量子光學(xué)論文

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1、關(guān)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(xué)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(yīng)用價(jià)值及對相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的促進(jìn)作用。關(guān)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(dú)一無二的屋子力學(xué)相變，因?yàn)樗窃谠碎g無相互作用條件下發(fā)生的，因此它是重要的。在科學(xué)上，玻色一愛因斯坦凝聚對基礎(chǔ)研究具有重要意義，它證實(shí)了存在一種新的物質(zhì)態(tài)，為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家提供了一?種獨(dú)一無二的新介質(zhì)；在應(yīng)用上，科學(xué)家們已提出了很

2、多設(shè)想：如改善精密測量的準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)光速減慢、光信息存儲(chǔ)、量了信息傳遞和量子邏輯操作：進(jìn)行微結(jié)構(gòu)刻蝕等。前言：玻色一愛因斯坦凝聚及其實(shí)驗(yàn)研究簡史1924年印度物理學(xué)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(dǎo)出普朗克黑體輻射公式。玻色將這一?結(jié)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(jì)方法推廣到某類原子，并預(yù)言當(dāng)這

3、類原子的溫度足夠低時(shí)，所有的原子就會(huì)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(shí)宏觀量物質(zhì)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(zhì)在性質(zhì)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(zhì)的第五態(tài)。玻色和愛因斯坦所采用的統(tǒng)計(jì)方法后來被稱為玻色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)，而服從這種統(tǒng)計(jì)的粒子被統(tǒng)稱為玻色子。2001年10月9F1瑞肌皇家科學(xué)院宣布，將本年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所物理學(xué)

4、家埃里克?康奈爾(EACornell).美國麻省理工學(xué)院教授徳國人沃爾夫?qū)?克特勒(W.Ketterle)以及美國科羅拉多人學(xué)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(shí)現(xiàn)了玻色一愛因斯坦凝聚以及在凝聚體性質(zhì)方面的早期基礎(chǔ)性研究?？趷垡蛩固诡A(yù)言以來,BEC這種物質(zhì)的新形態(tài)一直成為人們探索的口標(biāo)?何為玻色一-愛因斯坦凝聚?實(shí)現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚應(yīng)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(xué)者玻

5、色撰寫了一篇論文，用完全不同于經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)法，導(dǎo)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(rèn)同。愛因斯坦馬上認(rèn)識到該文的價(jià)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(yù)言這些原了當(dāng)它們之間的距離足夠近、熱運(yùn)動(dòng)速度足夠慢時(shí)，將發(fā)生相變，變成一種新的物質(zhì)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(jì)學(xué)原理，冇兩種統(tǒng)計(jì)律,一種稱為費(fèi)米一狄拉克統(tǒng)計(jì)律，-?種稱為玻色一愛因斯坦統(tǒng)計(jì)律。遵從前一種統(tǒng)計(jì)律的粒子稱為費(fèi)米子，遵從后一種統(tǒng)計(jì)律的粒子稱

6、為玻色子。費(fèi)米子有很強(qiáng)的排他性，在一個(gè)量子態(tài)只能有一個(gè)費(fèi)米子川U玻色子卻有很強(qiáng)的“協(xié)同性”,在一個(gè)量子態(tài)可以有眾多玻色子。處于BEC態(tài)的物質(zhì)，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(zhì)所產(chǎn)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(jīng)典粒子的特征(每個(gè)原子都具有各口不同的運(yùn)動(dòng)特征，需要用不同的波函數(shù)來描述)。當(dāng)溫度降至足夠低時(shí)，本來各自獨(dú)立的原子會(huì)變成一群“統(tǒng)一性”的原子(它們只需耍一個(gè)波兩數(shù)來描述)，“凝聚”在

7、一個(gè)相同的量子態(tài)，這就是當(dāng)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(xué)工作者的關(guān)注，大家期待著在真實(shí)的原了氣體中實(shí)現(xiàn)BECo然而，由于該實(shí)驗(yàn)難度很高，經(jīng)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(shí)驗(yàn)中真正獲得了BEC.二、玻色■愛因斯坦凝聚的概念設(shè)在體積為V的容器中存在由N個(gè)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(shí)服從玻色■愛因斯坦統(tǒng)計(jì)。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(xué)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(cè)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(shè)GO=1N,=Li^01e(￡i-U)