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Vidéo question :: Trouver quelle figure montre le mieux les changements dans un atome Physique • Troisième année secondaire

La figure ci-dessous montre un atome qui interagit avec deux photons identiques pendant un intervalle de temps plus long que la durée de vie de l’état excité d’un électron dans l’atome. Lequel des énoncés suivants montre le mieux les changements survenus juste après l’interaction entre l’atome et le deuxième photon ?

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Transcription de la vidéo

La figure ci-dessous montre un atome qui interagit avec deux photons identiques pendant un intervalle de temps plus long que la durée de vie de l’état excité d’un électron dans l’atome. Lequel des énoncés suivants montre le mieux les changements survenus juste après l’interaction entre l’atome et le deuxième photon ?

Si nous regardons les deux temps sur cette figure, 𝑡 zéro et 𝑡 un, ils semblent être exactement les mêmes, à l’exception du nombre de photons qui interagissent avec l’atome. À 𝑡 zéro, c’est le photon un qui est absorbé par l’électron à l’état fondamental. Et à 𝑡 un, c’est le photon deux qui est absorbé par l’électron à l’état fondamental. À 𝑡 zéro et à 𝑡 un, cet électron est dans le niveau d’énergie le plus bas possible ou dans l’état fondamental. Cela peut sembler étrange, car nous savons que lorsqu’un photon d’énergie suffisante est absorbé par un électron, l’électron passe à un niveau d’énergie supérieur. Et nous disons qu’il est dans un état excité.

Alors pourquoi ne voyons-nous pas un état excité en 𝑡 un après que l’électron a absorbé ce photon ? Eh bien, cela a à voir avec la première phrase de cette question, qui nous dit que l’atome interagit avec deux photons identiques pendant un intervalle de temps supérieur à la durée de vie de l’état excité d’un électron dans l’atome. Cela signifie qu’à 𝑡 zéro, le photon est absorbé par l’électron et passe à un niveau d’énergie supérieur, devenant excité. Mais nous n’avons jamais la chance de voir cet électron en 𝑡 un parce que l’intervalle de temps entre 𝑡 zéro et 𝑡 un est plus long que la durée de vie de l’état excité d’un électron dans l’atome, ce qui signifie qu’à un moment donné entre 𝑡 zéro et 𝑡 un, l’électron excité doit se désintégrer spontanément jusqu’à l’état fondamental.

Les électrons se désintègrent spontanément des états excités car les électrons tendent vers les positions les plus stables et les plus basses énergies. Lorsque les électrons se désintègrent en passant à un niveau d’énergie inférieur, ils libèrent un photon au cours d’un processus appelé émission spontanée, c’est-à-dire qu’un électron excité libère un photon lorsqu’il se désintègre spontanément. Mais en raison de cet intervalle de temps entre 𝑡 zéro et 𝑡 un, nous avons en fait manqué tout le processus d’émission spontanée. Au moment où nous regardons 𝑡 un, l’électron est déjà retombé à l’état fondamental. Il semble donc que rien ne s’est passé. Il n’est pas irréaliste d’avoir du mal à observer une émission spontanée puisque les électrons excités se sont décomposés très rapidement, généralement sur des échelles de temps de 10 puissance moins huit secondes.

Avec tout cela en tête, regardons ce que la question nous pose. Laquelle des figures montre le plus correctement les changements survenus juste après l’interaction entre l’atome et le deuxième photon ? Nous devons être prudents avec le libellé qui nous est donné ici. Toutes ces figures montrent qu’ils se produisent à un intervalle de temps 𝑡 deux. Mais la différence de temps entre 𝑡 un et 𝑡 deux n’est pas la même que la différence de temps entre 𝑡 zéro et 𝑡 un. 𝑡 zéro à 𝑡 un est plus long que la durée de vie de l’état excité d’un électron dans l’atome, alors que 𝑡 deux se produit juste après l’interaction entre l’atome et le deuxième photon.

Ce que cela nous dit, c’est qu’il n’y aura pas d’émission spontanée entre 𝑡 un et 𝑡 deux, parce que nous examinons l’étape qui se produit immédiatement après l’interaction en 𝑡 un, qui consiste à absorber un photon par un électron en excitation chez l’électron à un niveau d’énergie supérieur. Donc, ce à quoi nous devrions nous attendre à voir juste après l’interaction entre l’atome et le deuxième photon, c’est cet électron dans un état excité, ce qui se trouve être exactement ce que nous voyons dans la réponse (D), un électron excité qui ne s’est pas encore désintégré.

Mais qu’en est-il de ces autres réponses ?

Eh bien, pour la réponse (A), nous voyons qu’il y a deux photons qui s’éloignent de l’atome. Et il y a deux raisons pour lesquelles c’est faux. La première est, bien sûr, que c’est le mauvais moment. Pour qu’il y ait deux photons, il faut que l’un d’entre eux soit émis par l’atome après 𝑡 un. Mais 𝑡 deux se produit juste après l’interaction. Donc, il n’y aurait pas assez de temps pour une émission. Et la deuxième raison pour laquelle c’est faux c’est que nous voyons les photons se déplacer dans la même direction. En émission spontanée, les photons émis ont la même énergie que les photons qui ont provoqué la transition initiale du niveau d’énergie. Mais ils devraient avoir une direction différente des photons initiaux, ce qui n’est pas ce que nous voyons ici avec ces deux photons parfaitement alignés. Donc, pour ces raisons, la réponse (A) n’est pas la bonne.

Mais maintenant, regardons (B), où deux photons partent dans des directions différentes, ce qui signifie que nous voyons correctement l’émission spontanée, mais comme avec (A), parce que nous pouvons voir cette émission se produisant, ce n’est pas le bon moment. Cependant, si les intervalles de temps compris entre 𝑡 zéro, 𝑡 un et 𝑡 deux étaient tous identiques, ce qui signifie plus long que la durée de l’état excité d’un électron, alors (B) aurait été la bonne réponse.

Mais parce que nous voyons l’émission, cela nous amène à répondre (C), mais nous savons que ce n’est pas correct car on peut voir ce photon émis ici, une fois de plus le moment n’est pas le bon. Mais on peut aussi dire qu’il y a le mauvais nombre de photons puisque nous n’en voyons qu’un. Si cet intervalle de temps se produit après la durée de l’état excité d’un électron, alors nous devrions nous attendre à voir deux photons: l’un d’entre eux à cause du photon un et l’autre du photon deux. Ou peut-être, nous ne voyons que le photon qui a été émis à cause du photon un.

Mais si c’était le cas, alors le photon deux devrait causer une excitation de cet électron en 𝑡 deux. Mais parce qu’il est à l’état fondamental, l’intervalle de temps doit avoir été après l’émission. Ou peut-être, nous ne voyons tout simplement pas l’émission causée par le photon un. Quoi qu’il en soit, nous savons que la réponse (C) ne peut pas être correcte car le moment n’est pas le bon.

Maintenant, en regardant la réponse (D), ne devrions-nous pas nous attendre à voir un photon émis, puisque nous savons qu’un doit avoir été émis entre 𝑡 zéro et 𝑡 un ? Mais cette question nous demande la figure qui montre le mieux les changements survenus. Nous devrions donc nous attendre à voir un électron à l’état excité. Mais au lieu de cela, nous voyons que pour les réponses (A), (B) et (C), l’électron est à l’état fondamental.

Donc, même si aucun photon émis n’est représenté, la figure qui montre le mieux les changements survenus juste après l’interaction entre l’atome et le deuxième photon est la figure (D).

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