فيديو السؤال: تحديد بنية مستوى الطاقة للوسط الفعال لليزر الفيزياء

نسخة الفيديو النصية

أي من الأشكال الآتية يمثل بشكل صحيح بنية مستويات طاقة الإلكترون في ذرات الوسط الفعال لليزر؟

من بين خيارات الإجابة الأربعة، يوضح أول خيارين (أ) و(ب) مستويات طاقة إلكترون لها ثلاث حالات للطاقة. فيتضمن كل خيار من هذين الخيارين حالة شبه مستقرة وحالة مثارة وحالة أرضية. وعلى النقيض من ذلك، يوضح الخياران (ج) و(د) مستويات طاقة إلكترون لها حالتا طاقة فقط. ففي الخيار (ج)، لدينا حالة مثارة وحالة أرضية، وفي الخيار (د)، لدينا حالة شبه مستقرة وحالة أرضية.

يمثل أحد هذه الأشكال الأربعة مستويات طاقة الإلكترون في ذرات الوسط الفعال لليزر بشكل صحيح. هذه المعلومة مهمة لأنها توضح لنا أن الإلكترونات الموجودة في مستويات الطاقة هذه يجب أن تحقق ما يطلق عليه حالة الإسكان المعكوس. يحدث الإسكان المعكوس عندما يكون عدد الإلكترونات الموجودة في أي مستوى طاقة أعلى من الحالة الأرضية أكبر من عددها في الحالة الأرضية. ونصف ذلك الإسكان بأنه معكوس؛ لأنه من ناحية الطاقة، تميل الإلكترونات إلى الانتقال إلى الحالة الأرضية.

وإلى حين نقيم خيارات الإجابة، دعونا نتناول أولًا الخيارين اللذين يتضمنان مستويي طاقة فقط. بالنظر إلى الخيار (ج)، دعونا نفترض أن لدينا بعض الإلكترونات في الحالة الأرضية لهذه الذرة. هذه نقطة بداية طبيعية؛ لأنه كما ذكرنا، تميل الإلكترونات إلى الانتقال إلى الحالة الأرضية، وهي أقل مستوى طاقة. والطريقة الوحيدة التي يمكن من خلالها لإلكترون ترك الحالة الأرضية هي عندما يثار بصورة ما، مثل امتصاصه فوتونًا لديه كمية مناسبة من الطاقة تمكنه من الصعود إلى الحالة المثارة.

في هذا النظام المكون من مستويين، بمجرد أن ينتقل الإلكترون إلى الحالة المثارة، فإنه إما يظل هناك أو يضمحل إلى الحالة الأرضية. وخلال فترات زمنية قصيرة للغاية، نجد أنه من المرجح جدًّا حدوث هذا الاضمحلال التلقائي إلى الحالة الأرضية. بعبارة أخرى، لا تميل الإلكترونات إلى البقاء في الحالات المثارة لفترات طويلة للغاية على الإطلاق. لذا على الرغم من أن هذا الإلكترون قد صعد للتو إلى الحالة المثارة، فمن المرجح أن يعود سريعًا إلى الحالة الأرضية. وهذه النزعة، التي تميز كل الإلكترونات الموجودة في الحالة الأرضية، تجعل حدوث حالة الإسكان المعكوس مستبعدة للغاية. وبناء عليه، فإن النظام المكون من مستويين يتمثلان في الحالة الأرضية والحالة المثارة يعد بنية مستبعدة للوسط الفعال لليزر.

بالنظر إلى خيار الإجابة (د)، نلاحظ أن هذا الخيار يتكون من مستويي طاقة أيضًا. ولكن مستوى الطاقة المرتفع يسمى الحالة شبه المستقرة. يعني هذا الاسم أنه إذا كان لدينا عدد من الإلكترونات في الحالة الأرضية لهذه الذرة، وامتص أحد هذه الإلكترونات فوتونًا ذا تردد مناسب، فسيصعد هذا الإلكترون إلى الحالة شبه المستقرة وسيميل إلى البقاء هناك. بهذه الطريقة، تختلف الحالة شبه المستقرة عن حالات الإثارة الأخرى. إذا تمكنا من إبقاء الإلكترونات في مستوى الطاقة هذا، أي في الحالة شبه المستقرة، فسيكون هذا مؤشرًا قويًّا على تحقيق حالة الإسكان المعكوس.

لكن ثمة أمرًا علينا وضعه في الاعتبار. عندما يسقط على الذرة فوتون لديه كمية مناسبة من الطاقة تمكنه من نقل إلكترون من الحالة الأرضية إلى الحالة شبه المستقرة، فهذا يعني أن الفوتون يمتلك أيضًا كمية مناسبة من الطاقة تحفز اضمحلال هذا الإلكترون مرة أخرى إلى الحالة الأرضية. خلال هذا الاضمحلال، يبعث الإلكترون فوتونًا مماثلًا للفوتون الذي حفز هذا الانبعاث. وهذا يشكل عقبة أمام تحقيق حالة الإسكان المعكوس. فالفوتون الساقط الذي يمكنه نقل إلكترون من الحالة الأرضية إلى الحالة شبه المستقرة قادر أيضًا على إسقاط إلكترون من هذه الحالة شبه المستقرة. ولهذا السبب، فإن المرحلة المكونة من مستويي طاقة، التي نراها في خيار الإجابة (د) ليست خيارًا مناسبًا لتحقيق حالة الإسكان المعكوس، ومن ثم إنتاج ليزر.

