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Vidéo de question : Déterminer de quelle manière une émission stimulée est mal représentée Physique

La figure ci-dessous montre l’émission stimulée de lumière d’un atome. Dans lequel des cas suivants l’émission est mal représentée ? [A] L’électron doit être dans un état excité. [B] Deux photons doivent être représentés. [C] L’émission est représentée correctement.

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Transcription de vidéo

La figure ci-dessous montre l’émission stimulée de lumière d’un atome. Dans lequel des cas suivants l’émission est-elle mal représentée ? (A) L’électron doit être dans un état excité. (B) Deux photons doivent être affichés. (C) L’émission est représentée correctement.

Pour déterminer laquelle de ces trois affirmations est correcte, parcourons toutes les étapes d’une émission stimulée typique, en commençant par un atome qui a un seul électron stable à l’état fondamental. Pour que n’importe quel type d’émission se produise, cet électron à l’état fondamental doit être excité. En général, cette excitation se produit lorsqu’un photon interagit avec l’électron. Si l’énergie de ce photon est égale à la différence d’énergie entre les niveaux d’énergie des électrons, ce qui pour plus de commodité dans ce cas, on montrera qu’elle se situe entre le premier et le deuxième niveau d’énergie, alors l’électron peut absorber le photon, ce qui l’amène à faire une transition vers le haut à un niveau d’énergie supérieur.

Lorsque l’électron est dans ce niveau d’énergie supérieur, on dit qu’il est dans un état excité. Et étant ici, il y a un des deux types d’émissions qui peuvent se produire : stimulée ou spontanée. Une émission spontanée se produit si l’électron se désintègre spontanément. Cette émission spontanée se produit parce que les électrons excités sont instables. Ils ne peuvent pas rester dans un état excité pour longtemps, leur durée de vie moyenne étant d’environ 10 à la puissance moins huit secondes. Lorsque cette émission spontanée se produit, l’électron excité passe à un niveau d’énergie inférieur, libérant un photon dans le processus, et ce dernier a la même énergie que le photon initial qui a été absorbé et donc la même énergie que la différence d’énergie entre les niveaux d’énergie des électrons. C’est une émission spontanée.

Mais ce n’est pas ce qu’on cherche. On veut voir une émission stimulée, qui commence de la même manière que spontanée, qui consiste simplement à avoir un électron à l’état excité. La différence entre l’émission stimulée et l’émission spontanée est que, dans l’émission stimulée, il n’y a pas désexcitation spontanée. Ce qui se passe par contre, c’est qu’un autre photon entre et interagit avec l’électron alors qu’il est déjà dans son état excité. Mais plutôt que d’être absorbé, le photon stimule l’électron, ce qui provoque une transition vers un niveau d’énergie plus bas et une libération d’un photon qui a la même énergie, la même direction et la même phase que le photon qui a provoqué la stimulation.

Pour que cette émission stimulée se soit produite, elle a dû se produire plus vite que 10 à la puissance moins huit secondes car sinon il y aurait eu une désexcitation spontanée provoquant une émission spontanée. Même si les deux émissions commencent avec la même condition d’avoir besoin d’un électron excité, une émission stimulée nécessite que l’électron soit stimulé par un photon, tandis que dans une émission spontanée, il suffit d’attendre que l’électron excité se désexcite spontanément. Cela signifie que dans l’émission stimulée, on doit s’attendre à voir deux photons sur une figure : l’un qui a provoqué la stimulation et l’autre qui est émis par l’électron lors de sa transition vers le bas. Mais en émission spontanée, on doit s’attendre à ne voir qu’un seul photon, car en émission spontanée, l’électron n’a pas besoin d’un autre photon pour le stimuler.

En regardant nos réponses, on sait que (A) ne peut pas être correct, puisqu’une émission stimulée nécessite le passage d’un électron à un état non excité. Cette émission stimulée n’est pas représentée correctement car on devait s’attendre à voir deux photons entiers après le processus d’émission stimulée, mais on n’en voit qu’un. Par conséquent, la manière suivante dont l’émission stimulée est incorrectement représentée sur cette figure est (B). Deux photons doivent être affichés.

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