Квантові стандарти частоти
Квантові стандарти частоти.
Влаштування цезієвої атомно-променевої трубки.
Порожнина з рідким цезієм t 100 0 З'єднана з рештою приладу вузькою трубкою або групою трубок, через які слабкий пучок випарів цезію надходить у прилад.
Далі нібито слідує поділ атомів по квантових енергіях у полі між полюсами першого магніту.
Потім пучки атомів потрапляють у резонатор. Це порожнина з провідними стінками в змінному однорідному магнітному полі Н, створюваним за допомогою кварцового генератора. Реальна питома намагнічуваність цезію 2121,66 всього втричі менша, ніж у групи заліза. Щоправда, точку Кюрі в даному випадку пройдено. І яка питома намагнічуваність Цезія у газоподібному стані невідома. Але припустимо, що атоми з різною енергією відхиляються між полюсами, оскільки вже остигли. Але що в цьому випадку є енергія, це кінетична енергія руху E = mv 2 /2, тобто атоми сепаруються в магнітному полі, насамперед за швидкостями, а не за горезвісними квантовими рівнями. Розподіл Максвелла. Досвід Штерна.
Атоми також відхиляються в середньому як у досвіді Штерна-Герлаха, і поділяються на два пучки. До того ж перший магніт є своєрідним прискорювачем потоку. Тому більше, скажімо, швидкісні атоми ще швидше проходять резонатор і не встигають розкачатися в ньому. Що робиться у резонаторі? Змінне магнітне поле, повернене на 90°, змушує метатися атоми туди сюди. Причому більшість атомів повинна конденсуватися на стінках резонатора. Передбачається, що якщо в результаті коливань атом з квантовою енергією Е1 перейде в стан Е2, то атоми в стані Е2 будуть відкинуті від другого магніту і не потраплять на детектор. Стверджується, що другий магніт фокусує атоми зенергією саме Е1. Хотілося б вірити. Струм через детектор виявиться зменшеним на величину пропорційну числу атомів, які здійснили енергетичні переходи в резонаторі. Так само будуть зафіксовані переходи атомів зі стану Е2 в стан Е1.
Далі вважається, що кількість атомів, які здійснюють вимушений перехід у од. часу під дією електромагнітного поля, максимально, якщо частота поля точно збігається з резонансною частотою n = (E 2 - E 1) / h.
Детектор являє собою розжарений вольфрамовий дріт. Отже, є й пари вольфраму. Плюс на аноді, мінус на катоді – звичайний діод. Поміж ними елементарний амперметр.
Цезій якщо не конденсується на колекторі, то принаймні створює провідне середовище, і концентрація цезію дозволяє проводити реєстрацію цієї концентрації атомів цезію досягли області детектора за величиною струму.
У міру збільшення розбіжності (розлади) частот магнітного впливу та резонансної, число атомів зменшується. Тобто. плавно змінюючи частоту поля поблизу резонансної частоти можна отримати контури спектральної лінії, що відповідає переходу Е1-Е2 і назад.
залежність струму від частоти.
Що відбувається насправді. Перший магніт і другий магніт немає ніякого важливого значення. І перший і другий здебільшого відхиляють частинки при вході в магнітний потік і намагнічують їх, і сепарують за рівнем швидкості, атомної ваги, магнітних властивостей. Магнітні властивості атомів цезію, що пройшли точку Кюрі, вже порушено. Але навіть якщо є якийсь магнітний ефект (у припущенні охолодження атомів нижче точки Кюрі), то це не тільки сепарація атомів за магнітними властивостями. Фокусування проблематичне з принципових міркувань. Інша справа можнаякось фокусувати, якщо це квадропідлоговий, складовий магніт. З конденсацією пари в резонаторі та інших частинах пристрою можна впоратися просто загальним нагріванням усієї трубки. Як триває сам процес? Атоми випареного цезію, що не відхилилися, потрапляючи в резонатор, саме в ньому додатково сепаруються і за магнітними властивостями і за швидкостями. Змінним магнітним полем. В результаті одержуємо в будь-якому випадку якусь електронну лампу, в якій з резонатора найбільш прискорені атоми цезію в результаті певного «резонансу» потраплять на детектор додатково відхилені і другим магнітним потоком. Але це не сепарація за квантовими рівнями. Це сепарація саме з енергії руху. Застосування резонатора іншої П-подібної форми лише покращує цю сепарацію.
