| 13986122 15360 8522 910 1сли интенсивность света достаточно высока, то наступает насыщение - число атомов, находящихся в состояниях E2и E3, становится одинаковым. При этом поглощение света в парах уменьшается (т. к. число невозбуждённых частиц на уровне E_2 способных поглощать кванты света, уменьшается) и пары 87Rb становятся прозрачнее, чем они были бы при воздействии на них накачки. Если одновременно с накачкой пары 87Rb облучить радиоволной, частота к-рой равна частоте спектральной линии, лежащей в диапазоне СВЧ и соответствующей переходам атомов 87Rb между уровнями E1 и E2, то, поглощаясь, она переводит атомы 87Rb с уровня E1 на уровень E2 (рис. 4). Такая радиоволна будет препятствовать насыщающему действию световой волны, в результате чего поглощение света в парах 87Rb увеличится. T. о., измеряя при помощи фотоприёмника интенсивность света, прошедшего через колбу с парами 87Rb, можно точно определить, действуют ли одновременно на эти пары свет с частотой, соответствующей переходу E2 -> E3, и радиоволна с частотой перехода E1->E2.
Рис. 4. Уровни энергии атомов 87Rb, используемые в рубидиевых часах.
Источником радиоволны служит кварцевый генератор, возбуждающий в резонаторе электромагнитное поле резонансной частоты. Если плавно изменять частоту генератора, то в момент её совпадения с частотой радиоспектральной линии 87Rb интенсивность света, попадающего на фотоприёмник, резко уменьшится.
Зависимость интенсивности света, прошедшего через пары 87Rb, от частоты радиоволны используется для автоматич. подстройки частоты колебаний кварцевого генератора по частоте радиоспектральной линии. Колебания кварцевого генератора модулируются по фазе при помощи вспомогат. генератора низкой частоты (см. Модуляция колебаний. Фазовая модуляция). Поэтому свет, проходящий через колбу, оказывается модулированным по интенсивности той же низкой частотой. Модуляция света тем сильнее, чем точнее совпадает частота электромагнитного поля в резонаторе с частотой радиоспектральной линии 87Rb. Электрич. сигнал фотоприёмника после усиления подаётся на фазовый детектор, на к-рый поступает также сигнал непосредственно от низкочастотного генератора. Амплитуда выходного сигнала фазового детектора тем больше, чем меньше разность частот (расстройка) частоты спектральной линии и поля резонатора. Этот сигнал подаётся на элемент, изменяющий частоту кварцевого генератора, и поддерживает её значение таким, чтобы оно точно совпадало с вершиной спектральной линии 87Rb.
Точность рубидиевых К. ч. определяется гл. обр. шириной радиоспектральной линии 87Rb. Осн. причиной, приводящей к уширению спектральных линий газов (паров) при низких давлениях, является Доплера эффект. Для уменьшения его влияния в колбу с парами 87Rb добавляется буферный газ (при давлении неск. мм рт. ст.). Атомы 87Rb, сталкиваясь с атомами буферного газа, оказываются как бы зажатыми между ними и совершают быстрые хаотич. движения, оставаясь в среднем почти на одном месте, лишь медленно диффундируя внутри колбы. В результате спектральная линия приобретает вид узкого пика на широком низком пьедестале. Ширина и положение этого пика зависят от состава буферного газа. Напр., смесь из 50% неона и 50% аргона позволяет свести ширину спектрального пика примерно до 100 гц, причём его положение смещается лишь на 0,02 гц при изменении темп-ры на I0C или давления на 1 мм рт. ст.
Точность рубидиевых К. ч. обусловлена также постоянством интенсивности света лампы накачки, поэтому применяются системы автоматич. регулирования интенсивности. Возможно создание рубидиевых К.ч., в к-рых вместо описанной системы оптич. индикации используется квантовый генератор с парами рубидия. В этих К. ч. применяются настолько интенсивная оптич. накачка и резонатор со столь высокой добротностью, что в нём выполняются условия самовозбуждения. При этом пары 87Rb, наполняющие колбу внутри резонатора, излучают электромагнитные волны на частоте 6835 Мгц. Радиосхема таких К. ч. также содержит кварцевый генератор и синтезатор, но в отличие от предыдущего частота кварцевого генератора управляется системой фазовой автоподстройки, в к-рой опорной является частота сигнала рубидиевого генератора.
Лит.: Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, M., 1969, с. 35, 241; Григорьянц В. В., Ж а б о т и Н-О кий M. E., Золин В. Ф., Квантовые стандарты частоты, M-, 1968, с. 171.
М. E. Жаботинский.
КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА, целые (0,1,2,...) или полуцелые 1/2,3/2, 5/2,...)числа, определяющие возможные дискретные значения физич. величин, к-рые характеризуют квантовые системы (атомное ядро, атом, молекулу) и отдельные элементарные частицы. Применение К. ч. в квантовой механике отражает черты дискретности процессов, протекающих в микромире, и тесно связано с существованием кванта действия, или Планка постоянной h. К. ч. были впервые введены в физику для описания найденных эмпирически закономерностей атомных спектров (см. Атом), однако смысл К. ч. и связанной с ними дискретности нек-рых величин, характеризующих динамику микрочастиц, был раскрыт лишь квантовой механикой.
Набор К. ч., исчерпывающе определяющий состояние квантовой системы, наз. полным. Совокупность состояний, отвечающих всем возможным значениям К. ч. из полного набора, образует полную систему состояний. Состояние электрона в атоме определяется четырьмя К. ч. соответственно четырём степеням свободы электрона (3 степени свободы связаны с тремя координатами, определяющими пространственное положение электрона, а четвёртая, внутренняя, степень свободы - с его спином). Для атома водорода и водородоподобных атомов эти К. ч., образующие полный набор, следующие.
Главное К. ч. и = 1, 2, 3, ... определяет уровни энергии электрона.
Азимутальное (или орбитальное) К. ч. / = О, 1, 2, ..., -1 задаёт спектр возможных значений квадрата орбитального момента количества движения электрона: Ml2 - h2l(l + 1).
Магнитное К. ч. m1 характеризует возможные значения проекции M12 орбитального момента Ml на нек-рое, произвольно выбранное, направление (принимаемое за ось z): Mlz= hml; может принимать целые значения в интервале от -l до +l (всего 2l + 1 значений).
Магнитное спиновое К. ч., или просто спиновое К. ч., ms характеризует возможные значения проекции спина электрона и может принимать 2 значения:
ms = ±1/2.
Задание состояния электрона с помощью К. ч. п, I, ml и msне учитывает т. н. тонкой структуры энергетич. уровней - расщепления уровней с данным n (при n=>2) в результате влияния спина на орбитальное движение электрона (см. Спин-орбитальное взаимодействие). При учёте этого взаимодействия для характеристики состояния электрона вместо mlи ms применяют К. ч. j и mj.
К. ч. j полного момента количества движениям электрона (орбитального плюс спинового) определяет возможные значения квадрата полного момента: M2= h2j(j+1) и при заданном l может принимать 2 значения: j =l / ±1/2.
Магнитное квантовое число полного момента mj определяет возможные значения проекции полного момента на ось z, Mz = hmj; может принимать 2j + 1 значений: mj = -j, -j + 1, ..., +j.
Те же К. ч. приближённо описывают состояния отдельных электронов в сложных (многоэлектронных) атомах (а также состояния отдельных нуклонов - протонов и нейтронов - в атомных ядрах). В этом случае n нумерует последовательные (в порядке возрастания энергии) уровни энергии с заданным l. Состояние же многоэлектронного атома в целом определяется след. К. ч.: К. ч. полного орбитального момента атома L, определяемого движением всех электронов, L = O, 1, 2, ...; К. ч. полного момента атома ], к-рое может принимать значения с интервалом в 1 от j = |L - S| до J = L+S, где S - полный спин атома (в единицах И); магнитным квантовым числом mJ определяющим возможные значения проекции полного момента атома на ось z, Mz, = mjh, и принимающим 1J+1 значений.
Для характеристики состояния атома и вообще квантовой системы вводят ещё одно К. ч.- чётность состояния P, к-рое принимает значения +1 или -1 в зависимости от того, сохраняет волновая функция, определяющая состояние системы, знак при отражении координат r относительно начала координат (т. е. при замене r->-r) или меняет его на обратный. Чётность P для атома водорода равна (-1)l, а для многоэлектронных атомов (-1)L.
К. ч. оказались также удобными для формулировки отбора правил, определяющих возможные типы квантовых переходов.
В физике элементарных частиц и в ядерной физике вводится ряд др. К. ч. Квантовые числа элементарных частиц - это внутренние характеристики частиц, определяющие их взаимодействия и закономерности взаимных превращений. Кроме спина s, к-рый может быть целым или полуцелым числом (в единицах h), к ним относятся: электрический заряд Q - у всех известных элементарных частиц равен либо О, либо целому числу, положительному или отрицательному (в единицах величины заряда электрона е); барионный заряд В - равен О или 1 (для античастиц О, -1); лептонные заряды, или. лептон-ные числа, - электронное Le и мюонное Lm, равны О или +1 (для античастиц О, -1); изотопический спин T - целое или полуцелое число; странность S или гиперзаряд Y (связанный с S соотношением Y = S+B) - все известные элементарные частицы (или античастицы) имеют S = O или ±1, ±2, ±3; внутренняя чётность П - К. ч., характеризующее свойства симметрии элементарных частиц относительно отражений координат, может быть равна +1 (такие частицы наз. чётными) и -1 (нечётные частицы), и нек-рые др. К. ч. Эти К. ч. применяются и к системам из неск. элементарных частиц, в т. ч. к атомным ядрам. При этом полные значения электрич., барионного и лептонного зарядов и странности системы частиц равны алгебраич. сумме соответствующих К. ч. отдельных частиц, полный спин и изото-пич. спин получаются по квантовым правилам сложения моментов, а внутр. чётности частиц перемножаются.
