АСФАЛЬТИРОВАНИЕ, устройство асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах, улицах, аэродромах и т. п. путём укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси по предварительно подготовленному основанию. В зависимости от назначения покрытия асфальтобетонную смесь (асфальтобетон) укладывают в один или два слоя на основание из щебня, гравия (нежёсткое основание) или бетона (жёсткое основание). Нижний слой толщиной 4-5 см устраивают из крупно- или среднезерни-стой смеси с остаточной пористостью 5-10% ; верхний слой толщиной 3-4 см-из средне- или мелкозернистой смеси (остаточная пористость 3-5%). При тяжёлых нагрузках и интенсивном движении транспорта покрытия устраивают 3-4-слойными общей толщиной 12-15 см. АСФАЛЬТИРОВАНИЕ начинается с очистки основания от пыли и грязи механич. дорожными щётками и поливомоечными машинами, исправления неровностей основания, обработки его поверхности жидким битумом или битумной эмульсией. Асфальтобетонная смесь приготовляется в асфальтобетоно-смесителях на стационарных или полустационарных заводах (установках), доставляется на место автомобилями-самосвалами и загружается в приёмный бункер асфалътобетоноукладчика, к-рый укладывает, разравнивает и предварительно уплотняет смесь. Окончат. уплотнение осуществляется катками дорожными. .
КОММУНАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, отрасль строительства, занятая сооружением объектов, связанных с обслуживанием жителей городов, посёлков городского типа, районных сельских центров и населённых пунктов сельской местности. В числе этих объектов: системы водоснабжения и канализации с очистными сооружениями и сетями; сооружения городского электрического транспорта с путевым, энергетическим хозяйством, депо и ремонтными предприятиями; сети газоснабжения и теплоснабжения с распределительными пунктами, районными и квартальными котельными; электрические сети и устройства напряжением ниже 35 кв; гостиницы; городские гидротехнические сооружения; объекты внешнего благоустройства населённых мест, озеленения, дороги, мосты, путепроводы, ливнестоки; предприятия санитарной очистки, мусороперерабатывающие и др. Планомерное развитие КОММУНАЛЬНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА в СССР началось ещё в 1-й пятилетке и осуществлялось нарастающими темпами до начала Великой Отечеств, войны 1941-45. В годы 4-й пятилетки (1946-50) проводились работы по восстановлению объектов коммунального назначения, разрушенных во время нем.-фаш. оккупации. В последующие годы КОММУНАЛЬНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО велось высокими темпами в связи с бурным развитием промышленности, культуры, увеличением численности городов и посёлков городского типа .
ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО, теория и практика планировки и застройки городов (см. Город). ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО определяют социальный строй, уровень развития производственных сил, науки и культуры, природно-климатичие условия и национальные особенности страны. ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО охватывает сложный комплекс социально-экономических, строительно-технических, архитектурно-художественных, а также санитарно-гигиенических проблем. Общим для ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО досоциалистических формаций является большее или меньшее влияние на него частной собственности на землю и недвижимое имущество..
ЗЕЛЁНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО, составная часть современного градостроительства. Городские парки, сады, скверы, бульвары, загородные парки (лесопарки, лугопарки, гидропарки, исторические, этнографические, мемориальные), национальные парки, народные парки, тесно связанные с планировочной структурой города, являются необходимым элементом общегородского ландшафта. Они способствуют образованию благоприятной в санитарно-гигиеническом отношении среды, частично определяют функциональную организацию городских территорий, служат местами массового отдыха трудящихся и содействуют художественной выразительности архитектурых ансамблей. При разработке проектов садов и парков учитывают динамику роста деревьев, состояние и расцветку их крон в зависимости от времени года.
| рошо отполированные и посеребрённые торцы кристалла рубина. Источником накачки была лампа - вспышка. Рубиновые лазеры наряду с лазерами на стекле с примесью неодима дают рекордные энергии и мощности. В режиме свободной генерации большие кристаллы рубина при мощной накачке дают в импульсе энергию до 1000 дж (мощность до 106 em). Другой режим рубиновых лазеров достигается включением зеркал резонатора лишь в определённые моменты времени, когда инверсия населённостей достигает максимальной величины. Тогда все накопленные на метастабильном уровне частицы излучают практически сразу, и генератор выдаёт гигантский импульс излучения очень короткой длительности (10-8 - 10-9сек) со сравнительно небольшой энергией (ок. 3 дж). Но так как эта энергия излучается в очень короткое время, то пиковая мощность импульса достигает значений 3-106 - 3-109вт.
Вскоре после рубинового лазера был разработан первый газовый лазер· (А. Джаван, У.Беннетт, Д. Гарриот; 1960, США) на смеси атомов неона и гелия. Затем появился полупроводниковый инжекционный лазер (P. Хол, а также· У. Думке с сотрудниками; 1962, США). В газовых лазерах получение инверсии населённости достигается не световой накачкой, а при соударениях атомов или молекул рабочего газа с электронами: или ионами, имеющимися в электрич. разряде. Среди газовых лазеров выделяются гелий-неоновый лазер и лазер на смеси углекислого газа, азота и гелия: (CO2 - лазер), к-рые могут работать, как в импульсном, так и в непрерывном: режимах. С помощью гелий-неонового лазера получены световые колебания очень высокой стабильности (~ 10-13) и высокой монохроматичности ( = 1 гц при частоте 1014 гц). Хотя кпд этого лазера крайне невелик ( 0,01% ), именно высокая монохроматичность и направленность его излучения (обусловленные, в частности, однородностью его активной среды) сделали этот лазер незаменимым при всякого рода котировочных и нивелировочных работах. Мощный CO2 - лазер (К. Пател, 1964, США) генерирует инфракрасное излучение ( = 10,6 мкм). Его кпд, достигающий 30% , превосходит кпд всех существующих лазеров, работающих при комнатной темп-ре. Особенно перспективен газодинамический лазер на СО2. С его помощью можно получить в непрерывном режиме мощность в десятки кет. Монохроматичность, направленность и высокая мощность делают его весьма перспективным для целого ряда технологич. применений.
В полупроводниковых лазерах инверсия достигается гл. обр. при инжекции носителей тока через электронно-дырочный переход соответствующим образом легированного полупроводника. Имеется довольно много полупроводниковых материалов, из к-рых изготовляются лазеры в широком диапазоне длин волн. Наиболее распространённым из них является арсенид галлия (GaAs), к-рый при темп-ре жидкого азота может излучать в непрерывном режиме в ближней инфракрасной области мощность до 10 вт при кпд = 30% . Изменяя ток инжекции, можно достаточно безынерционно управлять мощностью, генерируемой ин-жекционными лазерами. Это делает перспективным их применение в быстродействующих вычислительных машинах и в системах связи.
Для получения инверсии населённости в парамагнитном квантовом усилителе, в рубиновом лазере, в газовых и полупроводниковых лазерах и др. используются совершенно различные физич. явления. Но единым и главным фактором для всех методов создания инверсии населённости является необходимость преодоления процессов, направленных к восстановлению равновесной населённости. Препятствовать процессам восстановления равновесной населённости можно, только затрачивая энергию, поступающую от внешнего источника питания. При этом в лазерное излучение преобразуется, как правило, малая доля энергии накачки. В режиме свободной генерации кпд рубинового лазера меньше 1 % , в режиме гигантских импульсов ещё меньше. Однако "проигрыш" в количестве энергии излучения компенсируется в К. э. выигрышем в его "качестве", монохроматичности и направленности излучения, обусловленных свойствами вынужденного излучения.
Монохроматичность и высокая направленность позволяют сфокусировать всю энергию лазерного излучения в пятно с размерами, близкими к длине волны излучения. В этом случае электрич. поле световой волны достигает значений, близких к внутриатомным полям. При взаимодействии таких полей с веществом возникают совершенно новые явления.
