Chłodzenie laserowe atomów
Rozszerzenie tematu fotonu i pędu. Foton niesie pęd; wiązki laserowe ustawione naprzeciw ruchu atomu sprawiają, że przy każdym pochłonięciu fotonu atom traci część pędu i zwalnia. Ponieważ temperatura to energia ruchu, spowolnienie atomów oznacza ich schłodzenie — nawet do mikrokelwinów (Nobel 1997).
Dam Ci docelową temperaturę — dobierz liczbę pochłoniętych fotonów, by atom tak schłodzić. T ∝ v².
Co się właśnie stało?
Naświetliłeś atom fotonami z dwóch przeciwnych stron. Za każdym razem, gdy atom pochłonie foton lecący naprzeciw jego ruchu, foton przekazuje mu swój pęd — w kierunku przeciwnym do prędkości atomu. Efekt: atom hamuje.
Pęd fotonu i zasada zachowania pędu:
— foton o długości fali λ niesie pęd p (h — stała Plancka). Gdy atom go pochłania, przejmuje ten pęd zgodnie z zasadą zachowania pędu: pęd układu atom+foton musi być zachowany, więc atom traci prędkość dokładnie o tyle, o ile foton „popchnął" go w przeciwną stronę.
Dlaczego wiązki muszą być z dwóch stron?
Lasery są dostrojone tak (efekt Dopplera), by atom pochłaniał głównie fotony z wiązki, w którą akurat leci — nigdy z wiązki, która by go przyspieszyła. To „optyczna melasa": z każdej strony atom jest hamowany, niezależnie od kierunku ruchu.
Temperatura to prędkość ruchu:
Temperatura gazu to miara średniej energii kinetycznej ruchu jego cząstek. Skoro fotony systematycznie zabierają atomom pęd i spowalniają je, to jednocześnie obniżają ich temperaturę — metodą tą schładza się atomy do mikrokelwinów, czyli ułamków stopnia powyżej zera bezwzględnego.
Po co Ci to na maturze:
Zadania o pędzie fotonu (p = h/λ) i zasadzie zachowania pędu przy pochłanianiu/emisji światła pojawiają się w dziale fizyki kwantowej. Chłodzenie laserowe to klasyczny przykład makroskopowego skutku pędu fotonu — łączy optykę, mechanikę i termodynamikę w jednym zjawisku, za które przyznano Nobla.
Zapamiętaj: foton ma pęd p = h/λ; pochłonięcie fotonu naprzeciw ruchu hamuje atom; mniejsza prędkość ruchu = niższa temperatura. Więcej fotonów pochłoniętych = zimniejszy atom.
Teoria i wzory
Pęd fotonu chłodzi
Foton niesie pęd . Wiązki laserowe skierowane naprzeciw ruchu atomu sprawiają, że przy każdym pochłonięciu fotonu atom traci pęd i zwalnia.
Temperatura = ruch
Wolniejsze atomy to niższa temperatura (średnia energia ruchu termicznego ). Tak schładza się atomy do mikrokelwinów i utrzymuje w pułapce atomowej (Nobel 1997) — podstawa zegarów atomowych.
Oznaczenia: — pęd fotonu, — stała Plancka, — długość fali, — stała Boltzmanna, — temperatura.
Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.
Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.
Najczęstsze pytania
›Jak światło może chłodzić?
Fotony przekazują atomowi pęd przeciwny do jego ruchu — atom zwalnia, a więc się chłodzi.
›Co to pułapka atomowa?
Układ wiązek laserowych i pól magnetycznych utrzymujący schłodzone atomy w jednym miejscu.
›Po co to (zegary atomowe)?
Wolno poruszające się, schłodzone atomy pozwalają na niezwykle precyzyjny pomiar czasu.