Квантовая радиофизика

Радиоспектроскопические исследования подготовили почву для рождения квантовой электроники, или квантовой радиофизики. Слово "радиофизика" недаром стоит в названии этой бурно развивающейся области современной науки и техники. Ведь именно радиофизики создали первые квантовые генераторы - в 1954 г. советские ученые, лауреаты Ленинской (1959) и Нобелевской (1964) премий Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американские ученые Ч. Таунс, Дж. Гордон и X. Цейгер. Все они до этого работали в области радиоспектроскопии.

Первые квантовые генераторы были молекулярными - работали на пучке молекул аммиака. В молекуле аммиака три атома водорода расположены в вершинах равностороннего треугольника, а атом азота может занимать одно из двух положений: над плоскостью треугольника или под ней (рис. 21). В пучке молекул аммиака энергии этих двух состояний несколько отличаются друг от друга, что дает в спектре поглощения аммиака линию на частоте 23870,129 МГц (длина волны около 1,26 см).

Рис. 21. Два возможных состояния молекул аммиака NH₃.

В соответствии с законами термодинамики большая часть молекул должна находиться на более низком энергетическом уровне. Но оказывается, что молекулы, находящиеся на разных энергетических уровнях, по-разному ведут себя в электрических полях, поэтому их можно сортировать, т. е. отделять друг от друга с помощью электрических полей.

Рис. 22. Устройство молекулярного генератора: 1 - баллон с аммиаком; 2 - капилляр; 3 - сортирующая система; 4 - полый резонатор; 5 - волноводный вывод энергии; 6 - корпус генератора. Генератор охлаждается снаружи жидким азотом, поэтому невозбужденные молекулы аммиака, отклоненные в стороны сортирующей системой, намерзают изнутри на стенки корпуса, как водяные пары намерзают на стенки морозильной камеры в холодильнике. И так же как холодильник, молекулярный генератор надо время от времени "размораживать", т. е. прекращать охлаждение его корпуса и откачивать вакуумным насосом молекулы аммиака, испаряющиеся при этом со стенок.

Пучок молекул, вылетающих из баллона с аммиаком (1) через капилляр (2), проходит сквозь сортирующую систему (3) (рис. 22). Она может, например, состоять из ряда металлических колец, к которым поочередно приложено высокое напряжение противоположной полярности. Пролетая через такую систему, молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии, т. е. на верхнем энергетическом уровне, собираются к оси системы, а молекулы, находящиеся на нижнем уровне, отклоняются в стороны и не участвуют в работе генератора. На выходе из сортирующей системы большая часть молекул находится в возбужденном состоянии. Пролетая через полый резонатор (4), молекулы переходят с верхнего уровня на нижний и испускают при этом электромагнитное излучение. Оно возбуждает собственные колебания полого резонатора, который настроен на ту же частоту -23870,129 МГц. Следующие возбужденные молекулы, влетающие в резонатор, встречаются с уже существующими там колебаниями электромагнитного поля и усиливают эти колебания, отдавая им свою энергию. Генерируемая мощность выводится из резонатора по волноводу (5).

В стандартах частоты на атомах цезия используется излучение от постороннего СВЧ генератора, а частота линии поглощения определяется с помощью радиоспектроскопа. Такие стандарты называются пассивными. Молекулярный же генератор сам генерирует колебания строго постоянной частоты и может использоваться для создания активных стандартов частоты.

Кроме того, молекулярный генератор является высокочувствительным радиоспектроскопом - только излучаются в нем не спектры поглощения, а спектры излучения. (В оптике также изучают оба типа спектров: спектры раскаленных тел являются спектрами испускания и состоят из светлых полос на темном фоне, а спектры, получаемые при прохождении через вещество излучения от постороннего источника, являются спектрами поглощения и состоят из темных полос на светлом фоне.) Молекулярный генератор был первым прибором, который возвестил о рождении других квантовых приборов: лазеров, сверхчувствительных квантовых усилителей и др.

Радиофизикам принадлежит разработка методов голографии с использованием лазеров (см. ст. "Свет"). Можно ожидать, что в скором будущем эти методы приобретут столь же широкое распространение в науке и технике, какое уже приобрели сейчас полупроводники, лазеры, искусственные спутники Земли.

перейти к началу страницы