Квантовые стандарты частоты.
Устройство цезиевой атомно
- лучевой трубки.
Все в вакууме.
Полость с жидким цезием t 100 0 С соединена с остальным прибором узкой трубкой
или группой трубок, через которые слабый пучок испарений цезия поступает в
прибор.
Далее якобы следует разделение атомов по
квантовым энергиям в поле между полюсами первого магнита.
Потом пучки атомов попадают в резонатор. Это полость с проводящими
стенками в однородном переменном магнитном поле Н, создаваемым при помощи
кварцевого генератора. Реальная удельная намагничиваемость
цезия 2121,66 всего в три раза меньше чем у группы
железа. Правда, точка Кюри в данном случае пройдена. И какова
удельная намагничиваемость Цезия в газообразном
состоянии неизвестно. Но допустим, что атомы с различной энергией отклоняются
между полюсами, поскольку уже остыли. Но что в данном случае есть энергия,
это кинетическая энергия движения E=mv2 /2, то есть атомы сепарируются в магнитном поле, прежде всего по скоростям, а не по
пресловутым квантовым уровням.
Распределение Максвелла. Опыт Штерна.
Атомы также отклоняются в среднем как в опыте Штерна-Герлаха, и
делятся на два пучка. К тому же первый магнит служит своего рода ускорителем
потока. Поэтому более, скажем, скоростные атомы еще быстрее проходят
резонатор и не успевают в нем раскачаться.
Что делается в резонаторе? Переменное магнитное поле, повернутое на 900
заставляет метаться атомы туда сюда. Причем большая
часть атомов должна конденсироваться на стенках резонатора. Предполагается, что
если в результате колебаний атом с квантовой энергией Е1
перейдет в состояние Е2, то атомы в состоянии Е2 будут откинуты от второго
магнита и не попадут на детектор. Утверждается,
что второй магнит фокусирует атомы с энергией именно Е1.
Хотелось бы верить. Ток через детектор окажется уменьшенным на величину
пропорциональную числу атомов, совершивших энергетические переходы в
резонаторе. Таким же образом будут зафиксированы переходы атомов из состояния Е2 в состояние Е1.
Далее считается, что число атомов,
совершающих вынужденный переход в ед. времени под действием электромагнитного
поля, максимально, если частота поля точно совпадает с резонансной частотой n =(E2-E1)/h.
Детектор представляет собой раскаленную
вольфрамовую проволоку. Значит, присутствуют и пары вольфрама. Плюс на аноде,
минус на катоде – обычный диод. Между ними элементарный амперметр.
Цезий если не конденсируется на коллекторе,
то, по крайней мере, создает проводящую среду, и концентрация цезия позволяет
производить регистрацию этой концентрации атомов цезия достигших области детектора
по величине тока.
По мере увеличения несовпадения ( расстройки ) частот магнитного
воздействия и резонансной, число атомов уменьшается. Т.е. плавно изменяя
частоту поля вблизи резонансной частоты можно получить контуры спектральной
линии, соответствующей переходу Е1-Е2 и обратно.
зависимость тока от частоты..
Что происходит на самом деле. Первый магнит
и второй магнит не имеют никакого принципиального значения. И первый и второй в
основном отклоняют частицы при входе в магнитный поток и намагничивают их, и
сепарируют по уровню скорости, атомному
весу, магнитным свойствам. Магнитные свойства атомов цезия, прошедших точку
Кюри, уже нарушены. Но даже если и есть какой магнитный эффект(в
предположении остывания атомов ниже точки Кюри), то это не только сепарация
атомов по магнитным свойствам. Фокусировка проблематична по принципиальным
соображением . Другое дело можно как-то фокусировать,
если это квадроупольный, составной магнит. С
конденсацией паров в резонаторе и на других частях устройства можно справиться
просто общим нагревом всей трубки. Как идет сам процесс? Не отклонившиеся Атомы
испаренного цезия, попадая в резонатор, именно в нем дополнительно сепарируются
и по магнитным свойствам и по скоростям. Переменным магнитным полем. В
результате получаем в любом случае некую электронную лампу, в которой из
резонатора наиболее ускоренные атомы цезия в результате некого «резонанса»
попадут на детектор дополнительно отклоненные и вторым магнитным потоком. Но
это не сепарация по квантовым уровням. Это сепарация именно по энергии
движения. Применение резонатора другой П-образной формы только улучшает эту сепарацию.
