От лат cavitas пу­стота), образование в капельной жид­кости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т н. кавитац пузырьков или каверн). Кавитац

Вид материала

Документы

Содержание Рис. 2. Пучок атомов Cs в неоднородном магн. поле H Рис. 3. Форма спектр. линии: а — неиска­жённой, б — наблюдаемой в случае П-образного резонатора. Рис. 4. Цезиевая трубка с П-образным резонато­ром (обозначения те же, что и на рис. 1). Рис. 5. Устройство водородного генератора: 1 — источник пучка; 2 — сортирующая сис­тема (многополюсный магнит); 3 — резона­тор; М. Е. Жаботинский. Рис. 2. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптич. накачкой: рубидиевая лам­па низкого давления 1 освещает колбу 2, напол­ненн Рис. 3. Уровни энергии атомов Доплера эффект. Квантовые числа Д. В. Гальцов.

Подобный материал:

• Вывихи. Переломы, 241.71kb.
• От лат evaporo испаряю и греч grapho пи­шу), метод получения изображений объектов, 2696.94kb.
• Реферат от лат rеfеrо "сообщаю", 198.27kb.
• Абсцесс и гангрена легкого определение заболевания острый абсцесс легкого, 403.26kb.
• Перелом подвздошной кости; перелом вертлужной впадины; перелом лобковой кости; открытая, 1124.91kb.
• Вишнев В. Н. Безродная Н. В. Остеохондроз Профилактика и лечение Введение, 623.65kb.
• Реферат от лат. «сообщать», 61.18kb.
• Лекция. Взаимосвязанные рынки, 285.49kb.
• Реферат Реферат, 36.91kb.
• Предыстория или как мне удалось получить музыкальное образование и чем это обернулось, 2157.21kb.

Н₁ и Н₂. Поле h₁ (рис. 2) расщепляет пу­чок на 16 пучков, в к-рых летят ато­мы, находящиеся в разных энергетич. состояниях (осн. уровень Cs расщепля­ется в магн. поле на 16 магн. подуров­ней, см. Зеемана эффект). Для семи из них энергия атома возрастает с увеличением поля, для других семи — убывает, а для двух почти не зависит от поля. При этом семь частей откло­няются в сторону более сильного поля (к N), семь — в сторону уменьшения поля (к S), а два пучка с энергией ξ₁ и ξ₂ летят, почти не отклоняясь, и попадают в поле Н₂. Поле Н₂ на­правляет (фокусирует) на детектор



Рис. 2. Пучок атомов Cs в неоднородном магн. поле H₁; 1 — сечение пучка; атомы летят в направлении, перпен­дикулярном плоскости рис.; 2 — силовые ли­нии поля; 3 — полюс­ные наконечники.

272


только атомы с энергией, соответству­ющей одному из пары уровней ξ₁ξ₂, отклоняя в сторону атомы с энергией, соответствующей другому уровню. В промежутке между полями h₁ и Н₂ атомы пролетают через объёмный ре­зонатор, в к-ром возбуждаются эл.-магн. колебания частоты, отвечающей переходам ξ1ξ₂. Если под влияни­ем эл.-магн. поля атом Cs с энергией ξ₁ перейдёт в состояние ξ₂ или атом с энергией ξ₂ в состояние ξ₁ то поле Н₂ направит их от детектора, ток детектора уменьшится на величину, пропорц. числу атомов, совершивших переход (возможна и др. настройка системы, когда резонансу соответ­ствует максимум тока детектора). В цезиевом стандарте используются переходы атома Cs между магн. под­уровнями. Переходы такого типа не могут наблюдаться вне постоянного однородного магн. поля Н, причём частота переходов зависит от напря­жённости поля Н.

Число атомов, совершающих вынуж­денный переход в ед. времени под дей­ствием поля, максимально, если ча­стота действующего на атом эл.-магн поля точно совпадает с частотой пе­рехода. По мере несовпадения (рас­стройки) этих частот число атомов, совершающих вынужденные переходы, уменьшается. Поэтому, плавно меняя частоту эл.-магн. поля и откладывая по горизонтали частоту , а по вер­тикали — изменение тока детектора I, получим контур спектр, линии, соответствующий переходам ξ₁ξ₂, ξ₂ξ₁ (рис. 3, а).



