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原子在不停地做热运动,为了能高精度地研究孤立原子的性质,必须使它们几乎静止下来并能在一个很小的空间区域停留一段时间,例如纳米技术中需要移动或修补分子.科学家已发明了一种称为“激光制冷”的技术,原理如下:

在一个真空室内,一束非常准直的Na-23原子束(通过样品在1 000 K高温下蒸发而获得,原子做热运动的速率近似为v0=1 000 m/s),受一束激光的正面照射,如图15-2-3 所示.设原子处在基态,运动方向与激光光子的运动方向相反,选好激光频率使光子能量E等于钠原子第一激发态与基态间能量差,原子就能吸收它而发生跃迁,跃迁后原子的速度为v1,随后该原子发射光子并回到基态.设所发射光子的运动方向与速度v0的方向总是相同的,此时原子的速度为v2,接着重复上述过程,直到原子的速度减小到零.

图15-2-3

(1)吸收与发射光子的总次数为多少?

(2)原子停留在激发态上的时间称为原子在这种状态下的寿命,大小约为10-8 s.忽略每次吸收与发射光子的时间,按上述方式,原子初速度v0减小到零,共需多长时间?该时间内原子共走过的路程为多少?(E=3.36×10-19 J,钠原子的质量m=3.84×10-26 kg,NA=6.0×1023 mol-1,c=3.0×108 m/s)

解析:(1)光子动量p=mc=                                                   ①

Na吸收光子时:mv0-p=mv1                                                     ②

Na放出光子时:mv1=mv2+p                                                     ③

由①②③联立解得,每吸收、发射一次光子,Na23的动量减少Δp=2p=,所以使Na-23速度成为零需吸收、发射光子的次数n===1.7×104(次).

(2)Na由v0减为零的总时间t=nT=1.7×10-4 s.Na每吸收、发射一次光子,速度的变化量均相同,可将其运动看成匀减速运动,故Na通过的总路程L=t=×1.7×10-4 m=8.5×10-2 m.

答案:(1)1.7×104次  (2)t=1.7×10-4 sL=8.5×10-2 m

练习册系列答案
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科目:高中物理 来源: 题型:038

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  (1)吸收与发射光子的总次数为多少?

  (2)原子停留在激发态上的时间称为原子在这种状态下的寿命,大小约10-8s.忽略每次吸收与发射光子的时间,按上述方式,原子从初速度v0减小到零,共需多长时间?该时间内原子总共走过的路程约为多少?(E=3.36×10-19J,钠原子的质量m=3.84×10-26kg,阿伏加德罗常数NA=6.0×1023mol-1,光速c=3.0×108m/s)

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科目:高中物理 来源:物理教研室 题型:038

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  (1)吸收与发射光子的总次数为多少?

  (2)原子停留在激发态上的时间称为原子在这种状态下的寿命,大小约10-8s.忽略每次吸收与发射光子的时间,按上述方式,原子从初速度v0减小到零,共需多长时间?该时间内原子总共走过的路程约为多少?(E=3.36×10-19J,钠原子的质量m=3.84×10-26kg,阿伏加德罗常数NA=6.0×1023mol-1,光速c=3.0×108m/s)

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科目:高中物理 来源: 题型:

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    在一个真空室内,一束非常直的Na—23原子束(通过样品在1 000 K高温下蒸发而获得,原子做热运动的速率近似为v0=1 000 m/s),受一束激光的正面照射,如图所示,设原子处在基态,运动方向与激光光子的运动方向相反,选好激光频率使光子能量E等于钠原子第一激发态与基态间的能量差,原子就能吸收它而发生跃迁,跃迁后原子的速度变为v1,随后该原子发射光子并回到基态,设所发射光子的运动方向与速度v0的方向总是相同,此时原子的速度为v2,接着重复上述过程,直到原子的速度减小到零。

(1)求吸收和发射光子的总次数为多少?

(2)原子停留在激发态上的时间称为原子在这种状态下的寿命,大小约为τ=10-8 s。忽略每次吸收和发射光子的时间,按上述方式,原子初速度v0减小到零,共需多长时间?该时间内原子总共走过的路程约为多少?(E=3.36×10-19 J,钠原子的质量m=3.84×10-26 kg,阿伏加德罗常数NA=6.0×1023 mol-1,光速c=3.0×108 m/s)

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图15-2-3

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