Rayonnement des plasmas et profil des raies spectrales

La spectroscopie des plasmas est un domaine extrêmement spécialisé de la physique même si, par ailleurs, elle constitue une science très interdisciplinaire. Son origine vient de l’astronomie où l’étude du spectre du Soleil et des étoiles a permis de détacher, entre autres, les premiers résultats de ce qui allait devenir la physique quantique. C’est en 1906 que Lorentz donnera les premiers fondements de la théorie des raies spectrales en proposant un profil qui porte désormais son nom. Il faudra toutefois attendre le début des années 60 pour que se dégagent, avec Baranger (1962) et Griem (1964), les principaux concepts de la spectroscopie des plasmas et de la théorie du profil des raies spectrales. Au fil des années, les théories, aussi bien que la masse des données expérimentales se sont accrues, tant dans le domaine des plasmas de laboratoire, que (par un retour aux sources) dans le domaine de l’astrophysique où le sujet demeure encore d’une grande importance.

Malgré l’origine quantique du rayonnement électromagnétique qui prend naissance au sein des plasmas, on peut, dans une certaine mesure, introduire les concepts de base de la théorie du profil des raies spectrales par le biais d’outils classiques comme la mécanique statistique et la théorie semi-classique. C’est le point de vue que nous adopterons ici afin de dégager les bases de cette physique. En effet, le profil des raies spectrales résulte d’une double problématique : d’une part, un aspect collisionnel qui modifiera, entre autres, la phase du train d’onde émis par l’atome et, d’autre part, un aspect statistique lié à la nature du gaz ou du plasma dans lequel est plongé l’atome rayonnant.

L’étude expérimentale du spectre des plasmas est un remarquable outil de diagnostic de ces milieux. L’abondante littérature scientifique touchant à ce domaine est la preuve des potentialités de la méthode. On trouvera dans l’ouvrage de Griem, mais aussi dans la compilation exhaustive du NIST (National Institute of Standards and Technology) les références récentes concernant ce domaine. Ici nous ne traiterons pas de la spectroscopie laser qui, depuis plusieurs années déjà, connaît un développement considérable : la Light Induce Fluorescence (LIF) ou la spectroscopie par mélange quatre ondes sont de plus en plus utilisées dans les laboratoires ; ces méthodes sont très puissantes, parce qu’elles sont locales et sensibles. Néanmoins, l’étude, menée dans cet article, reste un préambule à ces techniques. Cependant, il ne faudrait pas croire que l’étude du profil des raies spectrales peut complètement se passer des méthodes quantiques qui demeurent l’outil de départ d’une étude approfondie, surtout dans le domaine des collisions. Le lecteur trouvera en référence les traités qui approfondissent les notions que nous allons dégager dans cet article.