Квантовая радиофизика
Радиоспектроскопические исследования подготовили почву для рождения
квантовой электроники, или квантовой радиофизики. Слово "радиофизика" недаром
стоит в названии этой бурно развивающейся области современной науки и техники.
Ведь именно радиофизики создали первые квантовые генераторы - в 1954 г.
советские ученые, лауреаты Ленинской (1959) и Нобелевской (1964) премий
Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американские ученые Ч.
Таунс, Дж. Гордон и X. Цейгер. Все они до этого работали в области радиоспектроскопии.
Первые квантовые генераторы были молекулярными - работали на пучке молекул
аммиака. В молекуле аммиака три атома водорода расположены в вершинах равностороннего
треугольника, а атом азота может занимать одно из двух положений: над плоскостью
треугольника или под ней (рис. 21). В пучке молекул аммиака энергии этих
двух состояний несколько отличаются друг от друга, что дает в спектре поглощения
аммиака линию на частоте 23870,129 МГц (длина волны около 1,26 см).
Рис. 21. Два возможных состояния молекул аммиака NH3.
В соответствии с законами термодинамики большая часть молекул должна
находиться на более низком энергетическом уровне. Но оказывается, что молекулы,
находящиеся на разных энергетических уровнях, по-разному ведут себя в электрических
полях, поэтому их можно сортировать, т. е. отделять друг от друга с помощью
электрических полей.
Рис. 22. Устройство молекулярного генератора: 1 - баллон с аммиаком;
2 - капилляр; 3 - сортирующая система; 4 - полый резонатор; 5 - волноводный
вывод энергии; 6 - корпус генератора. Генератор охлаждается снаружи жидким
азотом, поэтому невозбужденные молекулы аммиака, отклоненные в стороны
сортирующей системой, намерзают изнутри на стенки корпуса, как водяные
пары намерзают на стенки морозильной камеры в холодильнике. И так же как
холодильник, молекулярный генератор надо время от времени "размораживать",
т. е. прекращать охлаждение его корпуса и откачивать вакуумным насосом
молекулы аммиака, испаряющиеся при этом со стенок.
Пучок молекул, вылетающих из баллона с аммиаком (1) через капилляр
(2), проходит сквозь сортирующую систему (3) (рис. 22). Она
может, например, состоять из ряда металлических колец, к которым поочередно
приложено высокое напряжение противоположной полярности. Пролетая через
такую систему, молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии, т. е. на
верхнем энергетическом уровне, собираются к оси системы, а молекулы, находящиеся
на нижнем уровне, отклоняются в стороны и не участвуют в работе генератора.
На выходе из сортирующей системы большая часть молекул находится в возбужденном
состоянии. Пролетая через полый резонатор (4), молекулы переходят
с верхнего уровня на нижний и испускают при этом электромагнитное излучение.
Оно возбуждает собственные колебания полого резонатора, который настроен
на ту же частоту -23870,129 МГц. Следующие возбужденные молекулы, влетающие
в резонатор, встречаются с уже существующими там колебаниями электромагнитного
поля и усиливают эти колебания, отдавая им свою энергию. Генерируемая мощность
выводится из резонатора по волноводу (5).
В стандартах частоты на атомах цезия используется излучение от постороннего
СВЧ генератора, а частота линии поглощения определяется с помощью радиоспектроскопа.
Такие стандарты называются пассивными. Молекулярный же генератор
сам генерирует колебания строго постоянной частоты и может использоваться
для создания активных стандартов частоты.
Кроме того, молекулярный генератор является высокочувствительным радиоспектроскопом
- только излучаются в нем не спектры поглощения, а спектры излучения.
(В оптике также изучают оба типа спектров: спектры раскаленных тел
являются спектрами испускания и состоят из светлых полос на темном фоне,
а спектры, получаемые при прохождении через вещество излучения от постороннего
источника, являются спектрами поглощения и состоят из темных полос на светлом
фоне.) Молекулярный генератор был первым прибором, который возвестил о
рождении других квантовых приборов: лазеров, сверхчувствительных квантовых
усилителей и др.
Радиофизикам принадлежит разработка методов голографии с использованием
лазеров (см. ст. "Свет"). Можно ожидать, что в скором будущем эти методы
приобретут столь же широкое распространение в науке и технике, какое уже
приобрели сейчас полупроводники, лазеры, искусственные спутники Земли.
|