Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
Явление пьезоэлектричества заключается в следующем: когда некоторые кристаллы сжаты и образующая их атомная решетка деформирована, то действие положительных и отрицательных электрических зарядов атомов взаимно не уничтожается. Кристалл становится электрически поляризованным, и между его гранями появляется разность потенциалов. Это явление обратимо: если к граням кристалла приложить разность потенциалов, он сжимается или расширяется.
Такое явление можно воспроизводить много раз в секунду; при этом частота возникающих механических колебаний кристалла совпадает с частотой приложенного переменного электрического напряжения.
При определенных частотах, связанных с формой и геометрическими размерами кристалла, в нем устанавливается режим колебаний, соответствующий наиболее высокой амплитуде. В этом случае говорят, что кристалл находится в резонансе. Частота резонанса кварца зависит от того, как он вырезан: используемые обычно величины лежат в пределах от нескольких килогерц до десяти мегагерц.
Если учитывать лишь электрические явления, то можно сказать, что кристалл ведет себя как резонансный контур с индуктивностью и емкостью, какие обычно используются в радиотехнике. Для кварца, как и для любого контура, можно определить добротность С}, характеризующую также резонансную амплитуду в центре кристалла (если частота резонанса в точности равна /0, то электрическое напряжение оказывается в С} раз больше, чем при частотах, значительно отличающихся от /0) и ширину резонанса, то есть смещение частоты А/ по отношению к частоте /0, при котором амплитуда уменьшается примерно наполовину. Можно показать, что относительное смещение частоты равно обратной величине добротности:
А/ 1 /о <Э
В то время как добротности, обычно достигаемые в классических резонансных контурах, не превышают нескольких сотен, наиболее употребительные кварцы име-
3* ?7
ют добротность порядка 10 000. Удается изготовить даже кристаллы кварца с добротностью, превышающей миллион. Применение кварца позволяет значительно повысить точность определения частоты.
Итак, кварц представляет собой колебательную систему, имеющую строго определенную собственную частоту. Как и в случае маятниковых часов, здесь нужен постоянный приток энергии для компенсации затухания; в данном случае источником энергии служит высоковольтное электропитание или батареи, заменяющие пружину или грузы наших традиционных часов. Передача энергии осуществляется при помощи классической радиолампы или транзистора, включенных в контур с кристаллом кварца и играющих ту же роль, что и анкерный спуск у часов. Получается электрический осциллятор большой стабильности. Чтобы получить настоящие кварцевые часы, достаточно добавить к нему устройство для отсчета периодов.
Какова же наибольшая возможная точность таких часов?
Прежде всего отметим, что необходимо поддержание постоянной температуры кварца, так как частота резонанса заметно меняется с температурой (термическое расширение кварца). Хорошо термостатированный кварц дает стабильность порядка 10~5—10~6, то есть наблюдаемые отклонения частоты не превышают одной стотысячной или одной миллионной доли самой частоты.
Если регулировать температуру с точностью до сотой доли градуса, а также строго контролировать напряжение питания и амплитуду колебаний, можно достигнуть стабильности частоты, которая для коротких промежутков времени равна Ю-10, а для длинных — от Ю-7 до 10-8 (причем ограничивающим фактором здесь служит старение кварца). Это значит, что через год такие часы отстанут или уйдут вперед приблизительно на одну секунду. Точность лучших астрономических часов лишь немногим меньше, поэтому астрономы только недавно стали применять для сравнения кварцевые часы.
Атомные часы
Для того чтобы достигнуть значительного прогресса в изготовлении точных часов, необходимы частоты, более
стабильные, чем частоты колебаний кварца. В кварце используется смещение атомов внутри кристалла, тогда как для самих атомов эти явления остаются внешними. С конца прошлого века в связи с прогрессом спектроскопии стало известно, что для проведения очень точных измерений можно использовать внутренние явления в атомах и молекулах. Естественно, задумались над их применением для изготовления часов. Очень кратко напомним некоторые основные внутриатомные явления, а затем перейдем к рассмотрению атомных часов.
Атомы различных элементов состоят из центрального тяжелого ядра (размером порядка от Ю-13 до 10~12 см), несущего положительный электрический заряд. Вокруг ядра на относительно большом расстоянии (порядка 10~8 см) вращаются отрицательно заряженные электроны, число которых (атомный номер) характеризует каждый элемент. Ядро состоит из сложной системы частиц, свойства которых еще недостаточно изучены. В противоположность этому движение электронов вокруг ядра изучено достаточно хорошо; в некоторой степени оно похоже на движение планет Солнечной системы вокруг Солнца (в обоих случаях сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния). Эту аналогию не следует проводить слишком далеко: если классическая ньютоновская механика очень хорошо описывает макроскопические движения, относящиеся к случаю большого числа атомов или молекул (например, движения, наблюдаемые в земном масштабе, а также движения небесных тел), то она неспособна правильно описывать движения элементарных частиц. Последние описываются другой, брлее абстрактной теорией — квантовой механикой.
