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Lequel des énoncés suivants décrit le mieux l’état métastable pour l’énergie d’un électron dans un atome ? (A) Un état métastable est l’état dans lequel l’électron n’est pas complètement ionisé mais se déplace plus comme un électron libre qu’un électron lié. (B) Un état métastable est l’état d’un électron qui est à un niveau d’énergie supérieur à l’énergie de l’état fondamental de cet électron, dans lequel l’électron aura tendance à rester pendant beaucoup moins de temps que la durée de vie typique d’un électron dans un état excité. (C) Un état métastable est l’état d’un électron qui est à un niveau d’énergie supérieur à l’énergie de l’état fondamental de cet électron, dans lequel un électron est plus susceptible d’absorber des photons que dans d’autres états excités. (D) Un état métastable est l’état d’un électron qui est à un niveau d’énergie supérieur à l’énergie de l’état fondamental de cet électron, vers lequel l’électron ne peut passer qu’en absorbant et émettant simultanément des photons. Et enfin, (E) un état métastable est l’état d’un électron qui est à un niveau d’énergie supérieur à l’énergie de l’état fondamental de cet électron, dans lequel l’électron aura tendance à rester significativement plus longtemps que la durée de vie typique d’un électron dans un excité état.
Rappelons que notre objectif est de choisir parmi cinq options pour la meilleure description d’un état métastables pour un électron. Nous ne pouvons pas afficher les cinq descriptions de réponses complètes à l’écran en même temps, mais nous pouvons écrire des versions plus courtes des quatre précédentes. Ainsi, nous avons plus de facilité à évaluer laquelle des cinq est la meilleure.
Dans l’option de réponse (A), un état métastable a été prétendu être un état dans lequel un électron n’est pas ionisé mais plutôt qu’il se déplace plus comme un électron libre qu’un électron lié. Le choix de réponse (B) dit qu’un état métastable est un état qui est plus haut que l’état fondamental dans lequel un électron reste moins de temps qu’il le fait dans un état excité habituel. L’option (C) décrivait un état métastable comme un état dans lequel un électron est plus susceptible d’absorber des photons que dans d’autres états excités. Enfin, l’option (D) décrit un état métastable comme un état vers lequel un électron ne peut passer qu’en absorbant et en émettant simultanément des photons.
Ce sont alors nos cinq options de réponse. En les évaluant, pensons à un système à trois niveaux composé d’un état fondamental, d’un état excité et d’un état métastable. Ce type de système apparaît souvent dans les applications laser. Dans un tel système, certains électrons à l’état fondamental sont passés à l’état excité. La durée de vie d’un électron dans un état excité typique est assez courte. Cet électron aura tendance à subir comme on l’appelle un désexcitation, à un état d’énergie inférieur, dans ce cas l’état métastable. Un état métastable est un état excité dans le sens où il s’agit d’un niveau d’énergie supérieur à l’état fondamental. Ce qui rend cela si spécial, comme son nom l’indique, c’est que les électrons dans cet état ont tendance à ne pas se désexciter vers des niveaux d’énergie inférieurs si rapidemment. C’est la principale façon dont un état métastable est différent d’un état excité typique.
Sachant cela, considérons à nouveau l’option de réponse (B). Cette option indique qu’un état électronique métastable est plus élevé que l’état fondamental. Et c’est vrai. Mais il ajoute qu’un électron dans cet état reste moins de temps que dans un état excité habituel. Cette partie de l’affirmation est inexacte. Nous allons donc retirer l’option (B) de notre liste.
L’option (C) dit qu’à l’état métastable, un électron est plus susceptible d’absorber des photons que dans d’autres états excités. Cependant, nous savons que pour un électron à l’état métastable, sa probabilité d’absorber un photon dépend simplement des états d’énergie autour de lui et des photons disponibles. S’il existe une correspondance entre le niveau d’énergie des photons incidents et l’écart d’énergie entre l’état métastable et un autre état de l’atome, alors cet électron absorbera en effet le photon incident. Les électrons à l’état métastable ne sont ni plus ni moins susceptibles d’absorber des photons que les électrons d’autres états excités. Nous barrons donc le choix de réponse (C).
L’option de réponse (D) dit que les électrons ne peuvent passer à des états métastables qu’en absorbant et en émettant simultanément des photons. Bien que les électrons puissent passer à des états métastables en absorbant ou en émettant des photons, il n’est pas requis que cela se produise en même temps. Au lieu de cela, une absorption ou une émission peut se produire spontanément. Le choix de réponse (D) ne sera pas notre réponse non plus.
L’option (A) dit que les électrons à l’état métastable ne sont pas ionisés. Cela signifie que l’électron est toujours dans les différents niveaux d’énergie d’un atome. Cette affirmation est exacte. Mais ensuite l’option (A) ajoute : « Un électron à l’état métastable se déplace plus comme un électron libre qu’un électron lié ». Cependant, tant qu’un électron est à l’état métastable, il s’agit d’un électron lié. Par conséquent, son mouvement ressemblera plus à celui d’un électron lié qu’à celui d’un électron libre de se déplacer entre différents atomes. Nous éliminons donc le choix (A).
Cela nous laisse avec l’option (E) selon laquelle un état métastable est l’état d’un électron qui se trouve à un niveau d’énergie supérieur à l’énergie de l’état fondamental de cet électron. Sur la base de notre croquis, nous savons que cette partie de cette affirmation est vraie. Et puis l’option (E) ajoute : « dans laquelle l’électron aura tendance à rester beaucoup plus longtemps que la durée de vie typique d’un électron à l’état excité ». En effet, cette dernière partie de l’option de réponse (E) explique pourquoi l’état est appelé un état métastable. Les électrons ont en effet tendance à y rester beaucoup plus longtemps que dans d’autres états excités de l’atome.
Pour notre réponse finale, nous choisissons l’option (E). Un état métastable est l’état d’un électron qui est à un niveau d’énergie supérieur à l’énergie de l’état fondamental de cet électron, dans lequel l’électron aura tendance à rester significativement plus longtemps que la durée de vie typique d’un électron dans un état excité.
