Квантовая электроника - Пирс Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Применения квантовых явлений
Если бы темой этой книги была квантовая механика, я мог бы заполнять страницу за страницей интереснейшими и убедительнейшими примерами квантовых явлений. Но эта книга — о квантовой электронике. В первой ее главе я стремился лишь подготовить читателя, чтобы рассказ об устройстве и принципах действия таких электронных приборов, как мазер, лазер и транзистор, был понятен всем, кто имеет представление о ньютоновских законах движения, законах электричества и магнетизма, но не искушен в области квантовомеханических явлений. В дальнейшем квантовые явления будут для нас уже не предметом изучения, а скорее средством, помогающим понять принципы действия разнообразных устройств.
Мы выясним, что принцип неопределенности неизбежно влечет за собой существование неустранимого шума при усилении очень слабых радио- или световых сигна-
2G лов. Узнаем мы и о том, почему излучение фотонов, имеющих дискретные значения энергии, возбужденными атомами, молекулами или ионами является основой работы мазера и лазера. Мы убедимся, что движение электронов в полупроводниковых веществах, из которых делаются транзисторы, существенно определяется волновыми свойствами. После этого мы перейдем к практическим следствиям и способам использования квантовых явлений, происходящих в мазерах, лазерах и транзисторах.
Иногда я спрашиваю себя: действительно ли я понимаю то, что мне известно о квантовых явлениях, действительно ли удовлетворяют меня услышанные объяснения? Несомненно, в квантовых явлениях много такого, чего я не понимаю и с чем даже не знаком. И время от времени меня тоже мучают вопросы (например, «сквозь какую щель на самом деле прошел фотон или электрон?»), которые оказываются неразрешимыми, потому что нет такого опыта, который помог бы это проверить. Я от души приветствую читателя, если он разделяет чувство неудовлетворенности и растерянности, которое и я, и многие другие испытали, впервые знакомясь с квантовой механикой. Но я знаю наверняка, что квантовая механика привела к пониманию и (как в случае мазера и лазера) изобретению чрезвычайно полезных приборов, а это достижение мне кажется куда более важным, чем те или иные эмоции, которые изредка тревожат мой покой. Глава 2
ШУМЫ
В людной комнате трудно различить отдельный голос: слова теряются в непрерывном людском говоре — тонут в шуме. Но, когда гости наконец расходятся, тот же голос слышен ясно и четко. А в тихую ночь на открытом месте, скажем на озере, его можно расслышать и очень издалека. Правда, на достаточно большом расстоянии звук будет настолько слаб, что слов все равно не удастся разобрать.
Может быть, делу удастся помочь, используя микрофон, транзисторный усилитель и наушники?
Возможно, это отчасти и исправит дело, но одновременно со звуком будут усиливаться и неслышные прежде ночные шорохи. Бесконечное усиление звуков усилителем столь же бесполезно, сколь и бесконечное увеличение с помощью микроскопа. На определенном удалении слов уже нельзя различить, каков бы ни был усилитель. Звук тонет в шумах.
То же самое происходит и с радиосигналами. Слушая летом радиостанции широковещательного диапазона, мы нередко испытываем неудобства из-за шорохов и треска разрядов, обычно связанных с грозовыми явлениями в атмосфере. А дальние станции «тонут» в непрерывном свисте или шуме даже в самую ясную зимнюю погоду. Изображения на экране телевизора при приеме дальних станций видны как будто сквозь снегопад: беспорядочно мелькающие яркие точки усеивают весь экран.
Помехи, наблюдаемые на экране телевизора, являются аналогами свистов и тресков в приемнике. «Снегопад» на экране телевизора и флуктации электрического сигнала, вызывающие этот «снегопад», инженеры и физики также называют шумом. Для инженера-электроника токи и напряжения в схемах радиоприемника, телевизора или любого другого прибора представляют собой либо
28 полезный сигнал, то есть нечто введенное в схему намеренно, либо шум, то есть все, что проникает в нее, несмотря на старания инженера исключить шум. Итак, шум — это все, что может исказить сигнал, сделать его неразборчивым.
Радиоприемники принимают и сигналы и шумы. Кроме того, в них возникают и собственные шумы. Для передачи сигналов на небольшие расстояния можно использовать маломощные радиопередатчики, но с увеличением расстояний мощность приходится увеличивать. Повышение усиления приемников не поможет добиться качественного приема слабых сигналов: ведь увеличивая усиление приемника выше некоторого предела, мы будем слышать (или видеть) просто непомерно сильный шум.
Значит ли это, что существование шума накладывает принципиальное ограничение на возможности радиосвязи? Точно так же как в нашем обычном мире есть тихие места и тихие периоды' времени (в спокойную ночь на озере гораздо меньше шумов, чем в людной комнате), в мире радиоволн бывают места и периоды более тихие, чем другие. Возьмем, например, радиотелефонию на коротких волнах, благодаря которой мы сейчас можем связываться с самыми отдаленными странами. Она обычно значительно меньше страдает от шумов вблизи тропиков, чем около северного полюса. А в северных широтах лучше слышно зимой и хуже — летом, лучше — в периоды низкой солнечной активности, и хуже — в периоды высокой. Радиосвязь оказывается особенно «шумной», а то и вовсе невозможной во время магнитных бурь, когда потоки заряженных частиц, выбрасываемые Солнцем, достигают земной атмосферы. Из-за этих недостатков и ограничения числа каналов одновременной связи на коротких волнах при трансокеанской связи оказываются более выгодными подводные кабели, протянутые по дну океана, и искусственные спутники связи.