Можно применять и резонаторы более изощренной
формы в виде гребенки, тогда и уровни разделения увеличатся по числу зубьев.
Естественно, что такие резонансные частоты
для атомов различных элементов различны, так как и различны их атомные веса и
различны магнитные свойства даже в
газообразном состоянии. Чем тяжелее атом, тем сложнее раскачать его и тем
меньше должна быть частота раскачки.
Собственно и резонанса то никакого нет.
Просто раскачка мешает медленным атомам проникать в детектор. Причем длина
резонатора влияет на ширину спектральной линии, что тоже естественно, чем
короче резонатор, тем шире линия – большее число атомов попадает в детектор.
Почему в качестве исходного элемента выбран
именно Цезий? Его удельная намагничеваемость
максимальная среди щелочных металлов. Температура плавления чуть выше, чем у радиоактивного
Франция. Другие вещества не использовались и из-за тугоплавкости и из-за
малого коэффициента удельной намагничиваемости, в том
числе и ртуть и галогены.
Процесс можно сильно упростить, подав на
резонатор положительный потенциал, больший, чем на вольфрамовой проволоке,
своего рода ускоритель. Тогда большее число атомов попадет в детектор.
В
водородном генераторе стандарта частоты используется несколько другой
технический прием. Выдается резонансная частота, длина волны равная
Частота цезиевого генератора 9192631770 гц 9,2 Ггц
Частота водородного генератора 1420405751 гц 1,4 Ггц
Что интересно укладывается в свч диапазон радиоизлучения. То есть и речи нет о частотах декларируемых для светового и прочего излучений. И
спектр такого излучения не может считаться уровнем энергии возбужденного или
основного состояния для генерации света.
Проведенное исследование ни в коей мере не умаляет значения самого
стандарта. Это пример того, насколько квантовая механика искажает и усложняет
наше восприятие реального физического процесса. Понятие такой частоты излучения
и длины волны просто не имеет смысла в применении к излучению энергии конкретно
самими атомами.
Зато большое значение имеет принципиальная
возможность определения резонансных радиочастот – магнитнитовосприимчивости
элементов и веществ в газообразном состоянии..
На
этой базе и построены квантовые генераторы радиоизлучения – Мазеры. Они
появились в результате исследования радиоспектров
газообразных веществ.
Как может сказаться на работе таких
генераторов величина внешнего магнитного поля. К примеру, величина магнитного
поля земли.
При его уменьшении будет наблюдаться
уширение и сдвиг спектральной характеристики, то есть поплывет частота.
Как сказывается действие гравитации. С уменьшением веса атома (невесомость) опять
плывет частота. Пропадает одна из действующих на поверхности земли сил.
Улучшается отзывчивость атомов на воздействие переменного магнитного поля и
резонанс наступает при меньшей частоте.
То есть работа таких стандартов вне земли
может повлечь за собой изменение резонансной частоты.
Данный эффект и наблюдается в космосе,
совершенно напрасно соотнесенный с эффектом запаздывания из теории
относительности. Скорее всего обычный кварцевый генератор менее подвержен таким
изменениям, хотя и он не спасение. О механических часах и речи нет, поскольку
они наиболее подвержены и действию магнитных потоков, и изменению силы тяжести.
Да, кстати, все те усовершенствования,
которые применяются к обычному механическому хронометру, а именно- карданный и торсионный подвес, электростатическая защита,
немагнитные материалы(по возможности)- так же не теряют своей значимости и в «атомных» часах.
А то тут некоторые «умельцы» с жутким
желанием доказать в опытах замедление по СТО, возят такие часики без всяких приспособ вокруг земли на самолетах—взлет, посадки, смены
курса, эшелонов, ну конечно без
ускорений---на то и инерциальная система отсчета(смех)-конечно
равномерно. Я балдею на такое жульническое наукоебие.
Фатьянов А.В. Спб 16.10.2007
2019