La matière peut absorber ou émettre des rayonnements électromagnétiques. Au niveau microscopique et quantique, cela correspond à l’absorption ou l’émission de photons par les atomes. Ce faisant, les atomes changent d’état d’énergie (il s’agit, pour ce qui nous concerne, des niveaux d’énergie électroniques — il existe aussi des niveaux d’énergie nucléaires). On distingue trois mécanismes de base :

Lorsqu’un atome est soumis à une onde lumineuse, il peut absorber un photon. L’atome, initialement dans un état d’énergie électronique E_a, passe alors dans un état électronique d’énergie supérieure E_b > E_a. Comme l’impulsion (ou quantité de mouvement) totale doit être conservée, l’atome encaisse la quantité de mouvement du photon et recule donc. Pour un atome initialement immobile, ce processus d’absorption est d’autant plus efficace que l’énergie hn du photon est proche de l’écart E_b – E_a entre les deux niveaux d’énergie de l’atome.

Les états électroniques excités ne sont pas stables. Plus ou moins vite, l’atome retombe dans l’état fondamental en émettant un photon. La durée de vie de l’état excité est le temps moyen au bout duquel cette émission spontanée se produit ; typiquement, elle vaut de l’ordre de 1 à 100 nanosecondes. Le photon peut être émis dans n’importe quelle direction et, chose importante à retenir pour la suite, deux directions d’émission opposées sont équiprobables si l’atome est initialement immobile. L’énergie hn du photon émis est égale à la différence d’énergie E_b – E_a entre les deux niveaux atomiques (b) et (a) (en toute rigueur, il faut tenir compte de l’énergie de recul de l’atome, mais celle-ci est ridiculement petite devant l’écart d’énergie E_b – E_a).

La présence d’un rayonnement incident peut induire un atome excité à émettre un photon ayant les mêmes caractéristiques que les photons incidents. Cela à condition que l’énergie de ces photons soit « résonnante », c’est-à-dire que hn soit égale à l’écart d’énergie entre le niveau supérieur et le niveau inférieur. Dans cette émission induite, qui constitue la réciproque du processus d’absorption, le photon créé par l’atome en se désexcitant a même fréquence et même direction de propagation que le rayonnement incident. Ce processus, qui permet d’amplifier une onde lumineuse, est à la base du fonctionnement des lasers.