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La figure ci-dessous montre un atome qui interagit avec deux photons identiques dans un intervalle de temps plus court que la durée de vie de l’état excité d’un électron dans l’atome. Laquelle des figures suivantes montre le mieux les changements survenus juste après l’interaction entre l’atome et le deuxième photon ?
Donc, ce que cette question et toutes ses réponses nous montrent, ce sont trois intervalles de temps distincts dans lesquels différentes interactions se produisent ou ne se produisent pas encore, comme dans le cas de 𝑡 zéro, où les photons n’ont pas encore interagi avec l’atome. Ensuite, à 𝑡 un, nous voyons que le premier photon a été absorbé par l’électron seul, provoquant une excitation de l’électron et une transition vers un niveau d’énergie plus élevé. Et après cela, nous avons 𝑡 deux, ce qui se produit juste après que le deuxième photon ait interagi avec l’atome, avec la bonne interaction étant l’une de ces cinq réponses. Alors regardons-les en commençant par (A).
(A) nous montre l’atome avec l’électron toujours à l’état excité et aucun photon nulle part, ce qui implique que ce deuxième photon a été absorbé par cet électron déjà excité. Mais pour une raison quelconque, l’électron est resté dans le même état d’énergie et ne libère aucun photon. Pour cette raison, nous savons que (A) ne peut pas être correct. Ce deuxième photon interagit et quelque chose se passe, c’est l’émission stimulée. Lorsqu’un électron déjà excité interagit avec un photon, comme nous le voyons ici à 𝑡 un, l’électron peut en fait passer à un niveau d’énergie inférieur, libérant un photon de même énergie et de même direction que le photon qui a initialement provoqué cette stimulation en interagissant avec l’électron excité. Donc, puisque la réponse (A) ne montre rien de cela, nous savons qu’elle ne peut pas être correcte. Voyons donc si cela se produit dans la réponse (B).
Puisque nous ne voyons aucun photon dans la réponse (B), une émission stimulée n’aurait pas pu se produire. Ce qui semble s’être produit à la place, c’est que ce deuxième photon a été absorbé par cet électron déjà excité, ce qui le rend encore plus excité et passe à un niveau d’énergie encore plus élevé. Ce processus est tout à fait possible. Les photons très énergétiques peuvent faire passer des électrons déjà excités vers un niveau d’énergie, peut-être même plusieurs à la fois. Mais cette transition particulière ne peut pas se produire dans ce cas parce que cet électron interagit avec deux photons identiques, ce qui signifie qu’ils ont la même énergie.
Lorsque ce premier photon est absorbé à 𝑡 zéro, il fait passer l’électron du premier niveau d’énergie, que nous appellerons 𝐸 un, au deuxième niveau d’énergie, que nous appellerons 𝐸 deux. Et maintenant, ce qui se passe dans la figure (B) est que l’électron déjà excité en 𝐸 deux absorbe le deuxième photon, provoquant une transition vers le troisième niveau d’énergie, que nous appellerons 𝐸 trois. C’est le processus général qui se déroule, mais ce n’est pas quelque chose qui peut réellement se produire parce que ces deux photons ont ici des énergies identiques.
Et donc si le premier photon a assez d’énergie pour envoyer l’électron du premier au deuxième niveau d’énergie, alors le deuxième photon doit également avoir cette énergie. Mais des niveaux d’énergie plus élevés ont des différences d’énergie plus élevées, ce qui signifie qu’il faudrait plus d’énergie pour passer de 𝐸 deux à 𝐸 trois, que de 𝐸 un à 𝐸 deux. Ainsi, le deuxième photon ne sera en fait pas assez énergétique pour entraîner une transition vers le haut pour cet électron vers le troisième niveau d’énergie, ce qui signifie que (B) n’est pas la bonne réponse ici puisque le deuxième photon n’a pas une énergie supérieure au premier photon.
Alors, tournons maintenant notre attention vers la réponse (C). À première vue, la réponse (C) semble nous montrer une émission stimulée. Le deuxième photon stimule un électron déjà excité, ce qui amène l’électron à émettre un photon avec la même direction et la même énergie que le photon incident, qui voyage également à ses côtés, car dans les émissions stimulées, le photon incident qui stimule l’électron excité n’est pas absorbé. Cependant, cette figure ne nous montre pas réellement une émission stimulée correcte parce que cet électron excité effectue une transition vers le bas afin d’émettre ce photon. Donc, comme la réponse (C) ne montre pas l’électron dans le niveau d’énergie inférieur, elle ne peut pas être correcte. Mais si nous regardons la figure (E), nous voyons qu’elle montre l’électron et le niveau d’énergie inférieur.
Un électron excité interagit avec un photon, ce qui provoque une transition vers un niveau d’énergie plus bas et émet un photon avec la même énergie et la même direction que le photon incident. C’est ce que nous nous attendons à observer pour une émission stimulée. Donc, la réponse (E) nous montre une émission stimulée. Mais comment savons-nous que c’est ce qui va se passer ici ? Eh bien, cela est en rapport avec ce qui est dit dans la première phrase. Les interactions photoniques se produisent à un intervalle de temps plus court que la durée de vie de l’état excité d’un électron dans l’atome. Cela signifie qu’entre 𝑡 zéro et 𝑡 un, il n’y a pas de temps pour que l’électron excité par le premier photon redescende. Si c’était le cas, nous verrions quelque chose comme ce qui se passe dans la figure (D), qui est un exemple d’émission spontanée.
L’émission spontanée se produit lorsqu’un électron excité passe à un niveau d’énergie inférieur, libérant un photon, qui a la même énergie que le photon qui a excité initialement l’électron, mais dans une direction différente. L’émission spontanée se produit spontanément. En général, les systèmes physiques tendent vers les énergies stables les plus basses. Ainsi, lorsqu’il y a un électron dans un état excité, s’il y a un état d’énergie inférieure disponible, il se désexcite alors, libérant un photon dans le processus. Mais cela prend du temps pour que cette transition vers le bas se produise ; généralement sur des échelles de temps de 10 puissance moins huit secondes.
Ainsi, bien que l’émission spontanée se produise très rapidement, si deux photons sont capables d’interagir avec ce même électron avec un intervalle de temps plus court que la durée de vie de l’état excité d’un électron, cela signifie qu’une émission stimulée se produira plutôt car il n’y a pas assez de temps pour que l’électron excité aille vers le bas avant que ce deuxième photon arrive et provoque une émission stimulée.
Par conséquent, le processus qui montre le mieux les changements survenus juste après l’interaction entre l’atome et ce deuxième photon serait une émission stimulée, ce qui est correctement montré dans la figure (E).
