Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 30 (всего у книги 52 страниц)
Рлектронный парамагнитный резонанс
Рлектронный парамагнитный резонанс существенно РЅРµ отличается РѕС‚ ядерного резонанса, Р·Р° исключением того, что энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё получаются РІРѕ внешнем магнитном поле РЅРµ РѕС‚ ядерных СЃРїРёРЅРѕРІ, Р° зеемановскими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, которые получаются РІ результате воздействия магнитного поля РЅР° движение электронов РІ атоме. Как РјС‹ уже видели, РїСЂРё приложении внешнего магнитного поля Рє атому снимается вырождение атомных РѕСЂР±РёС‚, Рё каждый уровень энергии электрона расщепляется РЅР° несколько подуровней, разделенных малой величиной энергии, которой типично соответствует микроволновая частота, причем это разделение подуровней зависит РѕС‚ величины внешнего магнитного поля.
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 угловые моменты, Рё поэтому РїСЂРё наличии внешнего магнитного поля поведение СЂСѓР±РёРЅР° определяется лишь неспаренными электронами. Диаграмма образующихся уровней зависит РѕС‚ ориентации внешнего магнитного поля РїРѕ отношению Рє главной РѕСЃРё симметрии кристалла (СЂРёСЃ. 38, Р°). Ртот эффект существенно зависит РѕС‚ силы магнитного поля для разных ориентации, как РІРёРґРЅРѕ РёР· СЂРёСЃ. 38, Р± Рё 38, РІ. Стоит отметить, что РїРѕРґР±РѕСЂРѕРј подходящего значения внешнего поля можно получить нужное разделение уровней. Рто является фундаментальным принципом работы трехуровнего мазера.
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.
Рис. 39. �зменение продолжительности дня за период четыре года. Отметьте, что шкала по ординате только 3 мс = 0,003 с
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 измерений времени была принята Генеральной Ассамблеей Мер Рё Весов РІ 1960 Рі. (РѕРґРЅР° секунда определялась как 1/31 556 925, 9747 часть 1900-РіРѕ РіРѕРґР°).
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. Р�зменяя 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.
Уже в 1948 г., когда Лионе уже построил свой первый стандарт с использованием аммиака, он начал программу создания настоящих атомных часов, основанных на атомных переходах, которые получили название атомных часов. Поскольку он не был экспертом в спектроскопии, то попросил содействия у �сидора Раби и правая рука Раби, Поликарп Куш, разработал концептуальную конструкцию, в которой использовался пучок атомов цезия. Цезий уже был всесторонне изучен группой Раби, и по ряду причин ожидалась высокая стабильность.
Поликарп Куш (1911 1993) был очень способным экспериментатором. После получения докторской степени по молекулярной оптической спектроскопии в 1936 г. поступил в Колумбийский университет, где вместе с Раби участвовал в пионерских исследованиях метода магнитного резонанса в молекулярных пучках. С помощью этой методики он провел ряд исследований, которые привели к открытию в 1947 г. аномального магнитного момента электрона. За это он был награжден в 1955 г. вместе с Виллисом Е. Лэмбом Нобелевской премией по физике. Во время Второй мировой войны разрабатывал высокочастотные генераторы для радаров. Его лекции, которые он читал звучным голосом (известным как шепот Куша), носили характер проповеди, черта, которую он, вероятно, унаследовал от отца лютеранского миссионера.
Летом 1951 Рі. аппаратура заработала, хотя Рё РЅРµ РІ окончательном РІРёРґРµ. РљСѓС€ фактически пытался использовать методику Рамси РґРІСѓС… полей для точной настройки микроволнового поля. Рто был первый эксперимент, РІ котором использовалась эта методика. Весной 1952 Рі. заработала РІСЃСЏ установка, Рё концу РіРѕРґР° была измерена частота перехода изотопа цезия СЃ массой 133 (было найдено, что именно РѕРЅ самый стабильный РїРѕ своей РїСЂРёСЂРѕРґРµ), для которой было установлено значение 9,192 631 800 ГГц.