Применения К. э. революционизировали радиофизику СВЧ и оптику. Наиболее глубокие преобразования К. э. внесла в оптику. В радиофизике создание мазеров означало появление радиоустройств хотя принципиально и новых, но вместе с тем обладающих привычными для радиоинженера свойствами. И до появления К. э. в радиофизике существовали когерентные усилители и моно-хроматич. генераторы. К. э. лишь резко улучшила чувствительность усилителей (в 103 раз) и стабильность частоты генераторов (в десятки тысяч раз). В оптике же все источники света до появления лазеров не обладали ни сколько-нибудь заметной направленностью, ни монохроматичностью. Создание лазеров означало появление источников света, обладающих совершенно новыми свойствами. Это дало невиданную ранее в оптике возможность концентрировать энергию излучения как в пространстве, так и в узком частотном интервале.
Пром-сть выпускает различные типы лазеров, к-рые используются не только как эффективный инструмент научных исследований, но и для решения разного рода практич. задач. Осн. преимущества лазерного воздействия - малая область распространения тепла, отсутствие переноса электрич. зарядов и механич. контакта, возможность работать внутри вакуумных баллонов и в агрессивных газах. Одним из первых применений лазеров было измерение расстояния до Луны с большей точностью, чем это было сделано радиофизич. методом. После того как на Луне был установлен уголковый отражатель, расстояние до неё было измерено с точностью до 1,5 м. Существует лазерная локационная служба расстояния Земля - Луна.
Новые возможности открыло применение лазеров в оптич. линиях связи. Развитие оптич. линий связи с их задачами модуляции колебаний, детектирования, гетеродинирования, преобразования частоты световых колебаний потребовало переноса в оптику методов радиофизики и теории колебаний.
Возникла нелинейная оптика, изучающая нелинейные оптич. эффекты, характер к-рых зависит от интенсивности света (самофокусировка света, генерация оптич. гармоник, вынужденное рассеяние света, параметрическая генерация света, самопросветление или самозатемнения света). Методами нелинейной оптики создан новый класс перестраиваемых по частоте источников когерентного излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Нелинейные явления в оптике существуют только в узком диапазоне интенсивностей лазерного излучения. При малых интенсивностях нелинейные оптич. эффекты отсутствуют, затем по мере роста интенсивности они возникают, возрастают, но уже при потоках интенсивности 1014 вт/см2 все известные вещества разрушаются лазерным лучом и превращаются в плазму. Получение и исследование лазерной плазмы является одним из наиболее интересных применений лазеров. Осуществлён термоядерный синтез, инициируемый лазерным излучением.
Благодаря высокой концентрации электромагнитной энергии в пространстве и по спектру лазеры находят широкое применение в микробиологии, фотохимии, химич. синтезе, диссоциации, катализе. К. э. привела к развитию голографии - метода получения объёмных изображений предметов восстановлением структуры световой волны, отражённой предметом.
Работы по К.э. были отмечены Нобелевской премией 1964 по физике (H. Г. Басов, A. M. Прохоров, СССР, и Ч. Ta-унс, США).
Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, M., 1969; Фабрикант В., Классика, кванты и квантовая электроника, "Наука и жизнь", 1965, Na 10; Прохоров A. M., Квантовая электроника, "Успехи физических наук", 1965, т. 85, в. 4; Басов H. Г., Полупроводниковые квантовые генераторы, там же, 1965, т. 85, в. 4; Шавлов А., Современные оптические квантовые генераторы, там же, 1963, т. 81, в. 4; T а у н с Ч., Получение когерентного излучения с помощью атомов и молекул, там же, 1966, т. 88, в. 3. H. В. Карлов.
КВАНТОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ, скачкообразные переходы квантовой системы (атома, молекулы, атомного ядра, твёрдого тела) из одного состояния в другое. Наиболее важными являются К. п. между стационарными состояниями, соответствующими различной энергии квантовой системы, - К. п. системы с одного уровня энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии Ekна более низкий Ei система отдаёт энергию Ek - Ei, при обратном переходе - получает её (рис.). К. п.
Часть уровней квантовой системы: E1 - основной уровень (уровень с наименьшей возможной энергией), E_2, E3,E_4 - возбуждённые уровни. Стрелками показаны квантовые переходы с поглощением (направление вверх) и с отдачей энергии (направление вниз). могут быть излучательными и безызлу-чательными. При излучательных К. п. система испускает (переход Ek->Ei) или поглощает (переход Ei->Ek) квант электромагнитного излучения - фотон - энергии hv (v - частота излучения, h - Планка постоянная), удовлетворяющей фундаментальному со-отношению Ek-Ei = hv (1) (к-рое представляет собой закон сохранения энергии при таком переходе). В зависимости от разности энергий состояний системы, между к-рыми происходит К. п., испускаются или поглощаются фотоны радиоизлучения, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского излучения, -излучения. Совокупность излучательных К. п. с нижних уровней энергии на верхние образует спектр поглощения данной квантовой системы, совокупность обратных переходов - её спектр испускания (см Спектры оптические).
При безызлучательных К. п. система получает или отдаёт энергию при взаимодействии с др. системами. Напр., атомы или молекулы газа при столкновениях друг с другом или с электронами могут получать энергию (возбуждаться) или терять её.
Важнейшей характеристикой любого К. п. является вероятность перехода, определяющая, как часто происходит данный К. п. Вероятность перехода измеряют числом переходов данного типа в рассматриваемой квантовой системе за единицу времени (1 сек); поэтому она может принимать любые значения от О до °° (в отличие от вероятности единичного события, которая не может превышать 1). Вероятности переходов рассчитываются методами квантовой механики.
Ниже будут рассмотрены К. п. в атомах и молекулах (о К. п. в твёрдом теле, ядре атомном см. в этих ст.).
Излучательные квантовые переходы могут быть спонтанными ("самопроизвольными"), не зависящими от внешних воздействий на квантовую систему (спонтанное испускание фотона), и вынужденными, индуцированными - под действием внешнего электромагнитного излучения резонансной [удовлетворяющей соотношению (I)] частоты (поглощение и вынужденное испускание фотона). Поскольку спонтанное испускание возможно, квантовая система находится на возбуждённом уровне энергии Ekнекоторое конечное время, а затем скачкообразно переходит на к.-н. более низкий уровень. Средняя продолжительность kпребывания системы на возбуждённом уровне Ek наз. временем жизни на уровне. Чем меньше k, тем больше вероятность перехода системы в состояние с низшей энергией. Величина Ak = 1/k, определяющая среднее число фотонов, испускаемых одной частицей (атомом, молекулой) в 1 сек (k выражается в сек), наз. вероятностью спонтанного испускания с уровня Ek . Для простейшего случая спонтанного перехода с первого возбуждённого уровня E_2 на осн. уровень E1 величина А2 = l/2 определяет вероятность этого перехода; её можно обозначить A21. С более высоких возбуждённых уровней возможны К. п. на различные нижние уровни (рис.). Полное число А/k фотонов, испускаемых в среднем одной частицей с энергией за 1 сек, равно сумме чисел Aki фотонов, испускаемых при отдельных переходах:
[1139-2.jpg]
т. е. полная вероятность Ak спонтанного испускания с уровня Ek равна сумме вероятностей Akiотдельных спонтанных переходов Ek -> Ei ; величина Akiназ. коэффициентом Эйнштей-н а для спонтанного испускания при таком переходе. Для атома водорода Aki ~ (107 - 108) сек-1.
Для вынужденных К. п. число переходов пропорционально плотности излучения частоты =(Ek-Ei)/h, т. е. энергии фотонов частоты , находящихся в 1 см3. Вероятности поглощения и вынужденного испускания характеризуются соответственно коэфф. Эйнштейна Вikи Bki, равными числам фотонов, поглощаемых и соответственно вынужденно испускаемых в среднем одной частицей за 1 сек при плотности излучения, равной единице. Произведения Bikv и Bkiv определяют вероятности вынужденного поглощения и испускания под действием внешнего электромагнитного излучения плотности pv и, так же как Aki, выражаются в сек ~4.
