailleurs. Sinon la MQ peut calculer l'amplitude d'un processus de passer entre 2 états |A> et |B> dans l'intervalle (t1,t2). C'est d'ailleurs ce que l'on fait pour mettre un atome dans une combinaison linéaire d'états propres.