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Vidéo question :: Déterminer la durée de vie d’un électron excité à l’aide des types d’émission Physique • Troisième secondaire

Le schéma ci-dessous illustre un atome contenant un électron qui était initialement dans l’état fondamental et deux photons émis par l’atome. L’atome interagit avec deux photons identiques avant d’émettre les photons représentés. L’atome est représenté juste après la fin de ces interactions. Les interactions se sont-elles produites dans un intervalle de temps supérieur à la durée de vie de l’état excité de l’électron dans l’atome ?

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Le schéma ci-dessous illustre un atome contenant un électron qui était initialement dans l’état fondamental et deux photons émis par l’atome. L’atome interagit avec deux photons identiques avant d’émettre les photons représentés. L’atome est représenté juste après la fin de ces interactions. Les interactions se sont-elles produites dans un intervalle de temps supérieur à la durée de vie de l’état excité de l’électron dans l’atome ?

Avant de commencer à résoudre ce problème, assurons-nous de bien avoir compris ce que décrit la question.

Pour commencer, nous avons un atome qui contient un électron. On nous dit que l’atome interagit avec deux photons puis émet deux photons. La figure montre l’atome juste après l’émission de ces photons. Pour répondre à cette question, nous devons déterminer si les interactions décrites dans la question ont pris plus de temps que la durée de vie de l’état excité pour l’électron. Il y a beaucoup de chose à comprendre ici. Regardons donc séparément chacune des interactions décrites dans la question.

Pour illustrer chaque étape du processus décrit dans la question, nous allons libérer de l’espace et dessiner un exemple de schéma de l’atome auquel nous pouvons nous référer. La figure montre un atome avec deux niveaux d’énergie des électrons. Il y a l’état fondamental, qui correspond au trajet orbital le plus interne, et il y a aussi un état excité, qui correspond au trajet orbital extérieur. On nous dit que l’électron est initialement à l’état fondamental. Nous savons également que l’atome a interagi avec deux photons identiques.

Rappelons que si un photon entrant a la bonne quantité d’énergie, le photon interagira avec un électron. Cette interaction peut entraîner la transition de l’électron vers un autre état d’énergie. Mais pour que cela se produise, l’énergie du photon entrant doit être égale à la différence d’énergie entre l’état initial et l’état final de l’électron, telle que donnée par l’équation 𝐸 p égale 𝐸 e moins 𝐸 f, avec 𝐸 p l’énergie du photon, 𝐸 f l’énergie de l’état fondamental, et 𝐸 e l’énergie de l’état excité. Lorsqu’un photon interagit avec un électron, l’électron subit une transition de niveau d’énergie vers le haut ou vers le bas, en fonction de l’état d’énergie initial de l’électron. En discutant de cette question, nous examinerons les deux possibilités.

Voyons d’abord ce qui s’est passé lorsque l’atome a interagi avec le premier des photons entrants. Le photon a interagi avec l’électron, qui, comme nous le savons, était initialement à l’état fondamental. Le photon a été absorbé par l’électron, et ainsi l’énergie du photon a été transférée à l’électron. Nous avons vu précédemment que pour qu’un photon interagisse avec un électron, l’énergie du photon doit être égale à la différence entre deux niveaux d’énergie des électrons. Ainsi, lorsque le photon a été absorbé, l’électron est passé de l’état fondamental à l’état excité.

Ensuite, considérons ce qui s’est passé lorsque l’atome a interagi avec le deuxième photon entrant. Lorsque le deuxième photon entrant a atteint l’atome, il a interagi avec l’électron à l’état excité. Rappelez-vous que la question nous a dit que les deux photons incidents étaient identiques. Donc, ce deuxième photon avait la même énergie que le premier.

Cependant, cette deuxième interaction était différente de la première interaction dont nous venons de parler, car dans la deuxième interaction, l’électron ne pouvait plus passer à un état d’énergie supérieure. Au lieu de cela, le photon entrant a fait passer l’électron de l’état excité à l’état fondamental. Lorsque cela se produit, l’électron émet un autre photon. Ce photon émis devait compenser la différence entre les deux niveaux d’énergie. Ainsi, ce photon émis était identique aux photons entrants que l’électron a absorbés. Ce processus est appelé émission stimulée. Lorsque le deuxième photon entrant a interagi avec l’électron, le photon a stimulé l’électron et l’a fait descendre à l’état fondamental, provoquant, à son tour, l’émission d’un photon.

Maintenant, le photon entrant qui a stimulé l’émission n’a pas été modifié ou absorbé au cours du processus. Il a juste continué à se déplacer dans l’atome. Cela signifie que deux photons identiques doivent avoir quitté l’atome : le deuxième photon entrant et le photon que l’électron a émis lors de sa transition descendante. Ce sont les deux photons représentés sur la figure.

Nous avons maintenant détaillé toutes les interactions de la question. Revenons donc à ce que la question nous demande. Cette question nous demande si tout ce processus a pris plus de temps que la durée de vie de l’état excité pour l’électron dans l’atome. Par durée de vie, nous entendons le temps nécessaire pour qu’un électron passe automatiquement de l’état excité à l’état fondamental.

Il convient de noter que, bien que beaucoup de gens croient que spontané signifie de manière aléatoire, en physique, en fait spontané fait référence à un processus qui se produit naturellement et sans apport d’énergie externe. En moyenne, un électron passera 10 moins huit secondes dans un état excité avant de se désintégrer spontanément. Lorsque cela se produit, l’électron doit émettre un photon pour compenser la transition d’énergie vers le bas. Ceci est connu comme l’émission spontanée.

Donc, dans cette question, on nous a donné un atome qui interagit avec deux photons de sorte que l’électron subisse une émission stimulée, plutôt que spontanée. On nous demande si ce processus prend plus de temps que la durée de vie d’un électron qui subit une émission spontanée. En d’autres termes, cette émission stimulée a-t-elle pris plus de temps que pour une émission spontanée ?

Eh bien, si nous y réfléchissons, la réponse doit être non. Si les interactions décrites dans cette question avaient pris plus de 10 moins huit secondes, l’électron se serait désintégré spontanément au moment où l’émission stimulée se serait produite. Donc, cette émission stimulée doit avoir eu lieu dans un intervalle de temps plus court que la durée de vie de l’état excité, sinon elle ne se serait jamais produite.

La réponse à cette question est donc non. Les interactions ne se sont pas produites dans un intervalle de temps supérieur à la durée de vie de l’état excité de l’électron dans l’atome.

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