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激光降温的原理是什么?

handanbaoding19 回答数3 浏览数210493
为什么能使温度降低到接近绝对零度?激光照射为什么不会导致升温?
saleonster | 未知
这个问题需要首先理解好温度。组成物质的分子、原子、离子都在做无规则的热运动,温度能够反映分子(原子、分子、离子在这里可统称为分子)无规则热运动的剧烈程度。温度越高无规则热运动就越剧烈,分子热运动的平均动能或平均速率就越大;温度越低分子热运动的平均动能就越小,平均速率也就越小。
给物体降温,从微观上看就是将分子热运动的平均速率变小。
激光中含有大量频率几乎一致的光子,光子具有动量,光子迎头撞击到原子上如果被原子吸收掉,原子的动量就会减小,这就意味着原子的速率变小了,这样就实现了给物体降温。
真正操作的时候还涉及到其他知识。原子的热运动是无规则的,向哪个方向运动的都有,如果光子和原子迎头相撞,光子被吸收后原子的动量会减小,若是光子从后面撞击到原子呢?会不会原子的动量变大?
这是不会的,这里又涉及到两个概念:多普勒效应、光子的跃迁及吸收。

先看跃迁和吸收,以最简单的氢原子为例,电子由高能级跃迁至低能级时会释放出特定频率的光子,光子的频率ν由两个能级之差决定,表达式为hν=ΔE,h为普朗克常量,E为两能级能量之差。相反,如果电子由低能级跃迁至高能级,也只能吸收那特定频率的光子,频率稍稍差一点也不能被吸收。
再看一下多普勒效应,光又是一种电磁波,电磁波具有多普勒效应。如果远离发光体,电磁波会发生红移,频率会降低;反之靠近发光体会出现蓝移现象,频率就会升高。
原子在做无规则的热运动,在原子微小的世界里也有多普勒效应。一束激光照过来,如果原子迎着激光运动,激光的频率就会升高;如果原子顺着激光的方向运动,激光的频率就会降低。频率变了,原子就有可能不会吸收那个光子。在实际操作中,如果原子能够吸收频率为ν的光子,就要选用频率比ν稍稍低一点的激光照射原子,这样原子若是和激光迎头撞来,激光的频率就有可能升到ν,恰好被原子吸收掉,进而使得原子的速率降低。向其他方向运动的原子则不会吸收到光子。
只要光子能够不断的被原子吸收,就意味着原子的动量会不断的减小,最后甚至能够将原子冷却到比绝对零度高千分之一K的温度。这种冷却方法叫做多普勒冷却。
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GcQhnDrs | 未知
关于极光降温的原理,我还没有听专家说过。不过,我正研究,且研究出了很靠谱的结果,分享给大家。
      极光是高密度光子束,具有隔离其它弱光子或弱电磁波通过的特点,特别是高频率极光对低频率光子或电磁波的隔离效果更佳。科学实验上已用极光井捕获过单个原子并使之稳定在指定位置,还能使之接近不振动的绝对零度。所谓绝对零度就是原子不振动,要达到这一效果,就要求一不与其它原子碰撞,二不被周围同频率光子或电磁波作用。我们知道,同频率振动会发生共振,所以也要求极光频率远远高于原子固有振动频率。如果极光频繁低于原子固有频率,那么极光就没有隔离其它高频率光子或电磁波的通过,也不可能使原子温度降到接近绝对零度。这里还得说下什么是温度,温度就是原子振动幅度大小的度量。运动的原子与其温度无关。总结关键点:高频极光能够阻挡低频光子或电磁波作用于固有低频振动频率的原子!欢迎大家指点评论!
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livebeta | 未知
电子只吸收和释放特定频率(能量)的光子才会在基态跃迁到激发态(反之亦然),对于其它光子是鸟都不鸟的。理想状态(其实就是那个不可能做到的绝对零度,当然如果考虑量子振动绝对零度也不是最理想的状态)激光确实不能制冷。
问题就在于环境其实没这么理想,同一温度下分子团里面每颗分子的动能势能都是正态分布的,并非绝对一致。这时候电子吸收与释放的光子的“特定频率”的取值范围就会稍微扩大了一点点。
假如本来吸收和释放10,可以使得电子跃迁。直接给个666肯定不会被吸收。但是我特意给它一个9.999999频率的光进去,这团分子的部分用户还是会吸收了。但是激发态是不稳定的,过一会儿会自动发出光芒,逃了一个10出来。然后分子很小,这样的交换速率非常快,这样分子团的能量就逐步都以光的形式带出来了。
但是随着温度不断降低,到了0.00001K的时候,状态就太理想了,激光制冷就到极限了。
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