Я не нашел ответа на свой вопрос в другом месте, так что вот.
Я делаю проект на своем первом курсе по оптике, и мы немного читаем о доплеровском охлаждении. Я понимаю, что лазер настроен на частоту, при которой энергия фотонов соответствует энергии немного ниже энергии требуется для возбуждения атомов газа, и что атом, движущийся к лазеру с высокой скоростью (относительно остального газа), будет испытывать синее смещение, которое позволяет атому поглощать фотон, тем самым замедляя атом.
Я также понимаю, что фотон переизлучается в случайном направлении, что, конечно, означает, что скорость атома в направлении лазера будет уменьшаться. Чего я не уверен, что понимаю, так это того, как повторное излучение фотона не просто возвращает атому ту же кинетическую энергию (но с другим направлением движения).
Мне не удалось найти источник, объясняющий это, но вот моя собственная попытка объяснения (в которой я не уверен, что она верна, поэтому я спрашиваю здесь): Поглощенный фотон имеет энергию (в рамках лаборатория) что немного меньше энергии поглощения . Но после поглощения скорость атома уменьшается, поэтому фотон будет излучаться с другой частотой (в рамках лаборатории). Поскольку скорость атома (относительно рамки лаборатории) уменьшилась за счет поглощения, энергия испущенного фотона будет ближе к , таким образом (последний шаг объяснения работает только в том случае, если скорость атома, перпендикулярная лазеру, не превышает скорость, параллельную лазеру для большинства атомов, но, поскольку лазер настроен только на попадание в быстро движущиеся атомы, это кажется достаточно невероятным, чтобы не делает объяснение недействительным).
Правильно ли это объяснение или я ошибся? Я прошел курс специальной теории относительности, но еще не изучал квантовую механику, поэтому, пожалуйста, сведите квантовую механику к минимуму, если это возможно.
Вот несколько интуитивных аргументов; Я считаю, что они действительны, но прошло очень много времени с тех пор, как я думал об этих вещах, поэтому я открыт для комментариев/улучшений.
Простое описание доплеровского охлаждения:
Из-за расстройки вероятность поглощения фотона наибольшая для атома, движущегося к источнику света - и в процессе поглощения фотона атом теряет импульс в том направлении, в котором двигался.
Когда он переизлучает фотон, он будет в случайном направлении; поэтому не будет чистого воздействия на импульс атомов. Этого достаточно, чтобы увидеть, что атомы «замедляются» в направлении луча, но недостаточно, чтобы увидеть, что они полностью теряют энергию.
Чтобы увидеть, что энергия меньше, представьте, что атом имел начальный импульс где = импульс фотона. После поглощения атом имеет импульс . Теперь, если мы повторно излучим фотон под углом 90 градусов к исходному направлению, чистый импульс будет равен и, таким образом, кинетическая энергия атома, которая масштабируется с квадратом импульса, ниже, чем была. Только если фотон повторно излучается в исходном направлении, вы не видите чистого изменения энергии.
Возникает вопрос: что случилось с энергией? Похоже, что мы не работали над системой — поступило столько же энергии (один фотон), сколько ушло (тот же фотон, за исключением крошечных релятивистских эффектов, которые намного меньше, чем падение кинетической энергии атома). Я не думаю, что смещение длины волны объясняет это.
Я подозреваю, что именно здесь появляется энтропия: поскольку этот процесс фактически уменьшает энтропию системы, мы должны были совершить работу над системой: . Таким образом, энергия, необходимая для уменьшения энтропии, берется из кинетической энергии атома.
Вот удар по нему:
Я не думаю, что вам нужно учитывать изменение частоты рассеянного света, чтобы понять, как работает доплеровское охлаждение — действительно, аргумент сохранения импульса обычно более проницателен.
Короче говоря, у вас есть основная часть этого вниз. Лазерное поле, с которым взаимодействует атом, расстроено по частоте до перехода в возбужденное состояние, так что атомы с любой скоростью в направлении пути луча видят частоту лазерного Доплера, сдвинутую на некоторую величину, пропорциональную его скорости, ближе к его частота перехода. Этот доплеровский сдвиг заставляет фотоны иметь более высокую энергию в атомной системе отсчета. Дело не в том, что фотон на самом деле имеет две отдельные энергии, а в действительности это своего рода дополнение между энергией фотона и частью кинетической энергии движущегося атома. Атом и фотон как бы встречаются на полпути.
В импульсной картине атом испытывает «столкновение» с фотоном, движущимся в противоположном направлении, что приводит к уменьшению скорости атома в этом направлении. Когда фотон излучается, он излучается в случайном направлении. В то время как атом теперь движется с новой скоростью в направлении, противоположном излучаемому фотону, фотон излучается с энергией, соответствующей энергии перехода - немного выше, чем частота поглощенного света.
Хотя при поглощении фотона в нашей системе не теряется чистая энергия (столкновение упругое ) , способ распределения энергии между атомом и фотоном отличается от того, как при испускании фотона. В этом последующем «неупругом» антистолкновении (излучении) фотон уходит с большим количеством частиц, чем в начале. Число актов рассеяния достаточно велико, так что в ходе многих испусканий чистый вклад в движение атома не по пути луча, а по траектории атома в среднем равен нулю.
По сути, последовательное сбрасывание единицы импульса из одного определенного направления в кучу случайных направлений, которые взаимно компенсируются. Вы по-прежнему сохраняете энергию в системе, но небольшая часть энергии удаляется в виде излучения фотонов в других направлениях.
Вас также может заинтересовать предел допплеровского охлаждения ( когда поглощение и испускание фотона не приводит к дальнейшей потере кинетической энергии из-за того, что процессы поглощения и испускания ведут себя эластично), или также то, как магнитные поля используются в сочетании. для приготовления атомных ловушек и оптической патоки.
Флорис
Джессика Хансен
Флорис