Transcription de la vidéo
À un instant 𝑡₀, un atome d’hydrogène absorbe un photon, ce qui fait augmenter l’énergie de son électron à 𝐸 un. Un intervalle de temps Δ𝑡 environ égal à 0,1 nanosecondes s’écoule alors pendant lequel aucun autre photon n’interagit avec l’atome. Comment peut-on comparer 𝐸 deux, l’énergie de l’électron à un instant Δ𝑡 après 𝑡 zéro à E un ? (A) 𝐸 deux est supérieur à 𝐸 un. (B) 𝐸 deux est inférieur à 𝐸 un. (C) 𝐸 deux est égal à 𝐸 un.
Nous regarderons les autres questions plus tard, pour l’instant, concentrons-nous sur la question concernant l’énergie. Lorsque l’on parle de l’énergie d’un électron qui se trouve toujours dans un atome, il faut immédiatement penser aux différents niveaux d’énergie car les électrons de l’atome occupent forcément un de ces niveaux d’énergie. 𝐸 un et 𝐸 deux font donc référence à des niveaux d’énergie particuliers des électrons. Mais soyons prudents avec la notation utilisée.
On peut être tentés de dire que 𝐸 un correspond au premier niveau d’énergie et 𝐸 deux au deuxième niveau d’énergie. Mais ce n’est pas le cas ici. On nous dit que l’électron a absorbé un photon et que son énergie a donc augmenté, ce qui signifie qu’il ne peut pas être à l’état fondamental. On ne nous dit pas exactement à quel niveau d’énergie il se trouve. Nous savons juste que ça ne peut pas être le premier. 𝐸 un fait référence à l’énergie de l’électron juste après avoir absorbé un photon et non pas au premier niveau d’énergie. Sur le schéma que nous avons dessiné, 𝐸 un est en fait représenté comme le deuxième niveau d’énergie. En fonction de l’énergie du photon absorbé par l’électron, il peut s’agir du troisième ou du quatrième niveau d’énergie. Mais pour ne pas prendre trop de place, nous allons simplement le représenter au deuxième niveau d’énergie.
Alors, 𝐸 deux fait référence à l’énergie de l’électron à un instant Δ𝑡 après 𝑡 zéro. Et nous savons que pendant cet intervalle Δ𝑡, il n’y a aucun autre photon interagissant avec l’atome. Il n’y a donc aucun photon pouvant provoquer une émission stimulée ou pouvant être absorbé par l’électron. S’il y a une différence d’énergie entre 𝐸 un et 𝐸 deux, la seule explication, c’est le passage spontané vers un niveau d’énergie inférieur, ce qui signifie que l’électron qui était à un niveau d’énergie plus élevé, au niveau 𝐸 un est maintenant à un niveau d’énergie inférieur, le niveau 𝐸 deux, non ?
Alors, c’est ce qui va se passer au bout de quelque temps. Mais l’intervalle de temps donné Δt est d’environ 0,1 nanosecondes. Et la durée de vie classique des électrons sur un niveau d’énergie supérieur quand un espace est disponible sur un niveau d’énergie inférieur est de l’ordre de 10 puissance moins huit secondes. En notation scientifique, 0,1 nanoseconde est égal à un fois 10 puissance moins 10 secondes, l’intervalle de temps Δ𝑡 est donc plus court que la durée de vie classique d’un électron sur un niveau d’énergie supérieur, d’un facteur d’environ 100.
En pratique, cela signifie que le temps Δ𝑡 est tellement court que l’électron n’aura pas le temps de passer à un niveau inférieur. L’électron à l’instant 𝑡 zéro et à l’instant Δ𝑡 après 𝑡 zéro doivent donc avoir le même niveau d’énergie, ce qui signifie que l’électron a la même énergie. Et l’énergie 𝐸 un est donc égale à l’énergie 𝐸 deux. La bonne réponse à la première question est donc (C). 𝐸 deux est égal à 𝐸 un.
Maintenant, regardons la deuxième question.