Рис. 3. Форма спектр. линии: а — неиска­жённой, б — наблюдаемой в случае П-образного резонатора.


Частота ₀, соотв. вершине спектр. линии, явл. опорной точкой (репером) на шкале частот, а соответ­ствующий ей период колебаний при­нят равным 1/9192631777,0 с. Точность определения ₀ порядка неск. % (в лучшем случае — доли %) от ширины линии . Точность тем выше, чем уже спектр, линия; отсюда стремление устранить или ос­лабить все причины, приводящие к уширению используемых спектр. ли­ний. В цезиевых стандартах уширение спектр. линии обусловлено временем вз-ствия атомов с эл.-магн. полем ре­зонатора; чем меньше время, тем шире линия (см. Неопределённостей соот­ношения, Ширина спектральных ли­ний). Время вз-ствия совпадает со временем пролёта атома через резо­натор; оно пропорц. длине резона­тора и обратно пропорц. скорости ато­мов. Уменьшать скорость атомов, по­нижая темп-ру, невозможно, т. к. при этом падает интенсивность пучка. Длина резонатора также не может быть

сделана очень большой из-за рассея­ния атомов и вследствие того, что пу­чок должен находиться в однородном (по величине и направлению) поле Н, что в большом объёме затруднительно.

Преодоление этой трудности и полу­чение узкой спектр. линии достига­ется применением резонатора П-образной формы (рис. 4). В этом резона­торе пучок взаимодействует с эл.-магн. полем только вблизи его концов и только в этих двух неболь­ших областях необходима однород­ность и стабильность магн. поля Н. В таком резонаторе спектр. линия приобретает более сложную форму (рис. 3, б), к-рая явл. результатом наложения двух линий, образованных пролётом ч-ц через каждый из концов резонатора. Ширина каждой линии велика. Эта суммарная ширина обра­зует «пьедестал» результирующей линии. Ширина же узкой линии (центр пика), определяющая точность измере­ния, зависит от полного времени про­лёта через резонатор.

Цезиевый стандарт обычно допол­няют устройствами, вырабатывающими определённый набор частот, стабиль­ность к-рых равна стабильности стан­дарта, а иногда и сигналы точного времени (см. Квантовые часы).

Цезиевые К. с. ч. входят в состав нац. эталонов частоты и времени и обеспечивают воспроизведение дли­тельности секунды, а следовательно всей системы измерения частоты и времени с относит. погрешностью, меньшей чем 10^-13. Их преимущество состоит в том, что вторичные цезиевые стандарты (серийное производство) не уступают по точности эталону. Даже малогабаритные цезиевые трубки для лаб. практики и на подвижных объек­тах работают с относит. погрешностью ~10^-11—10^-12.

Наиболее важный активный К. с. ч.— водородный квант. гене­ратор. Пучок атомов водорода выхо­дит из источника (где при низком дав­лении под влиянием электрич. разря­да молекулы водорода расщепляются

на атомы) в установку в виде узкого пучка (рис. 5). Пучок пролетает между полюсными наконечниками много­полюсного магнита 2. Неоднородное магн. поле фокусирует к оси пучка атомы, находящиеся в возбуждённом состоянии, и разбрасывает в стороны атомы, находящиеся в осн. состоянии (см. выше). Возбуждённые атомы про­летают через отверстие в кварцевую колбу 4, находящуюся внутри объём­ного резонатора 3, в к-ром возбужда­ется эл.-магн. поле с частотой, со­ответствующей переходу атомов из возбуждённого состояния в основное.



Рис. 4. Цезиевая трубка с П-образным резонато­ром (обозначения те же, что и на рис. 1).