Коэффициенты Aki, Bik и Bkiсвязаны между собой соотношениями (впервые полученными А. Эйнштейном и строго обоснованными в квантовой электродинамике):
[1139-3.jpg]
где gi(g_к) - кратность вырождения уровня Ei(Ek), т. е. число различных состояний системы, имеющих одну и ту же энергию Ei(соответственно Ek), с - скорость света. Для переходов между невырожденными уровнями (gi = = gk= 1) Bki= Вik, т. е. вероятности вынужденных К. п.- прямого и обратного - одинаковы. Если один из коэфф. Эйнштейна известен, то по соотношениям (3) и (4) можно определить остальные.
Вероятности излучательных переходов различны для разных К. п. и зависят от свойств уровней энергии Ei и Ek, между к-рыми происходит переход. Вероятности К. п. тем больше, чем сильнее изменяются при переходе электрич. и магнитные свойства квантовой системы, характеризуемые её электрическими и магнитными моментами. Возможность излучательиых К. п. между уровнями Ei и Ek с заданными характеристиками определяется отбора правилами. (Подробнее см. Излучение электромагнитное .)
Безызлучательные квантовые переходы также характеризуются вероятностями соответствующих переходов Сki и Сik - средними числами процессов отдачи и получения энергии Ek - Ei в 1 сек, рассчитанными на одну частицу с энергией Ek (для процесса отдачи энергии) или энергией Ek (для процесса получения энергии). Если возможны как излу-чательные, так и безызлучательные К. п., то полная вероятность перехода равна сумме вероятностей переходов обоих типов. Учёт безызлучательных К. п. играет существенную роль, когда его вероятность того же порядка или больше соответствующего К. п. с излучением. Напр., если с первого возбуждённого уровня E2 возможен спонтанный излучательный переход на осн. уровень E1 с вероятностью A21 и безызлучательный переход на тот же уровень с вероятностью C21, то полная вероятность перехода равна A21+ C21, а время жизни на уровне равно '2 = 1/(A21 + C21) вместо 2 = 1/A2 при отсутствии безызлучат. перехода. T. о., за счёт безызлучат. К. п. время жизни на уровне уменьшается. При C21>>A21 время '2 очень мало по сравнению с 2, и подавляющее большинство частиц будет терять энергию возбуждения E2 - E1 при безызлучательных процессах - будет происходить тушение спонтанного испускания.
Лит. см. при ст. Атом, Молекула, Спектры оптические. M. А. Ельяшевич.
КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, устройства, в к-рых для точного измерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой используются квантовые переходы частиц (атомов, молекул, ионов) из одного энергетич. состояния в другое. К. с. ч. позволяют измерять частоту колебаний, а следовательно, и их период, т. е. время, с наибольшей точностью по сравнению с др. стандартами частоты (см. Частоты стандарт, Время). Это привело к их внедрению в метрологию. К. с. ч. служат основой национальных эталонов частоты и времени и вторичных эталонов частоты, к-рые по классу точности и метрологич. возможностям приближаются к нац. эталону, но подлежат калибровке по нему. К. с. ч. применяются как лабораторные стандарты частоты, имеющие широкий набор выходных частот и снабжённые устройством для сравнения измеряемой частоты с частотой стандарта, а также как е-перы частоты, к-рые позволяют наблюдать выбранную спектральную линию, не внося в неё существенных искажений, И сравнивать (с высокой точностью) измеряемую частоту с частотой, фиксируемой спектральной линией. Качество К. с. ч. характеризуется их стабильностью - способностью сохранять выбранное значение частоты неизменным в течение длительного промежутка времени.
Квантовые законы накладывают весьма жёсткие ограничения на состояние атомов. Под действием внешнего электромагнитного поля определённой частоты атомы могут либо возбуждаться, т. е. скачком переходить из состояния с меньшей энергией E1 в состояние с большей энергией E2, поглощая при этом порцию (квант) энергии электромагнитного поля, равную:
hv =E2-E1 ,
либо переходить в состояние с меньшей энергией, излучая электромагнитные волны той же частоты (см. Атом, Квантовая электроника).
К. с. ч. принято разделять на два класса. В активных К. с. ч. квантовые переходы атомов и молекул непосредственно приводят к излучению электромагнитных волн, частота к-рых служит стандартом или опорной частотой. Такие приборы наз. также квантовыми генераторами. В пассивных К. с. ч. измеряемая частота колебаний внешнего генератора сравнивается с частотой колебаний, соответствующих определённому квантовому переходу выбранных атомов, т. е. с частотой спектральной линии. Первыми достигли технич. совершенства и стали доступными пассивные К. с. ч. на пучках атомов цезия (цезиевые стандарты частоты). В 1967 междунар. соглашением длительность секунды определена как 9.192.631.770,0 периодов колебаний, соответствующих определённому энергетич. переходу атомов единственного стабильного изотопа цезия 133Cs. Нуль после запятой означает, что это число не подлежит дальнейшему изменению. В цезие-вом стандарте частоты наблюдается контур спектральной линии 133Cs, соответствующей переходу между 2 выбранными уровнями энергии E1 и E2. Частота, соответствующая вевшине этой линии, фиксируется и с ней при помощи спец. устройств сравниваются измеряемые частоты.
Гл. частью К. с. ч. с пучком атомов Cs является атомнолучевая трубка, в к-рой поддерживается высокий вакуум. В одном конце трубки расположен источник пучка атомов Cs - полость, в к-рой находится небольшое кол-во жидкого Cs (рис. 1). Полость соединена с остальной трубкой узким каналом или набором параллельных каналов. Источник поддерживается при темп-ре ок. 100 0C, когда Cs находится в жидком состоянии (темп-pa плавления Cs 29,5 0C), но давление его паров ещё мало, и атомы Cs, вылетая из источника, пролетают через каналы достаточно редко, не сталкиваясь друг с другом. В результате этого в трубке формируется слабо расходящийся пучок атомов Cs.
В противоположном конце трубки расположен чрезвычайно чувствительный приёмник (детектор) атомов Cs, способный зарегистрировать ничтожные изменения в интенсивности пучка атомов.
Рис. 1. Схема атомнолучевой трубки: / -источник пучка Cs; 2 и 4-отклоняющие магниты, создающие неоднородные магнитные поля H1 и H2; 3 - объёмный резонатор, в котором возбуждаются электромагнитные волны, находящийся в постоянном и однородном магнитном поле H; 5 - раскалённая вольфрамовая проволочка; 6 - коллектор ионов Cs; 7 - измерительный прибор; 8 - область постоянного однородного магнитного поля H (ограничена пунктиром).
Детектор состоит из раскалённой вольфрамовой проволочки 5 и коллектора 6, между к-рыми включён источник напряжения (положительный полюс присоединён к проволочке, а отрицательный - к коллектору). Как только атом Cs касается раскалённой вольфрамовой проволочки, он отдаёт ей свой внешний электрон (энергия ионизации Cs равна 3,27 эв, а работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эв; см. Поверхностная ионизация). Ион Cs притягивается к коллектору. Если на раскалённый вольфрам попадает достаточно много атомов Cs, то в цепи между коллектором и вольфрамовой проволочкой возникает электрич. ток, измеряя к-рый, можно судить об интенсивности цезиевого пучка, попавшего на детектор.
По пути от источника к детектору пучок атомов Cs проходит между полюсными наконечниками двух сильных магнитов. Неоднородное магнитное поле Hi первого магнита расщепляет пучок атомов Cs на неск. пучков, в к-рых летят атомы, обладающие различными энергиями (находящиеся на разных энергетич. уровнях). Второй магнит (поле H2) направляет (фокусирует) на детектор только атомы, принадлежащие к одной паре энергетич. уровней E1 и E2, отклоняя в стороны остальные.
