نسخة الفيديو النصية
يوضح الشكل الآتي ذرة تتفاعل مع فوتونين متطابقين في فترة زمنية أطول من فترة عمر الحالة المثارة لإلكترون في الذرة. أي من الآتي يوضح توضيحًا صحيحًا التغيرات التي حدثت مباشرة بعد التفاعل بين الذرة والفوتون الثاني؟
إذا نظرنا إلى الزمنين في هذا الشكل، 𝑡 صفر و𝑡 واحد، فسيبدوان متماثلين تمامًا، باستثناء رقم الفوتون الذي يتفاعل مع الذرة. عند الزمن 𝑡 صفر، يمتص إلكترون الحالة الأرضية الفوتون واحدًا. وعند الزمن 𝑡 واحد، يمتص إلكترون الحالة الأرضية الفوتون اثنين. وعند الزمنين 𝑡 صفر و𝑡 واحد، يكون هذا الإلكترون في أقل مستوى طاقة ممكن أو في الحالة الأرضية. قد يبدو هذا غريبًا؛ لأننا نعلم أنه عندما يمتص إلكترون فوتونًا له طاقة كافية، ينتقل الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى. ومن ثم، نقول إنه في حالة مثارة.
لماذا إذن لا نرى حالة مثارة عند الزمن 𝑡 واحد رغم معرفتنا أن الإلكترون قد امتص هذا الفوتون؟ يتضح السبب وراء ذلك في الجملة الأولى من السؤال، والتي تخبرنا بأن الذرة تتفاعل مع فوتونين متطابقين في فترة زمنية أطول من فترة عمر الحالة المثارة لإلكترون في الذرة. هذا يعني أنه عند الزمن 𝑡 صفر، يمتص الإلكترون الفوتون وينتقل إلى مستوى طاقة أعلى، ويصبح مثارًا. لكننا لن نتمكن أبدًا من رؤية هذا الإلكترون عند الزمن 𝑡 واحد؛ لأن الفترة الزمنية بين 𝑡 صفر و𝑡 واحد أطول من فترة عمر الحالة المثارة لإلكترون في الذرة، وهو ما يعني أنه عند نقطة ما بين 𝑡 صفر و𝑡 واحد، لا بد أن يعود الإلكترون المثار تلقائيًّا إلى الحالة الأرضية.
تترك الإلكترونات تلقائيًّا الحالات المثارة؛ لأن الإلكترونات تميل إلى الوجود في مستويات الطاقة الأقل والأكثر استقرارًا. عندما تنتقل الإلكترونات إلى مستوى طاقة أقل، فإنها تطلق فوتونًا في عملية تسمى الانبعاث التلقائي، وهي إطلاق إلكترون مثار لفوتون عندما ينتقل تلقائيًّا إلى مستوى طاقة أقل. لكن، بسبب هذه الفترة الزمنية بين 𝑡 صفر و𝑡 واحد، لم نتمكن من ملاحظة عملية الانبعاث التلقائي بأكملها. عندما ننظر إلى 𝑡 واحد، سنجد أن الإلكترون قد عاد بالفعل إلى الحالة الأرضية. ومن ثم، سيبدو الأمر وكأن شيئًا لم يحدث. ومن الطبيعي أن نواجه مشكلة في ملاحظة الانبعاث التلقائي؛ لأن الإلكترونات المثارة تنتقل بسرعة كبيرة إلى مستوى طاقة أقل، وعادة ما يحدث ذلك خلال زمن يساوي 10 أس سالب ثمانية ثانية تقريبًا.
بعد معرفة كل ذلك، دعونا نلق نظرة على ما يطلبه منا السؤال. أي من هذه الأشكال يوضح توضيحًا صحيحًا التغيرات التي حدثت مباشرة بعد التفاعل بين الذرة والفوتون الثاني؟ علينا أن ننتبه إلى الصياغة المعطاة في السؤال. جميع هذه الأشكال توضح أنها تحدث خلال فترة زمنية 𝑡 اثنين. لكن، الفرق الزمني بين 𝑡 واحد و𝑡 اثنين لا يساوي الفرق الزمني بين 𝑡 صفر و𝑡 واحد. الفترة ما بين 𝑡 صفر و𝑡 واحد أطول من فترة عمر الحالة المثارة لإلكترون في الذرة، في حين يحدث 𝑡 اثنان مباشرة بعد التفاعل بين الذرة والفوتون الثاني.
