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 Квантовая электродинами­ка Сла­бое взаимодействие). Квантовая электроника Физические основы. Рис. 1. a — спонтанное излучение фотона; б — вынужденное излучение; в — резонанс­ное поглощение; ξ 1 (испуска­ние фотона, рис. 1, б Р = ћ. (2) Историческая справка. Утверждения А. Эйнштейна и П. Дирака о вынуж­денном излучении формировались при­менительно к Квантовые генераторы Квантовые кристаллы Квантовые стандарты ча­стоты

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.

из вакуума др. пары qq^~, «обесцвечива­ющие» разлетающиеся кварки и прев­ращающие их в две струи адронов (рис. 3). Однако к.-л. доказательства этого механизма в КХД отсутствуют. Др. надежда на объяснение невылетания «цветных» кварков и глюонов связана с необходимостью перестройки вакуума вследствие того, что обыч­ная для квант. теории поля гипотеза о «выключении» вз-ствия на бесконеч­ности в КХД может оказаться не­верной, т. к. приводит к кардиналь­ному изменению хар-ра калибровочной симметрии теории (из-за того, что глюоны становятся свободными).

Убывание эфф. заряда (1) с ростом переданного импульса вместе с ро­стом эфф. заряда в объединённой тео­рии эл.-магн. и слабого вз-ствий (см. Слабое взаимодействие) даёт основание надеяться на объединение всех трёх вз-ствий в рамках единой калибровоч­ной теории в области импульсов, в к-рой эфф. заряды станут одинако­выми. В наиб. распространённом ва­рианте это соответствует энергии 10¹⁴—10¹⁶ ГэВ (см. «Великое объедине­ние»}.

• Г л э ш о у Ш., Кварки с цветом и аро­матом, [пер. с англ.], «УФН», 1976, т. 119, в. 4, с. 715; Нам б у Й., Почему нет свобод­ных кварков, [пер. с англ.], там же, 1978, т. 124, в. 1, с. 147.

А. В. Ефремов.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИ­КА (КЭД), квантовая теория взаимо­действующих эл.-магн. полей и заряж. ч-ц. Часто КЭД называют ту часть квант. теории поля, в к-рой рассма­тривается вз-ствие эл.-магн. и электронно-позитронного полей. Эл.-магн. поле в такой теории появляется как калибровочное поле. Квантом этого поля явл. фотон — ч-ца с нулевой массой покоя и спином 1, а вз-ствие двух эл-нов есть результат обмена между ними виртуальными фотонами. Безразмерной константой, характери­зующей интенсивность взаимодейст­вия, явл. постоянная тонкой струк­туры =e²/ћc^I/₁₃₇ [точнее, ^-1=137,035987(29)]. Благодаря ма­лой величине а осн. расчётным ме­тодом в КЭД явл. возмущений тео­рия, наглядное графич. изображе­ние к-рой дают Фейнмана диаграммы.

Правильность КЭД подтверждена громадным числом экспериментов во всём доступном интервале расстоя­ний (энергий), начиная от космиче­ских — 10²⁰ см и вплоть до внутри-частичных — 10^-16 см. КЭД описыва­ет такие процессы, как тепловое излу­чение тел, Комптона эффект, тормозное излучение и др. Однако наиб. характерными для КЭД явл. процес­сы, связанные с поляризацией вакуума.

Первый наблюдённый эффект КЭД — лэмбовский сдвиг уровней анергии. С рекордной точностью вычис­ляется и т. н. аномальный магн. мо­мент эл-на. Магн. момент — величина, обусловливающая вз-ствие покоящейся ч-цы с внеш. магн. полем. Из квант. теории эл-на Дирака следует, что эл-н должен обладать магн. мо­ментом, равным магнетону Бора: _Б= ећ/2mc (где m — масса эл-на). В КЭД поправки, появляющиеся в вы­ражении для энергии такого вз-ствия, естественно интерпретировать как результат появления «вакуумных» до­бавок к магн. моменту (см. Кванто­вая теория поля). Эти добавки, впер­вые теоретически исследованные амер. физиком Ю. Швингером, и наз. ано­мальным магн. моментом. Вычислен­ное значение магн. момента эл-на

_теор=_Б[1+/2-0,328478(/)²+1,184175(/)³=1,00115965236(28)_Б

находится в прекрасном согласии с экспериментальным значением: _эксп=1,00115965241(21)_б.