В промежутке между магнитами атомы пролетают через объёмный резонатор 3 - полость с проводящими стенками, - в к-ром возбуждаются (с помощью стабильного кварцевого генератора) электромагнитные колебания определённой частоты. Если под влиянием этих колебаний атом Cs с энергией E1 перейдёт в энергетич. состояние E2, то поле второго магнита отбросит его от детектора, т. к. для атома, перешедшего в состояние E2, поле второго магнита уже не будет фокусирующим и этот атом минует детектор. T. о., ток через детектор окажется уменьшенным на величину, пропорциональную числу атомов, совершивших энергетич. переходы под влиянием электромагнитного резонатора. Таким же образом будут зафиксированы переходы атомов Cs из состояния E_2 в состояние E1.
Число атомов, совершающих вынужденный переход в ед. времени под действием электромагнитного поля, максимально, если частота действующего на атом электромагнитного поля точно совпадает с резонансной частотой V0 = (E2 - E1)/n. По мере увеличения несовпадения (расстройки) этих частот число таких атомов уменьшается. Поэтому, плавно меняя частоту поля вблизи v0 и откладывая по горизонтальной оси частоту , а по вертикали изменение тока детектора, получим контур спектральной линии, соответствующий переходу E_1->E2 и обратно E_2->E1 (рис. 2, а).
Частота v0, соответствующая вершине спектральной линии, и является опорной точкой (репером) на шкале частот, а соответствующий ей период колебаний принят равным 1/9 192 631,0 сек,
Точность определения частоты, соответствующей вершине спектральной линии, как правило, составляет неск. процентов, а в лучшем случае - доли процента от ширины линии. Она тем выше, чем уже спектральная линия. Этим объясняется стремление устранить или по крайней мере ослабить все причины, приводящие к уширению используемых спектральных линий.
В цезиевых стандартах уширение спектральной линии (рис. 2, а) обусловлено временем взаимодействия атомов с электромагнитным полем резонатора: чем меньше это время, тем шире линия (см. Неопределённостей соотношение). Время взаимодействия совпадает со временем пролёта атома через резонатор. Оно пропорционально длине резонатора и обратно пропорционально скорости атомов.
Рис. 2. Форма спектральной линии в цезиевых стандартах частоты: а - с обычным резонатором; 6 - в случае П-образного резонатора; - резонансная частота, - ширина спектральной линии.
Но длина резонатора не может быть сделана очень большой (увеличивается рассеяние атомного пучка). Существенно уменьшить скорость атомов, понижая темп-ру, также невозможно, т. к. при этом падает интенсивность пучка. Увеличение размеров резонатора затруднено и тем, что он должен располагаться в весьма однородном по величине и направлению магнитном поле H. Последнее необходимо потому, что используемые энергетич. переходы в атомах Cs обусловлены изменением ориентации магнитного момента ядра атома Cs относительно магнитного момента его электронной оболочки (см. Электронный парамагнитный резонанс). Переходы такого типа не могут наблюдаться вне магнитного поля, причём частота, соответствующая таким переходам, зависит (хотя и слабо) от величины этого поля. Создавать такое поле в большом объёме затруднительно.
Получение узкой спектральной линии достигается применением резонатора П-образной формы (рис. 3). В этом резонаторе пучок пролетает через отверстие вблизи его концов и только там взаимодействует с высокочастотным электромагнитным полем. Поэтому только в двух этих небольших областях необходимы однородность и стабильность магнитного поля H. При этом перед вторым влётом в резонатор атомы "сохраняют" результат первого взаимодействия с полем. В случае П-образного резонатора спектральная линия приобретает более сложную форму (рис. 2,6), отражающую и время пролёта в электромагнитном поле внутри резонатора (широкий пьедестал), и полное время пролёта между обоими концами резонатора (узкий центральный пик). Именно узкий центральный пик служит для фиксации частоты.
Рис. 3. Схема атомнолучевой трубки с П-образным резонатором (обозначения те же, что и на рис. 1).
В К. с. ч. с пучком атомов Cs погрешность в значении частоты v0 имеет место лишь в 13-м знаке для уникальных устройств (эталонов частоты) и в 12-м знаке для серийных приборов высокой точности (вторичных эталонов или стандартов частоты).
В состав К. с. ч. с пучком атомов Cs наряду с атомнолучевой трубкой и кварцевым генератором входят спец. радиосхемы, позволяющие с высокой точностью сравнивать измеряемую частоту внешних генераторов с частотой, определяемой К. с. ч. Кроме того, обычно цезиевый стандарт дополняют устройствами, вырабатывающими набор "целых" стандартных частот, стабильность к-рых равна стабильности эталона. Иногда эти системы вырабатывают и сигналы точного времени. В таких случаях К. с. ч. превращается в квантовые часы.
Уникальные лабораторные образцы К. с. ч. на пучках атомов Cs, входящие в состав нац. эталонов частоты и времени, обеспечивают воспроизведение длительности секунды, а следовательно всей системы измерения частоты и времени с относительной погрешностью, меньшей чем 10-11. Эта относительная погрешность практически не превышает 10-12, но для фиксации этого значения междунар. соглашением необходимо проведение длительных наблюдений. Существенным преимуществом К. с. ч. на пучках атомов цезия является то, что их пром. конструкции обеспечивают воспроизведение номинального значения частоты (времени) с погрешностью 10-11, т. е. не уступают по точности эталону. Даже малогабаритные приборы этого типа, пригодные для применения в условиях обычных лабораторий и на подвижных объектах, работают с погрешностью не более 10-10, а нек-рые образцы и 10-11.
Наиболее важным активным К. с. ч. является водородный квантовый генератор (рис. 4). В водородном генераторе пучок атомов водорода выходит из источника 1, где при низком давлении под влиянием электрич. разряда молекулы водорода расщепляются на атомы. Размеры каналов, сквозь к-рые атомы вылетают из источника 1 в вакуумную камеру, меньше, чем расстояние, пролетаемое атомами водорода между их столкновениями. При этом условии атомы водорода вылетают из источника в виде узкого лучка. Этот пучок проходит между полюсными наконечниками многополюсного магнита 2. Действие поля, создаваемого таким магнитом, таково, что оно фокусирует вблизи оси пучка атомы, находящиеся в возбуждённом состоянии, и разбрасывает в стороны атомы, к-рые находятся в основном (невозбуждённом) состоянии.
Рис. 4. Устройство водородного генератора: / - источник атомного пучка; 2 - сортирующая система (многополюсный магнит); 3 - резонатор; 4 - накопительная колба.
Возбуждённые атомы пролетают через маленькое отверстие в кварцевую колбу 4, находящуюся внутри объёмного резонатора 3, настроенного на частоту, соответствующую переходу атомов водорода из возбуждённого состояния в основное. Под действием электромагнитного поля атомы водорода излучают, переходя в основное состояние. Фотоны, излучаемые атомами водорода в течение сравнительно большого времени, определяемого добротностью резонатора, остаются внутри него, вызывая снова вынужденное испускание таких же фотонов атомами водорода, влетающими позже. T. о., резонатор создаёт обратную связь, необходимую для самовозбуждения генератора (см. Генерирование электрических колебаний). Однако достижимая интенсивность пучков атомов водорода всё же недостаточна для того, чтобы обеспечить самовозбуждение такого генератора, если используется обычный объёмный резонатор. Поэтому в резонатор помещают кварцевую колбу 4, стенки к-рой покрыты изнутри тонким слоем фторопласта (тефлона). Возбуждённые атомы водорода могут удариться о плёнку тефлона более десяти тысяч раз, не потеряв при этом свою избыточную энергию. Благодаря этому в колбе скапливается значит, число возбуждённых атомов водорода и среднее время пребывания каждого из них в резонаторе увеличивается примерно до 1 сек. Этого достаточно для того, чтобы условия самовозбуждения были выполнены и водородный генератор начал работать, излучая электромагнитные волны с чрезвычайно стабильной частотой.
