Méthode de physique expérimentale qui utilise une irradiation lumineuse pour modifier les populations des états atomiques, c’est-à-dire la façon dont les atomes individuels se répartissent entre les divers états physiques possibles pour ce type d’atomes.

L’irradiation lumineuse a pour effet de faire passer les atomes d’un état à un autre, comme une pompe ferait passer un liquide d’un réservoir à un autre ; d’où l’expression pompage optique. Cette modification des populations permet de nombreuses études de physique, en particulier par l’observation de résonances hertziennes, et elle a d’importantes applications pratiques : étalons de fréquence, ou horloges* atomiques ; magnétomètres de très grande précision, capables de fonctionner même dans des champs magnétiques très faibles ; lasers. L’invention du pompage optique, qui date de 1950, a valu à son auteur, Alfred Kastler*, le prix Nobel de physique en 1966.

Les expériences de résonance hertzienne occupent une place importante parmi les différentes expériences qui apportent des renseignements sur la constitution de la matière. Elles consistent à étudier les changements d’états des atomes provoqués par une onde hertzienne (onde de radio, télévision ou radar) lorsque sa fréquence vérifie la condition de résonance de Bohr : hν = E₂ – E₁, où h est la constante de Planck et où E₂ et E₁ désignent les valeurs de l’énergie emmagasinée par l’atome, selon qu’il est dans l’état 1 ou dans l’état 2. (Dans le cas particulier où E₂ et E₁ sont des sous-niveaux Zeeman dus à un champ magnétique, on parle de résonance* magnétique.)

L’étude théorique et expérimentale des résonances hertziennes montre que l’irradiation d’une collection d’atomes par l’onde de fréquence résonnante ν a pour effet d’égaliser les populations n₁ et n₂ des niveaux d’énergie E₁ et E₂ (nombre d’atomes qui se trouvent respectivement dans l’état 1 et dans l’état 2). Le phénomène se traduira donc par une modification observable de la collection d’atomes étudiée à condition seulement que les populations n₁ et n₂ soient initialement inégales.

Lorsque l’équilibre thermique se trouve réalisé dans un milieu, la répartition des atomes entre les différents niveaux d’énergie est réglée par la loi statistique de Boltzmann, qui fixe les rapports de populations et, par suite, leur écart relatif :

k étant la constante de Boltzmann, et T la température absolue. Cet écart est souvent suffisant pour permettre la détection des résonances hertziennes. Mais il devient trop faible dans les cas où :
1^o la différence d’énergie est trop petite (c’est le cas de la résonance magnétique nucléaire dans les champs magnétiques faibles) ;
2^o le nombre total des atomes étudiés (n₁ + n₂) est petit, parce qu’il s’agit d’une vapeur sous faible pression ou d’un jet atomique (les effets observés sont proportionnels à l’écart absolu n₁ – n₂, et il faut multiplier par n₁ + n₂ l’écart relatif calculé plus haut).

On remédie à cet état de chose en utilisant diverses méthodes de « pompage » qui permettent de créer artificiellement une différence de populations n₁ – n₂ supérieure à la normale et parmi lesquelles le pompage optique est une des plus riches en applications.

On irradie les atomes avec une onde lumineuse de longueur d’onde choisie en sorte que ses photons puissent être absorbés par les atomes des niveaux d’énergie E₁ et E₂. Les atomes se trouvent ainsi portés dans des états d’énergies supérieures E₃, E₄, etc., appelés états excités ; mais ils ne peuvent pas rester dans les états excités et reviennent spontanément vers les états inférieurs E₁ et E₂ en réémettant des photons.

Un choix convenable de la direction de propagation de la lumière et de sa polarisation peut conduire au résultat suivant : une partie des atomes qui se trouvait dans l’état E₁ revient dans l’état E₂ après passage dans les états excités.

On sait que, dans une onde lumineuse polarisée circulairement, le vecteur champ électrique subit un mouvement de rotation autour de la direction de propagation ; on sait aussi que les mouvements de rotation sont caractérisés en mécanique par la notion de moment cinétique. Cela conduit à attribuer aux photons de l’onde polarisée circulairement un moment cinétique égal à (v. photon). C’est en réfléchissant aux problèmes de conservation du moment cinétique dans les échanges entre les atomes et les ondes électromagnétiques que Kastler fut conduit à l’idée du pompage optique utilisant des ondes de polarisation circulaire.

B. C.

Machine destinée à transvaser un fluide liquide ou pâteux en l’aspirant, puis en le refoulant sous pression.

Une pompe a des analogies avec un compresseur, mais on pompe un liquide et l’on comprime un gaz. Le débit est le volume de fluide pompé dans l’unité de temps ; on l’évalue souvent en mètres cubes par heure (m³/h) ou en litres par seconde (l/s). Les hauteurs géométriques d’aspiration et de refoulement sont les distances verticales séparant l’axe de la pompe des niveaux du fluide aux points respectivement le plus bas et le plus haut ; les pertes de charge correspondent à la résistance due aux frottements du fluide contre les parois ; la hauteur manométrique totale est la somme des hauteurs d’aspiration et de refoulement ainsi que des pertes de charge, généralement exprimées en hauteur de fluide.