История лазера. Научное издание
Шрифт:
Принцип метода очень РїСЂРѕСЃС‚. Постоянное магнитное поле прикладывается Рє веществу так, чтобы электронные СѓСЂРѕРІРЅРё испытывали зеемановское расщепление. Одновременно РЅР° образец посылается малое радиочастотное поле Рё его частота варьируется. РџРёРєРё поглощения наблюдаются, РєРѕРіРґР° частота этого поля точно соответствует разности энергий между РґРІСѓРјСЏ зеемановскими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё. Р’ качестве примера сошлемся РЅР° РёРѕРЅС‹ С…СЂРѕРјР°, содержащиеся РІ кристалле СЂСѓР±РёРЅР° (позднее РјС‹ детально РѕР±СЃСѓРґРёРј СЂСѓР±РёРЅ). Рти РёРѕРЅС‹ содержат неспаренные электроны, которые дают полный СЃРїРёРЅ, равный 3/2. Рлектрическое поле, образуемое всеми атомами кристалла, блокирует РІСЃРµ РґСЂСѓРіРёРµ
Атомные часы
Как РјС‹ уже говорили, РІ 1949 Рі. Рќ. Рамси изобрел резонансную методику СЃ разнесенными осциллирующими полями, которая РІ 1955 Рі. была использована Дж. Захариасом, Дж. Пари, Луисом Рссеном Рё РґСЂ. для создания атомных часов Рё стандартов частоты. Р—Р° этот метод Рамси РІ 1989 Рі. получил Нобелевскую премию РїРѕ физике вместе СЃ Р“. Демельтом Рё Р’. Полем, которые разработали изощренную методику для изучения одиночных атомов Рё молекул.
Проблема измерения времени всегда была важной и трудной. Вначале она была связана с вращением Земли вокруг своей оси, которое, как полагали, происходит с высокой регулярностью. Увеличение точности маятника, введенное Гюйгенсом и астрономическими наблюдениями, побудило во времена Ньютона, Джона Фламстида, первого Королевского Астронома в Гринвиче, проверить регулярность вращения Земли, используя маятниковые часы. Он не нашел каких-либо доказательств несовершенства в этой регулярности, но последующие поколения астрономов собрали все увеличивающийся список нерегулярности продолжительности суток.
Р’ начале 20 столетия, например, благодаря астрономическим наблюдениям было определенно установлено, что вращение Земли замедляется РёР·-Р·Р° приливного трения. Рљ середине 1930-С… РіРі. часы были улучшены благодаря появлению кварцевых часов. Рто позволило измерить нерегулярности вращения (СЂРёСЃ. 39). Р’ кварцевых часах колебания кристалла кварца создают электрические колебания СЃ постоянной частотой, СЃ помощью которой Рё измеряют время. Кварцевые часы можно откалибровать РїРѕ астрономическим наблюдениям, Р° затем использовать РёС… РІ лаборатории. Лучшие РёР· РЅРёС… РјРѕРіСѓС‚ работать РІ течение РіРѕРґР°, накапливая ошибку РІ 5 миллисекунд. Рта точность, тем РЅРµ менее, недостаточна для современных научных Рё технологических целей.
Р РёСЃ. 39. Рзменение продолжительности РґРЅСЏ Р·Р° период четыре РіРѕРґР°. Отметьте, что шкала РїРѕ ординате только 3 РјСЃ = 0,003 СЃ
Как только были обнаружены нерегулярности вращения Земли, стало необходимым найти другой способ определить стандарт единицы времени.
Рта единица, секунда, определялась как 86400-СЏ часть средних солнечных суток, получаемых астрономами, рассматривающих замкнутое движение Земли РїРѕ орбите РІРѕРєСЂСѓРі Солнца (эфемиридное время). Р—Р° образец принималась средняя продолжительность 1900 Рі. Рта единица
Однако требования на стабильность маятниковых и кварцевых часов не могли быть удовлетворены в отношении наиболее важного критерия, а именно, независимая воспроизводимость.