Колба, размеры к-рой выбираются меньшими, чем генерируемая длина волны, играет ещё одну, чрезвычайно важную роль. Хаотичное движение атомов водорода внутри колбы должно было бы привести к уширению спектральной линии вследствие эффекта Доплера (см. Доплера эффект). Однако если движение атомов ограничено объёмом, размеры к-рого меньше длины волны, то спектральная линия приобретает вид узкого пика, возвышающегося над широким низким пьедесталом. В результате этого в водородном генераторе, генерирующем излучение с длиной волны = 21 см, ширина спектральной линии составляет всего 1 гц.
Именно чрезвычайно малая ширина спектральной линии обеспечивает малую погрешность частоты водородного генератора, также лежащую в пределах 13-го знака. Погрешность обусловлена взаимодействием атомов водорода с фторпла-стовым покрытием колбы. Значение этой частоты, измеренное при помощи К. с. ч. на пучке атомов Cs (см. выше), равно 1.420.405.751,7860 + 0,0046 гц. Мощность водородного генератора чрезвычайно мала (~10-12вт). Поэтому К. с. ч. на основе водородного генератора включает в себя, помимо схем сравнения и формирования сетки стандартных частот, чрезвычайно чувствительный приёмник.
Оба описанных К. с. ч. работают в диапазоне сверхвысоких радиочастот (СВЧ). Известен ряд др. атомов и молекул, спектральные линии к-рых позволяют создавать активные и пассивные К. с. ч. радиодиапазона. Однако они пока не нашли практич. применения. Лишь К. с. ч. на атомах рубидия, основанные на методе оптической накачки, широко применяются в качестве вторичного стандарта частоты в лабораторной практике, а также в системах радионавигации и в квантовых часах.
К. с. ч. оптич. диапазона представляют собой лазеры, в к-рых приняты спец. меры для стабилизации частоты их излучения. В оптич.диапазоне доплеровское уширение спектральных линий очень велико и из-за малой длины световых волн подавить его так, как это сделано в водородном генераторе, не удаётся. Создать же эффективный лазер на пучках атомов или молекул пока также не удаётся. T. к. в пределах доплеровской ширины спектральной линии помещается неск. относительно узких резонансных линий оптич. резонатора, то частота генерации подавляющего большинства лазеров определяется не столько частотой используемой спектральной линии, сколько размерами оптич. резонатора, определяющими его резонансные частоты. Но эти частоты не остаются постоянными, а изменяются под влиянием изменений темп-ры, давления, под действием вибраций, старения и т. п.
Наименьшая относительная погрешность частоты у оптич. К. с. ч.(~ 10-13) достигнута с помощью гелий-неонового лазера, генерирующего на волне 3,39 мкм (см. Газовый лазер). Внутрь резонатора лазера помещена трубка, наполненная метаном при низком давлении. Метано-вая ячейка деформирует форму спектральной линии лазера, образуя на ней чрезвычайно узкий и стабильный по частоте резонансный пик. Именно на вершине этого пика происходит самовозбуждение лазера, а частота его излучения определяется гл. обр. положением вершины пика. Для повышения максимальной стабильности вся конструкция помещается в термостат, стабилизируются источники питания, длина резонатора и т. п.
К. с. ч. оптич. диапазона пока ещё не связаны (в метрологич. смысле) с К. с. ч. радиодиапазона, а следовательно, с единицей частоты (гц) и единицей времени (сек). Непосредственное измерение частоты (сравнение с эталоном) возможно только в длинноволновом участке инфракрасного диапазона (3,39 мкм и длиннее).
Лит.: Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, M., 1969, с. 35; Григорьянц В. В., Ж а б о т и н-ский M. E., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, M., 1968, с. 164, 194; Басов H. Г., Беленов Э. M., Сверхузкие спектральные линии и квантовые стан" дарты частоты, "Природа", 1972, № 12.
M. E. Жаботинский.
КВАНТОВЫЕ ЧАСЫ, устройство для точного измерения времени, основной частью к-рого является квантовый стандарт частоты. Роль "маятника" в К. ч. играют атомы. Частота, излучаемая или поглощаемая атомами при их квантовых переходах из одного энергетич. состояния в другое, регулирует ход К. ч. Эта частота настолько стабильна, что К. ч. позволяют измерять время точнее, чем астрономич. методы (см. Время). К. ч. часто наз. атомными часами.
К. ч. применяются в системах радионавигации, в астрономич. обсерваториях, в исследовательских и контрольно-изме-рит. лабораториях и т. п., заменяя собой менее совершенные кварцевые часы.
Сигналы квантовых стандартов частоты сами по себе не могут быть использованы для вращения часового механизма, т. к. мощность этих сигналов ничтожно мала, а частота колебаний, как правило, весьма высока и имеет нецелочисленное значение (напр., мощность атомного водородного генератора составляет 10-11 -10-12 вт, а частота равна 1420,406 Мгц). Это затрудняет непосредственное использование квантовых стандартов частоты в службе времени, в различных навигационных системах, а также в лабораторной практике. В этих случаях более удобно иметь набор (сетку) стандартных высокостабильных частот: 1 кгц, 10 кгц, 100 кгц, 1 Мгц и т. д. при высокой мощности выходного сигнала. Поэтому К. ч., помимо квантового стандарта частоты, содержат спец. радиотехнич. устройства, формирующие такую сетку частот и обеспечивающие вращение стрелок часов (или смену цифр на их циферблате) и выдачу сигналов точного времени.
Большинство К. ч. содержит вспомогательный кварцевый генератор. Из-за изменения частоты кварцевого генератора во времени (старения) точность базирующихся на нём кварцевых часов была бы сама по себе недостаточно высока. В К. ч. частота кварцевого генератора контролируется с помощью квантового стандарта частоты, благодаря чему точность часов повышается до уровня точности самого квантового стандарта. Однако введение периодич. поправок оператором не всегда удобно. Для нек-рых устройств, в частности навигационных, более рационально повышение стабильности частоты кварцевого генератора с помощью автоматич. подстройки его частоты к частоте квантового стандарта.
В одном из вариантов такой подстройки (фазовая автоподстройка частоты, рис. 1) частота vKB кварцевого генератора (обычно ~10-20 Мгц) умножается радиотехнич. средствами в нужное число (и) раз и в смесителе вычитается из частоты квантового стандарта vCT. Подбором конкретных значений кв и n разностную частоту = (vCT - nКВ) можно сделать приблизительно равной частоте кварцевого генератора: КВ = (vCT - n КВ).
Рис. 1. Блок-схема квантовых часов с фазовой автоматической подстройкой частоты.
После усиления сигнал разностной частоты (ст - nКВ) подаётся на один вход фазового детектора, а на другой его вход подаются колебания кварцевого генератора. Фазовый детектор вырабатывает напряжение, величина и знак к-рого зависят от отклонения разностной частоты Д и частоты кварцевого генератора vKВ друг от друга. Это напряжение подаётся затем на блок управления частотой кварцевого генератора и вызывает сдвиг частоты генератора, к-рый компенсирует отклонение vKВ от разностной частоты Д. T. о., любое изменение частоты кварцевого генератора вызывает появление на выходе блока управления напряжения соответствующей величины и знака, сдвигающего частоту в обратном направлении. Поэтому частота кварцевого генератора автоматически поддерживается неизменной. В результате стабильность его частоты становится практически равной стабильности частоты квантового стандарта. Синтезатор частот формирует из сигнала кварцевого генератора сетки столь же точных стандартных частот. Одна из них служит для питания электрич. часов, а остальные используются для метрологических и др. целей. Погрешность хода лучших К. ч. такого типа при тщательном изготовлении и настройке составляет не более 1 сек за неск. тыс. лет. Первые К. ч. были созданы в 1957 (рис. 2). Стандартом частоты в них служил молекулярный генератор на пучке молекул аммиака. Созданные позднее К. ч., в к-рых используется квантовый стандарт частоты с пучком атомов цезия, не нуждаются в калибровке по эталону, т. к. номинальное значение опорной частоты может быть установлено на основе манипуляций в самом приборе.
