Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
72
На этом принципе работали первые атомные1 часы, построенные Лайонсом в 1951 году. Была применена частота дипольного электрического перехода молекул газообразного аммиака, лежащая вблизи 23 870 Мгц. Собственные частоты кварца значительно ниже этой величины (порядка нескольких мегагерц), поэтому, чтобы получить такую высокую частоту, было использовано электронное устройство для сложения и умножения частот.
Волна, испускаемая таким новым осциллятором на очень высокой частоте (лежащей в области частот, применяемых в радиолокации), проходит через волновод, наполненный газообразным аммиаком. Если ее частота сильно отличается от частоты молекулярного перехода, то она проходит через волновод без ослабления; если же частота волны в точности равна частоте молекулярного перехода, то она частично поглощается находящимися на нижнем энергетическом уровне молекулами аммиака, которые переходят на более высокий уровень. Достаточно детектировать волну после ее прохождения через наполненный аммиаком волновод, усилить обнаруженный сигнал и использовать его для воздействия на параметр контура, в зависимости от которого плавно меняется частота колебаний кварца. Это классическая проблема регулировки.
При помощи таких аммиачных часов Лайонс получил гарантированную стабильность, превышающую 10~8. Это показывало, что метод пригоден, хотя и требует дальнейшего улучшения 2.
В атоме цезия на частоте 9192,63183 Мгц существует очень подходящий переход; его использование особенно удобно, поскольку эта частота лежит в области радиолокационных волн длиной примерно 3. см, так что можно использовать серийно изготовляемую аппаратуру. Для данного перехода рассматриваемый выше принцип был применен самим Лайонсом, а также Эссеном в Англии.
1 Эти часы правильнее назвать молекулярными. Они основаны на принципе молекулярного генератора, который разработали выдающиеся советские ученые, ныне лауреаты Нобелевской премии Н. Г. Басов и А. М. Прохоров.— Прим. ред.
2 В нашей стране молекулярный стандарт частоты, являющийся основой молекулярных часов, разработали В. В. Григорянц и М. Е. Жаботинский.— Прим. ред.
73
Но при этом газ был заменен атомным пучком, что дает два преимущества:
1. Если волна, испускаемая атомами, распространяется перпендикулярно направлению атомного пучка, эффект Допплера практически отсутствует.
2. Вместо того чтобы обнаруживать поглощение волны в газе, которое довольно слабо, можно обнаружить
Источник атомов
К викуумниму насосу
Рис. 6. Метод атомного или молекулярного пучка.
наличие атомов, испытавших переходы под действием излучения. С этой целью используют значительно более чувствительный метод, разработанный Раби (США) незадолго до войны.
Перед облучением атомы пучка проходят через сильно неоднородное магнитное поле, отклоняющее на различные углы атомы с различными магнитными моментами, которые находятся на уровнях энергии ^ и 1^2. После того как траектории атомов двух типов разделяются, атомы с энергией №\ можно задержать, так что продолжать движение будут только атомы с энергией ^ После зоны облучения пучок пересекает другое неоднородное поле, пропускающее лишь атомы с энергией Таким образом, если облучение соответствующей частотой не вызовет перехода с уровня на уровень Wu на выходе пучка не будет обнаружено никаких атомов.
В случае цезия получается частота с точностью, приблизительно равной Ю-9. В США часы, работающие по этому принципу, — атомихрон — в течение нескольких лет выпускаются серийно.
74
Однако атомихрон уже устарел, так как сейчас изготовлены рубидиевые часы, точность которых достигает 10~10. Чтобы обнаружить атомный переход рубидия, в этих новых часах использована техника оптической накачки, разработанная во Франции Кастлером и Броссе-лем 1. Атомихрон занимает целый шкаф, а рубидиевые часы благодаря новым техническим устройствам и успехам миниатюризации размещаются в небольшом чемодане.
Индуцированное излучение и мазеры
Второе решение проблемы атомных часов заключается в использовании принципа мазера (Microwave Amplifier by Stimulated Emission of Radiation, то есть усилителя сверхвысокочастотных радиоволн на основе индуцированного излучения), открытого в США в 1955 году Таунсом 2. Чтобы понять его принцип, нужно более подробно рассмотреть взаимодействие между излучением и веществом. Различают два вида испускания фотонов:
1. Спонтанное излучение, о котором мы говорили раньше, связано со временем существования верхнего энергетического уровня W\. Атом занимает этот уровень в течение времени, которое случайным образом меняется от одного атома к другому и среднее значение которого называется временем жизни уровня. Как только истекает это время, атом спонтанно переходит на более низкий уровень W2. Различные фотоны, испускаемые в этом процессе, распределяются во времени совершенно случайно и некогерентны между собой: получается не единая волн.а, а суперпозиция — наложение коротких волновых пучков, фазы которых меняются произвольно при переходе от одного к другому.
2. Индуцированное излучение происходит при облучении атомов- волной, частота которой соответствует их энергии перехода. Мы указывали, что в подобных условиях атомы* низшего уровня энергии W2 под действием волны могут совершать переход на более высокий уро-
