Физика

Содержание раздела

Механика

Радиоспектроскопия

Радиоволны частично поглощаются в атмосфере, причем на разных частотах это поглощение различно. Значит, радиоволна как-то взаимодействует с атомами и молекулами газов, из которых состоит атмосфера. Взаимодействие радиоволн с веществом можно изучать в лабораторных условиях.

Присоединим к генератору СВЧ волн — клистрону — отрезок волновода, заполненный каким-либо газом, а к другому концу волновода подключим приемник СВЧ (рис. 18). При одной и той же генерируемой мощности величина принимаемого сигнала будет разной для разных частот колебаний и для разных газов. Такой прибор называется радиоспектроскопом, а наука, изучающая взаимодействие радиоволн с веществом, — радиоспектроскопией.

Радиоспектроскопия родилась благодаря применению радиофизических методов для изучения строения вещества. Она оказывает огромную помощь физикам, химикам и биологам в изучении структуры атомов и молекул.

Известно, что внутренняя энергия атомов и молекул квантована, т. е. может принимать лишь строго определенные значения, называемые энергетическими уровнями. При переходе атома или молекулы из состояния с более высокой энергией Е₂ в состояние с более низкой энергией Е₁ выделяется квант электромагнитной энергии hf = E₂ — Е₁, где h — постоянная Планка (см. ст. «Волны и кванты»). А при переходе с более низкого на более высокий энергетический уровень энергия поглощается. Обычно в любом веществе большая часть атомов и молекул находится на более низких энергетических уровнях. Поэтому при прохождении электромагнитных волн через вещество чаще происходят энергетические переходы снизу вверх, чем сверху вниз, и в результате энергия волны поглощается.

Поглощение это носит резонансный характер. Если менять частоту генератора радиоспектроскопа, то выходной сигнал будет представлять собой спектр поглощения (рис. 19). Поглощаются только радиоволны с частотами, соответствующими возможным энергетическим переходам. Если, например, атом имеет три возможных уровня энергии Е₁, Е₂, Е₃, то резонансное поглощение радиоволн будет происходить только на частотах

и

Волны других частот проходят через данное вещество почти без поглощения. Они не взаимодействуют с атомами этого вещества. У каждого вещества своя структура энергетических уровней, а значит, и свой спектр поглощения электромагнитных волн, отличающийся от спектров поглощения любых других веществ.

Радиоспектроскопия аналогична спектральному анализу в оптике (см. ст. "Свет"). Но есть между ними и разница. Частоты волн, применяемые в радиоспектроскопии, значительно ниже частот световых волн. Благодаря относительно малым частотам, а значит и малым энергиям квантов радиоизлучения, радиоспектроскопия позволяет исследовать энергетические переходы между очень близко расположенными уровнями. Например, два энергетических уровня, расположенных далеко друг от друга, разница энергии между которыми соответствует энергии светового кванта, легко обнаруживаются с помощью оптического спектроскопа. Но если эти уровни обладают тонкой структурой, т. е. расщепляются на несколько близко расположенных подуровней (это бывает очень часто), то оптический спектроскоп этого "не видит". Здесь не обойтись без радиоспектроскопа (рис. 20).

Исследование резонансных частот, формы и ширины спектральных линий (т. е. резонансных кривых) в радиодиапазоне позволяет физикам и химикам определить структуру молекул и атомов, характер взаимодействия между ними и даже структуру атомных ядер. Благодаря высокой разрешающей способности радиоспектроскопия дает возможность распознать и отличить друг от друга химические вещества, неотличимые другими методами. Даже спектры таких похожих друг на друга молекул, как ¹⁴N = ¹⁵N = ¹⁶O и ¹⁵N = ¹⁴N = ¹⁶O, имеют максимумы поглощения на разных частотах: 25121,56 МГц и 24 274,60 МГц, что позволяет легко отличить одни молекулы от других.

В современной химической лаборатории без радиоспектроскопа не обойтись. Портативные радиоспектроскопы созданы для анализа атмосферных газов, что помогает вести борьбу с загрязнением воздуха в городах и крупных промышленных районах.

Радиоспектроскопия основана на измерении частоты, которое является наиболее точным из всех видов измерений. Недаром за эталон секунды сейчас принято время, равное 9192631770,0 периодам электромагнитных колебаний, соответствующих переходу между двумя очень близко расположенными энергетическими подуровнями атома цезия (см. ст. "Всему миру - одну меру"). Иначе говоря, атом цезия имеет в своем спектре поглощения линию на частоте 9 192 631 770,0 Гц (длина волны несколько больше 3 см), т. е. в диапазоне СВЧ.

Радиоспектроскоп - основной элемент атомных, или квантовых, часов. Фактически в квантовых часах измеряется частота, а не время, поэтому их называют также квантовыми стандартами частоты.

Первый стандарт частоты, или времени, создал английский ученый Л. Эссен. За создание этого прибора Академия наук СССР в 1959 г. наградила Л. Эссена Золотой медалью имени А. С. Попова. От первой радиопередачи Попова до стандартов частоты огромной точности - такой путь прошло радио меньше чем за 60 лет.

Первые слова во Вселенной 1962 год ознаменовался в истории событием особой важности. Первые слова человека во Вселенную были: "Ленин", "Мир", "СССР". "...Советским ученым впервые в истории человечества 19 и 24 ноября 1962 г. удалось осуществить радиосвязь через планету Венера. Переданное с Земли телеграфным кодом 19 ноября слово МИР достигло планеты Венера, отразилось от нее и, пройдя общее расстояние 81 миллион 745 тысяч километров, через 4 минуты 32,7 секунды было принято на Земле. Этим же методом 24 ноября на Венеру были переданы слова ЛЕНИН и СССР. Отразившись от поверхности планеты, через 4 минуты 44,7 секунды эти слова были приняты на Земле. Они прошли в космосе 85 миллионов 360 тысяч километров!" ("Правда" от 29 декабря 1962 г.).

перейти к началу страницы