Характерным эффектом КЭД явл. рассеяние света на свете. В классич. электродинамике этот эффект отсутст­вует: эл.-магн. волны рассматривают­ся в ней как невзаимодействующие. В КЭД эффект становится возможным благодаря вз-ствию с флуктуациями электрон-позитронного вакуума.

Диаграмма Фейнмана, изображён­ная на рис., соответствует след. про­цессу. В нач. со­стояния — два фо­тона (волнистые ли­нии); один из них в точке 1 исчеза­ет, породив вирту­альную электрон-позитронную пару (сплошные линии); второй фотон в точке 2 поглощается одной из ч-ц этой пары (на приведённой диаграм­ме — позитроном). Затем появляются конечные фотоны: один рождается в точке 4 виртуальным эл-ном, другой возникает в результате аннигиляции виртуальной пары электрон-позитрон в точке 3. Благодаря виртуальным электрон-позитронным парам появ­ляется вз-ствие между фотонами, т. е. принцип суперпозиции эл.-магн. волн нарушается. Это должно проявляться в таких процессах, как рассеяние све­та на свете. Экспериментально на­блюдался имеющий несколько боль­шую вероятность процесс рассеяния фотонов на внеш. электростатич. поле тяжёлого ядра, т. е. на виртуальных фотонах (т. н. дельбрюковское рассеяние). «Высшие» (радиа­ционные) поправки, вычисляемые по методу возмущений, появляются также в процессах рассеяния заряж. ч-ц и в нек-рых др. явлениях.

Ещё один класс «вакуумных» эф­фектов, предсказываемых теорией,— рождение пар частиц-античастиц в очень сильных (как статических, так и переменных) эл.-магн. и гравитац. полях. Последние обсуждаются, в частности, в связи с космологич. про­блемами, связанными с ранними фа­зами эволюции Вселенной (рождение пар в гравитационном поле чёрных дыр).




Интересен в принципиальном отно­шении процесс аннигиляции электрон-позитронной пары в виртуальный фо­тон, к-рый далее превращается в нуклон-антинуклонную пару или в др. адроны. Этот процесс — пример тесного переплетения физики лептонов и адронов. Важность анализа такого рода процессов особенно возросла пос­ле появления экспериментов на встреч­ных электрон-позитронных пучках.

В наст. время КЭД рассматривается как составная часть единой теории слабого и эл.-магн. вз-ствий (см. Сла­бое взаимодействие).

• Фейнман Р., Квантовая электроди­намика, пер. с англ., М., 1964; Вайнберг С., Свет как фундаментальная частица, [пер. с англ.], «УФН», 1976, т. 120, в. 4, с. 677; Электромагнитные взаимодействия и струк­тура элементарных частиц. Сб. статей, пер. с англ., М., 1969; Физики о физике (Элемен­тарные частицы). Сб., М., 1977.

А. В. Ефремов.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, об­ласть физики, изучающая методы уси­ления и генерации эл.-магн. колеба­ний и волн, основанные на использо­вании вынужденного излучения, а так­же св-ва квант. усилителей и генера­торов и их применения. Практич. ин­терес к оптич. квант. генераторам— лазерам обусловлен тем, что их излу­чение обладает высокой степенью на­правленности и монохроматичности, а также значительной интенсивностью. Квант. генераторы радиодиапазона от­личаются от др. радиоустройств вы­сокой стабильностью частоты гене­рируемых колебаний, а квант. усили­тели радиоволн — предельно низким уровнем шумов.

