أولاً/ تسخين الذرات
- طبقاً للنظرية الحركية للمادة فأن كل المواد تتكون من ذرات وجزيئات تتحرك باستمرار.
- عند إضافة الحرارة إلى مادة ما ، تهتز الجزيئات والذرات بشكل أسرع.
- عندما تهتز الذرات بشكل أسرع ، تزداد المسافات بين الذرات.
- تحدد حالة المادة (صلبة / سائلة / غازية) حركة الجسيمات والمسافة بينها.
- النتيجة النهائية لزيادة الحركة الجزيئية هي أن الجسم يتمدد ويأخذ مساحة أكبر.
- كتلة المادة تبقى كما هي بعد إضافة الحرارة أو التسخين على الرغم من أن السوائل والمواد الصلبة والغازات تمدد.
- عندما تفقد المادة هذه الحرارة يمكن أن تقترب الذرات مما يؤدي إلى تقلص المادة (والكتلة لا تتغير أيضاً).
- المواد الصلبة مثل الأرصفة والجسور وخطوط الهاتف ومسارات السكك الحديدية تتمدد جميعها في يوم صيفي حار ، وينكمشون عندما يفقدون حرارتهم.
- تتمدد السوائل عند تسخينها وتنكمش عند تبريدها. فكر في الزئبق في ميزان الحرارة.
- تتمدد الغازات عند تسخينها وتقلص عند تبريدها. على سبيل المثال ، سيتمدد البالون إذا ترك في سيارة ساخنة. وستصبح أصغر إذا تم وضعها في الثلاجة.
ثانيا / تبريد الذرات
- يرتبط كثيراً مفهوم الضوء بالحرارة هذا صحيح فأن تعرض أى جسم لضوء في أغلب الحالات يولد حرارة وهنا يبرز السؤال كيف يمكن لليزر أن يبرد الذرات؟
- لكي تجد إجابة على هذا السؤال لابد أن تفهم مصطلح درجة الحرارة وببساطة فأن درجة الحرارة هي مقياس لما تحويه المادة من الطاقة. وإذا تعمقنا أكثر فأن درجة الحرارة تزيد من حركة الجزيئات أى كلما زادت درجة الحرارة فإن جزيئات ستتحرك بسرعة وتكون طاقتها الحركية كبيرة.
- كلما كانت الجزيئات أبرد كانت سرعتها أخفض وطاقتها أقل.
- يتطلب التبريد انتزاع طاقة من الجسم وإيداعها في مكان آخر.
- قد تمكن العلماء بواسطة كثافة بوز اينشتاين من التوصل إلى درجات حرارة في سُحُب من غازات ذرية أقل من نانوكلفن واحد (جزء من المليون من الكلفن) وذلك عن طريق الجمع بين التبريد بالليزر والتبريد بالتبخير. أما الرقم القياسي الحالي فهو 450 بيكوكلفن (نصف جزء من المليون من الكلفن).
- فى التبريد بالليزر يمتص فوتون ليزري وارد ثم يعاد إصداره في اتجاه مختلف. ووسطياً يكون لون الفوتون المنتثر منزاحاً قليلاً نحو الأزرق بالنسبة إلى ضوء الليزر، بمعنى أن للفوتون المنتثر طاقة أعلى قليلاً من طاقة الفوتون الممتص ، وبما أن الطاقة الكلية محفوظة فالفرق في طاقة الفوتون يُنتزع من حركة الذرات - أى أن الذرات تتباطأ.
- حين تصبح السحابة الذرية أكثف وأبرد تهيمن على التبريد عمليات أخرى وبنتيجتها تبقى لدى الذرات بعض الحركة الارتجافية. ويصاحب هة السيروات تحرير طاقة من التصادمات بين الذرات والارتدادت العشوائية لدى انتثار الضوء.
- تصبح الذرات عند هذا الحد باردة لدرجة تكفي لحصرها بوساطة حقول مغنطيسية.
- عادة ما يتم اختيار الذرات فيها إلكترون مفرد، أى التى يكون لها عزم مغنطيسي. حيث تسلك هذة الذرات سلوك قضبان مغناطيسية صغيرة. وتجعل الحقول المغناطيسية الخارجية الذرات تعوم متغلبة على الثقالة وتبقيها مع بعضها.