Introduction à la physique quantique : photons et niveaux d'énergie

Au début du XXe siècle, l'effet photoélectrique a montré que la lumière, en plus de son comportement ondulatoire, est constituée de grains d'énergie appelés photons. Chaque photon transporte une énergie E proportionnelle à la fréquence ν de l'onde associée. La constante de proportionnalité est la constante de Planck, notée h, de valeur h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s. Ainsi, plus la fréquence est élevée (ou la longueur d'onde courte), plus le photon est énergétique. Cette dualité onde-corpuscule est au cœur de la physique quantique.

Un atome ne peut exister que dans des états d'énergie bien définis, appelés niveaux d'énergie. L'état de plus basse énergie est l'état fondamental ; les autres sont des états excités. Lorsqu'un atome passe d'un niveau d'énergie E_i à un niveau E_f, la variation d'énergie est quantifiée : ΔE = |E_f - E_i|. Si cette transition s'accompagne de l'émission ou de l'absorption d'un photon, l'énergie de ce photon vérifie ΔE = hν. Les énergies sont souvent exprimées en électronvolts (eV) : 1 eV = 1,60 × 10⁻¹⁹ J.

Un atome peut absorber un photon si l'énergie de celui-ci correspond exactement à la différence entre deux niveaux : l'atome passe alors à un état excité. Inversement, un atome excité peut revenir à un niveau inférieur en émettant un photon d'énergie égale à la différence des niveaux. L'émission peut être spontanée (aléatoire) ou stimulée (provoquée par un photon incident), principe à la base du laser. Ces processus expliquent les raies d'absorption et d'émission observées dans les spectres.

La quantification des niveaux d'énergie est à l'origine de nombreuses technologies : les diodes électroluminescentes (LED) dont la couleur dépend du matériau semi-conducteur, les lasers utilisés en médecine et en télécommunications, ou encore la spectroscopie qui identifie les éléments chimiques par leurs raies. En astrophysique, l'analyse des raies spectrales permet de déterminer la composition et la température des étoiles. Ces applications reposent toutes sur la relation E = hν et sur la discrétion des niveaux d'énergie.