Развитие атомной теории и, в частности, заключение, что атомы данного химического элемента все одинаковы, позволяло принять за основу единицу измерения, связанную не с Землей, но с самим атомом. Уже Максвелл и лорд Кельвин предложили использовать в качестве единицы измерения длины и времени длину волны и соответственно частоту излучения, испускаемого подходящим атомом. Например, водорода, в простейшем случае, или D-линию натрия, которая очень интенсивна. Однако потребовалось много лет, прежде чем эта идея нашла практическое воплощение. Сразу же после Второй мировой войны Ч. Таунс из Bell Labs и Р. Паунд из MIT предложили использовать микроволновое поглощение для стабилизации генератора.
Рассматривая генератор микроволн, РјС‹ РІРёРґРёРј, что РїРѕ РјРЅРѕРіРёРј причинам его частота РЅРµ остается строго стабильной РІРѕ времени, РЅРѕ испытывает малые случайные изменения. Поэтому имеется проблема найти пути поддерживать ее стабильной. Решение, предложенное Таунсом Рё Паундом, заключалось РІ том, чтобы использовать молекулу аммиака, которая имеет максимум РІ зависимости поглощения РѕС‚ частоты точно РЅР° частоте 23,8 ГГЦ, причем эта частота РЅРµ изменяется РІРѕ времени. Принцип очень РїСЂРѕСЃС‚. Рассмотрим его для специфического случая аммиака. Предположим, что РјС‹ направляем микроволновое излучение, частоту которого РјС‹ можем изменять вблизи частоты 24 ГГц, РІ кювету, наполненную аммиаком, Рё измеряем мощность РЅР° выходе. Рзменяя частоту, РјС‹ обнаруживаем максимум поглощения как раз РЅР° центральной частоте линии аммиака (23,8 ГГц). РљРѕРіРґР° поглощение максимально, РјС‹ знаем, что частота микроволн, которые РјС‹ посылаем РІ кювету, как раз Рё равна этому значению. Таким образом, достигается стабильность. РњС‹ можем зафиксировать параметры генератора так, чтобы РѕРЅ генерировал точно РЅР° этой частоте. Если РїРѕ какой-либо причине частота генератора изменится, то уменьшится Рё поглощение (С‚.Рµ. увеличится мощность РЅР° выходе), Рё СЃ помощью подходящей системы обратной СЃРІСЏР·Рё РјС‹ можем подстроить частоту генератора так, чтобы получить СЃРЅРѕРІР° частоту максимума поглощения. Ртот метод позволяет контролировать Рё фиксировать микроволновую частоту РІ течение продолжительного времени, используя линии поглощения молекул.
В период 1947-1948 гг. Таунс и его коллеги построили и запатентовали устройства стабилизации генератора на клистроне, используя аммиак. Но для того, чтобы построить часы, нужно было поделить высокую частоту на фактор порядка тысячи, чтобы перенести стабильную частоту в область мегагерц, где новые часы можно было бы сравнить с уже существующими часами.
РџРѕ настоянию Таунса, Гарольд Лионе (19131991), ответственный Р·Р° подразделение РїРѕ микроволновым стандартам РІ Американском Бюро Стандартов, РІ августе 1948 Рі. построил стандарт частоты СЃ использованием аммиака. Р’ 1952 Рі. его РіСЂСѓРїРїР° добилась стабильности РѕРґРЅРѕР№ или РґРІСѓС… частей РЅР° сто миллионов. Рто, однако, РЅРµ РЅР° РјРЅРѕРіРѕ превышало стабильность вращения Земли. Значительные усилия Рљ. РЁРёРјРѕРґР° РёР· РўРѕРєРёР№СЃРєРѕРіРѕ университета привели Рє улучшению стабильности РґРѕ РѕРґРЅРѕР№ части РЅР° 109.