В широком смысле К. ч. часто называют физич. величины, определяющие движение квантовомеханич. частицы (или системы), сохраняющиеся в процессе движения, но не обязательно принадлежащие к дискретному спектру возможных значений. Напр., энергию свободно движущегося электрона (имеющую непрерывный спектр значений) можно рассматривать как одно из его К. ч.
Лит. см. при ст. Атомная физика, Элементарные частицы. Д. В. Гальцов.
КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, генератор электромагнитных волн, в к-ром используется явление вынужденного излучения (см.Квантовая электроника). К.г. радиодиапазона сверхвысоких частот (СВЧ), так же как и квантовый усилитель этого диапазона, часто наз. мазером. Первый К. г. был создан в диапазоне СВЧ в 1955 одновременно в СССР (H. Г. Басов и A. M. Прохоров) и в США (Ч. Таунс). В качестве активной среды в нём использовался пучок молекул аммиака. Поэтому он получил назв. молекулярного генератора. В дальнейшем был построен К. г. СВЧ на пучке атомов водорода. Важная особенность этих К. г.- высокая стабильность частоты генерации, достигающая 10-13, в силу чего они используются как квантовые стандарты частоты.
К. г. оптич. диапазона - лазеры (оптические квантовые генераторы, ОКГ) появились в 1960. Лазеры работают в широком диапазоне длин волн от ультрафиолетовой до субмиллиметровой областей спектра, в импульсном и непрерывном режимах. Существуют лазеры на кристаллах и стёклах, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В отличие от др. источников света, лазеры излучают высококогерентные монохроматические световые волны, вся энергия к-рых концентрируется в очень узком телесном угле.
Лит. см. при ст. Квантовая электроника.
КВАНТОВЫЙ ГИРОСКОП, прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопич. свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.
Лазерный (оптический) г и р о с к о п. Датчиком оптич. гироскопа служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, к-рые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматич. световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис. 1) состоит из трёх (или больше) зеркал 1,2,3, смонтированных на жёстком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны, генерируемая кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии рабочего вещества), определяется условием, согласно к-рому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой, к-рую имела вначале.
Рис. 1. Схема лазерного гироскопа: /, 2,4 - непрозрачные зеркала; 3 - полупрозрачное зеркало; 5 - фотодетектор.
Если прибор неподвижен, то это имеет место, когда в периметре P контура укладывается целое число n длин волн o, т. е. P = n0. В этом случае лазер генерирует 2 встречные волны, частоты которых одинаковы и равны:
[1139-4.jpg]
(с - скорость света).
Если же весь прибор вращается с угловой скоростью вокруг направления, составляющего угол с перпендикуляром к его плоскости (рис. 2), то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на не-к-рый угол. В зависимости от направления распространения волны путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше P (см. Доплера эффект). В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Можно показать, что эти частоты - и v+ не зависят от формы контура и связаны с частотой вращения прибора соотношением:
[1139-5.jpg]
Здесь S -площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор, чувствительный к интенсивности света, в этом случае зарегистрирует биения с разностной частотой:
[1139-6.jpg]
где
[1139-7.jpg]
Напр., для квадратного гелий-неонового К. г. (см. Газовый лазер) со стороной 25 см 0 = 6-10-5 см, откуда k = 2,5-106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью = 15 град/ч, на широте € = 60° должно приводить к частоте биений = 15 гц. Если ось К. г. направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угловую скорость вращения
Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту места, на к-рой расположен К. г.
Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени (к-рое может выполняться автоматически) позволяет определить угол поворота, как функцию времени. Предел чувствительности оптич. К. г. теоретически определяется спонтанным излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений = 1 гц соответствует угол поворота в 1 град/ч, то предел точности К. г. равен 10-3 град/ч. В существующих оптич. К. г. этот предел ещё далеко не достигнут.
Ядерные и электронные гироскопы. В ядерных К. г. используются вещества с ядерным парамагнетизмом (вода, органич. жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом) состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только спинами ядер (электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер, напр, при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее поле выключить, то в отсутствие др; магнитных полей (напр., земного) возникший суммарный магнитный момент M б |