Рис. 2. Первые квантовые часы, построенные в Национальном бюро стандартов США, с молекулярным аммиачным генератором в качестве квантового стандарта частоты.
Недостатки этих К. ч.- большой вес и чувствительность к вибрациям. В К. ч. другого типа (наиболее распространённых) применяется рубидиевый стандарт частоты с оптич. накачкой. Они легче, компактнее, не боятся вибраций, но нуждаются в калибровке, после чего они поддерживают установленное значение частоты с погрешностью порядка 10-11 в течение года. Осн. частью рубидиевых К. ч. является спец. радиоспектроскоп с оптич. накачкой и оптич. индикацией, фиксирующий спектральную линию изотопа 87Rb, лежащую в диапазоне СВЧ. Спектроскоп содержит объёмный резонатор 3, в к-ром находится колба 2 с парами изотопа 87Rb (рис. 3) при давлении ~ 10-6 мм рт. ст.
Рис. 3. Схема рубидиевого стандарта частоты с оптической накачкой: / - лампа, освещающая колбу 2, наполненную парами 87Rb; 3 - объёмный резонатор; 4 - фото детектор; 5 - усилитель низкой частоты; 6 - фазовый детектор; 7 - генератор низкой частоты; 8 - кварцевый генератор; 9 - умножитель частоты.
Резонатор настроен на частоту спектральной линии 87Rb, равную 6835 Мгц. Чувствительность обычного радиоспектроскопа недостаточна для того, чтобы зафиксировать радиочастотную линию 87Rb. Для увеличения чувствительности используются оптич. накачка паров 87Rb и оптич. индикация спектральной линии. На атомы 87Rb направляется свет, частота к-рого совпадает с частотой др. спектральной линии 87Rb, лежащей в оптич. диапазоне. Газоразрядная лампа / низкого давления с парами 87Rb освещает колбу. Свет, прошедший сквозь колбу, попадает на фотоприёмник (напр., фотоэлектронный умножитель). Под действием света рубидиевой лампы (накачка) атомы 87Rb возбуждаются, т. е. переходят из состояния с энергией E_2 в состояние с энергией E3 (рис. 4). Если интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение - число атомов, находящихся в состояниях E2и E3, становится одинаковым. При этом поглощение света в парах уменьшается (т. к. число невозбуждённых частиц на уровне E_2 способных поглощать кванты света, уменьшается) и пары 87Rb становятся прозрачнее, чем они были бы при воздействии на них накачки. Если одновременно с накачкой пары 87Rb облучить радиоволной, частота к-рой равна частоте спектральной линии, лежащей в диапазоне СВЧ и соответствующей переходам атомов 87Rb между уровнями E1 и E2, то, поглощаясь, она переводит атомы 87Rb с уровня E1 на уровень E2 (рис. 4). Такая радиоволна будет препятствовать насыщающему действию световой волны, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. T. о., измеряя при помощи фотоприёмника интенсивность света, прошедшего через колбу с парами 87Rb, можно точно определить, действуют ли одновременно на эти пары свет с частотой, соответствующей переходу E2 -> E3, и радиоволна с частотой перехода E1->E2.
Рис. 4. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.
Источником радиоволны служит кварцевый генератор, возбуждающий в резонаторе электромагнитное поле резонансной частоты. Если плавно изменять частоту генератора, то в момент её совпадения с частотой радиоспектральной линии 87Rb интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится.
Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматич. подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогат. генератора низкой частоты (см. Модуляция колебаний. Фазовая модуляция). Поэтому свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой частотой. Модуляция света тем сильнее, чем точнее совпадает частота электромагнитного поля в резонаторе с частотой радиоспектральной линии 87Rb. Электрич. сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор, на к-рый поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше разность частот (расстройка) частоты спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb.
Точность рубидиевых К. ч. определяется гл. обр. шириной радиоспектральной линии 87Rb. Осн. причиной, приводящей к уширению спектральных линий газов (паров) при низких давлениях, является Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении неск. мм рт. ст.). Атомы 87Rb, сталкиваясь с атомами буферного газа, оказываются как бы зажатыми между ними и совершают быстрые хаотич. движения, оставаясь в среднем почти на одном месте, лишь медленно диффундируя внутри колбы. В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале. Ширина и положение этого пика зависят от состава буферного газа. Напр., смесь из 50% неона и 50% аргона позволяет свести ширину спектрального пика примерно до 100 гц, причём его положение смещается лишь на 0,02 гц при изменении темп-ры на I0C или давления на 1 мм рт. ст.
Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы накачки, поэтому применяются системы автоматич. регулирования интенсивности. Возможно создание рубидиевых К.ч., в к-рых вместо описанной системы оптич. индикации используется квантовый генератор с парами рубидия. В этих К. ч. применяются настолько интенсивная оптич. накачка и резонатор со столь высокой добротностью, что в нём выполняются условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb, наполняющие колбу внутри резонатора, излучают электромагнитные волны на частоте 6835 Мгц. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но в отличие от предыдущего частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в к-рой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.
Лит.: Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, M., 1969, с. 35, 241; Григорьянц В. В., Ж а б о т и Н-О кий M. E., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, M-, 1968, с. 171.
М. E. Жаботинский.
КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА, целые (0,1,2,...) или полуцелые 1/2,3/2, 5/2,...)числа, определяющие возможные дискретные значения физич. величин, к-рые характеризуют квантовые системы (атомное ядро, атом, молекулу) и отдельные элементарные частицы. Применение К. ч. в квантовой механике отражает черты дискретности процессов, протекающих в микромире, и тесно связано с существованием кванта действия, или Планка постоянной h. К. ч. были впервые введены в физику для описания найденных эмпирически закономерностей атомных спектров (см. Атом), однако смысл К. ч. и связанной с ними дискретности нек-рых величин, характеризующих динамику микрочастиц, был раскрыт лишь квантовой механикой.
Набор К. ч., исчерпывающе определяющий состояние квантовой системы, наз. полным. Совокупность состояний, отвечающих всем возможным значениям К. ч. из полного набора, образует полную систему состояний. Состояние электрона в атоме определяется четырьмя К. ч. соответственно четырём степеням свободы электрона (3 степени свободы связаны с тремя координатами, определяющими пространственное положение электрона, а четвёртая, внутренняя, степень свободы - с его спином). Для атома водорода и водородоподобных атомов эти К. ч., образующие полный набор, следующие.
Главное К. ч. и = 1, 2, 3, ... определяет уровни энергии электрона.
Азимутальное (или орбитальное) К. ч. / = О, 1, 2, ..., -1 задаёт спектр возможных значений квадрата орбитального момента количества движения электрона: Ml2 - h2l(l + 1).
Магнитное К. ч. m1 характеризует возможные значения проекции M12 орбитального момента Ml на нек-рое, произвольно выбранное, направление (принимаемое за ось z): Mlz= hml; может принимать целые значения в интервале от -l до +l (всего 2l + 1 значений).
Магнитное спиновое К. ч., или просто спиновое К. ч., ms характеризует возможные значения проекции спина электрона и может принимать 2 значения:
ms = ±1/2.
Задание состояния электрона с помощью К. ч. п, I, ml и msне учитывает т. н. тонкой структуры энергетич. уровней - расщепления уровней с данным n (при n=>2) в результате влияния спина на орбитальное движение электрона (см. Спин-орбитальное взаимодействие). При учёте этого взаимодействия для характеристики состояния электрона вместо mlи ms применяют К. ч. j и mj.
