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Vidéo question :: Détermination de la durée de vie d’un électron excité en raisonnant à partir des types d’émissions Physique • Troisième secondaire

La figure ci-dessous représente un atome contenant un électron qui était initialement à l’état fondamental. L’atome a interagi avec deux photons identiques. La figure représente l’atome juste après ces interactions. L’interaction de l’atome et des photons s’est-elle produite sur un intervalle de temps plus long que la durée de vie de l’état excité d’un électron ?

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Transcription de la vidéo

La figure ci-dessous représente un atome contenant un électron qui était initialement à l’état fondamental. L’atome a interagi avec deux photons identiques. La figure représente l’atome juste après ces interactions. L’interaction de l’atome et des photons s’est-elle produite sur un intervalle de temps plus long que la durée de vie de l’état excité d’un électron ?

Pour répondre à cette question, considérons le processus complet subi par l’atome. L’électron de l’atome était initialement à l’état fondamental. Il a ensuite interagi avec deux photons identiques, cette figure représente l’atome juste après les interactions avec les photons. Alors, considérons l’atome avant les interactions avec les photons. L’électron est à l’état fondamental, qui est le niveau d’énergie le plus bas possible.

Lorsqu’un photon interagit avec un électron, si le photon a l’énergie nécessaire, il peut être absorbé par l’électron, ce qui a pour effet de le faire passer à un niveau d’énergie plus élevé, ou passer à un état excité. Lorsque l’électron est sur ce niveau d’énergie supérieur, on dit qu’il est dans un état excité. Et tant qu’il se trouve dans cet état excité, deux choses peuvent se produire : une émission spontanée ou stimulée. Et celle qui se produit dépend de la durée des interactions dans l’atome.

Pour comprendre cela, considérons les deux possibilités, en commençant par l’émission spontanée. Pour qu’il y ait émission spontanée, un électron doit d’abord passer à l’état excité, puis repasser à un niveau inférieur de manière spontanée après un certain temps. Cela se produit parce que les électrons excités ont une durée de vie limitée, généralement de l’ordre de 10 puissance moins huit secondes. Si cet intervalle de temps peut s’écouler sans interruption, l’électron excité va repasser à un niveau d’énergie inférieur, en libérant un photon dans le processus.

Après cela, l’électron est de retour à l’état fondamental et si un deuxième photon identique arrive, l’électron sera donc prêt à l’absorber à nouveau. Donc pour que ce processus se réalise, l’intervalle de temps entre les interactions avec les photons doit être plus long que la durée de vie de l’état excité de l’électron, car il faut que la durée de vie de l’électron excité se termine pour qu’il repasse à un niveau inférieur spontanément.

Donc, si les interactions avec les photons provoquent une émission spontanée, la réponse serait oui, l’intervalle de temps est plus long que la durée de vie de l’état excité de l’électron. Donc, c’était le cas de l’émission spontanée. Voyons maintenant le cas de l’émission stimulée.

Tout comme l’émission spontanée, l’émission stimulée commence avec un électron passant à l’état excité. Mais, avant que cet électron ait le temps de repasser à un niveau inférieur spontanément, il est stimulé par un photon, dans ce cas le deuxième photon identique. Cette stimulation électronique doit avoir lieu avant que l’électron ait le temps de revenir à l’état fondamental, ce qui signifie que la durée de l’interaction doit être plus courte que la durée de vie de l’état excité de l’électron, et donc dans le cas de l’émission stimulée, non, l’intervalle de temps n’est pas plus long que la durée de vie de l’état excité de l’électron.

Alors, après la stimulation, l’électron excité repasse à un niveau d’énergie inférieur et libère un photon dans le processus. C’était donc le cas de l’émission stimulée. Et maintenant que nous connaissons les deux types d’émissions et donc les deux processus différents qui pourraient se réaliser dans cette situation, regardons les informations qui nous sont données. Il n’y a pas de photons sur la figure initiale, seulement un seul électron à l’état excité.

Pour que cet électron soit à l’état excité après les interactions avec les photons, il faut qu’il ait absorbé un photon, ce qui ne peut se produire ici que dans le cas d’une émission spontané, car la dernière interaction avec un photon est celle avec le deuxième photon identique et elle se produit avec un électron qui est à l’état fondamental, qui absorbe le photon et passe à l’état excité. C’est la différence avec l’émission stimulée, où le premier photon provoque l’état excité et le second photon stimule l’électron excité, ce qui provoque le retour de l’électron à l’état fondamental.

Donc, s’il s’agissait d’une émission stimulée, l’électron devrait se trouver à l’état fondamental après les interactions avec les photons. Mais ici, nous voyons qu’il est à l’état excité, ce qui signifie qu’il s’agit d’une émission spontanée. Et la seule façon pour qu’une émission spontanée ait pu se produire est si oui, l’interaction entre l’atome et les photons se produit sur un intervalle de temps plus long que la durée de vie de l’état excité de l’électron.

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