《玻色-爱因斯坦凝聚及其进展》-毕业论文（设计）.doc

物理学与信息科学学院2009届毕业论文 PAGE 6 玻色—爱因斯坦凝聚及其进展 （天水师范学院 物理与信息科学学院 物理系 ） 摘要：近年来，有关玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的实验研究得到了快速发展，并取得了一系列 重大的实验进展。本文综述了玻色—爱因斯坦凝聚的由来、概念及其形成条件，并介绍了一 些玻色—爱因斯坦凝聚的实验，展望了其发展前景。 关键词：玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)；激光冷却与囚禁；原子激光 0　引言 自从1924年玻色和爱因斯坦预言玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation 简称BEC)以来，人们就玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)的实现及其量子统计性质进行了长期的深入系统的理论研究与实验探索，并取得了一系列重大的实验进展。在爱因斯坦理论预言之后70年，1995年终于在实验室里看到了中性原子的玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)。这成为物理学的一件大事，美国《科学》杂志把BEC选为1995年度的“分子”。 基于“在稀薄的碱金属气体中成功地获得玻色一爱因斯坦凝聚，并对凝聚体特性进行的早期基础性研究”方面的杰出贡献，美国国家标准技术研究所与科罗拉多大学的联合天体物理研究所(JILA)39岁的教授康奈尔(E.A.Comell)和50岁的教授维曼(C.E.Wieman)以及美国麻省理工学院(MIT)43岁的德裔教授凯特勒(W.Ketterle)被授予2001年诺贝尔物理学奖。为何人们对BEC如此关注和重视？本文对玻色—爱因斯坦凝聚的由来、概念及其形成条件，及玻色—爱因斯坦凝聚的一些实验作一介绍，并展望了其发展前景和相关的应用。 1　玻色—爱因斯坦凝聚的由来 我们知道，自然界中，粒子按统计性质分为玻色(Bose)子和费米(Fermi)子。自旋量子数为整数的粒子，如光子、π介子和α粒子是玻色子，玻色子服从玻色—爱因斯坦统计；自旋量子数为半整数的粒子，如电子、质子、中子、μ介子是费米子，费米子服从费米—狄拉克统计。1924年6月24日，30岁的印度物理教师玻色送一份手稿给爱因斯坦,试图不依赖经典电动力学来推导普朗克(黑体辐射)定律的系数，办法是假定相空间最基本区域的体积为。爱因斯坦亲自把玻色的手稿译成德文，送去发表,并在文末加注说:“我以为玻色对普朗克公式的推导乃是一项重大进步，所用方法也将导致理想气体的量子理论”。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手这一问题的研究。他于1924年和1925年发表两篇论文，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，并预言当这类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说的玻色—爱因斯坦凝聚（BEC）。处于玻色—爱因斯坦凝聚态的物质，所有玻色子都处于同一能量最低的状态，并且有相同的物理特征，它是一种由微观粒子的量子性质所产生的宏观现象。 但在很长一段时间里，没有任何物理系统被认为与玻色—爱因斯坦凝聚现象有关。直到1938年，伦敦(F.London)指出，超流和超导现象可能是玻色—爱因斯坦凝聚的表现，玻色—爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。不过这两种现象都发生在强相互作用的体系中。超流液氦中只有10%的原子凝聚;超导与玻色—爱因斯坦凝聚的关系要经过电子的配对，涉及更复杂的相互作用。只有近理想或弱相互作用的玻色气体的玻色—爱因斯坦凝聚，才更易于同理论比较，但一直没有实验证实。在上个世纪五十年代,物理学家发展了很多弱相互作用玻色系统的理论，华裔物理学家杨振宁、李政道和黄克逊在这方面做了很出色的工作。然而这些理论在1995年之前都没有得到很好的验证。随着实验技术的发展,在上世纪80年代初，物理学家开始了在气体中实现玻色—爱因斯坦凝聚的尝试。终于在爱因斯坦理论预言之后的70年，于1995年在实验室看到了中性原子的玻色—爱因斯坦凝聚。7月13日,美国科罗拉多大学和国家标准局合办的实验天体物理研究所发布新闻说：在冷却到绝对温度170nk(毫微度)的碱金属铷()蒸气中观察到了玻色—爱因斯坦凝聚。8月底，休斯顿市Rice大学的一个小组发表文章说在锂()中看到玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)的迹象。11月间,麻省理工学院宣布,在钠()蒸汽中实现了玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)。为此,科罗拉多大学和国家标准局实验天体物理研究所的美国科学家埃里克·康奈尔、卡尔·维曼和麻省理工学院的德国科学家沃尔夫冈·凯特勒获2001年诺贝尔物理学奖。 2　玻色—爱因斯坦凝聚的概念及形成条件 设在体积为V的容器中存在由N个同种玻色粒子组成的理想气体。理想玻色气体处于热平衡状态时服从玻色—爱因斯坦统计。如果以表示热平衡时处于能级的某一量子态中的平均粒子数，则可表为 =