Фотоны, излучаемые атомами водо­рода, при переходе в основное состоя­ние в течение значит. времени (опре­деляемого добротностью резонатора) остаются внутри него, что создаёт обратную связь, необходимую для са­мовозбуждения квант. генератора. Од­нако достижимые добротность резо­наторов и интенсивность пучков ато­мов водорода всё же недостаточны для самовозбуждения генератора. По­этому стенки кварцевой колбы покры­вают изнутри тонким слоем фторо­пласта (тефлона). Возбуждённые ато­мы водорода могут ударяться о плёнку тефлона ~10⁴ раз, не потеряв при этом свою избыточную энергию.



Рис. 5. Устройство водородного генератора: 1 — источник пучка; 2 — сортирующая сис­тема (многополюсный магнит); 3 — резона­тор; 4 — накопительная колба.


В колбе скапливаются возбуждённые атомы Н, и ср. время пребывания каж­дого из них в резонаторе увеличива­ется примерно до 1 с. Этого достаточно для возбуждения генерации (см. Квантовая электроника). Колба, раз­меры к-рой выбираются меньшими, чем генерируемая длина волны = 21 см, играет ещё одну важную роль. Хаотич. движение атомов во­дорода внутри колбы должно было бы привести к уширению спектр. линии из-за Доплера эффекта. Однако, если движение атомов ограничено объ­ёмом, размеры к-рого < спектр. ли-

273


ния приобретает вид узкого пика, возвышающегося над широким низ­ким пьедесталом. В результате в во­дородном генераторе ширина спектр. линии =1 Гц.

Чрезвычайно малая ширина спектр. линии обеспечивает малую погреш­ность частоты водородного генератора (в пределах 13-го знака). Частота излу­чения водородного генератора, изме­ренная цезиевым эталоном, равна 1420405751,7860 ±0,0046 Гц. Мощ­ность мала (~10^-12 Вт). Поэтому К. с. ч. на основе водородного гене­ратора содержат чувствительный при­ёмник.

Оба описанных К. с. ч. работают в диапазоне СВЧ. Известны др. атомы и молекулы, спектр. линии к-рых поз­воляют создавать активные и пассив­ные К. с. ч. радиодиапазона. Они не нашли практич. применения. Лишь К. с. ч. на атомах ⁸⁷Rb с оптич. накач­кой применяются в качестве вторич­ного стандарта частоты в лаб. прак­тике, в системах радионавигации и в службе времени.

К. с. ч. оптич. диапазона представ­ляют собой лазеры, в к-рых приняты спец. меры для стабилизации частоты их излучения. В оптич. диапазоне доплеровское уширеиие спектр. линий очень велико, и из-за малости  по­давить его так, как это делается в водородном генераторе, не удаётся. Создать эфф. лазер на пучках атомов или молекул пока также не удаётся. Т. к. в пределах доплеровской шири­ны спектр. линии помещается неск. относительно узких резонансов оптич. резонатора, то частота генерации по­давляющего большинства лазеров оп­ределяется не столько частотой исполь­зуемой спектр. линии, сколько раз­мерами резонатора. У оптич. К. с. ч. наименьшая относит. погрешность ча­стоты (~10^-13) достигнута с помощью гелий-неонового лазера, генерирую­щего на волне =3,39 мкм (см. Опти­ческие стандарты частоты).

• Время и частота, пер. с англ., М., 1973; л ь и н В. Г., С а ж и н В. В., Новый Государственный эталон времени и частоты СССР, «Природа», 1977, № 8.

М. Е. Жаботинский.

КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ (атомные часы), устройство для точного измерения времени, основной частью к-рого явля­ется квантовый стандарт частоты. Ход К. ч. регулирует частота излу­чения атомов при их квант. переходах из одного энергетич. состояния в дру­гое. Эта частота столь стабильна при определённых внеш. условиях, что К. ч. позволяют измерять время точ­нее, чем астр. методы (см. Времени измерение). К. ч. применяются в служ­бе времени, системах радионавигации, в астр. обсерваториях, лаб. практике и т. п., вытесняя менее совершенные кварцевые часы.

