玻色气体基态和激发态性质
光化学-2-激发态的产生及其物理性质
在光与分子作用的时间内，分子构型来不及改变！！
轨道能、电离势和电子亲和能
第一电离势(IP) ：从气态分子中排出一个电子生成一 价气态正离子所需要的最小能量。 对于基态分子，其电离势是从最高占据分子轨道 （HOMO）移去一个电子所需要的最小能量。 轨道能：一个分子的最高占据分子轨道的能量E(φ)为 用光电子能谱测定的电离势(IP)的负值： E(φ)=- IP 电子亲和能(EA)：中性气态原子或分子获得一个电子 生成一价气态负离子时所放出的能量。即是外界的一 个电子到达分子的最低空轨道(LUMO)时所放出的能量。
H i f i f d
er
波恩-奥本海默近似:分子运动总波函数可以分解为核 运动、电子轨道运动和电子自旋运动三个波函数的乘 积。
H i f d i f d N si s f d s i f d e
跃迁分类
严格禁阻(strictly forbidden) 强禁阻(strongly forbidden) 弱允许(weakly allowed) 完全允许(fully allowed)
核运动积分与电子自旋运动积分
Franck-Condon原理:跃迁过程中，核构型保持 不变。 描述核运动的积分 i f d 1
δ1s* 1S δ1s 1S
原子轨道
分子轨道
原子轨道
O2分子的电子排布
δ2p* π2py* π2py δ2p π2pz* π2pz
δ2p* π2py* π2py δ2p π2pz* π2pz
δ2s*
δ2s*
δ2s
δ2s
δ1s* δ1s
δ1s* δ1s
原子气体玻色-爱因斯坦凝聚及在量子信息的应用
原子气体玻色-爱因斯坦凝聚及在量子信息的应用1.引言1.1 概述概述:原子气体玻色-爱因斯坦凝聚是凝聚态物理学中一项重要的研究领域。
在低温条件下，玻色子（具有整数自旋的粒子）可以聚集成一个巨大的量子态，形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚。
这种凝聚态具有许多独特的量子性质，被广泛应用于量子信息科学中。
本文将首先介绍原子气体玻色-爱因斯坦凝聚的基本概念和特点。
我们将探讨玻色-爱因斯坦凝聚形成的条件和机制，并介绍凝聚态物质的一些基本性质，例如超流性和凝聚态的相变行为。
随后，我们将讨论原子气体玻色-爱因斯坦凝聚在量子信息科学中的应用。
玻色-爱因斯坦凝聚作为一种凝聚态物质，具有其特有的量子特性，例如相干性和纠缠性，这些特性使其成为量子信息处理和量子计算的潜在载体。
我们将介绍一些基于原子气体玻色-爱因斯坦凝聚的量子信息应用，例如量子计算、量子模拟和量子通信等，并探讨它们在实际中的应用前景和挑战。
最后，我们将总结本文的主要内容，并展望原子气体玻色-爱因斯坦凝聚在量子信息科学领域的未来发展方向。
通过深入了解原子气体玻色-爱因斯坦凝聚以及它在量子信息中的应用，我们可以进一步推动该领域的研究和技术发展，为量子计算和通信等领域的创新提供新的可能性。
1.2 文章结构文章结构是指文章组织的框架和布局，它决定了文章的逻辑脉络和内容安排。
本文按照以下结构展开：2. 正文2.1 原子气体玻色-爱因斯坦凝聚原子气体玻色-爱因斯坦凝聚是指在极低温条件下，玻色子的统计行为使得大量玻色子占据量子基态，形成凝聚态的现象。
我们将详细介绍原子气体玻色-爱因斯坦凝聚的基本原理和实验观测情况。
首先，我们将从玻色子的基本特性出发，探讨玻色-爱因斯坦凝聚的形成机制，包括玻色子之间的凝聚相互作用和玻色子与外界环境的相互作用等。
然后，我们将介绍玻色-爱因斯坦凝聚的实验方法与技术，包括磁控制冷却、光刻和光阱技术等。
最后，我们将讨论原子气体玻色-爱因斯坦凝聚的应用前景，包括量子模拟、量子计算和量子通信等方面。
