Техника - молодёжи 1990-09, страница 7

Ренат Я Н БУХТ И Н Игорь ЛАЛАЯНЦ

Три ключа к микромиру

Ренат Я Н БУХТ И Н Игорь ЛАЛАЯНЦ

Современный медвежатник, желающий достать деньги из надежного сейфа, пользуется автогеном. Но перебрал жару — спалил содержимое. Настоящий же хозяин богатств обычно пользуется ключами.

Взаимоотношения ученых мужей с микромиром на раннем этапе развития физики напоминали действия взломщика. Исследователи не нашли ничего лучшего, чем взорвать атом. При этом сами получили моральный шок такой силы, что вопрос о нравственности науки многих из них не покидает по сей день.

Современная физика использует для исследования все более сложный инструментарий, позволяющий подбирать «щадящие» ключики к одиночным атомам вещества. И чем далее, тем понятнее становится: не надо взламывать «сейфы», нужно получить у Природы кредитную карточку доверия. А во Вселенной нет ничего богаче, чем «банк данных» микромира. Что перед ним золотые запасы Дойчес Банка!

КЛЮЧ 1: ЕДИНОГЛАСНЫЙ, или Немного о резонансе

Во времена плюрализма говорить о единогласии как минимум не модно. А уж в микромире, где поведение каждого атома можно предсказать лишь с определенной долей вероятности, единообразие и вовсе кажется недостижимым. Однако, если общество хочет добиться каких-либо позитивных результатов, ему волей-неволей приходится находить общую точку зрения. Это правило действительно и для микрочастиц. В 1948 году его подтвердил американский физик Норман Рамзей. Ему удалось создать метод измерения резонансных колебаний возбужденных атомов в электромагнитном поле.

Обычный атом, к которому подводится энергия, либо ионизируется (отдает электроны с внешней орбиты и становится ионом), либо возбуждается. При возбуждении электроны в атоме

поглощают квант энергии и переходят со своих стационарных орбит (с нормальным значением энергии) на другие орбиты (с большей энергией). Такой переход в физике называется квантовым скачком

Как о нем узнали? Еще в 20-е годы молодой Нильс Бор, не убоявшись могущественных авторитетов, разрешил парадокс существования атомов. По бытовавшим тогда представлениям, любая вращающаяся по круговой орбите заряженная частица должна непрерывно излучать энергию. То есть электрон, вращающийся вокруг ядра, рано или поздно должен потерять энергию и упасть на него: разноименные заряды прореагируют, и Вселенная исчезнет. Однако мир существовал. И атомы исчезать не собирались. Значит, теоретические представления нуждались в поправке. Чтобы выйти из этого малоприятного положения, Бор постулировал концепцию устойчивых состояний в квантовой механике. Он, в частности, заявил, что при обычных условиях электрон в атоме находится на стабильной орбите с наименьшей потенциальной энергией и при этом не излучает энергию, а следовательно, никогда не упадет на ядро.

Однако, поглотив квант света, электрон может перейти со стационарной на более высокую энергетическую орбиту. Это Бор и назвал «квантовым скачком». Другой крупный физик Э. Шредингер хоть и соглашался с мнением Бора, но вплоть до 50-х годов считал, что наблюдать такой скачок практически невозможно.

Сегодня мы знаем (в том числе и бла^ годаря Рамзею), что реальный атом является превосходным «трансмиттером», т. е. приемо-передатчиком электромагнитного излучения Электрон — приемник, поглотивший фотон и перешедший в возбужденное состояние, пребывает на более высоком энергетическом уровне лишь миллиардные доли секунды! Затем электрон-передатчик излучает фотон и снова переходит

на стабильную орбиту. Совокупность испущенных фотонов мы видим как флюоресценцию или люминесценцию.

Рамзей облучал пучок атомов высокочастотной электромагнитной волной. Ее параметры точно соответствовали частоте одного из электронных квантовых переходов. Атомы попадали в резонанс с частотой колебаний электромагнитной волны, поглощали энергию и возбуждались. Излучение возбужденных атомов фиксировалось детектором. Так было экспериментально подтверждено существование квантовых скачков. А вскоре последовал практический выход. Сотрудникам Американского бюро стандартов исследования Рамзея помогли создать в начале 60-х годов атомно-лучевые цезиевые часы — самый точный стандарт времени.

Принцип этого устройства, теперь, когда оно есть, кажется очень простым. Пучок атомов цезия-133 под прямым углом (чтобы избежать доплеровского эффекта — о нем мы поговорим позже) пересекает волновод, по которому распространяется высокочастотная электромагнитная волна. Частоты поглощения цезия и излучения генератора совпадают. Атомы, попавшие в электромагнитное поле, начинают колебаться в резонансе, поглощая энергию и переходя в возбужденное состояние. Их излучение фиксирует детектор, который соединен с контрольной аппаратурой. Стоит генератору чуть-чуть изменить частоту излучения, как количество возбуждаемых атомов уменьшается, в детекторе отмечается разбалансировка и аппаратура дает сигнал для корректировки частоты излучения генератора.

Для того чтобы повысить точность работы атомных часов, перед волноводом и сразу за ним установлены постоянные магниты. Они процеживают це-зиевый пучок, отсеивая из него случайно возбужденные атомы (в первом магните) или не поглотившие квант энергии (во втором). На детектор попадают лишь те атомы, чьи электроны под действием электромагнитного излу