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Le diagramme représente les densités relatives de l’occupation électronique d’états fondamentaux, excités et métastables dans les atomes du milieu actif d’un laser alimenté en énergie externe pour établir une inversion de population. Un très court intervalle de temps Δ𝑡 passe, correspondant au temps le plus court dans lequel l’un des électrons pourrait changer d’énergie. Lequel des diagrammes suivants représente le plus correctement les états d’énergie des électrons après l’intervalle de temps? Aucune énergie externe n’est fournie au milieu actif pendant l’intervalle de temps.
Voici donc cinq diagrammes qui représentent nos cinq options de réponse (A), (B), (C), (D) et (E). Dans chaque diagramme, y compris l’original, nous voyons trois états d’énergie des électrons. Il y a l’état fondamental, où les électrons ont tendance à aller et à rester sauf si de l’énergie leur est transférée. Puis au-dessus, il y a un état appelé état métastable. Energiquement, c’est juste en dessous du troisième état appelé état excité.
L’énoncé de notre problème nous dit que ces états représentent les niveaux d’énergie des électrons dans les atomes du milieu actif d’un laser. Notre condition initiale, nous pourrions l’appeler ainsi, est d’avoir un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept électrons, avec trois de ces électrons excités, un à l’état métastable et trois à l’état fondamental.
Étant donné cette distribution d’électrons, on nous dit qu’un très court intervalle de temps Δ𝑡 passe et que ce temps est le plus petit intervalle de temps pendant lequel un électron peut changer d’états énergétiques. Nos cinq options de réponse nous montrent des possibilités quant à ces changements. Notez qu’aucune de nos cinq options de réponse ne ressemble exactement à notre diagramme d’origine.
Pour commencer à affiner nos réponses, il est utile de penser en termes de durée de vie d’un électron dans ces trois états différents. Ce terme fait simplement référence à la durée pendant laquelle un électron est susceptible de rester dans cet état d’énergie donné. Nous pouvons commencer par l’état fondamental. Comme nous l’avons vu, c’est lorsqu’un électron est susceptible de rester sauf si de l’énergie extérne lui est fournie. On nous dit explicitement qu’aucune énergie n’est fournie au système pendant notre intervalle de temps Δ𝑡. Cela nous indique que ces trois électrons, à l’origine à l’état fondamental, ne pourront être transférés hors de cet état sur l’intervalle de temps Δ𝑡. Nous nous attendons à ce que notre réponse finale ait au moins trois électrons à l’état fondamental.
Ensuite, considérons la durée de vie d’un électron à l’état excité. En moyenne, un électron passera très peu de temps dans cet état. Sur une période de l’ordre de 10 puissance moins huit secondes, c’est moins d’un millionième de seconde, les électrons à l’état excité sont susceptibles de passer par un processus appelé désintégration spontanée. Lorsque cela se produit, ces électrons tombent à un état d’énergie inférieur. En raison de la position de l’état métastable, énergiquement juste en dessous de l’état excité, lorsque les électrons à l’état excité désintègrent spontanément, ils vont probablement désintégrer jusqu’à l’état métastable.
Comme l’état excité, l’état métastable est également au-dessus du niveau fondamental. Autrement dit, les électrons dans cet état possèdent plus d’énergie que les électrons à l’état fondamental. Cependant, le nom d’état métastable nous donne une idée que ce niveau d’énergie des électrons est différent de celui de l’état excité. Un électron à l’état métastable est capable de se désintégrer spontanément, tout comme un électron à l’état excité. Cependant, la durée de vie moyenne d’un électron à l’état métastable est environ 10 000 fois plus longue que celle d’un électron à l’état excité.
Nous nous attendons donc à ce que, sur l’intervalle de temps le plus court possible pendant lequel un électron puisse passer à un autre niveau d’énergie, cette transition ne comportera probablement pas de transition vers l’état métastable. Au lieu de cela, il est beaucoup plus probable que cette transition soit un électron à l’état excité passant à l’état métastable.
Soit dit en passant, cette vie relativement longue d’un électron à l’état métastable est ce qui permet à ce système à trois niveaux d’énergie dans un atome du milieu actif d’un laser d’atteindre ce qu’on appelle une inversion de population, où plus d’électrons sortent de l’état fondamental qu’il y en a qui y arrive.
Sachant qu’après un intervalle de temps Δ𝑡, nous nous attendons à ce que notre électron à l’état métastable, ici même, soit toujours dans cet état, regardons nos choix de réponse. Et notez que dans les réponses (A), (D) et (E), l’électron n’est plus à l’état métastable mais a plutôt décroché à l’état fondamental.
Nous avons cependant dit que cette transition est hautement improbable sur notre intervalle de temps Δ𝑡. Cela n’est pas impossible que cela se produise. Mais en cherchant la meilleure réponse possible, nous pouvons éliminer en toute sécurité les options (A), (D) et (E). Notez que les réponses (B) et (C) ont cet électron toujours à l’état métastable. La différence entre ces deux réponses est cependant que, dans la réponse (B), tous les électrons à l’état excité sur un intervalle de temps Δ𝑡 ont désintégré jusqu’à l’état métastable. Dans la réponse (C) en revanche, ils ont désintégré de l’état excité jusqu’à l’état fondamental.
Energiquement, la plus probable de ces deux transitions est celle qui nécessite le moins de changements. Il est plus facile, pourrait-on dire, qu’un électron désintègre de l’état excité à l’état métastable plutôt que jusqu’à l’état fondamental. Par conséquent, la réponse (B) sera notre réponse finale. C’est le diagramme qui représente le mieux la population des trois différents niveaux d’énergie après un intervalle de temps Δ𝑡. Notez que c’est la seule de nos options de réponse qui nous montre également une inversion de population. C’est le mécanisme qui permet de faire fonctionner le laser.