Физические основы. Эл.-магн. волны могут испускаться атомами, молекула­ми и др. квант. системами, обладающи­ми нек-рой избыточной внутр. энергией (возбуждёнными). Переход атома с более высокого уровня энергии ξ₂ на более низкий ξ₁ может сопровож­даться испусканием кванта излучения частоты , определённой соотноше­нием:

=(ξ₂-ξ₁)/ћ. (1)

Переход с нижнего уровня ξ₁ на верхний ξ₂ может происходить при поглощении кванта той же частоты.



Рис. 1. a — спонтанное излучение фотона; б — вынужденное излучение; в — резонанс­ное поглощение; ξ₁ и ξ₂ — уровни энергии атома.


Возбуждённые ч-цы могут отдавать свою энергию в виде эл.-магн. квантов двумя способами — самопроизвольно (спонтанное излучение, рис. 1, а) и под воздействием внешнего излучения, если его частота удовлетворяет ус-

270


ловию (1) (рис. 1, б). Вероятность вынужденного испускания, предска­занного А. Эйнштейном в 1916, пропорц. интенсивности вынуждающего излучения и может превосходить ве­роятность спонтанного процесса. Су­щественно, что кванты вынужденного излучения неотличимы от первичных. Они обладают такой же частотой, фа­зой, поляризацией и направлением рас­пространения (А. Эйнштейн, П. Ди­рак, 1927). Это имеет основополагаю­щее значение для К. э., т. к. форми­руется эл.-магн. волна, являющаяся точной, только усиленной, копией ис­ходной волны. С ростом числа актов вынужденного испускания интенсив­ность волны возрастает, а её частота, фаза, поляризация и направление рас­пространения остаются неизменными. Происходит когерентное усиление эл.-магн. излучения. В К. э. в отличие от традиционной электроники реали­зуется метод прямого усиления эл.-магн. полей без их преобразования в процессе усиления в потоки заряжен­ных ч-ц.

Для одной ч-цы вынужденные пере­ходы с уровня ξ₂ на ξ ₁ (испуска­ние фотона, рис. 1, б) и с нижнего на верхний (поглощение рис. 1, в) равновероятны. Поэтому когерент­ное усиление волны возможно только при превышении числа возбуждён­ных ч-ц над невозбуждёнными. В ус­ловиях термодинамич. равновесия верхние уровни энергии населены ч-цами меньше, чем нижние, в соответ­ствии с Больцмана распределением. Состояние вещества, при к-ром хотя бы для двух уровней энергии ч-ц верхний уровень оказался населён­ным сильнее, чем нижний, наз. со­стоянием с инверсией населённостей, а само вещество — активной средой. В К. э. используются разл. активные среды для усиления и генерации эл.-магн. волн.

Необходимую для возбуждения ге­нерации положит. обратную связь осуществляет объёмный резонатор, в к-рый помещается активная среда. В какой-то точке резонатора неиз­бежно происходит спонтанный пере­ход ч-цы активной среды с верхнего уровня на нижний, т. е. самопроиз­вольно испускается фотон. Если резо­натор настроен на частоту этого фото­на, то фотон не выйдет из резонатора, а многократно отражаясь от его сте­нок, в свою очередь, будет воздей­ствовать на активное вещество, вы­зывая всё новые акты вынужденного испускания таких же фотонов (обратная связь). В результате в резонаторе накапливается эл.-магн. энергия, часть к-рой можно вывести наружу. Если в какой-то момент мощность вынуж­денного излучения превысит мощность потерь энергии на нагрев стенок ре­зонатора, рассеяние излучения и т. п., а также на полезное излучение во внешнее пространство, то в резона­торе возбуждается генерация. Частота колебаний с высокой степенью точности совпадает с частотой со пе­рехода возбуждённых ч-ц. Интенсив­ность генерации определяется числом возбуждённых ч-ц в 1 с в каждом см³ активной среды. Если скорость обра­зования таких ч-ц  см^-3 с^-1, то максимально возможная мощность из­лучения в 1 см³ среды в непрерывном режиме равна:

