Квантови честотни стандарти
Квантови честотни стандарти.
Устройството на цезиева атомно-лъчева тръба.
Кухината с течен цезий t 100 0 C е свързана с останалата част на устройството чрез тясна тръба или група от тръби, през които слаб лъч от цезиеви пари влиза в устройството.
Предполага се, че това е последвано от разделяне на атомите според квантовите енергии в полето между полюсите на първия магнит.
След това атомните лъчи влизат в резонатора. Това е кухина с проводими стени в еднородно променливо магнитно поле H, създадено с помощта на кварцов осцилатор. Реалната специфична магнетизация на цезий 2121.66 е само три пъти по-малка от тази на желязната група. Вярно е, че точката на Кюри в този случай е премината. И каква е специфичната магнетизация на цезия в газообразно състояние, не е известно. Но да предположим, че атоми с различни енергии се отклоняват между полюсите, тъй като те вече са се охладили. Но това, което е енергия в този случай, е кинетичната енергия на движение E = mv 2 /2, тоест атомите се разделят в магнитно поле, предимно по отношение на скоростта, а не по отношение на прословутите квантови нива. Разпределение на Максуел. Суров опит.
Атомите също се отклоняват средно, както в експеримента на Щерн-Герлах, и се разделят на два лъча. В допълнение, първият магнит служи като вид ускорител на потока. Следователно повече, да речем, високоскоростни атоми преминават през резонатора още по-бързо и нямат време да се люлеят в него. Какво се случва в резонатора? Променливото магнитно поле, завъртяно на 90 0, кара атомите да се движат напред-назад. Освен това повечето от атомите трябва да кондензират по стените на резонатора. Предполага се, че ако в резултат на вибрации атом с квантова енергия E1 премине в състояние E2, тогава атомите в състояние E2 ще бъдат изхвърлени от втория магнит и няма да паднат върху детектора. Твърди се, че вторият магнит фокусира атомитеенергията е E1. Бих искал да вярвам. Токът през детектора ще бъде намален със стойност, пропорционална на броя на атомите, които са направили енергийни преходи в резонатора. По същия начин ще бъдат фиксирани преходите на атомите от състояние E2 към състояние E1.
Освен това се счита, че броят на атомите, извършващи принудителен преход в единици. време под въздействието на електромагнитно поле, е максимално, ако честотата на полето съвпада точно с резонансната честота n =( E 2- E 1) / h .
Детекторът е горещ волфрамов проводник. Това означава, че има и волфрамови пари. Плюс на анода, минус на катода - обикновен диод. Между тях има елементарен амперметър.
Цезият, ако не кондензира върху колектора, тогава поне създава проводяща среда и концентрацията на цезий позволява да се запише тази концентрация на цезиеви атоми, които са достигнали зоната на детектора с текущата стойност.
С увеличаване на несъответствието (разстройването) на честотите на магнитния ефект и резонансния, броят на атомите намалява. Тези. плавно променяйки честотата на полето близо до резонансната честота, е възможно да се получат контурите на спектралната линия, съответстващи на прехода E1-E2 и обратно.
честотна зависимост на тока..
Какво наистина се случва. Първият магнит и вторият магнит нямат фундаментално значение. И първият, и вторият основно отклоняват частиците при влизане в магнитния поток и ги магнетизират и ги разделят според нивото на скоростта, атомното тегло, магнитните свойства. Магнитните свойства на цезиевите атоми, преминали точката на Кюри, вече са нарушени. Но дори и да има някакъв вид магнитен ефект (ако приемем охлаждането на атомите под точката на Кюри), то това не е само разделяне на атомите според магнитните свойства. Фокусирането е проблематично по принцип. Възможно е и другопо някакъв начин се фокусира, ако е квадруполен, композитен магнит. Кондензацията на пара в резонатора и други части на апарата може да се преодолее просто чрез общо нагряване на цялата тръба. Как върви процесът? Атомите на изпарения цезий, които не са се отклонили, влизайки в резонатора, се разделят допълнително в него както по магнитни свойства, така и по скорости. Променливо магнитно поле. В резултат на това във всеки случай получаваме определена електронна тръба, в която най-ускорените цезиеви атоми от резонатора, в резултат на определен „резонанс“, ще паднат върху детектора, допълнително отклонен от втория магнитен поток. Но това не е разделяне по квантови нива. Това разделяне се основава на енергията на движението. Използването на друг U-образен резонатор само подобрява това разделяне.