Est-ce des photons sont émis à un instant Δ𝑡 après 𝑡₀ ? (A) oui, (B) non.
Pour cette question, rappelons qu’il n’y aucun photon interagissant avec l’atome, en plus du photon initialement absorbé à l’instant 𝑡 zéro. Et nous savons que l’intervalle Δ𝑡 est plus court que la durée de vie classique d’un électron sur un niveau d’énergie supérieur quand il y a un espace disponible sur un niveau d’énergie inférieur. Ces deux affirmations font qu’il ne peut pas y avoir d’émission de photons car pour l’émission stimulée il faut qu’un électron de niveau d’énergie supérieur interagisse avec un photon. Et pour l’émission spontanée, il faut qu’un électron de niveau d’énergie supérieur passe spontanément à un niveau d’énergie inférieur. Mais comme nous l’avons déjà vu, l’intervalle de temps Δ𝑡 n’est pas assez grand. Il ne peut donc y avoir aucune émission stimulée ou spontanée dans l’intervalle de temps Δ𝑡 après 𝑡 zéro, ce qui signifie qu’aucun photon n’est émis. La bonne réponse à la deuxième question est la proposition (B) non.
Maintenant, la dernière question.
Lequel des termes suivants décrit le mieux l’état de l’électron à un instant Δ𝑡 après 𝑡 zéro ? (A) détendu, (B) excité, (C) stimulé, (D) spontané, (E) instantané.
Faisons les choses à l’envers en commençant par la proposition (E). On ne peut pas décrire un électron comme instantané. On dit que la transition entre les différents niveaux d’énergie des électrons est instantanée, mais l’électron lui ne l’est pas. Et même si sa durée de vie sur un niveau d’énergie supérieur quand il y a un espace disponible sur un niveau d’énergie inférieure est très petite, de l’ordre de seulement 10 puissance moins huit secondes, elle n’est tout de même pas instantanée. La proposition (E) n’est pas correcte.
Regardons maintenant les propositions (C) et (D), aucun des deux ne décrit l’état d’un électron non plus. Un électron peut passer spontanément à un niveau d’énergie inférieur et produire un photon par émission spontanée mais on ne peut pas dire que l’électron est spontané. Et de même, un électron peut être stimulé en interagissant avec un photon, il subit une stimulation. Mais ce n’est pas un état ou un changement d’état. Même si l’émission stimulée provoque un changement d’état de l’électron en le faisant passer à un niveau d’énergie inférieur, on ne peut pas dire qu’il est stimulé, ce n’est pas un état.
Maintenant, regardons la proposition (B) excité. Excité est un état qui existe pour un électron. On dit que les électrons sont excités lorsqu’ils sont sur un niveau d’énergie supérieur alors qu’il y a un espace disponible sur un niveau d’énergie inférieur. Ces électrons excités finissent par repasser à un niveau d’énergie inférieur en un temps de l’ordre de 10 puissance moins huit secondes. Donc, ils ne peuvent pas rester dans cet état très longtemps. En ce qui concerne l’électron dont on parle dans cette question, nous savons qu’à l’instant 𝑡 zéro, l’électron absorbe un photon. Il doit donc être sur un niveau d’énergie plus élevé, ce qui signifie qu’il est excité. Et comme nous l’avons déjà vu, pendant un intervalle de temps Δ𝑡, l’électron n’a pas assez de temps pour repasser vers un niveau d’énergie inférieur. Il a la même énergie, ce qui signifie qu’il est au même niveau d’énergie et qu’il est donc toujours excité. Nous savons donc que la proposition (B) convient. Mais juste pour être sûrs, regardons la proposition (A).
On peut dire qu’un électron est dans un état détendu quand il est sur le niveau d’énergie le plus bas disponible, c’est-à-dire simplement non excité, ce qui n’est pas le cas à l’instant Δt après 𝑡 zéro. Le terme qui décrit le mieux l’état de l’électron est donc la proposition (B) excité.