Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Пирс Дж. -> "Квантовая электроника" -> 10

Квантовая электроника - Пирс Дж.

Пирс Дж. Квантовая электроника — М.: Мир, 1967. — 138 c.
Скачать (прямая ссылка): kvantovayaelektronika1967.djvu
Предыдущая << 1 .. 4 5 6 7 8 9 < 10 > 11 12 13 14 15 16 .. 46 >> Следующая


На заре радиотехники, когда радиосвязь осуществлялась только на длинных волнах, доминирующими источниками помех ,были различные виды атмосферных разрядов, воздействовавших на приемник через его антенну. Эти атмосферные помехи значительно превышали другие виды шумов. Но, по мере того как в практике радиосвязи стали применяться все более высокие частоты, было выяснено, что с ростом частоты шум становится более рав-

29 номерным, а уровень его понижается. Действительно, в широковещательном диапазоне (частоты порядка около мегагерца) сильнее всего сказываются трески и шорохи, вызываемые летними грозами. А в диапазоне волн, предназначенных для телевизионных передач и вещательных передач с частотной модуляцией (частоты порядка 100 Мгц), помехи этого вида очень слабы, зато становятся очень заметными помехи, создаваемые, например, системами зажигания автомобилей. Наконец, при достаточно высоких частотах постепенно перестают играть роль шумы, вызываемые и грозовыми разрядами и различными машинами, которые построил человек.

Джонсоновский, или тепловой, шум

И все-таки с повышением частоты пропадают не все шумы. В 1928 году Гарольд Фриис построил рассчитанный на частоту 20 Мгц приемник столь высокой чувствительности, что с его помощью удалось обнаружить фундаментальный, уже ничем не устранимый шум, который был назван джонсоновским, или тепловым, шумом. Кстати, именно этот приемник с неслыханной для того времени чувствительностью позволил Карлу Янскому открыть космический радиошум и тем самым сделать первый решительный шаг в новой, революционной области науки— радиоастрономии.

На еще более высоких частотах, в области сантиметровых и миллиметровых волн (тысячи мегагерц), ни атмосферные разряды, ни промышленные шумы уже не создают сколько-нибудь заметных помех. В этом диапазоне шумы, принимаемые антеннами, падают до уровня джонсоновского теплового шума —шума, генерируемого всеми телами во Вселенной. Джонсоновский тепловой шум представляет собой радиочастотную часть электромагнитного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами, то есть вообще любыми телами, температура которых выше абсолютного нуля. Но ведь именно этот спектр электромагнитного излучения, присущий нагретым телам, был правильно объяснен в 1900 году Максом Планком и именно эта работа Планка явилась первым успешным шагом ученых на пути к пониманию квантовых явлений! Итак, явление, которое принципиально ограни-

30 чивает возможности радиосвязи, представляет собой фундаментальный квантовый эффект.

Мы знаем, что теплота — это форма движения, микроскопического беспорядочного движения молекул, а температура тела показывает нам, насколько энергично возбуждение его молекул. Когда температура воды достигает точки кипения, движение молекул становится настолько быстрым, что они уже не могут удерживаться друг около друга в объеме жидкости и испаряются через ее поверхность. Когда воду охлаждают, движение молекул слабеет и при температуре замерзания становится столь незначительным, что силам, притягивающим молекулы друг к другу, удается наконец скрепить их в твердую структуру, которую мы и называем льдом. Молекулы льда тоже еще движутся, но это лишь колебания молекул относительно среднего положения.

Колебания, определяющие тепловую энергию твердых тел вроде льда, можно представить себе как хаотические звуковые волны, распространяющиеся во всех направлениях внутри тела, подобно звукам в людной комнате. Амплитуды этих волн полностью определяются температурой твердого тела, они гораздо меньше, чем у слышимых нами звуков.

В некоторых случаях мы даже можем наблюдать движение микроскопических частиц, вызванное теплотой. Когда шотландский ботаник Роберт Броун (1773—1858) поместил под микроскоп каплю воды с крошечными крупинками цветочной пыльцы, он увидел, что эти крупинки все время «прыгают» с места на место. Возбужденные молекулы воды, сталкиваясь с крошечными частицами пыльцы, заставляли их хаотически двигаться. Можно наблюдать и движение, обусловленное тепловыми колебаниями; оно проявляется, например, в форме случайных поворотов предмета, подвешенного на очень тонкой кварцевой нити. Так, беспорядочные подрагивания зеркалец в особо чувствительных гальванометрах обусловлены именно тепловыми колебаниями.

Молекулы веществ состоят из атомов, а все атомы содержат электроны и протоны — электрически заряженные частицы. Когда атомы вещества находятся в колебательном движении, которое мы называем теплотой, они хаотически излучают электромагнитные волны всевозможных частот. Пользуясь терминами квантовой теории,

Зі можно сказать, что атомы испускают кванты разнообразных энергий. Вот эти-то кванты и создают тот фундаментальный, принципиально неустранимый электромагнитный шум, который мешает нам в радиотехнике даже на сверхвысоких частотах.

Вычисление электромагнитной энергии

Излучение электромагнитных волн нагретыми телами — тепловое излучение—доставляет много неприятностей в технике связи на волнах сверхвысокочастотного диапазона. Но это же излучение переносит к нам энергию Солнца. И, естественно, тепловое излучение заслуживает пристального внимания каждого, кто интересуется физикой и техникой. В качестве первого шага при изучении этого явления нужно научиться вычислять интенсивность хаотического электромагнитного излучения, обусловленного теплотой, и выяснить, как зависит его энергия от температуры. Физики решают эту задачу, рассматривая электромагнитное излучение в замкнутой полости с отражающими стенками. Такая полость действует как электромагнитный резонатор, в котором одновременно существуют многие различные виды или типы колебаний, подобно тому как скрипичная струна или труба органа имеют множество резонансных частот, или гармоник (обертонов), на которых они могут вибрировать. Каждому виду колебаний или пространственной конфигурации поля соответствует своя определенная частота. Пространственные конфигурации электрического и магнитного полей у различных видов колебаний отличаются друг от друга и могут быть очень сложными.
Предыдущая << 1 .. 4 5 6 7 8 9 < 10 > 11 12 13 14 15 16 .. 46 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed