فيديو السؤال: تحديد فترة عمر الإلكترون المثار باستخدام نوعي الانبعاث الفيزياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

يوضح الشكل الآتي ذرة تحتوي على إلكترون كان في البداية في الحالة الأرضية. تفاعلت الذرة مع فوتونين متطابقين. الذرة موضحة بعد انتهاء التفاعلين مباشرة. هل وقع التفاعلان في فترة زمنية أطول من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون في الذرة؟

لتحديد ذلك، دعونا نلق نظرة على العملية بأكملها التي تمر بها الذرة. كان إلكترون الذرة في البداية في الحالة الأرضية. وتفاعل الإلكترون بعد ذلك مع فوتونين متطابقين، ويوضح هذا الشكل الذرة بعد انتهاء تفاعلي الفوتونين مباشرة. لنتناول الآن الذرة قبل وقوع أي من تفاعلي الفوتونين. يوجد الإلكترون في الحالة الأرضية، أو في أقل مستوى طاقة ممكن.

عندما يتفاعل فوتون مع إلكترون، إذا كان للفوتون مقدار الطاقة المناسب، يمكن أن يمتصه الإلكترون، ما يؤدي إلى انتقال الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى؛ أي أنه يصبح مثارًا. بينما يكون الإلكترون في مستوى الطاقة الأعلى هذا، نقول إنه في حالة مثارة. وأثناء وجوده في هذه الحالة المثارة، يمكن أن يحدث أحد أمرين: إما انبعاث تلقائي أو انبعاث مستحث. ويعتمد حدوث أي منهما على الفترة الزمنية للتفاعلات في الذرة.

لمعرفة سبب ذلك، دعونا نستعرض كلا الانبعاثين خطوة بخطوة، بدءًا بالانبعاث التلقائي. يجب أن يبدأ الانبعاث التلقائي بوجود إلكترون في الحالة المثارة، ويخضع هذا الإلكترون بعد فترة زمنية لهبوط تلقائي. يحدث هذا لأن الإلكترونات المثارة لها فترة عمر محدودة، عادة ما تكون في حدود 10 أس سالب ثماني ثوان. إذا انقضت هذه الفترة دون انقطاع، فسيتنقل الإلكترون المثار هبوطًا مرة أخرى إلى مستوى طاقة أقل، مطلقًا فوتونًا أثناء هذه العملية.

بعد حدوث كل هذا، يعود الإلكترون إلى الحالة الأرضية، الأمر الذي يعني أنه إذا ظهر فوتون متطابق آخر، فسيكون الإلكترون مستعدًّا لامتصاصه مرة أخرى. هذا يعني أنه لكي تقع هذه العملية، يجب أن تكون الفترة الزمنية للتفاعلين بين الذرة والفوتونين أطول من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون؛ لأنه سيتعين علينا الانتظار حتى انتهاء فترة عمر الإلكترون المثار ليهبط من تلقاء نفسه.

لذا، إذا أدى تفاعلا الفوتونين إلى حدوث انبعاث تلقائي، فإن الإجابة ستكون بنعم فيما يتعلق بوقوع التفاعلين في فترة زمنية أطول من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون في الذرة. هذا هو الانبعاث التلقائي. لنلق الآن نظرة على الانبعاث المستحث.

كما هو الحال في الانبعاث التلقائي، يبدأ الانبعاث المستحث بإلكترون في الحالة المثارة. لكن قبل أن يتاح لهذا الإلكترون فترة زمنية للهبوط تلقائيًّا، يحثه أحد الفوتونات، وهو في هذه الحالة الفوتون المتطابق الآخر. يجب أن تقع عملية حث الإلكترون هذه قبل أن يتاح للإلكترون فترة زمنية للهبوط إلى الحالة الأرضية، الأمر الذي يعني أن الفترة الزمنية للتفاعل لا بد أن تكون أقصر من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون في الذرة، وهذا يعني أنه بالنسبة للانبعاث المستحث، لا تكون الفترة الزمنية أطول من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون.

بعد عملية الحث، ينتقل الإلكترون المثار هبوطًا إلى مستوى طاقة أقل ويطلق فوتونًا أثناء هذه العملية. هذا هو الانبعاث المستحث. الآن، بعد أن عرفنا نوعي الانبعاث المختلفين، وكذا العمليتان المختلفتان اللتان يمكن أن تقعا في هذا الشكل، دعونا نفكر في المعلومات المعطاة التي لدينا. لا نلاحظ أي فوتونات في الشكل الأصلي، بل نلاحظ وجود إلكترون واحد فقط في الحالة المثارة.

لكي يكون هذا الإلكترون مثارًا بعد كل من تفاعلي الفوتونين، يجب أن يمتص الإلكترون فوتونًا، الأمر الذي يمكن أن يقع فقط إذا كان نوع الانبعاث الذي سيحدث هنا هو الانبعاث التلقائي، نظرًا لأن تفاعل الفوتون الأخير الذي يقع هو تفاعل الفوتون المتطابق الثاني الذي يتفاعل مع إلكترون في الحالة الأرضية، فيمتصه الإلكترون ويصبح مثارًا. وهذا على عكس ما يحدث في الانبعاث المستحث؛ حيث يتسبب الفوتون الأول في حدوث الحالة المثارة، والفوتون الثاني يحث الإلكترون المثار، ما يؤدي إلى عودة الإلكترون إلى الحالة الأرضية.

لذا، إذا كان هذا انبعاثًا مستحثًّا، فيجب أن نتوقع أن يكون الإلكترون في الحالة الأرضية بعد كلا تفاعلي الفوتونين. لكننا نلاحظ هنا أن الإلكترون مثار، ما يعني أنه لا بد أن يكون انبعاثًا تلقائيًّا. الطريقة الوحيدة لحدوث الانبعاث التلقائي هي أن تكون الإجابة: نعم، يقع تفاعل الذرة والفوتونين في فترة زمنية أطول من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون في الذرة.