بالنظر إلى خيار الإجابة (أ)، نلاحظ أن هذا الشكل يوضح نظامًا مكونًا من ثلاثة مستويات. إذا افترضنا مرة أخرى أن لدينا عددًا من الإلكترونات في الحالة الأرضية، فثمة احتمال أنه إما أن ينقل الفوتون الساقط إلكترون الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة، أو أن ينقل الفوتون الساقط، ذو الطاقة الأعلى، إلكترون الحالة الأرضية إلى الحالة شبه المستقرة. لكن بمجرد وصولنا إلى هذه المرحلة، نلاحظ بعضًا من المشكلات التي واجهتنا في الخيارين (ج) و(د). وهي أنه من المستبعد أن يظل إلكترون الحالة المثارة في هذا المستوى لفترة طويلة.

وإنما من المرجح أن يضمحل سريعًا إلى الحالة الأرضية، عندما يتعلق الأمر بإلكترونات الحالة شبه المستقرة، كما رأينا من قبل. فإذا كان الفوتون الساقط لديه كمية مناسبة من الطاقة لنقل إلكترون الحالة الأرضية إلى الحالة شبه المستقرة، فإن لديه أيضًا كمية مناسبة من الطاقة تحفز اضمحلال إلكترون الحالة شبه المستقرة إلى الحالة الأرضية.

لكن في هذا النظام المكون من ثلاثة مستويات، قد نتساءل: إذا كان لدينا إلكترون في الحالة المثارة وآخر في الحالة شبه المستقرة، أليس ممكنًا أن تسقط الفوتونات المشحونة بكميات مناسبة من الطاقة على هذه الذرة؛ كي تنقل الإلكترونات من الحالة المثارة إلى الحالة شبه المستقرة؟ بلى، من الممكن حدوث ذلك. فكما رأينا سابقًا، تميل إلكترونات الحالة المثارة إلى الاضمحلال بسرعة كبيرة. هذا يعني أنه من المرجح للغاية أن يضمحل إلكترون الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية بدلًا من أن يمتص فوتونًا ويصعد إلى الحالة شبه المستقرة. إذن حتى مع هذه المستويات الثلاثة، من غير المحتمل على الإطلاق أن يحقق هذا النظام حالة الإسكان المعكوس ويسمح بإنتاج ليزر.

لكن دعونا الآن نلق نظرة على خيار الإجابة (ب). لدينا مرة أخرى ثلاثة مستويات طاقة، لكن هذه المرة الحالة المثارة موجودة عند مستوى طاقة أعلى من الحالة شبه المستقرة. لكي نرى كيف يحدث ذلك فرقًا، دعونا نفترض مرة أخرى أن لدينا إلكترونات في الحالة الأرضية لهذه الذرة. إذا امتص أحد هذه الإلكترونات فوتونًا يمكنه من الانتقال إلى الحالة شبه المستقرة، فسنواجه المشكلة نفسها التي واجهناها سابقًا؛ حيث إن الفوتونات التي لديها هذه الكمية المحددة من الطاقة قد تمتص ثم تنقل إلكترونًا من الحالة الأرضية إلى الحالة شبه المستقرة. لكنها قد تحفز أيضًا اضمحلال إلكترون الحالة شبه المستقرة إلى الحالة الأرضية. وبناء عليه، لن يحقق هذا المسار المحدد حالة الإسكان المعكوس التي نحتاجها.

لكن عوضًا عن ذلك، إذا كان لدينا فوتون ساقط على إلكترون في الحالة الأرضية ولديه طاقة كافية لاستثارة هذا الإلكترون للانتقال إلى الحالة المثارة، فقد يكون ذلك في صالحنا؛ لأننا نعرف أن إلكترون الحالة المثارة هذا سيضمحل بسرعة إلى مستوى طاقة أقل. لكن في هذه الحالة، أقرب مستوى طاقة يمكن لهذا الإلكترون الاضمحلال إليه هو الحالة شبه المستقرة. وسيبقى الإلكترون في هذه الحالة لفترة طويلة نسبيًّا. وإذا واصلنا استخدام فوتونات لديها هذه الكمية المحددة من الطاقة التي تنقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة، فلن نواجه مشكلة الانتقال العرضي لإلكترونات الحالة شبه المستقرة إلى الحالة الأرضية. وإنما سننشئ نظامًا موثوقًا لإسكان الحالة شبه المستقرة.

ومن ثم باستخدام هذه الطريقة، يمكننا تحقيق حالة الإسكان المعكوس. وهي الشرط الضروري لإنتاج الليزر. وعليه، فإن الخيار (ب) يمثل بشكل صحيح بنية مستويات طاقة الإلكترون في ذرات الوسط الفعال لليزر.