نسخة الفيديو النصية
يوضح الشكل الآتي ذرة تتفاعل مع فوتونين متطابقين في فترة زمنية أقصر من فترة عمر الحالة المثارة لإلكترون في الذرة. أي من الآتي يوضح توضيحًا صحيحًا التغيرات التي حدثت مباشرة بعد التفاعل بين الذرة والفوتون الثاني؟
يوضح لنا هذا السؤال وجميع خياراته ثلاث فترات زمنية مختلفة، إما تحدث خلالها تفاعلات مختلفة أو أن التفاعلات لم تحدث بعد، كما في حالة 𝑡 صفر، أي قبل أن يتفاعل الفوتونان مع الذرة من الأساس. بعد ذلك، عند 𝑡 واحد، نلاحظ أن الفوتون الأول قد امتصه الإلكترون الحر، ما جعل الإلكترون مثارًا وانتقل إلى مستوى طاقة أعلى. بعد ذلك، لدينا 𝑡 اثنين، وهو ما يحدث مباشرة بعد تفاعل الفوتون الثاني مع الذرة، مع العلم أن هذا التفاعل نفسه هو أحد هذه الخيارات الخمسة. لذا، دعونا نتناولها جميعًا بداية من الخيار (أ).
يوضح الشكل (أ) الذرة وهي تحتوي على الإلكترون الذي لا يزال في الحالة المثارة مع عدم وجود أي فوتونات على الإطلاق، ما يعني ضمنيًّا أن هذا الفوتون الثاني قد امتصه هذا الإلكترون المثار بالفعل. لكن لسبب ما، ظل الإلكترون في مستوى الطاقة نفسه ولم يطلق أي فوتونات. لهذا السبب، نعلم أن الخيار (أ) لا يمكن أن يكون صحيحًا. هذا الفوتون الثاني يتفاعل ويحدث شيء ما، ألا وهو الانبعاث المستحث. عندما يتفاعل إلكترون مثار بالفعل مع فوتون، كما نلاحظ هنا عند 𝑡 واحد، يمكن للإلكترون أن يهبط بالفعل لمستوى طاقة أقل، ويطلق فوتونًا له نفس طاقة واتجاه الفوتون الذي تسبب في البداية في عملية الحث هذه من خلال التفاعل مع الإلكترون المثار. إذن، بما أن الخيار (أ) لا يشير إلى أي شيء من هذا، فإننا نعرف أنه لا يمكن أن يكون صحيحًا. لنر إذا ما كان هذا يحدث في الخيار (ب).
نظرًا لأننا لا نلاحظ أي فوتونات في الخيار (ب)، فمن المستبعد أن يكون قد حدث انبعاث مستحث. لكن يبدو أن ما قد حدث بدلًا من ذلك هو هذا الإلكترون المثار بالفعل امتص الفوتون الثاني، ما أدى إلى أن يصبح الإلكترون أكثر إثارة وينتقل إلى مستوى طاقة أعلى. هذه العملية ممكنة جدًّا. يمكن للفوتونات المحملة بمقدار كبير من الطاقة أن تنقل الإلكترونات المثارة بالفعل إلى مستوى طاقة أعلى، ربما حتى لعدة مستويات طاقة مرة واحدة. لكن هذا الانتقال بالتحديد لا يمكن أن يحدث في هذه الحالة؛ لأن هذا الإلكترون يتفاعل مع فوتونين متطابقين، ما يعني أن لهما الطاقة نفسها.
عندما يمتص هذا الفوتون الأول عند 𝑡 صفر، يتسبب ذلك في انتقال الإلكترون لأعلى من مستوى الطاقة الأول، الذي سنشير إليه بالرمز 𝐸 واحد، إلى مستوى الطاقة الثاني، الذي سنشير إليه بالرمز 𝐸 اثنين. والآن، ما يحدث في الشكل (ب) هو أن الإلكترون المثار بالفعل في 𝐸 اثنين يمتص الفوتون الثاني، ما يتسبب في انتقاله لأعلى إلى مستوى الطاقة الثالث، الذي سنشير إليه بالرمز 𝐸 ثلاثة. هذه هي العملية العامة التي تحدث، لكن ليس من الممكن أن تحدث فعليًّا في الواقع؛ لأن هذين الفوتونين هنا لهما مقدار الطاقة نفسه.
