États très excités des atomes alcalins : I. Description générale et propriétés radiatives

Highly excited states of alkali-atoms: I. general description and radiative properties

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne de l’E.N.S., 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France.

Résumé

On assiste depuis une dizaine d’années au développement rapide des études relatives aux états atomiques très excités, et principalement dans les atomes alcalins. L’objet de cet article de revue est de présenter le cadre théorique minimal nécessaire pour la description et la compréhension d’un grand nombre de leurs propriétés physiques. Il s’efforce de rassembler et de présenter de manière synthétique des développements déjà connus et exposés dans de nombreux articles depuis les premiers âges de la mécanique quantique, des calculs qui sont l’extrapolation directe aux grandes valeurs de n de propriétés bien connues pour les niveaux peu excités ainsi que certaines contributions originales. L’accent est mis sur l’élaboration et l’utilisation d’images physiques simples concernant les états de Rydberg plus que sur le calcul détaillé et précis des grandeurs physiques.

Le premier chapitre décrit les propriétés d’un atome très excité isolé d’un point de vue successivement classique, semi-classique et purement quantique ; il donne les expressions des énergies et des fonctions d’onde, présente ensuite une discussion détaillée des éléments de matrice du dipôle électrique, enfin expose l’effet du couplage spin-orbite à la fois sur les énergies et le dipôle atomique. Le deuxième chapitre décrit et calcule les diverses propriétés relatives à l’interaction d’un atome très excité et le champ électromagnétique : transferts spontanés ou induits par le rayonnement thermique, effet d’un champ électromagnétique extérieur de fréquence résonnante ou non résonnante. Un article ultérieur présentera un ensemble de résultats expérimentaux qui illustrent ou utilisent les proprétés exposées dans cet article.

Abstract

Studies concerning very excited atomic states, mainly in alkali atoms, have been developing very quickly during the last ten years. The purpose of this review paper is to present the minimum theoretical frame allowing to describe and understand a great number of their physical properties. It intends to gather and to present in a synthetical way some developements already known and presented in numerous papers, some of them since the first ages of quantum mechanics, some calculations which consist in a direct extrapolation to large n values of properties known for tightly bound states, but also some original contributions. It insists upon the formation and use of simple physical pictures concerning Rydberg states rather than upon the detailed and precise calculations of physical quantities.

The first chapter describes the properties of an isolated very excited atom successively from a classical, semi-classical and purely quantum point of view. It gives the expressions of energies and wave functions, then presents a detailed discussion about the electric dipole moment matrix elements. It describes at last the effect of spin-orbit coupling both on energy levels and electric dipole matrix elements. The second chapter describes and computes various properties concerning the interaction between a very excited atom and the electromagnetic field : spontaneous and thermal radiation induced-transfers, effect of an impinging electromagnetic field of resonant and non-resonant frequency. A forthcoming paper will present a set of experiment results which illustrate, or make use of, the various properties discussed in this paper.