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1、關于玻色?愛因斯坦凝聚的簡要分析作者：鄧慧紅，12級物理一班，1208010126單位：湖南科技大學摘要:研究玻色■愛因斯坦凝聚的由來、概念，及其形成條件,以及探討玻色?愛因斯坦凝聚的應用價值及對相關領域發(fā)展的促進作用。關鍵詞:玻色■愛因斯坦凝聚;臨界溫度。玻色一愛因斯坦凝聚是獨一無二的屋子力學相變，因為它是在原了間無相互作用條件下發(fā)生的，因此它是重要的。在科學上，玻色一愛因斯坦凝聚對基礎研究具有重要意義，它證實了存在一種新的物質態(tài)，為實驗物理學家提供了一?種獨一無二的新介質；在應用上，科學家們已提出了很
2、多設想：如改善精密測量的準確度，制造原了鐘、原了干涉儀，測雖原了物理常數(shù)和微重力；實現(xiàn)光速減慢、光信息存儲、量了信息傳遞和量子邏輯操作：進行微結構刻蝕等。前言：玻色一愛因斯坦凝聚及其實驗研究簡史1924年印度物理學家玻色研究了“光子在各能級上的分布”問題，他以不同于普朗克的方式推導出普朗克黑體輻射公式。玻色將這一?結來寄給愛因斯坦，請其翻譯成德文并在德國發(fā)表。愛因斯坦意識到玻色工作的重要性，立即著手研究這一問題。愛因斯坦于1924和1925年發(fā)表了兩篇文章，將玻色對光子的統(tǒng)計方法推廣到某類原子，并預言當這
3、類原子的溫度足夠低時，所有的原子就會突然聚集在一種盡可能低的能量狀態(tài)，這就是所謂的玻色一愛因斯坦凝聚(Bose—EinsteinCondensation*BEC),這時宏觀量物質的狀態(tài)nJ以用同一波函數(shù)來描寫。從理論上講，處在這種狀態(tài)的物質在性質上有別于通常的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和等離子態(tài)，故有人乂稱其為物質的第五態(tài)。玻色和愛因斯坦所采用的統(tǒng)計方法后來被稱為玻色—愛因斯坦統(tǒng)計，而服從這種統(tǒng)計的粒子被統(tǒng)稱為玻色子。2001年10月9F1瑞肌皇家科學院宣布，將本年度諾貝爾物理學獎授予美國國家標準與技術研究所物理學
4、家埃里克?康奈爾(EACornell).美國麻省理工學院教授徳國人沃爾夫岡?克特勒(W.Ketterle)以及美國科羅拉多人學教授忖爾?威曼(C.E.Wieman),以表彰他們在稀薄堿金屬原子氣屮實現(xiàn)了玻色一愛因斯坦凝聚以及在凝聚體性質方面的早期基礎性研究?？趷垡蛩固诡A言以來,BEC這種物質的新形態(tài)一直成為人們探索的口標?何為玻色一-愛因斯坦凝聚?實現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚應滿足什么條件?研究玻色一愛因斯坦凝聚冇何意義?木文就上述問題作一簡要闡述。正文：一、玻色?愛因斯坦凝聚的由來1924年,年輕的印度學者玻
5、色撰寫了一篇論文，用完全不同于經典電動力學的統(tǒng)計法，導出了普朗克黑體輻射公式，他將論文寄給愛因斯坦，期望得到后者的認同。愛因斯坦馬上認識到該文的價值，立即將具譯成徳文發(fā)表。隨后，愛因斯坦將玻色的方法成功地推廣到單原子理想氣體，并預言這些原了當它們之間的距離足夠近、熱運動速度足夠慢時，將發(fā)生相變，變成一種新的物質狀態(tài)，后人稱之為玻色一愛因斯坦凝聚(BEC).按照雖了統(tǒng)計學原理，冇兩種統(tǒng)計律,一種稱為費米一狄拉克統(tǒng)計律，-?種稱為玻色一愛因斯坦統(tǒng)計律。遵從前一種統(tǒng)計律的粒子稱為費米子，遵從后一種統(tǒng)計律的粒子稱
6、為玻色子。費米子有很強的排他性，在一個量子態(tài)只能有一個費米子川U玻色子卻有很強的“協(xié)同性”,在一個量子態(tài)可以有眾多玻色子。處于BEC態(tài)的物質，所有玻色了都處于同一能量低的狀態(tài)，并且有相同的物理特征，它是1種由微觀粒了的量子性質所產住的宏觀現(xiàn)象。就原子而言,只要其總白旋為整數(shù)，則為玻色子。對于氣體狀態(tài)的原子，在常溫下通常表現(xiàn)出經典粒子的特征(每個原子都具有各口不同的運動特征，需要用不同的波函數(shù)來描述)。當溫度降至足夠低時，本來各自獨立的原子會變成一群“統(tǒng)一性”的原子(它們只需耍一個波兩數(shù)來描述)，“凝聚”在
7、一個相同的量子態(tài)，這就是當年愛因斯坦描繪的氣體玻色原子形成玻色一愛因斯坦凝聚體的狀況。愛因斯坦的論文發(fā)表后，引起廣大物理學工作者的關注，大家期待著在真實的原了氣體中實現(xiàn)BECo然而，由于該實驗難度很高，經過整整70多年的努力，直到1995年，才山JILA的康奈爾、維曼小組和MIT的凱特勒小組在實驗中真正獲得了BEC.二、玻色■愛因斯坦凝聚的概念設在體積為V的容器中存在由N個同種玻色粒子組成的理想氣體。理想玻色氣體處于熱平衡狀態(tài)時服從玻色■愛因斯坦統(tǒng)計。如果以n(￡i)表示熱平衡吋處于能級￡i的某一量子態(tài)中
8、的平均粒了數(shù)，則n(ei)可表為n(￡i)Je(ei-
9、i)/KT-1⑴式中n為粒了的化學勢,對于玻色系統(tǒng)它要滿足uW0;k為玻耳茲曼常量。系統(tǒng)的總粒子數(shù)為N=Ein(ei)=Ei1e(ei-n)/KT-1(2)用No表示處于最低能級(切=0)的粒了數(shù)，用N表示處于較高能級屮的粒了數(shù)側總粒了數(shù)可表為N二N0+N'(3)而N0=GOe-p/KT-1(4)其中GO為￡0=0能級的微觀態(tài)數(shù)，可設GO=1N,=Li^01e(￡i-U)