Сигналы квант. стандартов часто­ты непосредственно не могут быть использованы для приведения в дей­ствие часового механизма, т. к. мощ­ность этих сигналов ничтожна, а ча­стота колебаний, как правило, высока и имеет нецелочисленное значение (напр., мощность водородного гене­ратора составляет 10^-11— 10^-12 Вт, а частота 1420,406 МГц). Для практич. применений нужен набор стандартных высокостабильных частот (1 кГц, 10 кГц, 100 кГц, 1 МГц и т. д.) при достаточной мощности выходного сиг­нала.



Поэтому К. ч., помимо квант. стандарта частоты (репера), содержат спец. электронные устройства, фор­мирующие сетку частот, обеспечиваю­щие действие часового механизма (вращение стрелок часов или смену цифр на их циферблате) и выдачу сиг­налов точного времени.

Большинство К. ч. содержит квар­цевый генератор, частота к-рого кон­тролируется с помощью репера; пе­риодически вносятся поправки, бла­годаря чему точность кварцевых часов повышается до уровня точности са­мого репера. Для нек-рых систем (в частности, навигационных) более ра­циональна автоматич. подстройка ча­стоты кварцевого генератора к ча­стоте репера. В одном из вариантов та­кой системы (фазовая автоподстройка, рис. 1) частота _кв кварцевого генера­тора (обычно ~10—20 МГц) умножа­ется в нужное число (n) раз и в сме­сителе вычитается из частоты репера _р. Подбором _кв и n можно добить­ся, чтобы разностная частота =_р=n_кв=_кв. Сигнал разност­ной частоты после усиления поступает на первый вход фазового детектора, на др. вход к-рого подаются колеба­ния кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак к-рого зависят от разности фаз сигналов на его входе. Это напряжение подаётся на блок уп­равления кварцевым генератором и вызывает сдвиг фазы колебаний гене­ратора, к-рый препятствует отклоне­нию _кв от разностной частоты . Т. о., любое изменение _кв вызывает появление на выходе блока управле­ния напряжение соответствующей величины и знака, сдвигающего _кв в обратном направлении. Частота гене­ратора автоматически поддерживает­ся неизменной. Стабильность частоты кварцевого генератора становится практически равной стабильности ча­стоты репера. Т. н. синтезатор ча­стот формирует из сигнала кварцево­го генератора сетки столь же точных

стандартных частот. Одна из них служит для питания электрич. часов, а остальные используются для метрологич. и др. целей. Погрешность хода лучших К. ч. такого типа ~1с за неск. тыс. лет.

Первые К. ч. были созданы в 1957 в Нац. бюро стандартов США. Репером в них служил квант. генератор на пучке молекул аммиака (молекуляр­ный генератор). В совр. К. ч. иногда используется цезиевый репер. Та­кие К. ч. не нуждаются в калибровке по эталону, т. к. номинальное зна­чение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе. Их недостаток — сравнительно большой вес и чувстви­тельность к вибрациям. Более рас­пространены К. ч. с рубидиевым ре­пером и оптич. накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное зна­чение частоты с относит. погрешно­стью ~10^-11 в год.




Рис. 2. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптич. накачкой: рубидиевая лам­па низкого давления 1 освещает колбу 2, напол­ненную парами ⁸⁷Rb; 3 — объёмный ре­зонатор; 4 — фотодетектор; 5 — усилитель низкой частоты; 6 — фазовый детектор; 7 — генератор низкой частоты; 8 — кварцевый генератор; 9 — умножитель частоты.


Осн. часть рубидиевых К. ч.— объёмный резонатор, в к-ром нахо­дится колба с парами ⁸⁷Rb (рис. 2) при давлении р~10^-3 мм рт. ст. Ре-

274


зонатор настроен на частоту опреде­лённой радиоспектральной линии ⁸⁷Rb (₀=6835 МГц). Однако чувствитель­ность радиоспектроскопа недостаточ­на, чтобы зафиксировать эту линию. Для увеличения чувствительности ис­пользуются оптическая накачка па­ров ⁸⁷Rb и оптич. индикация спек­тральной линии. Колбу освещают,



Рис. 3. Уровни энергии атомов ⁸⁷Rb, исполь­зуемые в рубидиевых часах.


