Техника - молодёжи 1990-09, страница 8

t

чения изменили свое энергетическое состояние.

Резонансная частота колебаний атомов цезия 9 192 631 770 периодов в сек. Вы только подумайте, какую малую долю секунды отсчитывают такие часы за одно колебание! С изобретением атомных часов человечество получило самый совершенный стандарт времени — возможная ошибка составляла всего лишь 1 сек. за 300 тыс. лет работы.

Усилия Н. Рамзея и его коллег, усовершенствовавших метод, в прошлом году по достоинству оценил Нобелевский комитет. Однако лауреаты Нобелевской премии по физике нашли, пожалуй, только первый ключ к микромиру, позволяющий достичь некоего единообразия участвующих в работе атомов.

КЛЮЧ 2: ДЕМОНИЧЕСКИЙ, или О пользе астрономических эффектов

В конце XIX века Джеймс Максвелл воспользовался услугами придуманных им самим демонов. Его создания были довольно трудолюбивы. В мире атомов и молекул они работали неподкупными вахтерами: быстрые молекулы газа пропускали в одну часть сосуда, а медленные задерживали в другой. (Таким бы поручить охрану мясокомбинатов!) Но Максвелла волновали не продовольственные, а физические проблемы.

Почти век физики всего мира никак не могли, хотя и очень хотели, заставить реально работать демонов Максвелла на благо науки. Это удалось сделать В. С. Летохову, сотруднику Института спектроскопии АН СССР. Еще в 1970 году он построил первую лазерную ловушку для атомов, которая может с успехом выполнять «демоническую» работу.

Атомы, как известно, находятся в постоянном хаотическом тепловом движении. Например, при комнатной температуре скорость такого движения может достигать 400—500 м/с, из-за чего невозможны опыты с отдельными атомами Сначала их необходимо резко затормозить, а следовательно, «охладить».

В. С. Летохов предложил охлаждать атомы лазером!

Если облучать атомный пучок встречным потоком фотонов, которые, поглощаясь, передают отдельным атомам импульс, можно замедлить их движение.

В середине XIX века австрийский физик Христиан Доплер (1803—1853) установил изменение тембра звука при удалении или приближении к человеку источника звуковых колебаний. В астрономии эффект Доплера применим по отношению к знаменитому красному смещению Хаббла, что, похоже, свидетельствует о разбе-

гании галактик в нашей Вселенной. Если бы галактики летели в нашем направлении, то частота их света была бы смещена в более коротковолновую часть спектра, то есть синюю и фиолетовую...

Для барона Мюнхгаузена, оседлавшего вместо пушечного ядра атом и летящего на нем навстречу лазерному лучу, поглощенные фотоны света казались бы более «синими» (то есть более высокоэнергетичными), чем они есть на самом деле. Электроны в атоме возбуждаются, а затем хаотично излучают фотоны, возвращаясь на прежнюю орбиту. В конце концов «встречный» атом тормозится и попадает в лазерную ловушку.

Атом, улетающий от лазерного луча, в ловушку не попадает, поскольку из-за доплеровского смещения длины волны догоняющие его фотоны окажутся слишком «красными» — их энергии будет недостаточно даже для возбуждения электронов.

С помощью лазерных ловушек сегодня удается затормозить атомы до скорости 3,5 м/с, что соответствует температуре 0,017 К!

Помимо применения в теоретических исследованиях, оказалось, что лазерные ловушки имеют огромное прикладное значение. В. С. Летохову удалось точно определить алюминиевое загрязнение в германиевых кристаллах, используемых в производстве чипов для персональных компьютеров, в морской воде, а также содержание алюминия в крови человека и экспериментальных животных.

Раньше оно определялось разными методами с разбросом значений от 2 до 500 нг/мл — в 250 раз! В. С. Летохов с помощью атомных ловушек показал: нормальное содержание А1 — не более 5 нанограмм в 1 мл крови!

И уж совсем фантастические способ

ЭиЕКуиЧЕСедШ импульо

Источник^

ности метод Летохова демонстрирует при разделении изотопов определенного химического элемента — для него не представляет сложности разделить смесь U-235 и U-238, ведь энергия возбуждения электронов у этих изотопов разная, значит, они будут реагировать на лазерный луч определенной длины волны каждый по-своему. Вот так Летохов превратил демонов Максвелла из вахтеров в сортировщиков уникально высокой квалификации.

КЛЮЧ 3: ФАНТАСТИЧЕСКИЙ, или О том, как полезно иногда отказаться от апробированных эффектов

Принцип действия любого микроскопа можно сформулировать так: волна отражается от исследуемого объекта и дает информацию о нем. При этом можно использовать и свет, и электроны, и атомы В зависимости от того, какой микроскоп в руках у исследователя.

В обыденном представлении кажется: чем мельче частицы, которыми освещают объект, тем выше качество изображения. На самом деле все наоборот: чем больше энергия или масса микрочастицы, тем меньше ее дебройлевская длина волны, а значит, меньше размеры того объекта, с которым она «прореагирует» — отразится. Путешествие в глубины микромира требует все более высокой разрешающей способности первичного пучка, а значит, и меньшей длины волны (а вовсе не размеров самих частиц!).

Пытаясь рассмотреть все более мелкие подробности, человечество сменило лупу на электронный микроскоп. Но небольшую молекулу или атом, даже электронный микроскоп уже не замечает — длина волны электрона больше размеров исследуемого объекта. Перейти бы к более коротковолновым частицам — атомам, например. Однако здесь исследователя подстерегает неожиданная сложность: управлять атомными пучками гораздо сложнее, чем электронными. Ведь фотоны и электроны, прежде чем осветить объект, испытывают массу «неприятностей»: их и фокусируют, и отражают, и коллимируют (для получения параллельного луча). В волновой оптике для этого используют линзы и зеркала из полирован-