Също така е възможно да се използват резонатори с по-сложна форма под формата на гребен, тогава нивата на разделяне също ще се увеличат в броя на зъбите.
Естествено, такива резонансни честоти за атомите на различни елементи са различни, тъй като техните атомни тегла са различни и техните магнитни свойства са различни дори в газообразно състояние. Колкото по-тежък е атомът, толкова по-трудно е да го люлеете и толкова по-ниска трябва да бъде честотата на люлеене.
Резонанс всъщност няма. Само натрупването не позволява на бавните атоми да проникнат в детектора. Освен това дължината на резонатора влияе върху ширината на спектралната линия, което също е естествено, колкото по-къс е резонаторът, толкова по-широка е линията - повече атоми попадат в детектора.
Защо цезият е избран за изходен елемент? Неговата специфична магнетизация е най-високата сред алкалните метали. Точката на топене е малко по-висока от тази на радиоактивна Франция. Други вещества не са използвани както поради нетопимостта, така и поради ниския коефициент на специфично намагнитване, включително живак и халогени.
Процесът може да бъде значително опростен чрез прилагане на положителен потенциал към резонатора, по-голям от този на волфрамова жица, един вид ускорител. Тогава по-голям брой атоми ще попаднат в детектора.
Честотният стандартен водороден генератор използва малко по-различна техника. Извежда се резонансна честота, дължината на вълната е 21 cm. в резултат на самовъзбуждане на резонатора, вътре в който е разположена кварцова крушка, по-малка от дължината на вълната. В тази колба се подава лъч от водородни атоми, който е преминал през сепарационен магнит. Колбата заедно с резонатора е в регулируемо променливо магнитно поле. Осцилаторният процес възбужда самите водородни атоми, но колебанията в масата на водорода предизвикват пиезоелектричен ефект в кварца и само поради това, отново поради движението на атоми, които имат свойството на намагнитване. Тоест всичко се обяснява не с квантовите енергийни нива, а със скоростта на реакция на атомите към промяна в магнитното поле.
Честота на цезиевия осцилатор 9192631770 Hz 9,2 GHz
Честота на генератора на водород 1420405751 Hz 1,4 GHz
Интересното е в микровълновия обхват на радиоизлъчването. Тоест не става въпрос за декларираните честоти за светлина и други лъчения. И спектърът на такова излъчване не може да се разглежда като енергийно ниво на възбудено или основно състояние за генериране на светлина.
Проучването по никакъв начин не омаловажава стойността на самия стандарт. Това е пример за това как квантовата механика изкривява и усложнява възприятието ни за реален физически процес. Концепцията за такава честота на излъчване и дължина на вълната просто няма смисъл, когато се прилага към излъчването на енергия конкретно от самите атоми.
Но от голямо значение е фундаменталната възможност за определяне на резонансни радиочестоти - магнитна чувствителностелементи и вещества в газообразно състояние.
На тази основа се изграждат квантови генератори на радиоизлъчване - Мазери. Те се появиха в резултат на изследване на радиоспектрите на газообразни вещества.
Как може величината на външното магнитно поле да повлияе на работата на такива генератори. Например величината на земното магнитно поле.
С неговото намаляване ще се наблюдава разширяване и изместване на спектралната характеристика, тоест честотата ще плава.
Как действа гравитацията. С намаляване на теглото на атома (безтегловност), честотата отново плава. Една от силите, действащи на повърхността на земята, изчезва. Отзивчивостта на атомите към действието на променливото магнитно поле се подобрява и резонансът възниква при по-ниска честота.
Това означава, че работата на такива стандарти извън земята може да доведе до промяна в резонансната честота.
Този ефект се наблюдава в космоса, напълно напразно корелиран с ефекта на забавяне от теорията на относителността. Най-вероятно конвенционалният кристален осцилатор е по-малко податлив на такива промени, въпреки че и това не е спасение. Не може да се говори за механични часовници, тъй като те са най-податливи както на действието на магнитните потоци, така и на промените в гравитацията.