玻色爱因斯坦凝聚的现象及其特性
玻色爱因斯坦凝聚的现象及其特性玻色-爱因斯坦凝聚的现象及其特性玻色-爱因斯坦凝聚是一种量子物理现象，是由一群玻色子聚集到低温下的同一量子态中而产生的。
在这个状态下，大量的玻色子会占据量子态的基态，形成具有凝聚性质的集体行为。
本文将介绍玻色-爱因斯坦凝聚的基本原理、特性以及与其他凝聚性质的对比。
一、玻色-爱因斯坦凝聚的原理与条件玻色-爱因斯坦凝聚的基本原理可以通过玻色子的统计性质来解释。
不同于费米子（如电子）遵循的泡利不相容原理，玻色子（如光子、重子）服从玻色-爱因斯坦统计，即多个玻色子可以处于同一个量子态。
当将大量的玻色子冷却到足够低的温度时，它们将趋向于占据能量最低的基态，形成凝聚。
实现玻色-爱因斯坦凝聚有一定的条件，包括低温（通常在绝对零度附近）、高浓度的玻色子和强相互作用。
低温条件可以通过使用激光冷却和磁性冷却等技术来实现。
为了增加玻色子的浓度，可以采用玻色子气体的束缚或限制技术，使玻色子在有限的空间内大量积聚。
此外，强相互作用可以通过调节玻色子之间的相互作用力来实现，例如通过调控外加磁场或改变库仑作用等。
二、玻色-爱因斯坦凝聚的特性1. 超流性：玻色-爱因斯坦凝聚物体现出超流性，即无粘性流动的性质。
这是由于玻色-爱因斯坦凝聚体内的玻色子处于同一量子态，能够以集体的形式流动而不受阻碍。
2. 凝聚波：玻色-爱因斯坦凝聚体中的玻色子在凝聚态形成的波函数体现出凝聚波的特性。
凝聚波可以通过干涉实验来观察，表现出干涉条纹和波动性质。
3. 凝聚体大小：玻色-爱因斯坦凝聚体的尺寸通常在微米到毫米的尺度范围内。
凝聚体的大小与温度、浓度以及相互作用力等因素密切相关。
4. 凝聚体密度：玻色-爱因斯坦凝聚体内玻色子的密度较高，通常高于普通气体数个数量级。
这导致了凝聚态的宏观量子性质的观测，在一些实验中能够直接看到玻色-爱因斯坦凝聚体的形态。
三、玻色-爱因斯坦凝聚与费米凝聚的对比玻色-爱因斯坦凝聚与费米凝聚是量子统计的两种极端情况。
分子轨道理论及基态与激发态
分子轨道理论及基态与激发态分子轨道理论基本概念一、分子轨道：(molecular orbital) 描述分子中电子运动的波函数，指具有特定能量的某电子在相互键合的两个或多个原子核附近空间出现的概率最大的区域。
分子轨道由原子轨道线性组合而成。
二、成键三原则：能量相近、最大重叠、对称性匹配。
只有对称性相同的两个原子轨道才能组成分子轨道。
σ对称：一个原子轨道，取X轴作为对称轴，旋转180°，轨道符号不变。
如S，Px，d x2-y2为σ对称。
π对称：一个原子轨道，取X轴作为对称轴，旋转180°，轨道符号改变。
Py，Pz，d xy是π对称。
由σ对称的原子轨道组成的键——σ键由π对称的原子轨道组成的键——π键三、成键轨道与反键轨道分子轨道与原子轨道的联系：轨道守恒——2个原子轨道线性组合，产生2个分子轨道；能量守恒——2个分子轨道的总能量等于2个原子轨道的总能量；能量变化——每个分子轨道的能量不同于原子轨道的能量组合结果—定会出现能量高低不同的两个分子轨道。
——这是原子轨道线性组合的方式不同所致。
波函数同号的原子轨道相重叠，原子核间的电子云密度增大，形成的分子轨道的能量比各原子轨道能量都低，成为成键分子轨道。
波函数异号的原子轨道相重叠，原子核间的电子云密度减小，形成的分子轨道的能量比各原子轨道能量都高，成为反键分子轨道。
四、电子填入分子轨道时服从以下原则：1、能量最低原理：电子在原子或分子中将优先占据能量最低的轨道。
2、保利不相容原理：在同一原子或分子中、同一轨道上只能有两个电子，且自旋方向必须相反。