Р = ћ. (2)

Историческая справка. Утверждения А. Эйнштейна и П. Дирака о вынуж­денном излучении формировались при­менительно к оптике, однако раз­витие К. э. началось в радиофизике. В условиях термодинамич. равнове­сия высоко расположенные оптич. уровни энергии практически не засе­лены, т. е. возбуждённых ч-ц в ве­ществе мало. Кроме того, при малых плотностях световой энергии оптич. спонтанные переходы более вероятны, чем вынужденные. Поэтому, именно в оптике отсутствовали источники строго гармонич. колебаний и волн, хотя понятие монохроматичности излу­чения возникло в оптике. В радиофи­зике, наоборот, вскоре после появле­ния первых искровых радиопередат­чиков развивается техника получе­ния гармонич. колебаний, создаваемых генераторами с колебательными кон­турами и регулируемой положит. обратной связью. Немонохроматич­ность излучения обычных источников света и отсутствие в оптике методов и концепций развитых в радиофизи­ке, в частности понятия обратной связи, послужили причиной того, что квант. генераторы (мазеры) появи­лись в радиодиапазоне раньше, чем в оптич. диапазоне.

То обстоятельство, что К. э. роди­лась в радиодиапазоне, объясняет возникновение термина «квант. ра­диофизика». Однако термин «К. э.» имеет более общий смысл, охватывая и оптич. диапазон.

В 1-й пол. 20 в. радиофизика и оп­тика шли разными путями. В оптике развивались квант. представления, в радиофизике — волновые. Общность радиофизики и оптики, обусловленная общей квант. природой эл.-магн. волн. процессов, не проявлялась до тех пор, пока не возникла радиоспектро­скопия. Особенность радиоспектроскопич. исследований состояла в ис­пользовании источников монохроматич. излучения и в том, что в радиоди­апазоне спонтанное излучение гораздо слабее, а возбуждённые уровни за­селены за счёт теплового возбужде­ния уже при комнатных темп-рах (T~300К). Это обстоятельство ска­зывается на резонансном поглощении радиоволн. Радиоспектроскопич. ис­следования породили идею о том, что путём создания инверсии населённостей уровней в среде можно добить­ся усиления радиоволн. Если же к.-л. система усиливает радиоизлучение, то

при соответствующей обратной связи она будет генерировать это излучение. В первом приборе К. э.— молекуляр­ном генераторе, созданном в 1955 од­новременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и в США (Дж. Гор­дон, X. Цайгер, Ч. Таунс), активной средой являлся пучок молекул аммиа­ка NH₃ (см. Молекулярные и атомные пучки). Из пучка молекул выбира­лись более возбуждённые молекулы и отбрасывались в сторону молекулы, обладавшие меньшей энергией. От­сортированный пучок возбуждённых молекул пропускался через объёмный резонатор, в к-ром возбуждалась ге­нерация. Относит. стабильность ча­стоты колебаний / ~ 10^-11 — 10^-13.

(О

Квантовые генераторы открыли но­вые возможности в создании сверх­точных часов и точных навигац. сис­тем (см. Квантовые стандарты ча­стоты, Квантовые часы).

Получение инверсии населённостей путём отбора возбуждённых ч-ц не всегда возможно, в частности это не­возможно в твёрдых телах. Поэтому уже в 1955 был предложен т. н. ме­тод трёх уровней (Басов, Прохоров).



На ч-цы, имеющие в энергетич. спек­тре три уровня ξ₁ ξ₂, ξ₃ (рис. 2, а), воздействуют мощным излучением (на­качкой), к-рое, поглощаясь, «пере­качивает» их с уровня ξ₁ на уровень ξ₃ до т. н. насыщения, когда их на­селённости становятся одинаковыми (рис. 2, б). При этом для одной пары уровней ξ₁, ξ₂ или ξ₂, ξ₃ будет иметь место инверсия населённостей. Метод трёх уровней был применён (1956, США) для создания квантовых усилителей СВЧ на парамагнитных кристаллах.