Можна застосовувати резонатори більш витонченої форми у вигляді гребінки, тоді й рівні поділу збільшаться за кількістю зубів.
Природно, що такі резонансні частоти для атомів різних елементів різні, оскільки різні їх атомні ваги і різні магнітні властивості навіть у газоподібному стані. Чим важче атом, тим складніше розгойдувати його і тим менше має бути частота розгойдування.
Власне і резонансу ніякого немає. Просто розгойдування заважає повільним атомам проникати в детектор. Причому довжина резонатора впливає ширину спектральної лінії, що також природно, що коротше резонатор, тим ширша лінія – більше атомів потрапляє у детектор.
Чому як вихідний елемент обрано саме Цезій? Його питома намагнічуваність максимальна серед лужних металів. Температура плавлення трохи вища, ніж у радіоактивного Франція. Інші речовини не використовувалися і через тугоплавкість і через малий коефіцієнт питомої намагнічуваності, у тому числі ртуть і галогени.
Процес можна спростити, подавши на резонатор позитивний потенціал, більший, ніж на вольфрамовому дроті, свого роду прискорювач. Тоді більше атомів потрапить у детектор.
У водневому генераторі стандарту частоти використовується дещо інший технічний прийом. Видається резонансна частота, довжина хвилі дорівнює 21 см . внаслідок самозбудження резонатора, усередині якого розташована кварцова колба меншого, ніж довжина хвилі розміру. У цю колбу подається пучок атомів водню, що пройшов сепараційний магніт. Колба разом з резонатором знаходиться в змінному магнітному полі, що регулюється. Коливальний процес збуджує самі атоми водню, але коливання маси водню викликають п'єзоефект у кварцу і тільки тому, знову ж таки через рух атомів, що мають властивість намагнічуваності. Тобто все пояснюється не квантовими рівнями енергії, а швидкістю реакції атомів зміну магнітного поля.
Частота цезієвого генератора 9192631770 гц 9,2 Ггц
Частота водневого генератора 1420405751 гц 1,4 Ггц
Що цікаво вкладається у свч діапазон радіовипромінювання. Тобто й не йдеться про частоти декларованих для світлового та іншого випромінювань. І спектр такого випромінювання не може вважатися рівнем енергії збудженого чи основного стану для створення світла.
Проведене дослідження жодною мірою не применшує значення самого стандарту. Це приклад того, наскільки квантова механіка спотворює та ускладнює наше сприйняття реального фізичного процесу. Поняття такої частоти випромінювання і довжини хвилі просто немає сенсу у застосуванні до випромінювання енергії саме самими атомами.
Зате велике значення має принципова можливість визначення резонансних радіочастот - магнітносприйнятливості.елементів і речовин у газоподібному стані.
На цій базі і побудовано квантові генератори радіовипромінювання – Мазер. Вони з'явилися внаслідок дослідження радіоспектрів газоподібних речовин.
Як може зашкодити роботі таких генераторів величина зовнішнього магнітного поля. Наприклад, величина магнітного поля грунту.
При його зменшенні спостерігатиметься розширення та зсув спектральної характеристики, тобто попливе частота.
Як дається взнаки дія гравітації. Зі зменшенням ваги атома (невагомість) знову пливе частота. Пропадає одна з сил, що діють на поверхні землі. Покращується чуйність атомів на вплив змінного магнітного поля і резонанс настає за меншої частоти.
Тобто робота таких стандартів поза землею може спричинити зміну резонансної частоти.
Цей ефект і спостерігається в космосі, даремно співвіднесений з ефектом запізнення з теорії відносності. Швидше за все звичайний кварцовий генератор менш схильний до таких змін, хоча і він не порятунок. Про механічний годинник і мови немає, оскільки вони найбільш схильні і до дії магнітних потоків, і до зміни сили тяжіння.