نسخة الفيديو النصية
يوضح الشكل الكثافات النسبية لملء الإلكترونات للحالة المستقرة والحالة المثارة والحالة شبه المستقرة في ذرات الوسط الفعال لليزر المزود بطاقة خارجية لتحقيق الإسكان المعكوس. تمر الفترة الزمنية القصيرة Δ𝑡، وهي تناظر أقصر فترة زمنية يمكن أن تتغير خلالها طاقة الإلكترونات. أي من الأشكال الآتية يمثل حالات الطاقة للإلكترونات بعد هذه الفترة الزمنية؟ لا يزود الوسط الفعال بطاقة خارجية خلال هذه الفترة الزمنية.
موضح لدينا خمسة أشكال تمثل خيارات الإجابة الخمسة (أ) و(ب) و(ج) و(د) و(هـ). في كل شكل، بما في ذلك الشكل الأصلي، نلاحظ ثلاث حالات لطاقة الإلكترونات. فتوجد الحالة الأرضية، وهي الحالة التي تميل الإلكترونات إلى الانتقال إليها والبقاء فيها ما لم تزود بأي طاقة. وتوجد فوقها حالة تسمى الحالة شبه المستقرة. من حيث الطاقة، تقع هذه الحالة مباشرة أسفل الحالة الثالثة التي تسمى الحالة المثارة.
يخبرنا رأس المسألة أن هذه الحالات تمثل مستويات طاقة الإلكترونات في ذرات الوسط الفعال لليزر. وفيما يمكن أن نسميه بالوضع الأولي، لدينا إلكترون، إلكترونان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة إلكترونات، حيث توجد ثلاثة من هذه الإلكترونات في الحالة المثارة، وأحدها في الحالة شبه المستقرة، وثلاثة منها في الحالة الأرضية.
بمعلومية توزيع الإلكترونات هذا، نعلم أنه تمر فترة زمنية قصيرة Δ𝑡، وأن هذه الفترة هي أقصر فترة زمنية يمكن أن تتغير خلالها حالات طاقة الإلكترون. وتوضح لنا خيارات الإجابة الخمسة احتمالات لما يمكن أن تكون عليه هذه التغيرات. نلاحظ أن أيًّا من خيارات الإجابة الخمسة لا يشبه الشكل الأصلي تمامًا.
لكي نبدأ في تضييق نطاق إجاباتنا، من المفيد أن نفكر بدلالة فترة عمر الإلكترون في هذه الحالات الثلاث المختلفة. ويشير هذا المصطلح إلى المدة التي يرجح أن يظل خلالها الإلكترون في حالة الطاقة تلك. يمكننا البدء بالحالة الأرضية. وهي، كما ذكرنا، الحالة التي يرجح أن يظل فيها الإلكترون ما لم يزود بطاقة خارجية. لكن يذكر السؤال بوضوح أن النظام لم يزود بأي طاقة خلال الفترة الزمنية Δ𝑡. وهذا يعني أن هذه الإلكترونات الثلاثة، الموجودة في الأصل في الحالة الأرضية، لن تتمكن من الانتقال إلى خارج هذه الحالة خلال الفترة الزمنية Δ𝑡. لذا نتوقع أن تتضمن الإجابة النهائية ثلاثة إلكترونات على الأقل في الحالة الأرضية.
لنتناول بعد ذلك فترة عمر الإلكترون الموجود في الحالة المثارة. في المتوسط، يقضي الإلكترون فترة قصيرة جدًّا في هذه الحالة. وخلال فترة زمنية في حدود 10 أس سالب ثماني ثوان، أي أقل من جزء من مليون جزء من الثانية، من المرجح أن تمر الإلكترونات في الحالة المثارة بعملية تسمى الاضمحلال التلقائي. وعندما يحدث ذلك، تهبط هذه الإلكترونات إلى حالة طاقة أقل. وبسبب موضع الحالة شبه المستقرة، التي تقع مباشرة أسفل الحالة المثارة من حيث الطاقة، فعندما تضمحل الإلكترونات الموجودة في الحالة المثارة تلقائيًّا، من المرجح أن تضمحل إلى الحالة شبه المستقرة.