3、洪特规则：在能量相同的轨道中（简并轨道），电子将以自旋平行的方式、分占尽可能多的轨道基态与激发态当分子中的所有电子都遵从构造原理的这三个原则时，分子所处的最低能量状态——基态。
通常情况下，分子处于基态。
激发态：当分子获取能量后，分子中的电子排布不完全遵从构造原理，分子处于能量较高的状态——激发态，是原子或分子吸收一定的能量后，电子被激发到较高能级但尚未电离的状态。
冷原子物理学中的超冷玻色气体和费米气体
冷原子物理学中的超冷玻色气体和费米气体在冷原子物理学领域中，超冷玻色气体和费米气体是两个重要的研究对象。
这两种气体的特殊性质和行为使得它们在理论研究和实验应用中具有广泛的潜力和应用前景。
首先，我们来了解一下超冷玻色气体。
玻色气体是由具有整数自旋的玻色子组成的，其特点是可以在低温下形成基态凝聚。
在玻色气体被冷却至绝对零度附近时，它的波函数会出现集中分布，原子间发生玻色-爱因斯坦凝聚。
这种凝聚现象的发生让超冷玻色气体成为了研究量子统计行为和凝聚态物理现象的理想平台。
超冷玻色气体的研究中，最有名的莫过于玻色-爱因斯坦凝聚。
这种凝聚态现象的实现，让物理学家们可以研究超流性质、相干现象以及凝聚态中的拓扑缺陷等重要问题。
此外，超冷玻色气体还具有与光学和自旋系统之间的耦合性质，这种光-原子相互作用的巧妙平台，使得研究者们可以进一步探索量子信息处理、量子计算等相关领域。
接下来，我们转向费米气体。
费米气体由具有半整数自旋的费米子构成，根据泡利不相容原理，这些费米子不能存在于相同的量子态。
费米气体在冷却至足够低的温度时会出现费米-狄拉克凝聚，费米子会填满低能态直到费米能级，其波函数也会出现集中分布。
费米气体的研究对于理论物理学和凝聚态物理学来说具有重要意义。
费米-狄拉克凝聚是一种新奇的量子相，具有巨大的熵、寻求最大自发对称破缺等特性。
如今，研究者们通过磁光和其他技术手段来探索费米气体的性质，在高能物理、量子调控和量子模拟等领域发现了一系列新效应和新领域。
超冷玻色气体和费米气体在实验应用方面也有着广泛的应用前景。
例如，超冷玻色气体可以用于模拟物质中的相变现象，并帮助我们更好地理解复杂的凝聚态系统。
费米气体则有助于研究高能物理中的强关联现象，也可以用于制造高精度测量设备和量子计算器。
总之，在冷原子物理学中，超冷玻色气体和费米气体作为两个重要的研究对象，具有不可忽视的意义和巨大的潜力。
通过对它们的研究，我们可以进一步拓展对量子统计行为、凝聚态现象和量子信息处理的认识，也为实际应用领域提供了新的思路和技术平台。
基态与激发态
概率分布图 (电子云)
电子云轮廓图的制作过程 原子轨道
s能级的原子轨道图 ns能级的各有1个轨道,呈球形
p能级的原子轨道图 np能级的各有3个轨道,呈纺锤形， 3个轨道相互垂直。
五、电子云与原子轨道
2. 原子轨道
d能级的原子轨道图
五、电子云与原子轨道
2. 原子轨道
f能级的原子轨道图
1. 下列原子或离子原子核外电子排布不属于基态 排布的是（ ） A. Na: 1s22s22p53s2 B. S2-: 1s22s22p63s23p6 C. N: 1s22s22p3 D. Si: 1s22s22p63s23p2 2. 第三能层含有的轨道数为（ ） A.3 B. 5 C. 7 D. 9
10．对照元素周期表，填写下表：
核 电 荷 数 周期表中的位 置 周期 族
元素 符号
Na
基态原子的简 化电子排布式
周期表中的位置与外 围电子层排布的关系
周 期 数 等 于 电 子 层 数
Ca
Si As Cl Ti Cr Mn
Cu
Zn
