Посвящение в радиоэлектронику - [30]
За эталон метра ранее считали 1/40 000 000 часть длины меридиана Земли, проходящего через Париж. Был и более реальный эталон — стержень метровой длины, изготовленный из инвара — сплава с малым температурным коэффициентом расширения. Точность этого эталона была невысока и определялась точностью и тщательностью геодезических измерений на поверхности Земли. Был выбран более точный, атомный стандарт. Метр определили как длину, равную 1 650 763, 73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего одной из спектральных линий (оранжевой) атомов криптона-86. Длины волн спектральных линий атомного излучения очень стабильны и практически не зависят от внешних условий, поэтому у нового стандарта появилось важное достоинство — повторяемость и воспроизводимость в разных условиях.
Наконец, в самое последнее время предложен новый эталон. Длиной в один метр стали считать путь, проходимый световой волной в вакууме за 1/299792458 часть секунды. В основе нового эталона лежит фундаментальный факт постоянства скорости света в вакууме. Но теперь метр оказался связан с другой основной единицей СИ — секундой, и точное определение эталона времени приобрело особо важное значение. Здесь уместно отмстить, что измерение времени и частоты теперь научились выполнять намного точнее всех других физических измерений.
Основой любого эталона времени является элемент, который совершает (или в котором совершаются) колебания. В часах это маятник, в астрономическом эталоне — сама планета Земля, ведь ее вращение, как мы уже убедились, можно представить суммой двух колебаний с одинаковыми частотами, совершаемых в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В электронных часах колебательным элементом служит кварцевый кристалл, а в атомном стандарте — электронные оболочки атомов рабочего вещества. Секунда сейчас определяется как время, за которое совершается 9192 631 770 периодов колебаний в излучении, соответствующем переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Вероятно, вы знаете, что атомы поглощают и излучают электромагнитную энергию порциями — квантами. В атоме любого вещества электроны располагаются не на каких попало, а на вполне определенных орбитах. Каждой орбите соответствует определенный уровень энергии атома. Если состояние электрона изменяется, то излучается или поглощается квант, энергия которого в точности равна разности энергий в новом и прежнем состоянии атома. Энергия кванта прямо пропорциональна его частоте, поэтому частоты переходов между энергетическими уровнями очень стабильны.
На частотах радиодиапазона энергия квантов очень мала, и для создания эталонов приходится подбирать атомы, имеющие сверхтонкую структуру энергетических уровней. Кроме цезия такую структуру уровней имеют и атомы водорода.
Атом водорода, наипростейший из всех известных, состоит из единственного протона, образующего ядро, и единственного электрона. Спектр излучения водорода содержит серии линий в областям ультрафиолетовых, видимых, и инфракрасных волн. Но есть одна особая линия. Электрон вращается вокруг ядра не только по своей орбите, но и вокруг собственной оси. Такое вращение назвали спином (от англ. spin — волчок, веретено). Спины электрона в ядре могут быть параллельны (вращение в одну сторону) и антипараллельны (вращение в разные стороны). Переход атома из одного состояния в другое соответствует сверхтонкой структуре энергетических уровней. При этом переходе излучается электромагнитная волна около 21 см, лежащая в радиодиапазоне.
Устройство атомного эталона рассмотрим на примере водородного стандарта частоты. В камере, из которой до глубокого вакуума откачан воздух, имеется «атомная пушка» — окно из губчатой платины, тоненькой струйкой пропускающее атомы водорода. Они подвергаются нагреву высокочастотным полем, которое возбуждает часть атомов, т. е. переводит их на уровень с большей энергией. Затем пучок атомов пропускают через фокусирующую систему — магнит с сильно неоднородным полем. Он «отсеивает» невозбужденные атомы, а возбужденные попадают в металлический цилиндр — объемный резонатор, где и отдают энергию в виде электромагнитных колебаний. Энергия отводится из резонатора коаксиальным кабелем. Метрологический водородный стандарт имеет очень хорошую долговременную стабильность и воспроизводимость частоты. Его частота равна 1420405751, 786 ± 0,001 Гц, а стабильность порядка 10>-13. Выходной сигнал резонатора усиливают, многократно делят по частоте и получают стандартные интервалы времени 0,1; 1 с и т. д. Для повышения стабильности водородный стандарт тщательно термостатируют и экранируют даже от магнитного поля Земли.
Надо отметить, что колебания могут существовать не только в электрических цепях, но и в свободном пространстве. Этот особый вид колебаний называют электромагнитными волнами. О них мы поговорим в следующей главе.
Устройство водородного стандарта частоты.
4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Начав с самых обыденных предметов: кристаллов поваренной соли, котлов и зеркал, в этой главе мы расскажем о явлениях таинственных и необыкновенных: электромагнитной индукции, звездной аберрации, опытах по возбуждению и приему невидимых и неслышимых излучений. Расскажем об ионосфере Земли и трансокеанских связях, федингах, антиподах, свистящих атмосфериках и в заключение всего — о сигналах из далеких внеземных миров.