К. ч. j полного момента количества движениям электрона (орбитального плюс спинового) определяет возможные значения квадрата полного момента: M2= h2j(j+1) и при заданном l может принимать 2 значения: j =l / ±1/2.
Магнитное квантовое число полного момента mj определяет возможные значения проекции полного момента на ось z, Mz = hmj; может принимать 2j + 1 значений: mj = -j, -j + 1, ..., +j.
Те же К. ч. приближённо описывают состояния отдельных электронов в сложных (многоэлектронных) атомах (а также состояния отдельных нуклонов - протонов и нейтронов - в атомных ядрах). В этом случае n нумерует последовательные (в порядке возрастания энергии) уровни энергии с заданным l. Состояние же многоэлектронного атома в целом определяется след. К. ч.: К. ч. полного орбитального момента атома L, определяемого движением всех электронов, L = O, 1, 2, ...; К. ч. полного момента атома ], к-рое может принимать значения с интервалом в 1 от j = |L - S| до J = L+S, где S - полный спин атома (в единицах И); магнитным квантовым числом mJ определяющим возможные значения проекции полного момента атома на ось z, Mz, = mjh, и принимающим 1J+1 значений.
Для характеристики состояния атома и вообще квантовой системы вводят ещё одно К. ч.- чётность состояния P, к-рое принимает значения +1 или -1 в зависимости от того, сохраняет волновая функция, определяющая состояние системы, знак при отражении координат r относительно начала координат (т. е. при замене r->-r) или меняет его на обратный. Чётность P для атома водорода равна (-1)l, а для многоэлектронных атомов (-1)L.
К. ч. оказались также удобными для формулировки отбора правил, определяющих возможные типы квантовых переходов.
В физике элементарных частиц и в ядерной физике вводится ряд др. К. ч. Квантовые числа элементарных частиц - это внутренние характеристики частиц, определяющие их взаимодействия и закономерности взаимных превращений. Кроме спина s, к-рый может быть целым или полуцелым числом (в единицах h), к ним относятся: электрический заряд Q - у всех известных элементарных частиц равен либо О, либо целому числу, положительному или отрицательному (в единицах величины заряда электрона е); барионный заряд В - равен О или 1 (для античастиц О, -1); лептонные заряды, или. лептон-ные числа, - электронное Le и мюонное Lm, равны О или +1 (для античастиц О, -1); изотопический спин T - целое или полуцелое число; странность S или гиперзаряд Y (связанный с S соотношением Y = S+B) - все известные элементарные частицы (или античастицы) имеют S = O или ±1, ±2, ±3; внутренняя чётность П - К. ч., характеризующее свойства симметрии элементарных частиц относительно отражений координат, может быть равна +1 (такие частицы наз. чётными) и -1 (нечётные частицы), и нек-рые др. К. ч. Эти К. ч. применяются и к системам из неск. элементарных частиц, в т. ч. к атомным ядрам. При этом полные значения электрич., барионного и лептонного зарядов и странности системы частиц равны алгебраич. сумме соответствующих К. ч. отдельных частиц, полный спин и изото-пич. спин получаются по квантовым правилам сложения моментов, а внутр. чётности частиц перемножаются.
В широком смысле К. ч. часто называют физич. величины, определяющие движение квантовомеханич. частицы (или системы), сохраняющиеся в процессе движения, но не обязательно принадлежащие к дискретному спектру возможных значений. Напр., энергию свободно движущегося электрона (имеющую непрерывный спектр значений) можно рассматривать как одно из его К. ч.
Лит. см. при ст. Атомная физика, Элементарные частицы. Д. В. Гальцов.
КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, генератор электромагнитных волн, в к-ром используется явление вынужденного излучения (см.Квантовая электроника). К.г. радиодиапазона сверхвысоких частот (СВЧ), так же как и квантовый усилитель этого диапазона, часто наз. мазером. Первый К. г. был создан в диапазоне СВЧ в 1955 одновременно в СССР (H. Г. Басов и A. M. Прохоров) и в США (Ч. Таунс). В качестве активной среды в нём использовался пучок молекул аммиака. Поэтому он получил назв. молекулярного генератора. В дальнейшем был построен К. г. СВЧ на пучке атомов водорода. Важная особенность этих К. г.- высокая стабильность частоты генерации, достигающая 10-13, в силу чего они используются как квантовые стандарты частоты.
К. г. оптич. диапазона - лазеры (оптические квантовые генераторы, ОКГ) появились в 1960. Лазеры работают в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном режимах. Существуют лазеры на кристаллах и стёклах, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В отличие от др. источников света, лазеры излучают высококогерентные монохроматические световые волны, вся энергия к-рых концентрируется в очень узком телесном угле.
Лит. см. при ст. Квантовая электроника.
КВАНТОВЫЙ ГИРОСКОП, прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопич. свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.
Лазерный (оптический) г и р о с к о п. Датчиком оптич. гироскопа служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, к-рые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматич. световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис. 1) состоит из трёх (или больше) зеркал 1,2,3, смонтированных на жёстком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны, генерируемая кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии рабочего вещества), определяется условием, согласно к-рому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой, к-рую имела вначале.
Рис. 1. Схема лазерного гироскопа: /, 2,4 - непрозрачные зеркала; 3 - полупрозрачное зеркало; 5 - фотодетектор.
Если прибор неподвижен, то это имеет место, когда в периметре P контура укладывается целое число n длин волн o, т. е. P = n0. В этом случае лазер генерирует 2 встречные волны, частоты которых одинаковы и равны:
[1139-4.jpg]
(с - скорость света).
Если же весь прибор вращается с угловой скоростью вокруг направления, составляющего угол с перпендикуляром к его плоскости (рис. 2), то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на не-к-рый угол. В зависимости от направления распространения волны путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше P (см. Доплера эффект). В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Можно показать, что эти частоты - и v+ не зависят от формы контура и связаны с частотой вращения прибора соотношением:
[1139-5.jpg]
Здесь S -площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор, чувствительный к интенсивности света, в этом случае зарегистрирует биения с разностной частотой:
[1139-6.jpg]
где
[1139-7.jpg]
Напр., для квадратного гелий-неонового К. г. (см. Газовый лазер) со стороной 25 см 0 = 6-10-5 см, откуда k = 2,5-106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью = 15 град/ч, на широте € = 60° должно приводить к частоте биений = 15 гц. Если ось К. г. направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угловую скорость вращения
Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту места, на к-рой расположен К. г.
Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени (к-рое может выполняться автоматически) позволяет определить угол поворота, как функцию времени. Предел чувствительности оптич. К. г. теоретически определяется спонтанным излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений = 1 гц соответствует угол поворота в 1 град/ч, то предел точности К. г. равен 10-3 град/ч. В существующих оптич. К. г. этот предел ещё далеко не достигнут.
Ядерные и электронные гироскопы. В ядерных К. г. используются вещества с ядерным парамагнетизмом (вода, органич. жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом) состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только спинами ядер (электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер, напр, при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее поле выключить, то в отсутствие др; магнитных полей (напр., земного) возникший суммарный магнитный момент M будет нек-рое время сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статический К. г. позволяет определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.
T. к. величина момента M будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для К. г. выбирают вещества с большими временами релаксации, напр, некоторые органич. жидкости, для к-рых время релаксации составляет неск. мин, жидкий 3He (ок. 1 ч) или раствор жидкого 3He (10-3% ) в 4He (около года).