ما يخبرنا به هذا أنه لن يكون هناك انبعاث تلقائي بين 𝑡 واحد و𝑡 اثنين؛ لأننا ننظر إلى الخطوة التي تحدث مباشرة بعد التفاعل الذي يحدث في الزمن 𝑡 واحد، وفيها يمتص إلكترون فوتونًا لينتقل إلى الحالة المثارة في مستوى طاقة أعلى. وعليه، ما يجب أن نتوقع رؤيته مباشرة بعد التفاعل بين الذرة والفوتون الثاني هو أن الإلكترون يكون في حالة مثارة، وهو ما نراه بالضبط في الخيار د؛ إلكترون مثار لم ينتقل بعد إلى مستوى الطاقة الأقل.
لكن، ماذا عن الخيارات الأخرى؟
حسنًا، بالنسبة إلى الخيار أ، نلاحظ وجود فوتونين يبتعدان عن الذرة. وثمة سببان لكون هذا الخيار خطأ. السبب الأول، بالطبع، هو أن التوقيت خطأ. لكي يوجد فوتونان، يجب أن ينبعث أحدهما من الذرة بعد الزمن 𝑡 واحد. لكن، يحدث الزمن 𝑡 اثنان بعد التفاعل مباشرة. وعليه، لن يكون هناك وقت كاف لحدوث انبعاث. والسبب الثاني لكون هذا الخيار خطأ هو أننا نرى الفوتونات تتحرك في الاتجاه نفسه. في الانبعاث التلقائي، يكون للفوتونات المنبعثة نفس طاقة الفوتونات التي تسببت في الانتقال الابتدائي بين مستويات الطاقة. لكن، يجب أن يكون لهما اتجاه مختلف عن الفوتونين الابتدائيين، وهو ما لا نراه هنا مع هذين الفوتونين اللذين ينبعثان في الاتجاه نفسه. ومن ثم، لهذين السببين، فإن الخيار أ ليس الإجابة الصحيحة.
والآن، دعونا نتناول الخيار ب، الذي يتضمن فوتونين ينطلقان في اتجاهين مختلفين، وهو ما يعني أننا نرى توضيحًا صحيحًا للانبعاث التلقائي، ولكن، مثلما هو الحال مع الخيار أ؛ بما أننا نستطيع رؤية حدوث هذا الانبعاث، فإن التوقيت غير صحيح. ولكن، لو كانت الفترات الزمنية بين 𝑡 صفر، و𝑡 واحد، و𝑡 اثنين متساوية؛ أي أطول من فترة عمر الحالة المثارة لإلكترون، لكان الخيار ب هو الإجابة الصحيحة.
وبما أننا نرى حدوث الانبعاث، فإن الخيار ب ليس الإجابة الصحيحة، وهو ما يقودنا إلى الخيار ج، الذي نعرف أيضًا أنه ليس الإجابة الصحيحة؛ لأننا نرى هذا الفوتون المنبعث هنا، وهو ما يخبرنا، مرة أخرى، بأن التوقيت خطأ. لكن، يمكننا القول أيضًا إنه يتضمن عددًا خطأ من الفوتونات؛ لأننا لا نرى سوى فوتون واحد. إذا كانت هذه الفترة الزمنية تحدث بعد فترة عمر حالة مثارة لإلكترون، فلا بد أن نتوقع رؤية فوتونين: أحدهما من الفوتون واحد، والآخر من الفوتون اثنين. أو قد نرى فقط الفوتون المنبعث بسبب الفوتون واحد.
لكن، إذا كانت هذه هي الحالة، فمن المفترض أن يتسبب الفوتون اثنان في إثارة هذا الإلكترون في الزمن 𝑡 اثنين. ولكن، بما أنه في الحالة الأرضية، فلا بد أن الفترة الزمنية جاءت بعد الانبعاث. أو ربما أننا لا نرى الانبعاث الذي سببه الفوتون واحد. وأيًّا كانت الحالة، نعلم أن الخيار ج محال أن يكون صحيحًا بسبب التوقيت الخطأ.
والآن بالنظر مرة أخرى إلى الخيار د، أليس من المفترض أن نتوقع رؤية فوتون منبعث؛ لأننا نعلم أنه لا بد أن يكون قد انبعث فوتون بين الزمن 𝑡 صفر والزمن 𝑡 واحد؟ لكن، يسألنا هذا السؤال عن الشكل الذي يوضح التغيرات التي حدثت بشكل صحيح. لذا من المفترض أن نتوقع رؤية إلكترون في الحالة المثارة. ولكننا بدلًا من ذلك، نرى أنه في الخيارات أ، ب، ج، يكون الإلكترون في الحالة الأرضية.
إذن، على الرغم من عدم وجود فوتون منبعث، فإن الشكل الذي يوضح التغيرات التي حدثت مباشرة بعد التفاعل بين الذرة والفوتون الثاني هو الشكل في الخيار د.
