Émission et absorption de photons par le méthane

« Concernant le méthane (et, d'ailleurs, toutes les molécules absorbant dans le domaine IR), est-ce que la fréquence du photon émis est la même que celle du photon absorbé ? La désexcitation se fait-elle en passant par des niveaux intermédiaires ? »

L'absorption d'un photon par une molécule a lieu si ce dernier possède une énergie qui correspond à l'écart entre deux niveaux d'énergie de la molécule. On dit que le processus d'absorption provoque l'excitation de la molécule : elle va se mettre à tourner plus vite et à vibrer à plus haute fréquence. La molécule est "transparente" à tous les autres photons (i.e. à ceux qui n'ont pas une énergie qui coïncide avec l'écart entre deux niveaux d'énergie de la molécule) qui ne peuvent interagir avec elle.

Une fois excitée la molécule retourne spontanément de son état de "haute" énergie (état excité) vers son état de basse énergie (état fondamental), et, ce, au bout d'un temps plus ou moins long suivant l'état excité considéré. Ce retour à l'état fondamental s'accompagne de l'émission d'un photon qui correspond encore une fois à l'écart entre les deux niveaux.

Donc effectivement les fréquences des photons émis sont les mêmes que les fréquences des photons absorbés. On peut même aller plus loin et dire que la quantité de photons émis à une fréquence donnée est égale à la quantité de photons absorbés à cette fréquence. Cette propriété s'appelle « loi de Kirchhoff » : l'émissivité (d'un corps noir) est égale à l'absorptivité.

La désexcitation infrarouge ne se fait pas par "cascade" sur toute une série de niveaux intermédiaires. Elle connecte toujours l'état rotationnel d'un état vibrationnel excité à l'état rotationnel d'un état vibrationnel moins excité.