В К. г., работающем по методу ядерной индукции, вращение с угловой скоростью датчика К. г., к-рый содержит ядра с ориентированными магнитными моментами, эквивалентно действию на ядра магнитного поля с напряжённостью H = /я, где я - гиромагнитное отношение для ядер. Прецессия магнитных моментов ядер вокруг направления поля H приводит к появлению переменной эдс в катушке L, охватывающей рабочее вещество К. г. (рис. 3). Определение частоты вращения тела, связанного с датчиком К. г., сводится к измерению частоты электрич. сигнала, к-рая пропорциональна (см. Ядерный магнитный резонанс).
В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент M датчика прецессиру-ет вокруг постоянного магнитного поля H, жёстко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем H с угловой скоростью приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента M, приблизительно равному проекции вектора на Н. Это изменение регистрируется в виде электрич. сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля H. Напр., для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы Н/Н<=I0-9. Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются сверхпроводники (см. Сверхпроводимость). Напр., если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3· 10-9 э.
Электронные К. г. аналогичны ядерным, но в них применяются вещества, атомы или молекулы к-рых содержат неспаренные электроны (напр., устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные К. г. перспективны, т. к. гиромагнитное отношение эл Для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше частота прецессии, что важно для многих применений.
Несмотря на то что К. г., особенно оптические, непрерывно совершенствуются, их точность и чувствительность ещё уступают лучшим образцам механич. гироскопов. Однако К. г. обладают рядом существенных преимуществ перед механич. гироскопами: они не содержат движущихся частей (безынерционны), не требуют арретирования, обладают высокой надёжностью и стабильностью, приводятся в действие в течение короткого промежутка времени, могут выдержать значит, ускорения и работать при низких темп-pax. Нек-рые типы К. г. уже применяются не только как высокочувствительные индикаторы вращения, ориентаторы и гирометры, но и как гирокомпасы, гиробуссоли и секстанты.
Лит.: Привалов В. E., Фридрихов С. А., Кольцевой газовый лазер, "Успехи физических наук", 1969, т. 97, в. 3, с. 377; Померанцев H. M., Скрой-к ни Г. В., физические основы квантовой гироскошга, там же, 1970, т. 100. в. 3, с. 361. Г. В. Скроцкий.
КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР, прибор для измерения напряжённости магнитных полей, основанный на квантовых явлениях. Такими явлениями служат свободная упорядоченная прецессия ядерных или электронных магнитных моментов (см. Магнитный резонанс), квантовые переходы между магнитными подуровнями атомов, а также квантовые изменения магнитного потока в сверхпроводящем контуре (см. Сверхпроводимость).
К. м. применяются гл. обр. для измерения напряжённости слабых магнитных полей и, в частности, магнитного поля Земли и его аномалий как на её поверхности, так и на больших высотах, соответствующих орбитам баллистич. ракет и искусственных спутников Земли, для измерения магнитных полей планет Солнечной системы в космич. пространстве. К. м. применяются также для разведки полезных ископаемых, для магнитного каротажа, поиска затонувших судов и т. п.
Уровни энергии атомных ядер, электронов атомов или молекул, обладающих магнитными моментами, в магнитном поле расщепляются на несколько подуровней, разность энергий между которыми E зависит от величины напряжённости H магнитного поля и во многих случаях пропорциональна H (см. Зеемана эффект).
Рис. 2.
Частицы могут переходить с одного магнитного подуровня на другой, поглощая или излучая порцию (квант) электромагнитной энергии, равную: h, Где h - Планка постоянная, - частота электромагнитного поля. Частота точно равна частоте прецессии магнитного момента вокруг направления магнитного поля, т. е. = Н, где - гиромагнитное отношение (см. Магнитомехани-ческое отношение, Лармора прецессия, Ядерный магнитный резонанс). Частота со лежит в радиодиапазоне. Измеряя её, напр, по резонансному поглощению веществом радиоволн (см. Радиоспектроскопия), можно определить напряжённость магнитного поля H. Так как коэффициент пропорциональности между частотой и полем H выражается через атомные константы, характеризующиеся чрезвычайно высокой стабильностью и воспроизводимостью, то чувствительность таких К. м. высока. Наиболее совершенные К. м. этого типа обладают чувствительностью до 10-8 э или 10-3 гамм (1 гамма = 10-5 э).
Протонный магнитометр. Датчиком магнитометра является ампула с диамагнитной жидкостью, молекулы к-рой содержат атомы водорода (напр., воду или бензол). Магнитные моменты молекул обусловлены только магнитными моментами ядер атомов водорода - протонами (электронные магнитные моменты в молекулах таких жидкостей скомпенсированы; см. Диамагнетизм). Ампулу помещают в катушку L, через к-рую пропускают в течение неск. секунд ток, создавая в ней вспомогательное магнитное поле H0 напряжённостью в неск. сот э (рис. 1). Под действием поля H0 магнитные моменты протонов ориентируются и жидкость приобретает суммарный магнитный момент M.
Рис. 1. Схема протонного магнитометра: L - катушка, создающая вспомогательное намагничивающее поле H0; П - катушка, в которой возникает эдс, обусловленная прецессией ядерных моментов вокруг измеряемого магнитного поля H; У - усилитель сигнала; Ч - частотомер, градуированный в э.
После выключения тока магнитные моменты протонов начинают прецессировать вокруг направления измеряемого магнитного поля H с частотой = РН, где = (2,67513 ± ±0,00002) 104гс-1сeк-1 - магнитомеханич. отношение для протонов. Прецессия суммарного магнитного момента M приводит к появлению в катушке П переменной эдс с частотой, равной частоте прецессии . В магнитном поле Земли H3 ~0,6 э, = 2,55 кгц. Прецессия постепенно затухает благодаря процессу релаксации, обусловленному слабым взаимодействием между протонами и атомами парамагнитных примесей, растворимых в рабочей жидкости. Для чистой воды время релаксации ~3 сек. Для повторного измерения поля цикл повторяют. Цикличность работы датчика устраняют, напр., с помощью системы из 2 датчиков, работающих поочерёдно.
Электронный К.м. аналогичен протонному. В нём используется прецессия в магнитном поле магнитных моментов неспаренных электронов парамагнитных атомов, частота к-рой в несколько сот раз больше частоты прецессии протонов (см. Электронный парамагнитный резонанс). Частота прецессии для электронов в поле H ~ 1 э равна 2,8 Мгц. Изменение поля на 1 гамму приводит к изменению частоты прецессии на 28 гц, что в 660 раз больше, чем для протонных магнитометров.
Для получения достаточно больших эдс применяют методы динамической поляризации ядер. При этом ориентация магнитных моментов протонов осуществляется благодаря их взаимодействию с электронными моментами парамагнитных ионов (в воде растворяют парамагнитную соль). Таким способом ядерную намагниченность удастся увеличить в неск. сот раз. Применение вещества, содержащего радикалы нитро-зодисульфоната калия, позволяет увеличить намагниченность ещё примерно в 40 раз.
Оптический магнитометр (магнитометр с оптической накачкой; рис.2). Датчиком прибора является стеклянная колба, наполненная парами щелочного металла (напр., Rb), атомы к-рого парамагнитны, т. к. содержат один неспаренный электрон (см. Парамагнетик).
Рис. 2. Схема оптического квантового магнитометра: Л - источник света; СФ - светофильтр; П, - поляроид; Я2 - пластинка (/4), создающая разность фаз 90° для получения циркулярно поляризованного света; К - колба, наполненная парами щелочного металла; - фотоприёмник; II - измеряемое поле.
При пропускании через колбу, помещённую в измеряемое поле H, циркулярно поляризованного света, частота к-рого равна частоте оптического квантового перехода между основным состоянием атома и одним из его возбуждённых состояний, происходит резонансное рассеяние света. При этом момент количества движения квантов рассеиваемого света передаётся атомам, к-рые таким образом "оптически ориентируются", скапливаясь на одном из магнитных подуровней основного состояния. Если в объёме колбы датчика создать переменное магнитное поле, частота к-рого |
