Движение атомных частиц в резонансных световых полях (Глава 6 учебного пособия), страница 2

При достаточно большом времени взаимодействия практически все атомы увеличивают скорости. Поскольку зависимость силы от скорости имеет нелинейный колоколообразный вид, то из начального широкого распределения всегда образуется узкое моноскоростное распределение атомов. Аналогичным образом, при распространении световой волны навстречу атомного ансамбля (см. рис. 5, б) при резонансной скорости  образуется провал в скоростном распределении атомов. Узкоскоростное распределение в этом случае образуется при скорости, меньшей. Световое давление может быть использовано для разделения изотопов, радиационного охлаждения пространственной локализации атомов в световом поле.

Рассмотрим энергетические затраты, которые необходимы для сильного изменения движения атомарных частиц.

Исходные соотношения:

                                  (6.15)

Энергия излучения, необходимая на деформацию скоростного распределения  и отнесенная к одному атому, равна

                               (6.16)

Из (1.1) и (6.14) легко показать, что

                                        (6.17)

При тепловых скоростях  см/с величина параметра насыщения .

Таким образом, получаем

                                          (6.18)

т.е. для изменения скорости одного атома под действием светового давления необходимо, чтобы этот атом  раз поглотил и испустил фотон.

6.2. Светоиндуцированный дрейф

В течение последних 10 лет обнаружен ряд новых эффектов взаимодействия излучения с атомами, которые обладают на много порядков большей эффективностью по сравнению со световым давлением. Одним из таких эффектов является светоиндуцированный дрейф [7]. Рассмотрим взаимодействие модельных атомов газа с потоком фотонов. Вследствие эффекта Допплера с излучением взаимодействуют не все частицы, а только те из них, скорость которых находится вблизи резонанса:

                                            (6.19)

Эффективный интервал скоростей, включенных во взаимодействие, определяется соотношением

где ,  — однородная ширина линии поглощения атомов и  — спектральная ширина потока фотонов.

В условиях большого допплеровского уширения  эффективный интервал резонансных скоростей много меньше ширины скоростного распределения и во взаимодействие вступает лишь малая часть частиц.

Переход атомов на верхний уровень в результате поглощения кванта света приводит к формированию пика в распределении возбужденных частиц по скоростям, со средней скоростью . Соответственно в распределении невозбужденных частиц возникнет провал (рис. 6).

В этом случае распределения  и  оказываются не симметричны относительно , что означает наличие потоков этих частиц

                                          (6.20)

Причем в отсутствии столкновений . Если в объеме кроме газа поглощающих частиц имеется буферный газ, то индуцированные излучением потоки будут испытывать торможение. Сила трения  и , где  и – эффективные частоты столкновений. Если сечения взаимодействия, т.е., фактически, размер атома в возбужденном и невозбужденном состояниях, различны, то различны и силы торможения . Это означает, что в целом на газ начинает действовать сила  со стороны буферного газа, которая приводит поглощающий газ в движение. Оценим скорость газа в таком движении. В условиях равновесия (режим установившегося потока) сумма всех сил равна нулю , но уже . Тогда имеем

    (6.21)

где — полный поток поглощающих частиц с концентрацией N и средней скоростью u. Из (6 21) получим

        (6.22)

Здесь учтено, что  и  — доля возбужденных частиц. Используя лазерное излучение, можно получить: . Учитывая, что  сравнимо со средней скоростью, получим

                                            (6.23)

Таким образом, если  и  отличаются сильно, то скорость светоиндуцированного дрейфа (СИД) может оказаться сравнимой с тепловой скоростью.

Учитывая, что в рассматриваемом процессе мы пренебрегаем световым давлением, т.е. передачей импульса частицам, то энергия среде не передается. При этом предполагается отсутствие столкновительной релаксации и чисто радиационная релаксация возбужденных состояний. Энергия направленного движения атомов черпается из теплового движения. Излучение, создавая эффект СИД, не теряет энергию, а лишь из направленного трансформируется в изотропное.

Оценим энергетику потока фотонов, отнесенную к одной частице поглощающего газа, необходимую для изменения его характеристик.

Предположим, . Из

                                        (6.24)

получим

                                        (6.25)

Характерная длина поглощения излучения . Время разделения, необходимое на дрейф частиц на расстояние , равно . Тогда затраты энергии на разделение атомов, отнесенные к одной частице, равны

                                    (6.26)

Используя в качестве оценки сечение для центра линии

                                          (6.27)

получим

                                        (6.28)

Выражение (6.28) показывает, что, в принципе, при  атому достаточно поглотить один фотон, чтобы он принял участие в процессе светоиндуцированного дрейфа, что наглядно иллюстрирует высокую эффективность рассмотренного процесса, который может быть использован для разделения изотопов.

В опытах со светоиндуцированным дрейфом можно исследовать изменение размера атома при возбуждении, определяемое параметром . Максимальное значение  получено для натрия в буферном газе ксеноне. Максимальная скорость дрейфа натрия  м/с. Характерное значение . Интересно, что колебательное возбуждение молекулы аммиака (NH3) делает ее более компактной, т.е. .