|
| |
|
Главная Журналы  Устройство водородного стандарта частоты создания эталонов приходится подбирать атомы, имеющие сверхгонкую структуру энергетических уровней. Кроме цезия такую структуру уровней имеют и атомы водорода. Атом водорода, наипростейпшй из всех известных, состоит из единственного протона, образующего ядро, и единственного электрона. Спектр излучения водорода содержит серии линий в областях ультрафиолетовых, видимых, и инфракрасных волн. Но есть одна особая линия. Электрон вращается вокруг ядра не только по своей орбите, но и вокруг собственной оси. Такое вращение назвали спином (от англ. spin-волчок, веретено). Спины электрона и ядра могут быть параллельны (вращение в одну сторону) и антипарал-пельны (вращение в разные стороны). Переход атома из одного ххггояния в другое соответствует сверхтонкой структуре энергетических уровней. При этом переходе излучается электромагнитная волна около 21 см, лежащая в радиодиапазоне. Устройство атомного эталона рассмотрим на примере водород-ioro стандарта частоты. В камере, из которой до глубокого вакуума эткачан воздух, имеется «атомная пущка»-окно из губчатой плати-гы, тоненькой струйкой пропускающее атомы водорода. Они под-}ергаются нагреву высокочастотным полем, которое возбуждает шсть атомов, т.е. переводит их на уровень с большей энергией. $атем пучок атомов пропускают через фокусирующую систему-иагнит с сильно неоднородным полем. Он «отсеивает» невозбужден-ше атомы, а возбужденные попадают в металлический цилиндр->бъемный резонатор, где и отдают энергию в виде электромагнит-п>1х колебаний. Энергия отводится из резонатора коаксиальным ;абелем. Метрологический водородный стандарт имеет очень хоро-пую долговременную стабильность и воспроизводимость частоты. 1го частота равна 1420405 751, 786 ± 0,001 Гц, а стабильность юрядка 10~ . Выходной сигнал резонатора усиливают, много-ратно делят по частоте и получают стандартные интервалы време-1И 0,1; 1 с и т. д. Для повышения стабильности водородный стандарт тцательно термостатируют и экранируют даже от магнитного поля *мли. Надо отметить, что колебания могут существовать не только в лектрических цепях, но и в свободном пространстве. Этот особый ид колебаний назьгеают электромагнитными волнами. О них мы оговорим в следующей главе. 4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Начав с самых обыденных предметов: кристаллов поваренной соли, котлов и зеркал, в этой главе мы расскажем о явлениях таинственных и необыкновенных: электромагнитной индукции, звездной аберрации, опытах по возбуждению и приему невидимых и неслышимых излучений. Расскажем об ионосфере Земли и трансокеанских связях, федингах, антиподах, свистящих атмосфериках и в заключение всего-о сигналах из далеких внеземных миров. Поля и волны Чего-то не хватает в этом заголовке? Может бьггь, лучше: «поля, леса и волны»? Тогда все бьио бы ясно, поговорили бы о просторных полях пшеницы, бескрайнем море лесов и белогривых пенящихся волнах в самом настоящем бескрайнем морском просторе! Но разговор предстоит о других полях и других волнах. Они невидимы, неслышимы и неосязаемы. Нет у человека органов чувств, способных улавливать электрические или магнитные поля, но, как мы видим, человека это не остановило. Он исследовал электромагнитные поля и волны, научился их создавать и улавливать, придумал для этого различные приборы. Приборы явились как бы дополнением к тем органам чувств, которые даны человеку природой, причем дополнением настолько совершенным, что мы теперь видим и сльшшм на расстояния в миллионы километров! Мы много рассказали о передаче сигналов в эфир, по радио, но еще ничего не сказали о том, как это делается и какие физические процессы с этим связаны. Когда говорят о передаче в эфир, явно грешат против истины. Человеческий язык консервативен и долго хранит давно отжившие слова. Говорим же мы до сих пор: «Слава богу», хотя прекрасно знаем, что никакого бога нет. Точно так же нет и никакого эфира. Бог нужен бьш для объяснения таинственных и непонятных явлений. Точно так же и эфир нужен был физикам для объяснения реально наблюдаемых явлений-например, распространения света. Но развитие науки показывает, что существуют и другие объяснения. Оказалось, что свет есть электромагнитная волна, которая может распространяться и в вакууме. В нашей Вселенной есть две материальные субстанции: вещество и поле. Вещество все мы ясно себе представляем, а вот поле... В понимании физиков поле проявляется благодаря действию каких-либо сил. Силы могут иметь самую разную физическую природу и самое разное происхождение. Почему все тела притягиваются к Земле? Почему мы постоянно чувствуем собственный вес? И откуда он взялся, этот вес? Вес всех предметов обусловлен гравитационным полем Земли. Находясь в поле сил тяжести, все предметы испытывают силу притяжения-она и есть вес. Кроме гравитационных существуют и другие поля, в частности электрические. Их роль в мире мы явно недооцениваем. Атом составляет единое целое только потому, что легкие отрицательно заряженные электроны находятся в электрическом поле положительно заряженного ядра. Противоположные заряды притягивают- ся, поэтому электрон не так-то легко «оторвать» от ядра. Процесс удаления электрона из «родного» атома называется ионизацией. Она возможна при сильном нагреве, облучении квантами энергии, «обстреле» вещества элементарными частицами высоких энергий. Во всяком случае сообщаемая атомам энергия должна быть больще энергии ионизации атома, которая равна работе, совершаемой против сил поля ядра при «отрывании» электрона. Атомы объединяются в молекулы электрическими связями. Вот, например, как устроена молекула обычной поваренной соли NaCI. Натрий легко отдает один электрон, находящийся на самой дальней от ядра орбите. Хлор «с удовольствием» захватывает этот электрон. В результате атом натрия становится положительным ионом, а атом хлора-отрицательным. Они притягиваются друг к другу как заряды с противоположными знаками. Так получается молекула. Крупинка поваренной соли представляет собой одну большую «молекулу»-ионный кристалл, состоящий из великого множества ионов Na* и С1~. Положительные и отрицательные ионы располагаются строго попеременно, вследствие электрических связей они объединяются в кристаллическую решетку, образуя твердое тело. Все окружающие нас предметы оказываются прочными и твердыми только благодаря межатомным электрическим полям. Все мы знаем, что ядро атома очень мало по сравнению с самим атомом, но в то же время оно содержит почти всю массу атома, примерно 99,95%. Если точка в конце этого предложения условно изображает ядро, то для того, чтобы нарисовать весь атом, понадобится трехметровый лист бумаги! Вот как мало ядро по сравнению с самим атомом. Что же находится в огромном пустом  Строение атома 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [ 24 ] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 |