причём частота света совпадает с ча­стотой др. спектральной линии ⁸⁷Rb, лежащей в оптич. диапазоне (газораз­рядная лампа с парами ⁸⁷Rb). Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (напр., фотоэлектрон­ный умножитель). Под действием све­та рубидиевой лампы атомы ⁸⁷Rb воз­буждаются, т. е. переходят из состоя­ния с энергией ξ₂ в состояние ξ₃ (рис. 3). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает на­сыщение (кол-во атомов, находящихся в состояниях ξ₂ и ξ₃, выравнивает­ся). При этом поглощение света в па­рах уменьшается, и они под действием света становятся более прозрачными. Если одновременно с оптич. накач­кой пары ⁸⁷Rb облучить радиоволной с частотой ₀, то атомы ⁸⁷Rb перейдут с уровня ξ1 на уровень ξ₂, в резуль­тате чего поглощение света в парах ⁸⁷Rb увеличится. Источником радио­волны служит кварцевый генератор 8, возбуждающий в резонаторе эл.-магн. поле. При плавном изменении частоты генератора в момент =₀ интен­сивность света, попадающего на фото­приёмник, резко уменьшится.

Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары ⁸⁷Rb, от ча­стоты радиоволны используется для автоматич. подстройки частоты коле­баний кварцевого генератора по ча­стоте радиоспектральной линии ⁸⁷Rb. Колебания кварцевого генератора мо­дулируются по фазе при помощи вспомогат. генератора низкой частоты 7 (см. Модуляция колебаний). Свет, про­ходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой" частотой. Электрич. сиг­нал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор 6, на к-рый поступает также сигнал не­посредственно от низкочастотного ге­нератора. Амплитуда выходного сиг­нала фазового детектора тем больше, чем меньше расстройка частот спек­тральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, из­меняющий частоту кварцевого генера­тора, и поддерживает её значение та­ким, чтобы оно точно совпадало с вер­шиной спектральной линии ⁸⁷Rb.

Точность рубидиевых К. ч. опреде­ляется гл. обр. шириной радиоспек­тральной линии ⁸⁷Rb. Осн. причина уширения — Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами ⁸⁷Rb добавляется буферный газ (при давлении неск. мм рт. ст.). В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на ши­роком низком пьедестале.

Точность рубидиевых К. ч. обус­ловлена также постоянством интен­сивности света лампы (применяется автоматич. регулирование интенсив­ности). Возможно создание рубидие­вых К. ч., в к-рых вместо оптич. ин­дикации применяется квант. генера­тор на парах ⁸⁷Rb. В этих К. ч. не­обходима интенсивная оптич. накач­ка и резонатор со столь высокой доб­ротностью, чтобы выполнялись усло­вия самовозбуждения. При этом пары ⁸⁷Rb в колбе внутри резонатора излу­чают эл.-магн. волны на частоте ₀. Радиосхема таких К. ч. также содер­жит кварцевый генератор и синтеза­тор, но, в отличие от предыдущего, ча­стота кварцевого генератора управля­ется системой фазовой автоподстрой­ки, в которой опорной является ча­стота сигнала рубидиевого генера­тора.

• См. лит. при ст. Времени измерение и Квантовые стандарты частоты.

М. Е. Жаботинский.

КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА, целые или дробные числа, к-рые определяют воз­можные значения физ. величин, ха­рактеризующих квант. системы (ат. ядро, атом, молекулу и др.), отд. элем. ч-цы, гипотетич. ч-цы кварки и глюоны.

К. ч. были впервые введены в физи­ку для описания найденных эмпири­чески закономерностей ат. спектров, однако смысл К. ч. и связанной с ни­ми дискретности нек-рых физ. ве­личин, характеризующих поведение микрочастиц, был раскрыт лишь квант. механикой. Согласно квант. механике, возможные значения физ. величин определяются собств. значениями соот­ветствующих операторов — непрерыв­ными или дискретными; в последнем случае и возникают нек-рые К. ч. (В несколько ином смысле К. ч. иног­да называют величины, сохраняю­щиеся в процессе движения, но не обя­зательно принадлежащие дискр. спек­тру возможных значений, напр. им­пульс или энергию свободно движу­щейся ч-цы.)

