Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
метастабильных атомов водорода. Сигнал на выходе детектора в отсутствие
радиочастотного поля можно записать так:
с пйаХА1апЬг\ ,
S = АлЯЧ электронов/с.
Кроме использованных ранее обозначений, в это выражение входя г по -
число атомов или молекул в еди-нице объема вольфрамового тигля; а -
площадь отвер* стия в стенке тигля, X - степень диссоциации, А - площадь
детектора, 1 - ток электронов, бомбардирующих атомы (электроны/с), а -
сечение возбуждения атомов из основного состояния в метастабильное, R -
расстояние между детектором и щелью в тигле, h - размер области,
занимаемой электронным пучком.
137
"К сожалению, многие факторы, существенные для оценки выхода, не были
известны, и требовалась определенная доля оптимизма для того, чтобы
надеяться на возможность относительно благоприятных значений этих
величин, которые могли бы обеспечить практически регистрируемый сигнал на
детекторе". В частности, "значение о оценивалось на основе весьма
неадекватной теории. Значение р = х/2 для фактора выживания в мета-
стабильном состоянии было бы правильным в отсутствие электрических
полей... Оценка эффективности детектора г] = 0,5 выглядела чрезвычайно
оптимистической...
При выполнении названных предположений сигнал равен
S = 3,26 • 107 электронов/с = 5,2 • 10-12 А.
Этот ток в 5-104 раз превосходит минимальный ток (1СН5 А), который может
быть зарегистрирован с помощью электрометра FP54 и чувствительного
гальванометра К Следовательно, если даже две или более из оценок окажутся
чересчур завышенными, сигнал все-таки будет достаточно велик, чтобы его
можно было обнаружить и даже использовать для точных радиочастотных
спектроскопических измерений". Как оказалось впоследствии, оценки были
действительно завышенными, но, к счастью, не на несколько порядков
величины.
Следующий вопрос состоял в выборе необходимой мощности радиочастотного
(РЧ-) поля. "Метастабиль-ные атомы должны подвергаться действию радиоволн
в некоторой области между источником и детектором. Если частота этих волн
такова, что йш равно или близко к разности энергий между зеемановскими
компонентами уровня 22Sy2 и одного из уровней 2Р, то радиоизлучение может
индуцировать переход на неметастабильный уровень, что приведет к
уменьшению сигнала на детекторе. Степень уменьшения зависит от
интенсивности и частоты излучения, от скоростей атомов и размеров
области, в которой действует радиочастотное поле". Далее исследователи
проделали следующий расчет: "если
время перехода из состояния 22Sy2 в одно из 2Р-состоя-
1 Прибор FP54 представляет собой специально сконструированную
усилительную лампу с очень большим входным сопротивлением, которая
способна заметно реагировать даже на очень малые токи.
138
ний под действием радиочастотного поля равно ts, то долю атомов,
переставших быть метастабильными под влиянием этого поля, можно записать
так:
где I - длина области, в которой действует радиочастотное поле, v -
скорость атомов. При 1=1 см и v = 8-105 см/с пучок теряет 63%
метастабильных атомов при
Время перехода т5 можно вычислить при помощи квантовой теории излучения:
например, для перехода из 22Si/2 (т = '/2) в 22Р>/г (т = -'/г) при
излучении, поляризованном перпендикулярно магнитному полю, на резонансной
частоте получим
где So - интенсивность падающего излучения, у = 1/тр - скорость
высвечивания P-состояний, а0 = 0,53А - бо-ровский радиус Чтобы придать
требуемое значение, необходима "плотность потока энергии излучения при
резонансе So = 3,4 мВт/см2. Поскольку получить такую мощность нетрудно
при любой частоте вплоть до 30 ГГц, не предвиделось особых осложнений с
точки зрения требований к мощности РЧ-поля".
Напомним, что целью эксперимента было определение резонансных частот.
"Самый очевидный способ состоял бы в измерении интенсивности пучка как
функции частоты РЧ-поля при неизменной мощности последнего. К сожалению,
выполнить это требование почти невозможно". Выходная мощность генератора
и характеристики линии передачи меняются в зависимости от частоты; даже
устройства, которые можно было бы использовать для определения РЧ-
мощности, фактически передаваемой в область взаимодействия РЧ-поля с пуч-
цом, чувствительны к частоте.
Поскольку наличие магнитного поля представлялось необходимым в любом
случае, мы решили преодолеть все эти трудности с его помощью, так чтобы
частота и мощность генератора поддерживались постоянными, а
= 1,25- КГ6 с".
1 8ne2S0 " 9
rs ~ сЬ2у 0'
139
резонанс достигался путем сдвига энергетических уровней в результате
изменения магнитного поля. Изменение резонансной частоты в таком случае
вызывается изменением зеемановского расщепления; при этом требуется
Рис. 7.2. Зеемановское расщепление уровней с п = 2 в водороде. По
вертикальной оси отложена энергия в единицах 2/з(Е_|_ -В_) (соответствую
гцая этой единице энергии частота равна 7300 МГц). В_|_ и В_ -энергии
верхнего (22-Ру,) и нижиего (22Ру2, 2!Sy2) состояний в отсутствие