11．已知元素X、Y的核电荷数小于31，且能形成XY2型 的化合物。回答下列问题： （1）若X、Y均为非金属元素，写出你所知道的XY2的 化学式________、________、________、________等。 （2）若X原子的外围电子层排布为3d104s2，Y可能是 ____________元素或 ___________ 元素(写元素符号)。 （3）若Y的阴离子与Ar有相同的电子层结构，则X的原子 外围电子层排布构型有： __________、__________、_____________、 ___________、__________、_____________。
激发态和基态
激发态和基态
大多数人是不知道什么是激发态和基态的。
激发态和基态是原子,子和其他物质的性质以及运动的不同状态。
比如，光子拥有激发态和基态，激发态和基态之间有不同的能量关系。
激发态是指原子或分子中电子激发到更高能量状态的状态。
原子的激发态的性质不同于基态。
即，激发态的电子和原子的基态电子有较大的能量差。
比如，氢原子的基态具有最低的能量，其他状态的能量会比基态更高。
基态是指原子或分子中电子处于最低能量状态的状态，也就是电子能量最低的状态。
当原子处于基态时，它的性质就是最稳定的。
例如，氢原子在基态下能达到最低能量，因此它是最稳定的。
激发态和基态之间有相对较大的能量差，因此它们之间有不同的物理性质。
激发态的电子和基态的电子有较大的能量差，可以被认为是原子的一种不同态。
原子在激发态下可以释放能量，在基态下可以吸收能量。
例如，氩原子在激发态下可以释放激光，而在基态下可以吸收激光。
此外，激发态和基态的运动也是不同的。
由于激发态的电子有较大的能量，因此它们的量子跃迁运动更加活跃；而基态的电子能量较低，因此它们的量子跃迁运动较低。
同时，激发态和基态之间还存在较大的温度差，激发态更加热，而基态更加冷。
总之，激发态和基态是原子，分子和其他物质的不同态，它们有着不同的物理性质，运动也是不同的。
激发态电子有较高的能量，可
以释放能量；基态电子有较低的能量，可以吸收能量。
温度也是不同的，激发态更加热，而基态更加冷。
这些性质的不同，让激发态和基态有着其独特的作用，这些作用在人们的生活中也发挥重要作用。
基态和激发态
基态和激发态基态和激发态是物理学中两个重要的概念，描述了原子、分子以及其他量子系统的能量状态。
在本文中，我将详细介绍基态和激发态的概念、特征以及它们在科学研究和应用中的重要性。
一、基态和激发态的定义基态是指系统处于能量最低的状态，具有最稳定的能量。
当系统受到外界作用或能量输入时，它可能从基态跃迁到更高能量的状态，这就是激发态。
激发态可以理解为一种较不稳定的、非平衡的状态。
二、基态和激发态的特征1. 基态特征- 能量最低：基态的能量是系统所有可能状态中最低的。
- 最稳定：基态对应着物体的平衡状态，无需外界干预维持。
- 具有固定的量子数：基态下，系统的量子数以及其他物理性质都处于稳定的状态。
2. 激发态特征- 能量较高：激发态的能量高于基态，系统相对不稳定。
- 短暂存在：激发态会在较短的时间内迅速跃迁回基态，使系统重新回到稳定状态。
- 具有不同的量子数：激发态的量子数和其他物理性质会因为能量变化而发生改变。
三、基态和激发态的重要性基态和激发态在科学研究和应用中具有重要的意义和应用价值。
1. 基态的重要性- 研究基态可以揭示系统的稳定性和基本特性。
- 基态作为参照点，可以帮助科学家分析和理解系统的激发行为。
- 通过改变基态的性质，可以调控系统的各种物理性质，实现应用技术的创新。
2. 激发态的重要性- 研究激发态可以揭示系统受到外界干扰后的响应和行为。
- 激发态能量的调控可以实现能量转化和传递，应用于能源领域和器件设计。
- 激发态的存在和跃迁规律对于理解光学、电子学等领域的现象和进一步发展有重要影响。
总结：基态和激发态作为描述量子系统能量状态的概念，在物理学和其他领域中有着广泛的应用和研究价值。
了解基态和激发态的定义和特征有助于我们更深入地理解物质的行为规律和物理过程，推动科学技术的发展和应用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
再取决于截止动量 pc
，根据
n 0
n 可得：
E0
V
n2U 0
2
8
15 2
ms
3
ms 2
n0U 0
2
1
128
15 1/2
na3
1/2
结果表明：能量改变的量级就是状态的数量， 在这些数量中，波数小于逆相干长度，可从积 分的形式中得到。
三、约束气体中的激发
约束气体：处于一定势阱作用中的玻色气体，本次 研究的主要是热力学势阱中的玻色气体。
一、均匀玻色气体中凝聚体的损耗
激发态下每单位体积的粒子数目为：
nex
1
V
v
2 p
p p 0
dp 2
v
3
2 p
1
ms
3
3 2
可以用散射长度表示损耗的大小
nex
n
8
3
1
na 3 2
假设凝聚体中的损耗很小，只有在粒子间距大于散
射长度或 nex n 时，上式才能成立。
目前已实现基态损耗为1%量级
Bogoliubov方程的本征态
约
激发
束
气
体 粒子数增多的激发态
三、约束气体中的激发
1、Bogoliubov方程的本征态激发
通过厄米算符对角化变换计算Bogoliubov方 程特征值的解，得到：
所有的特征值都是实数。
同时可以总结得到：
为满足标准不等式，一个状态的特征 值必须有相同的符号。
三、约束气体中的激发
/a
pc 二、均匀玻色气体的基态能量
利用有效作用式U pc ，考虑动量超过某个截止值 pc
的中间状态，然后估算有效作用过程中的能量亏损，
得到基态能量为
E0
N 2U pc 2V
1 2 p p pc
0p
n0U 0 p
二、均匀玻色气体的基态能量
令截止动量值足够大接近ms但小于 / a ，结果就不
利用Bogoliubov变换推导得到均匀玻色气
体中粒子数目为：
†
N
N 0
v
2 p
u
2 p
v
2 p
p
p
pp 0
pp 0
第一项 第二项
† †
第一项是凝聚态下的原子数目
第二项代表没有真正激发态出现时，相 互作用产生的消耗，通过估算该项可以 得到零度下基态的具体损耗
玻色原子气体的基态和激发态性质
LOGO
论文主要内容
均匀玻色气体的基态能量 均匀玻色气体中凝聚体的损耗 约束气体中的激发 非零温度下的激发态
理论研究方法
1、 Bogoliubov近似 2、 Hartree-Fock近似 3、 Popov近似 4、半经典近似
什么是玻色原子气体？
由发生玻色-爱因斯坦凝聚现象的原子组成的 气体，称为玻色原子气体，也称玻色气体。
玻色-爱因斯坦凝聚现象：高能物理状态下，原来 不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般 是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了
同一种状态。
玻色-爱因斯坦凝聚现象：高能物理状态下，原来 不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般 是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了
同一种状态。
一、均匀玻色气体中凝聚体的损耗
2、粒子数增多的激发态
状态与方法：
粒子数为N时，对时间有依赖性的
Gross–Pitaevskii波函数可以写成 e
i N
t
/
。
改变粒子数目有两种影响：
一是改变 ，二是改变对时间的依赖性。
结论：系统表现为一个无相互作用的玻色-
激发的聚集，加上一个对应凝聚态中粒子数 增加时额外的项。