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Remplissez les blancs. Un état métastable dans les atomes du milieu actif d’un laser est un niveau d’énergie des électrons avec une énergie ＿ celle des électrons à l’état fondamental de ces atomes. La durée de vie moyenne des électrons dans un état métastable est ___ celle des états d’électrons excités. (A) supérieur à, inférieure à; (B) inférieur à, supérieure à; (C) supérieur à, supérieure à; (D) supérieur à, égale à; ou (E) inférieur à, inférieure à.
Pour répondre à cette question, nous devons nous rappeler ce que nous savons à propos des états fondamentaux, excités et métastables des électrons dans un matériau. L’état fondamental est le niveau d’énergie le plus bas des électrons dans les atomes et c’est là où la plupart des électrons se retrouveront, à moins que l’énergie ne soit fournie par une source externe. Si l’énergie est fournie par une source externe, alors les électrons peuvent devenir excités. Cela signifie que l’électron absorbe un photon et se déplace vers un niveau d’énergie plus élevé.
Les électrons à l’état excité ont une durée de vie très courte, ce qui signifie qu’ils ne restent pas dans cet état excité très longtemps, seulement environ 10 nanosecondes avant de se désintégrer spontanément à un niveau d’énergie inférieur. Ce n’est pas très utile. Pour produire un faisceau laser, nous avons besoin d’une émission stimulée, et c’est peu probable car chaque électron est seulement hors de l’état fondamental pendant 10 nanosecondes à la fois. Pour contourner cela, les lasers sont construits en utilisant des matériaux qui ont un troisième niveau d’énergie, entre l’état fondamental et l’état excité, appelé état métastable.
Lorsque les électrons excités se désintègrent spontanément, ils peuvent passer à l’état métastable, au lieu de revenir à l’état fondamental. L’état métastable est beaucoup plus stable que l’état excité. Ainsi, les électrons dans cet état ont une durée de vie beaucoup plus longue, suffisamment longue pour que l’émission stimulée se produise, ce qui est ce dont nous avons besoin pour un faisceau laser.
Nous sommes maintenant prêts à remplir les blancs de ce problème. Nous savons que l’état métastable se situe entre les états fondamental et excité. Ainsi, l’énergie des électrons à l’état métastable doit être supérieure à celle des électrons à l’état fondamental. Nous savons également que la durée de vie des électrons à l’état métastable est supérieure à celle d’un état excité.
Si nous regardons nos options de réponse, nous voyons que cela correspond à la réponse (C). Donc, la réponse (C) est la bonne réponse. Et notre énoncé final est le suivant : « Un état métastable dans les atomes du milieu actif d’un laser est un niveau d’énergie des électrons d’énergie supérieure à celle des électrons à l’état fondamental de ces atomes. La durée de vie moyenne des électrons à l’état métastable est supérieure à celle de la plupart des états d’électrons excités. »