Успехи К. э. дали возможность её продвижения в сторону более корот­ких волн. Существенную трудность представляла разработка резонаторов. Для субмиллиметрового и оптич. из­лучений резонаторы в виде закрытых полостей изготовить невозможно. В 1958 был предложен первый открытый, резонатор (Прохоров) для субмиллиметрового диапазона. Резонатор пред­ставлял собой два параллельных хо­рошо отражающих металлич. диска, между к-рыми возникает система сто­ячих волн.

В 1960 был создан первый лазер (Т. Мейман, США). В качестве рабо­чего вещества в нём использовался

271


монокристалл рубина, а для получе­ния инверсии населённости был при­менён метод трёх уровней. Отражаю­щими зеркалами резонатора служили хорошо отполированные и посереб­рённые торцы кристалла. Источни­ком накачки была лампа-вспышка. Ру­биновые лазеры наряду с лазерами на стекле с примесью неодима дают ре­кордные энергии и мощности (см. Твердотельные лазеры). В 1961 был разработан газовый лазер (А. Джаван, У. Беннетт, Д. Гарриот, США) на смеси неона и гелия. В 1961 предложен (Басов с сотр.), а в 1962 реализован (Р. Хол, а также У. Думке с сотруд­никами, США) инжекционный полу­проводниковый лазер.

Для получения инверсии населён­ности в мазерах и лазерах использу­ются разл. физ. механизмы. Но еди­ным и главным для всех методов явл. необходимость преодоления процессов релаксации. Препятствовать процессам восстановления равновесной населён­ности можно, только затрачивая энер­гию. При этом в лазерное излучение преобразуется, как правило, малая доля энергии накачки. Однако «про­игрыш» в кол-ве энергии излучения компенсируется в К. э. выигрышем в его качестве — монохроматичности и направленности.

Монохроматичность и высокая на­правленность позволяют сфокусиро­вать всю энергию лазерного излуче­ния в пятно с размерами, близкими к длине волны излучения. В этом слу­чае электрич. поле световой волны достигает значений, близких к вну­триатомным полям. При вз-ствии та­ких полей с веществом возникают со­вершенно новые явления (см. Лазер­ное разделение изотопов, Лазерная плазма и др.).

Приборы К. э. революционизирова­ли радиофизику и оптику. Наиболее глубокие преобразования К. э. внесла в оптику. Если в радиофизике К. э. лишь резко улучшила чувствитель­ность усилителей и стабильность ча­стоты генераторов, то в оптике К. э. дала источники света, обладающие со­вершенно новыми св-вами, позволяю­щие концентрировать световую энер­гию в пространстве во времени и в узком спектральном интервале. Это привело к рождению новых областей науки и техники — лазерной химии, нелинейной оптики, голографии, ла­зерной технологии и др.

Создание и развитие К. э. было от­мечено Нобелевской премией по фи­зике в 1964 (Басов, Прохоров, СССР, и Ч. Таунс, США).

• Квантовая электроника, М., 1969 (Малень­кая энциклопедия); Прохоров А. М., Квантовая электроника, «УФН», 1965, т. 85, в. 4, с. 599; Басов Н. Г., Полупроводни­ковые квантовые генераторы, там же, с. 585; Таунс Ч., Получение когерентного излу­чения с помощью атомов и молекул, пер. с англ., там же, 1966, т. 88, в. 3, с. 461; П а н т е л Р., II у т х о в Г., Основы квантовой

электроники, пер. с англ., М., 1972; Я р и в А., Квантовая электроника, пер. с англ., М., 1980.

Н. В. Карлов.

КВАНТОВЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кри­сталлы, характеризующиеся большой амплитудой нулевых колебаний ато­мов (колебаний вблизи T=0К), срав­нимой с кратчайшим межатомным рас­стоянием, вследствие чего они облада­ют необычными физ. св-вами, объяс­нимыми только в рамках квант. тео­рии. Из известных на Земле в-в только изотопы гелия ³Не и ⁴Не при давле­ниях выше 3•10⁴ Па образуют К. к. Квант. эффекты наблюдаются также у кристаллов Ne и в меньшей степени у кристаллов др. инертных газов. В недрах нейтронных звёзд, возмож­но, существуют К. к., состоящие из нейтронов.

К. к. занимают промежуточное по­ложение между квантовыми жидко­стями и обычными кристаллами. Де­фекты, в частности вакансии, не лока­лизованы, а в виде своеобразных квазичастиц (вакансионов или дефектонов) распространяются по кристаллу. Это приводит к тому, что коэфф. диффузии и самодиффузии в К. в. не обращаются в 0 при Т=0 К.

При Т < 1 К рост и плавление К. к. могут происходить практически бездиссипативно. Это обеспечивает воз­можность существования слабо зату­хающих колебаний поверхности К. к. (кристаллизац. волны).

• Андреев А. Ф., Диффузия в кванто­вых кристаллах, «УФН», 1976, т. 118, в. 2, с. 252; Андреев А. Ф., Л и ф ш и ц И. М., П и т а е в с к и й Л. П., Новые со­стояния вещества — квантовые кристаллы и квантовые жидкости, в кн.: Наука и чело­вечество, М., 1979.

С. М. Стишов.

КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧА­СТОТЫ, устройства для точного из­мерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой, в к-рых ис­пользуются квант. переходы (ато­мов, молекул, ионов) из одного энергетич. состояния в другое.



Рис. 1. Схема атомно-лучевой цезиевой трубки: 1 — источник пучка; 2 и 4 — отклоняющие маг­ниты; 3 — объёмный ре­зонатор; 5 — раскалён­ная вольфрамовая про­волочка (детектор); в — коллектор ионов.


К. с. ч. позволяют измерять частоту колеба­ний, а следовательно, и их период (время) с наибольшей достижимой в настоящее время точностью (см. ни­же). Это привело к их внедрению по­мимо лабораторной практики в мет­рологию и службу времени. К. с. ч.— основа нац. эталонов частоты и вре­мени и вторичных эталонов частоты. К. с. ч. характеризуется высокой ста­бильностью в течение длит. времени. К. с. ч. принято разделять на два класса; активные К. с. ч. (квантовые генераторы) и пассив­ные К. с. ч., в к-рых измеряемая частота сравнивается с частотой фиксиров. спектр. линии. Сначала были усовершенствованы пассивные К. с. ч.

на пучках атомов Cs. В 1967 междунар. соглашением длительность се­кунды определена как 9192631770,0 периодов колебаний, соответствующих определённому переходу между уров­нями энергии единств. стабильного изотопа цезия ¹³³Cs. В цезиевом стан­дарте частоты наблюдается контур спектр. линии ¹³³Cs, частота, соответ­ствующая вершине линии, сравнива­ется с измеряемой частотой с помощью спец. устройств.

Гл. частью цезиевого К. с. ч. явл. т.н. атомнолучевая труб­ка, в одном конце к-рой расположен источник атомов Cs (полость наполне­ния жидким Cs, рис. 1), соединённая с остальной трубкой узким каналом (или системой параллельных капил­ляров). Жидкий Cs поддерживается при темп-ре ок. 100°С, когда давление паров ещё мало, и атомы, вылетая из источника, формируются в слабо рас­ходящийся пучок (см. Молекулярные и атомные пучки). В противополож­ном конце трубки расположен детек­тор атомов Cs, состоящий из раска­лённой вольфрамовой проволочки 5 и коллектора 6. Как только атом Cs касается проволочки, он отдаёт ей эл-н н в виде иона притягивается к коллектору. В цепи между коллекто­ром и проволочкой возникает элек­трич. ток, пропорц. интенсивности цезиевого пучка (детектор с по­верхностной ионизацией).

По пути от источника к детектору пучок атомов пересекает два постоян­ных неоднородных магн. поля