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光是如何让原子冷静下来的?

2022-07-29 22:32     来源:大学物理学     核物理原子核

物质内的原子或分子都在永不停歇的做无规则热运动,这种运动的剧烈程度由系统的温度来描述。运动越剧烈,则温度越高,反之温度越低。

这种关系具体可表示为

左边就是粒子质心运动的平均动能,右边的 叫做玻尔兹曼常数,而 是采用绝对温标表示的温度。

该规律告诉我们,要想让物体的温度降下来,只要让它里面的原子的运动尽可能慢下来就行了。

这让人不禁想起一句中国俗语:心静自然凉。意思是说,当你静下来的时候,自然就感觉凉快了。而词语“冷静”更是刻画到位——冷与静就是天生一对。

温度本身是一个统计平均量,这种统计平均只有针对大量粒子才有意义。因此,只有大量原子才具有温度,少数个原子是不存在温度的。

但既然原子质心运动的平均动能与温度等价,人们习惯将原子“运动慢”说成“温度低”,而将“让原子静下来”这件事说成“冷却原子”,即使此时原子寥寥无几。

一般情况下,原子总在运动,就像蹦来蹦去的淘气鬼。

然而,对很多科学研究来说,例如像原子钟、光谱测量技术以及观察物质的新形态——玻色爱因斯坦凝聚(BEC)等,让原子最大限度的冷静下来,是很重要的。

那么,有什么办法能让原子静下来呢?

有啊!降温呗,采用各种低温技术就可以啊!只要让原子所处环境温度足够低,原子都被冻住了,也没力气再动来动去了。

可是,要真正让原子冷静下来,温度需要接近绝对零度才可以,而一般的低温技术根本达不到这个要求。

那该怎么办呢?

你知道,若想让河水停下来,筑坝拦住就行了。

但是原子的运动是杂乱无章的,方向各异,速度有快有慢。要使它们慢下来,不可能对原子集体作用,作用必须到原子个体上。正如你想摧毁战场上那混乱的敌军战车,你能做的就是瞄准它们各个击破。

但原子非常小,有什么精细的武器能将作用准确施加到原子个体上呢?

不错,光能干这事!

光虽然是照在原子上集体上,但各个光子就像射弹一样精准的打在各个原子上,保证作用到位。

打个比方,原子就好比是马路上行驶的汽车,而光子就像是迎着汽车飞过去的石头。根据动量守恒定律,就像汽车不断被迎头击中而降速一样,原子也会因为不断受到光子的冲撞而逐渐慢下来。

但问题是,入射的光可能会让迎面而来的原子减速,但同样也会让那些与光子速度同向的原子加速。并且可以想见,原子被光子碰撞而加速和减速的机会应该是一样多!所以无法为原子降速。

看来,想要实现给原子降速的目的,必须要解决的关键问题是:如何做到只让迎着光的原子被光子撞击,而避免沿着光的方向运动的原子被光子推动呢?

要回答这个问题,就得看光子碰到原子会发生什么。

这得首先从光量子的概念说起。

电磁波在碰到其他微粒时,看起来就像一个弹性小球,它们的能量和动量分别为

对一般的普通光源来说,频率 不是唯一的。所以对一般的光来说,光子的能量各不相同。

激光是一种相干光,它的方向性好,而且有很好的单色性,可近似被认为只有一个频率,每个光子都具有相同的能量。

光子碰到原子时,它可能被原子吸收——之所以说可能,是因为这个吸收不一定发生,取决于原子吸收光子的能量后,能否跳到其他能级。

那么,什么是能级呢?

原子具有能量,这个能量包含原子整体(主要是原子核)的动能、电子的动能以及电子与原子核之间相互作用的能量。

原子整体的能量很大,除非高能光子,普通激光的能量不足以达到这个的级别,因此很难与之发生能量交换。就好像你丢一个乒乓球到一个铁球上一样,乒乓球直接被原速弹回,铁球还是兀自按原速运动。

电子就不一样了,因为它比原子核小很多,没那么高冷,光子的能量可以得到它的青睐。尤其是外层电子,由于受原子核约束较小,更容易与外来的光子发生作用。

换句话说,电子几乎接管了原子全部的对外交流活动,外来的粒子如何被吸纳或拒绝,都是由电子来决定的!这就是为什么我们说原子态或原子能级时总是只讨论电子的原因。

那么,是不是电子可以随意地吸收各种不同能量的光子呢?

不行,电子身不由己啊!由于量子力学的限制,电子只能在某些离散的轨道上运动,这使得它无法接受不满足要求的能量。

电子绕原子核运动,对某种原子来说,电子可能的轨道是确定的。电子只能在这些轨道上运动,这就好像太阳系一样,那些行星只能在那些确定的轨道上运动,如果偏离一点,这个太阳系可能就要崩溃了。

轨道 上的电子具有能量 ,离核越远时能量越高,反之越低。由于电子的轨道不连续,所以这个能量也是不连续的,这个能量就是原子的能级。

当电子从低轨道 跃迁到高轨道 时,它要吸收相应的能量

如果一群原子都处在 的态——基态,它们至少需要吸收

的能量,才能把电子激发到第2轨道。如果某光子的能量都达不到这个值,原子将不吸收该光子,原子的能量保持不变,当然速度也就不变。

只有当入射的光子提供的能量够原子发生一个能级跃迁时,原子才会吸收光子,根据动量守恒定律,这将导致原子的速度发生变化。

好了,解决前面那个关键问题的思路有了:只要想办法让迎着运动原子的光子能量大一点,而让追着运动原子的光子的能量小一点就行了!

那么,这又该如何才能做到呢?

多普勒效应来救场了!

我们有这样的经验,当火车从远处驶过来的时候,它的鸣笛的声调较高,而当它远离我们而去时,声音就变得较为低沉。这就是声音的多普勒效应。

而光也有类似的效应,当接收者与光源相对运动时,多普勒所导致的接受频率为

靠近远离其中 为接收者与光源之间的相对速率。

可见,对迎着光运动的原子来说,光的频率大一些,所以能量高一些;而对与光同向运动的那些原子来说,光的频率小一些,所以能量低一些。

这样一来,我们就有办法了:

只要让激光的频率比原子能吸收的光子的频率小一定的值即可!

具体来讲就是,针对对要冷却的原子调整激光的频率到一个合适的值,使得迎着光运动的原子接受的光子的频率满足原子能级跃迁的要求,光子被吸收,原子的速度降低。

对于沿着光方向运动的原子来说,由于多普勒效应,光子的能量不够激发电子到达更高的轨道,故原子就不吸收光子,避免了原子被加速。

如果从多个方向入射激光,无论原子朝哪个方向运动,它总是吸收迎面而来的光子。因而在每个散射中,原子都会失去动量而使速度降低。这些原子就好似处在“粘稠的糖浆”中,它们的运动不断受到阻挠,直到几乎静止。

激光冷却的实现有很多不同的技术,其中最重要的原理是多普勒效应,因此激光冷却也被称作多普勒冷却。通过多普勒冷却,人们成功将铷-85原子冷却到150微开的低温。

在现代物理研究中,激光冷却原子是一项非常重要的技术。1997年诺贝尔物理学奖授予科恩(Cohen-Tannoudji)、朱棣文(Steven Chu)和菲利普斯(Daniel Phillips),因为他们发展了“激光冷却和捕获原子的方法”。

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