单词 | 为什么激光能使原子“冷却”下来 |
释义 | 为什么激光能使原子“冷却”下来 想象一群自由原子,它们都在杂乱无章地运动着,这种无规则运动叫作热运动。科学家用温度来描述无规则运动的激烈程度。温度越高,表明热运动越激烈,或者说原子的平均运动速率越大。室温下,原子的平均运动速率约为300米/秒。从这个意义上看,获得低温,实际上就是降低原子无规则运动的速度。那么用什么办法能让原子降温,或者说,让原子热运动速度降低呢? 早在半个世纪前,人们就发现电磁辐射能影响原子的运动。激光冷却就是利用问世于20世纪60年代初的激光来降低原子热运动速度。那么激光冷却的原理是什么呢? 想象一辆汽车借着惯性在无摩擦的冰面上滑行,若有人将一些小沙袋迎面投掷进滑行中的汽车里,汽车的速度必然会降低。这就是物理学中的动量守恒原理。激光冷却正是利用了这个原理。原子就像冰面上滑行的汽车,激光可看成由一个个光子构成,而这些光子就是小沙袋。通俗地讲,就是原子吸收了迎面而来的光子,运动速度降低,从而温度下降。 且慢,还有个问题。由于原子在做无规则运动,当人们发射一束激光,必有一些光子赶上原子,从后面撞上原子而不是迎面撞上原子。这样,激光降低了某些原子的运动速度,岂不也同时提高了另外一些原子的运动速度? 光学细胞旋转器 这里涉及物理学中的另外一个现象——多普勒效应。你是否有这样的经历,一列鸣笛的火车从你身旁急速驰过,当火车由远而近时,你听到的汽笛声稍显尖锐,而在火车由近而远时,汽笛声略变低沉。1842年,奥地利科学家多普勒发现并解释了这一现象:当声源或光源(都是波)高速接近观测者时,观察者测量(感受)到的频率会变高,反之,当声源或光源远离观测者时,观察者测量到的频率变低。 用激光冷却原子 激光制冷原理 既然如此,迎着光源运动的原子和远离光源运动的原子“感受”到的光子频率是不同的。而根据量子力学原理,原子在吸收光子时很“挑剔”,仅对某些特定频率(称为原子吸收频率)的光子才会“欣然笑纳”,其他频率的光子只能与原子“擦肩而过”,不为原子所吸收。所以,如果把激光频率调到比原子的吸收频率稍低一点,那么只有面向光源运动的原子会吸收迎面而来的光子,速度慢下来,而其他原子却与光子“失之交臂”,运动速度不受影响。 如果激光从各个方向照射一群原子,那么原子在各个方向的速度都会降低。即:原子的热运动速率减小,温度下降——原子被“冷却”了。(林志方) 【微博士】科学幻想中的光学 在未来,科学家也许能够实现光对大物体的吸引。届时,也许会出现类似于美国科幻剧《星际迷航》中的情景:从UFO中射下一束刺眼的亮光,正在人们被强光照射得睁不开眼时,却惊恐地发现自己已离开地面,被一股强大的吸引力吸向飞碟。 【科学人】朱棣文 朱棣文(1948—)是美籍华裔物理学家,他在贝尔实验室工作期间,利用激光冷却技术,使原子冷却到接近绝对零度,从而能够进行精确测量的研究。他因此获得1997年诺贝尔物理学奖,也是第五位获诺贝尔自然科学奖项的华裔科学家。 【微问题】激光冷却技术可能还有些什么用途呢? 【关键词】光压 光镊 激光冷却 |
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