Рти положительные результаты также стимулировали Британскую Национальную Физическую Лабораторию построить СЃРІРѕСЋ версию этого устройства, основанного РЅР° той же методике Рамси. Путем сравнения РёС… измерений СЃ точными астрономическими измерениями РІ Гринвиче, Луис Рссен Рё Дж. РџСЌСЂСЂРё установили более точно частоту излучения, как 9,192 631 770 ГГц. Рта частота была принята РІ 1964 Рі. Генеральной Ассамблеей Мер Рё Весов для официального определения секунды (С‚.Рµ. секунда определяется как 9 192 631 770 периодов колебаний перехода РІ атоме цезия). Рто определение делает атомное время согласованным СЃ секундой РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ эфемеридного времени.
Все эти устройства еще не были настоящими часами, в том смысле, что они не давали прямого соответствия с более низкими частотами, которые нужно использовать, чтобы подсчитать секунды. Окончательный шаг был сделан в Лаборатории радиации MIT Дж. Р. Захариасом (19051986), который в 1955 г. успешно построил коммерческую версию атомных часов с использованием цезия, которая получила название атомохрон.
В 1967 г. международный стандарт секунды был определен на основе перехода между уровнями сверхтонкой структуры атома цезия.
В 1990-х гг. были достигнуты несомненные успехи в стабильности и точности атомных часов, благодаря разработке методов захвата и охлаждения атомов с помощью лазеров. Сложные геометрии позволили построить то, что стали называть фонтанными часами. Продолжительность взаимодействия атомволна в атомных часах конечно, и это уширяет пик резонанса в результате принципа неопределенности Гейзенберга по отношению к времяэнергия. Другие эффекты также ограничивают точность этих часов. С помощью лазеров атомы можно теперь относительно легко охлаждать до 1 мкК. При таких температурах тепловая скорость атомов составляет только несколько миллиметров в секунду вместо 100 м/с, которую они имеют при комнатной температуре.
В т.н. фонтане атомы подбрасываются вертикально вверх под действием лазеров, а затем под действием тяжести падают вниз, подобно воде в фонтане. Система устроена так, что атомы взаимодействуют с электромагнитным полем и когда они летят вверх, и когда они опускаются вниз. Тем самым увеличивается время взаимодействия. При высоте в 1 м время взаимодействия струе атомов фонтана достигает 1 с.
В 1989 г. Стивен Чу и Курт Гибл в Стэнфордском университете (США) продемонстрировали первый фонтан с использованием охлажденных атомов натрия. Затем, в 1991 г. Клод Коен-Тануджи и Кристоф Саломон из Ecole Normale Superieure (Париж) вместе с Андре Клероном из Парижской Обсерватории использовали цезий. В результате в 1993 г. Клерон построил первый фонтан охлажденных атомов, с помощью которого в 1995 г. была достигнута точность менее 1 с за 30 миллионов лет (огромное достижение).
Необходимость РІ столь точных часах возникает, например, РІ радиоастрономии, или для проверки теории относительности Рйнштейна. Пожалуй, наиболее значительным применением атомных часов является система глобального определения координат (GPS) СЃ помощью спутников. РћРЅР° нужна для навигации Рё различных систем мониторинга. Р�спользуется набор 24 спутников РЅР° геостационарных орбитах. Для точного определения РёС… положения используются сигналы СЃ точной РїСЂРёРІСЏР·РєРѕР№ РІРѕ времени. РўРѕРіРґР° положение человека, имеющего приемник, определяется РїРѕ разности времени, которое требуется для прохождения сигналов РѕС‚ спутников РґРѕ приемника. Р’ настоящее время эта система обеспечивает точность определения координат РґРѕ долей метра, что требует определения временных интервалов РґРѕ долей наносекунд (1 РЅСЃ = 109 СЃ).
