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CETS8AA

Physique atomique

 

Crédits : 2 ECTS

Durée : 21 heures

Semestre : S8

Responsable(s) :

Emilie Gaudry, Professseur,  emilie.gaudry@univ-lorraine.fr

Christophe Celindano, Chargé de cours, christophe.celindano@univ-lorraine.fr

Mots clés :

Physique atomique, Atome d'hydrogène, Atomes polyélectroniques, Interaction rayonnement matière, Niveaux d'énergie

Pré requis :

 Le cours fait suite au cours de mécanique quantique. Il en est le prolongement et ne peut se comprendre sans une maîtrise des outils et du formalisme de base vus dans ce cours (équation de Schrödinger, notation de Dirac...)


Objectif général :

Le but de ce cours est d'approfondir et de mettre en application ce qui a été appris en physique quantique en 1A, à travers le système quantique que représente l'atome. Les étudiants acquièrent ainsi une base théorique qui permettent de comprendre un certain nombre d'applications, allant au delà d'une simple interprétation phénoménologique.


Programmes et contenus :

La physique atomique est une branche de la physique très riche dans le sens où l'on s'efforce de traiter, d'expliquer les différents processus d'interaction matière-rayonnement dont on mesure expérimentalement les effets.

Le concept d'atome date des philosophes grecs. À la fin du XIXe siècle, la physique atomique a fait des atomes une réalité, grâce à toute une série d'expériences fondamentales. En particulier, l'interprétation des spectres d'émission et d'absorption du rayonnement par différents éléments a été possible grâce à la compréhension de la structure interne des atomes.

La physique atomique a contribué à des avancées technologiques de premier plan en permettant la réalisation, par exemple, des lasers et des horloges atomiques. Elle a aussi ouvert un champ considérable de recherches fondamentales, allant de l'optique quantique à la physico-chimie des molécules.

Dans ce module, seules les bases de la Physique atomique seront abordées, en trois volets:

1- L'atome, à la base de la Physique Atomique

Le cours permettra de connaître l'historique de la découverte des constituants atomiques en s'efforçant de suivre son cheminement et de conforter l'hypothèse atomique elle-même.

Le cas de l'atome d'hydrogène représente le cas de l'atome le plus simple, dont on peut rechercher sans approximation les solutions de l'Hamiltonien. Le cas des atomes hydrogènoïdes où le nombre de nucléons est supérieur à un sera également traité.

Mots clés: Atome d'hydrogène, Atomes hydrogénoïdes, Systèmes monoélectroniques, Couplage spin-orbite,

2- Systèmes Polyélectroniques

La recherche d'états propres électroniques, vue dans la première partie, est assez simple pour un atome monoélectronique. Elle nécessite cependant des hypothèses ou plutôt des approximations dans des cas plus complexes d'atomes polyélectroniques. 

Pour étudier ces systèmes, la méthode des perturbation et la méthode variationnelle seront introduites. Cela permettra de traiter le cas d'atomes où le nombre d'électrons est supérieur à un, et de mettre en évidence les modifications par rapport à l'atome d'hydrogène.

Mots clés: Méthodes d'approximation (perturbations, méthode variationnelle), Niveaux d'énergie de He, Notation spectroscopique, Coupages LS, jj...

3- Interaction lumière-matière et applications

En 2018: Introduction des différents types d'interaction lumière-matière, des population atomiques, de l'inversion de population, des systèmes à deux, trois et quatre niveaux et finalement d'exemples pratiques de réalisation de sources laser.

Plus généralement, les applications seront abordées en fonction du temps disponible.

Mots clés: Règles de sélection, Laser, Transitions entre niveaux d'énergie

 

Compétences : 

Niveaux

Description et verbes opérationnels

Connaître 

À l'issue du cours, les étudiants devront connaître les différents termes de l'hamiltonien utilisés pour décrire les atomes. Ils devront savoir décrire les atomes, en termes d'orbitales atomiques, de niveaux d'énergie, de notation spectroscopique. Ils devront savoir décrire l'interaction matière-rayonnement, connaître les notions fondamentales de cette description (section efficace d'absorption notamment) et les règles de sélection (dans le cas d'une interaction de type dipolaire électrique).
Les élèves seront évalués sur leurs connaissances et leur compréhension des notions abordées en cours, leur capacité à raisonner, à analyser et à appliquer des méthodes utilisées en cours.

Comprendre 

Appliquer 

Analyser 

Synthétiser

Évaluer

Évaluations :

  • Test écrit
  • Contrôle continu
  • Oral, soutenance
  • Projet
  • Rapport
  • Aucune étiquette