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Concept
Émission spontanée
Résumé
L’émission spontanée désigne le phénomène par lequel un système quantique placé dans un état excité retombe nécessairement dans un état de plus basse énergie, par émission d’un photon. Contrairement à l’émission stimulée, ce phénomène se produit sans intervention extérieure.
Lorsque l’excitation n’est pas due à la chaleur, on parle de luminescence.
Dès 1887, le physicien allemand Heinrich Hertz parvint expérimentalement à mettre en évidence l’émission de lumière par des charges électriques. Si le phénomène pouvait être expliqué dans le cadre de la théorie de l’électron de Lorentz, il restait impossible de comprendre pourquoi il ne se produisait qu’à certaines fréquences bien déterminées.
L’avènement de la mécanique quantique permit au phénomène d’être mieux compris : c’est Niels Bohr qui donna
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Considérons deux états d’une molécule ou d’un atome. Cette molécule, si elle se trouve dans son état excité , peut spontanément se désexciter, c’est-à-dire convertir son énergie d’excitation en un photon de fréquence émis dans une direction arbitraire de l’espace :
Avec , la constante de Planck. Contrairement à l’émission stimulée, la direction et la phase du photon émis sont aléatoires.
Dans le cas où l’on considère atomes, la décroissance de ce nombre d’atomes au cours du temps peut s’exprimer simplement en fonction du coefficient A d’Einstein :
Ou bien encore, en notant la probabilité d’émission d’un photon :
Le nombre d’atomes suit une loi de décroissance exponentielle si bien que l’on peut relier le coefficient A d’Einstein, parfois aussi noté , à la durée de vie de l’atome dans son état excité :
Cette durée de vie est usuellement courte, de l’ordre de la dizaine de nanosecondes pour un atome excité.
L' émission spontanée auto-amplifiée est un phénomène utilisé dans le fonctionnement d'un laser à électrons libres par lequel un faisceau laser est créé à partir d'un faisceau d'électrons à haute énergie.
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