Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
низшего колебательного состояния, причем обоим уровням соответствовало
вращательное состояние с тремя единицами (квантами) момента импульса
относительно каждой оси (так называемое 3-3-состояние); частота этого
перехода равна 23870 МГц.
Другое важное свойство молекулы аммиака состоит в том, что, хотя у нее
отсутствует собственный электрический дипольный момент, он может быть
создан приложенным к молекуле внешним электрическим по'лем, причем знак
этого момента различен для двух состояний, составляющих "колебательную
пару". Если поле неоднородно, возникает сила, действующая на молекулу>,
которая тоже имеет разные направления для каждого из рассматриваемых
состояний.
Имея в виду сказанное, обратимся теперь к эксперименту Гордона, Цайгера,
Таунса, описанному в основном во второй статье2.
"Устройство работает с использованием молекулярного пучка, в котором
отобраны молекулы, находящиеся по отношению к микроволновому переходу в
верхнем
1 См. обсуждение аналогичной ситуации для случая магнитного поля в гл. 8
книги "Решающие эксперименты" (Тригг Дж., Решающие эксперименты, М.,
"Мир", 1974).
2 В приведенных ниже выдеожках исправлено несколько очеч видных
типографских ошибок, вкравшихся в оригинальные статьи.
269
состоянии. Взаимодействие между этими возбужденными молекулами и
микроволновым полем вызывает дополнительное излучение и, следовательно,
усиление с помощью индуцированного излучения...
Пучок моленул аммиака образуется при вытекании аммиака из направленного
источника, состоящего из
NH,
Источник
Фокусирующее устройства
Выходной
Волновод
Г
Входной
волновод
Резонатор
О0
00
Сечение
Выходной торец ' фокусирующего
источника .---- / ъ устройства
Рис. 13.2. Упрощенная схема основной части мазера [Phys. Rev., 99 (1955),
стр. 1265, рис. 1]
большого числа тонких трубок. Пучок пересекает область, где поле с очень
большой неоднородностью создает селективную линзу, которая фокусирует
молекулы в верхних (инверсных) состояниях и расфокусирует молекулы,
находящиеся в нижних. Далее молекулы в верхнем состоянии попадают в
объемный резонатор, и там индуцируются переходы в нижнее состояние.
Упрощенная блок-схема установки показана на рис. [13.2]. Источник,
фокусирующее устройство и резонатор помещены в вакуумную камеру.
При использовании мазера в качестве спектрометра к резонатору подводится
излучение переменной частоты от внешнего источника. Молекулярные
резонансы обнаруживаются по резкому возрастанию уровня мощности я
266
резонаторе, когда частота внешнего источника совпадает с частотами
молекулярных резонансов.
При частотах, совпадающих с частотами молекулярных переходов, пучок
усиливает мощность, подводимую к резонатору. Таким образом, мазер может
быть использован как узкополосный усилитель. Поскольку молекулы не
заряжены, в нем отсутствует обычный дробовой шум ', существующий в
электронном усилителе. Фактически в мазерном усилителе вообще отсутствует
какой-либо шум, кроме принципиально неизбежного теплового шума.
Если число молекул в пучке превысит определенное критическое значение,
мазер начинает генерировать излучение. В этом случае высокий уровень
плотности микроволновой энергии может поддерживаться внутри резонатора за
счет самого пучка, так как излучаемая пучком мощность компенсирует потери
энергии в стенках резонатора и излучение в волноводы. Генерируемое
излучение, как показано и теоретически, и экспериментально, является в
высокой степени монохрома-тичным.
Работа установки не критична по отношению к ее геометрии... Было
сконструировано два мазера на аммиаке с несколько различными
фокусирующими устройствами, и оба работали удовлетворительно.
В них использовали источник, создающий направленный пучок молекул
аммиака. Набор тонких трубочек изготовлялся следующим образом.
Металлическая полоса шириной XU дюйма и толщиной 0,001 дюйма (например,
из нержавеющей стали или никеля) гофрируется путем прокатки между двух
шестерен с мелкими зубьями. Затем эту полосу кладут на другую подобную,
но негофрированную полосу; при этом образуются каналы, ведущие от одного
края пары полос к другому. Можно составить стопку из таких пар полос,
получив в результате двумерный набор каналов, или, как было сделано в
данной работе, намотать обе металлические полосы на тонкую ось.
Поперечное сечение полученных таким образом каналов составляло около
0,002 X 0,006 кв. дюймов. Площадь, покрываемая набором каналов, равна
1 Этот шум возникает вследствие того, что электронный ток в
действительности не непрерывен, а представляет собой набор импульсов от
каждого электрона, достигающего электрода или покидающего его.
267
цлощади круга радиусом около 0,2 дюйма, что примерно равнялось проходу
фокусирующего устройства. Газ подводился из баллона с безводным аммиаком,
и за источником поддерживалось давление в несколько миллиметров ртутного
столба...
Расположение электродов фокусирующего устройства показано на рис. [13.2].