Набор К. ч., исчерпывающе опре­деляющий состояние квант. системы, наз. полным. Совокупность состоя­ний, отвечающая всем возможным зна­чениям К. ч. из полного набора, обра­зует полную систему состояний. Со­стояние эл-на в атоме определяется че­тырьмя К. ч. соответственно четырём степеням свободы эл-на, связанным с тремя пространств. координатами и спином. Для атома водорода и водородоподобных атомов это: главное К. ч. (n), орбитальное К. ч. (l), магнитное К. ч. (m_l), магнитное спиновое, или про­сто спиновое, К. ч. (m_s).

При учёте спин-орбитального взаи­модействия (определяющего тонкую структуру уровней энергии) для хар-ки состояния эл-на вместо m_l и m_s применяют К. ч. полного мо­мента количества движе­ния (j) и К. ч. проекции пол­ного момента (ту). Те же К. ч. приближённо описывают состоя­ния отд. эл-нов в сложных (многоэлек­тронных) атомах, а также состояния отд. нуклонов в ат. ядрах (см. Атом, Ядро атомное).

Для хар-ки состояния атома и др. квант. систем вводят ещё одно К. ч.— чётность состояния (Р), к-рое при­нимает значения +1 и -1 в зависи­мости от того, сохраняет волн. ф-ция, определяющая состояние системы, знак при инверсии координат (r-r) или меняет его на обрат­ный. Для атома водорода Р=(-1)^l.

Существование сохраняющихся (не­изменных во времени) физ. величин тесно связано со св-вами симметрии га­мильтониана данной системы. Напр., гамильтониан для ч-цы, движущейся в центрально-симметричном поле, не меняет своего вида при произвольных поворотах системы координатных осей; этой симметрии отвечает сохранение момента кол-ва движения. Более точно, в таком поле сохраняющимися величи­нами, к-рые могут одновременно иметь определ. значения, явл. квадрат мо­мента кол-ва движения и одна из проекций момента, задаваемые К. ч. l и m_l. Применение определ. К. ч. для описания состояний системы взаи­модействующих ч-ц отражает св-ва симметрии этого вз-ствия. Если на систему, имеющую нек-рую симмет­рию, накладывается дополнительное вз-ствие, к-рое такой симметрией не обладает, то соответствующие К. ч. будут определ. образом изменяться в процессе эволюции системы. Так, вз-ствие атома с эл.-магн. волной приводит к изменению перечисленных выше К. ч. согласно отбора правилам.

Помимо К. ч., ассоциируемых с пространственно-временными симметриями гамильтониана, важную роль играют т. н. внутренние К. ч. элем. ч-ц, к-рые не сказываются на поведении изолированной ч-цы, одна­ко проявляются во вз-ствиях ч-ц. Разл. типы вз-ствия характеризуются разными св-вами симметрии, вследст­вие чего К. ч., сохраняющиеся в од­них вз-ствиях, могут изменяться в других. Строго сохраняющимися К. ч. явл. электрический заряд (Q); с хоро­шей степенью точности сохраняются барионный заряд (В) и лептонный заряд (L). Другие внутр. К. ч. сохраняются при одних вз-ствиях и не сохраняют­ся при других. Наиболее важные из них: изотопический спин (I, см. Изотопическая инвариант-

275


ность), к-рый сохраняется в процессах сильного вз-ствия и нарушается эл.-магн. и слабым вз-ствиями; стран­ность (S), «очарование» (С) и «красота» (b), которые сохраняются в сильном и электромагнитном взаимодействи­ях, но нарушаются слабым вз-ствием. Кваркам и глюонам приписывается К. ч. «цвет», к-рое может принимать для кварков три значения, а для глюонов — восемь. Все наблюдавшиеся элем. ч-цы явл. «белыми» («бесцвет­ными»), т. е. составленными из пар или троек кварков с суммированием по трём «цветам». Это К. ч. явл. весьма важным для понимания дина­мики сильного вз-ствия в рамках т. н. квантовой хромодинамики (см. также Квантовая теория поля).

Д. В. Гальцов.