Question

原子在不停地做熱運(yùn)動(dòng)，為了能高精度地研究孤立原子的性質(zhì)，必須使它們幾乎靜止下來(lái)并能在一個(gè)小的空間區(qū)域停留一段時(shí)間。例如：納米技術(shù)中需要移動(dòng)或修補(bǔ)分子，科學(xué)家已發(fā)明了一種稱為“激光致冷”的儀器，原理如下：

    在一個(gè)真空室內(nèi)，一束非常直的Na—23原子束(通過(guò)樣品在1 000 K高溫下蒸發(fā)而獲得，原子做熱運(yùn)動(dòng)的速率近似為v₀=1 000 m/s)，受一束激光的正面照射，如圖所示，設(shè)原子處在基態(tài)，運(yùn)動(dòng)方向與激光光子的運(yùn)動(dòng)方向相反，選好激光頻率使光子能量E等于鈉原子第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能量差，原子就能吸收它而發(fā)生躍遷，躍遷后原子的速度變?yōu)関₁,隨后該原子發(fā)射光子并回到基態(tài)，設(shè)所發(fā)射光子的運(yùn)動(dòng)方向與速度v₀的方向總是相同，此時(shí)原子的速度為v₂，接著重復(fù)上述過(guò)程，直到原子的速度減小到零。

(1)求吸收和發(fā)射光子的總次數(shù)為多少?

(2)原子停留在激發(fā)態(tài)上的時(shí)間稱為原子在這種狀態(tài)下的壽命，大小約為τ=10^-8 s。忽略每次吸收和發(fā)射光子的時(shí)間，按上述方式，原子初速度v₀減小到零，共需多長(zhǎng)時(shí)間?該時(shí)間內(nèi)原子總共走過(guò)的路程約為多少?(E=3.36×10^-19 J，鈉原子的質(zhì)量m=3.84×10^-26 kg，阿伏加德羅常數(shù)N_A=6.0×10²³ mol^-1，光速c=3.0×10⁸ m/s)

Answer 1

(1)3.4×10⁴  (2)1.7×10^-4 s   0.085 m

解析：(1)光子動(dòng)量p==,光子被原子吸收過(guò)程中動(dòng)量守恒定律仍成立，Na原子第一次吸收光子的過(guò)程，由動(dòng)量守恒定律得mv₀-p=mv₁

Na原子第一次放出光子的過(guò)程，由動(dòng)量守恒定律得mv₁=mv₂+p

∴Δv=v₀-v₁=v₁-v₂=…=v_n-1-v_n=

所以吸收和發(fā)射光子的總次數(shù)為：n==mcv₀/E=3.4×10⁴次。

(2)原子速度減小到零所需的時(shí)間t=τ=1.7×10^-4 s

每吸收與發(fā)射光子一次，速度均變化Δv，故原子宏觀上可看成做勻減速運(yùn)動(dòng)則L=vt==0.085 m.