لذلك، إذا كانت طاقة الفوتون الأول كافية لإرسال الإلكترون من مستوى الطاقة الأول إلى مستوى الطاقة الثاني، فلا بد أن يكون للفوتون الثاني أيضًا هذه الطاقة. لكن مستويات الطاقة الأعلى بينها فروق أعلى في الطاقة، الأمر الذي يعني أن الانتقال من 𝐸 اثنين إلى 𝐸 ثلاثة يتطلب كمية طاقة أكبر من التي يتطلبها الانتقال من 𝐸 واحد إلى 𝐸 اثنين. وهذا يعني أن الفوتون الثاني في الواقع لن يكون لديه الطاقة الكافية ليتسبب في انتقال هذا الإلكترون لأعلى إلى مستوى الطاقة الثالث، ما يعني أن الخيار (ب) ليس الإجابة الصحيحة لهذا السؤال؛ لأن الفوتون الثاني ليس لديه طاقة أعلى من الفوتون الأول.
لننتقل الآن إلى الخيار (ج). للوهلة الأولى، يبدو أن الخيار (ج) يوضح لنا انبعاثًا مستحثًّا. الفوتون الثاني يحث إلكترونًا مثارًا بالفعل، ما يجعل الإلكترون يبعث فوتونًا له نفس اتجاه وطاقة الفوتون الساقط، ويتحرك بجواره أيضًا؛ لأنه في الانبعاثات المستحثة، لا يمتص الفوتون الساقط الذي يحث الإلكترون المثار. لكن، هذا الشكل في الواقع لا يوضح لنا انبعاثًا مستحثًّا صحيحًا؛ لأنه كان على هذا الإلكترون المثار أن يهبط لكي ينبعث منه هذا الفوتون. إذن، نظرًا لأن الخيار (ج) لا يوضح الإلكترون في مستوى الطاقة الأقل، فلا يمكن أن يكون صحيحًا. لكن إذا نظرنا إلى الشكل (هـ)، فسنجد أنه يوضح الإلكترون في مستوى الطاقة الأقل.
يتفاعل إلكترون مثار مع فوتون، ما يجعله يهبط لمستوى طاقة أقل ويبعث فوتونًا له نفس طاقة واتجاه الفوتون الساقط. وهذا ما نتوقع حدوثه في أي انبعاث مستحث. إذن، الخيار (هـ) يوضح لنا انبعاثًا مستحثًّا. لكن كيف نعرف بالفعل أن هذا ما سيحدث هنا؟ حسنًا، يتعلق الأمر بما ذكر في الجملة الأولى. تفاعلا الفوتونين يحدثان في فترة زمنية أقصر من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون في الذرة. هذا يعني أنه خلال الفترة من 𝑡 صفر إلى 𝑡 واحد، ليس هناك وقت للإلكترون المثار بواسطة الفوتون الأول ليهبط. إذا كان الأمر كذلك، فسنرى شيئًا مثل ما يحدث في الشكل (د)، الذي يعد مثالًا للانبعاث التلقائي.
الانبعاث التلقائي يحدث عندما ينتقل إلكترون مثار إلى مستوى طاقة أقل بنفسه، ويطلق فوتونًا له نفس طاقة الفوتون الذي أثار الإلكترون في البداية ولكن في اتجاه مختلف. فالانبعاث التلقائي يحدث تلقائيًّا. الأنظمة الفيزيائية تميل بوجه عام إلى مستويات الطاقة المستقرة الأدنى. لذا، عندما يكون هناك إلكترون في حالة مثارة، وإذا كان هناك مستوى طاقة أقل متاحًا، فسوف يعود الإلكترون إليه، مطلقًا فوتونًا خلال هذه العملية. لكن لا يزال حدوث هذا الهبوط يستغرق فترة زمنية مقدارها 10 أس سالب ثماني ثوان.
إذن، على الرغم من أن الانبعاث التلقائي يحدث بسرعة كبيرة، إذا تمكن فوتونان من التفاعل مع هذا الإلكترون نفسه في فترة زمنية أقصر من فترة عمر الحالة المثارة للإلكترون، فإن هذا يعني أن هناك انبعاثًا مستحثًّا سيحدث بدلًا من ذلك؛ لأنه لا يوجد زمن كاف لهبوط الإلكترون المثار قبل أن يتفاعل مع الفوتون الثاني وينتج انبعاثًا مستحثًّا.
ومن ثم، فإن العملية التي توضح توضيحًا صحيحًا التغيرات التي قد حدثت مباشرة بعد التفاعل بين الذرة والفوتون الثاني هي الانبعاث المستحث، الذي يوضحه الشكل (هـ) بشكل صحيح.
