Film samouczek

Pęd fotonu

Na poniższym filmie przedstawiono, w jaki sposób można wykorzystać pęd fotonu do laserowego chłodzenia atomów do temperatur bliskich zeru bezwględnemu.

R1atqX3sop0LM

Polecenie 1

Gaz został poddany laserowemu schłodzeniu. Jego temperatura zmalała, zatem zmalała także jego energia wewnętrzna. Każdy atom wielokrotnie zmienił swój stan energetyczny wskutek licznych zderzeń z fotonami wiązki laserowej. Każdemu pochłonięciu fotonu towarzyszyło wzbudzenie ze stanu podstawowego o energii $E_{1}$ do stanu o energii $E_{2}$ . Po czasie rzędu mikrosekund lub mniej następowało przejście odwrotne, do stanu podstawowego, z emisją fotonu o energii $E_{2}-E_{1}$ .

Uzupełnij powyższą wypowiedź, by stanowiła ona hipotezę, że w procesie laserowego chłodzenia naruszana jest zasada zachowania energii.
Przedstaw argumentację przemawiającą przeciwko tej hipotezie.

Skoro wskutek pochłonięcia i emisji nie nastąpiła zmiana energii wewnętrznej żadnego z atomów, to zmalenie temperatury układu tych atomów, czyli zmalenie całkowitej energii wewnętrznej tego układu, jest sprzeczne z zasadą zachowania energii.
a) Atomy absorbują fotony emitowane przez laser. Energia takich fotonów jest nieco mniejsza niż energia rezonansowa, równa $E_{2}-E_{1}$ , co podkreślono w samouczku. Jest to możliwe na skutek efektu Dopplera w sytuacji zderzenia „czołowego”, gdy pęd atomu jest przeciwnie zwrócony do pędu fotonu.
b) Z kolei emitowany foton ma energią równą rezonansowej, czyli nieco większą niż foton zaabsorbowany. Ta różnica odpowiada zmniejszeniu energii kinetycznej atomu, która właśnie prowadzi do zmniejszenia średniej energii kinetycznej atomów, czyli także całkowitej energii wewnętrznej gazu. Zmalenie jego temperatury jest zaś makroskopowym objawem zmalenia jego energii wewnętrznej.
c) Trzeba podkreślić, że malenie energii kinetycznej każdego atomu ma charakter statystyczny, dotyczy wielu cykli absorpcji i emisji fotonów. W każdym akcie absorpcji następuje nieznaczne przyhamowanie atomu, ze względu na przeciwne zwroty pędów fotonu i atomu. W akcie emisji może się zdarzyć, że atom odzyska początkową prędkość - gdy wyemituje foton „za siebie”. Może też się zdarzyć że atom ponownie przyhamuje – gdy wyemituje foton „przed siebie”. Możliwe są także przypadki pośrednie; w efekcie, średnio rzecz biorąc, zmiana energii kinetycznej atomu wskutek emisji fotonu jest zerowa.

Wspólny tekst do poleceń 2 i 3.

Na schemacie pokazano czołowe zderzenie fotonu (oznaczonego symbolem „f”) o pędzie $\vec{p_{f}}$ i energii $E_{f}$ oraz atomu (oznaczonego symbolem „a”) o pędzie $\vec{p_{a}}$ i energii kinetycznej $E_{a}$ . Wskutek zderzenia atom przechodzi ze stanu energetycznego $E_{1}$ do stanu wzbudzonego o energii $E_{2}$ , zaś foton zostaje pochłonięty w całości. Po zderzeniu wzbudzony atom (oznaczony symbolem „a*”) ma pęd $\vec{p_{a}}^*$ i energię kinetyczną $E_{a}^{*}$ .
Wykonaj dwa polecenia związane z tym schematem.

RSB11cwY7gaA1

Na rysunku jest atom i foton przedstawione symbolicznie jako kulki. Atom i foton znajdują się na jednej linii poziomej, foton z lewej strony, atom z prawej. Do fotonu przyczepiony jest poziomy wektor pędu fotonu, skierowany w prawo. Wektor pędu fotonu jest oznaczony literą małe p z indeksem dolnym f. Do atomu przyczepiony jest poziomy wektor pędu atomu, skierowany w lewo. Wektor pędu atomu jest oznaczony literą małe p z indeksem dolnym a. Niżej narysowano atom po pochłonięciu fotonu. To kulka, do której przyczepiony jest poziomy wektor pędu atomu, skierowany w lewo. Wektor pędu atomu jest oznaczony literą małe p z indeksem dolnym a oraz indeksem górnym w postaci gwiazdki. — Schematyczne przedstawienie zderzenia fotonu (f) z atomem (a), w wyniku którego powstaje wzbudzony atom (a*).

Polecenie 2

R3SeZVIHCdveU

Polecenie 3

R1QEPxfxDMCcp

Przeczytaj

Sprawdź się

Pęd fotonu

Wspólny tekst do poleceń 2 i 3.