ومثل الحالة المثارة، تقع الحالة شبه المستقرة فوق مستوى الطاقة الأرضي أيضًا. وهذا يعني أن الإلكترونات في هذه الحالة تمتلك طاقة أكبر من الإلكترونات الموجودة في الحالة الأرضية. ولكن، يعطينا اسم الحالة شبه المستقرة فكرة عن أن مستوى طاقة الإلكترون فيها مختلف عن الحالة المثارة. الإلكترون في الحالة شبه المستقرة قادر على أن يضمحل تلقائيًّا مثل الإلكترون في الحالة المثارة. ولكن، يزيد متوسط فترة عمر الإلكترون في الحالة شبه المستقرة بحوالي 10000 مرة عن المتوسط في الحالة المثارة.
من ثم، نتوقع أنه خلال أقصر فترة زمنية يمكن أن ينتقل خلالها الإلكترون إلى مستوى طاقة آخر، من غير المرجح أن يتضمن هذا الانتقال انتقالًا من الحالة شبه المستقرة إلى الحالة الأرضية. بل الأكثر ترجيحًا أن هذا الانتقال سيتضمن انتقال إلكترون من الحالة المثارة إلى الحالة شبه المستقرة.
بالمناسبة، هذه الفترة الطويلة نسبيًّا لعمر الإلكترون في الحالة شبه المستقرة هي ما يسمح لهذا النظام ذي مستويات الطاقة الثلاثة داخل ذرة في الوسط الفعال لليزر بتحقيق ما يسمى الإسكان المعكوس؛ حيث يكون عدد الإلكترونات خارج الحالة الأرضية أكبر من عدد الإلكترونات فيها.
بمعلومية أنه بعد الفترة الزمنية Δ𝑡 نتوقع أن يظل هذا الإلكترون في هذه الحالة شبه المستقرة؛ لذا دعونا نفكر في خيارات الإجابة. نلاحظ أنه في خيار الإجابة (أ)، والخيار (د)، والخيار (هـ)، لم يعد هذا الإلكترون موجودًا في الحالة شبه المستقرة، بل إنه قد اضمحل وعاد إلى الحالة الأرضية.
لكننا ذكرنا أن هذا الانتقال مستبعد للغاية خلال الفترة الزمنية Δ𝑡. وليس من المستحيل حدوث ذلك. لكن عند البحث عن أفضل إجابة، يمكننا ببساطة استبعاد الخيارات (أ) و(د) و(هـ). نلاحظ أنه في خياري الإجابة (ب) و(ج)، لا يزال هذا الإلكترون موجودًا في الحالة شبه المستقرة. ولكن الفرق بين هاتين الإجابتين هو أنه في خيار الإجابة (ب)، اضمحلت جميع إلكترونات الحالة المثارة خلال الفترة الزمنية Δ𝑡 إلى الحالة شبه المستقرة. واضمحلت في الخيار (ج) من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية.
من ناحية الطاقة، الانتقال المرجح حدوثه من بين هذين الانتقالين هو الانتقال الذي يتطلب أقل قدر من التغيير. يمكننا القول إنه من الأسهل أن يضمحل إلكترون من الحالة المثارة إلى الحالة شبه المستقرة، بدلًا من أن يهبط إلى الحالة الأرضية. وعليه، فإن الخيار (ب) هو الإجابة النهائية. هذا هو الشكل الذي يمثل على نحو صحيح إسكان مستويات الطاقة الثلاثة المختلفة بعد الفترة الزمنية Δ𝑡. كما نلاحظ أن هذا هو الخيار الوحيد من بين خيارات الإجابة الذي يوضح لنا أيضًا الإسكان المعكوس. وهذه هي الآلية التي تسمح بإنتاج أشعة الليزر.
