Атомные часы.

Атомные часы




СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ЗАОЧНЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ


ФАКУЛЬТЕТ МЕНЕДЖМЕНТА












РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ


АТОМНЫЕ ЧАСЫ










Студентки 1 курса Михайловой Ю.В.
группа 902













Санкт-Петербург

1999 год
До 40-х годов ХХ века приборы времени были основаны только на использовании колебаний механических осцилляторов - маятника, баланса со спиральной пружиной и кристалла кварца. У этих и других осцилляторов, имеющих макроразмеры, собственная частота колебаний в значительной степени зависит от ряда дестабилизирующих факторов (температуры, барометрического давления, степени старения материалов и т.д.) Поэтому они не могут обладать такой высокой стабильностью, какая нужна для точного измерения времени.
Эталон времени и частоты, основанный на астрономическом определении его, также оказался величиной непостоянной. Было установлено, что угловая скорость вращения Земли изменяется, в результате чего продолжительность суток в течение года может отличаться от средней их продолжительности за год на +- 0,001 с. Поэтому пришлось отказаться от меры времени - секунды как основного эталона времени (1/86 400 доли солнечных суток).
В последние десятилетия развитие атомной физики и микроволновой радиоспектроскопии привело к созданию принципиально нового эталона частоты и времени на атомных постоянных, разработанного на основе изобретения молекулярных и атомных часов. Последние основаны на применении таких осцилляторов, как атом и молекула, частота колебаний которых в микромире строго стабильна и не зависит от внешних воздействий и для которых справедливы законы квантовой механики. В молекулярных часах в качестве осцилляторов используют группы молекул, в атомных часах - группы отдельных атомов. Кроме того, эти квантово-механические приборы времени можно разделить, в зависимости от выбранного вида осциллятора, на аммиачные, цезиевые, водородные, рубидиевые и др.
Появление и развитие этих приборов времени произвело революцию в области измерения времени. Она явилась одним из важных направлений научно-технической революции ХХ века.
В развитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можно выделить два периода, из которых начальный приходится на подготовку и создание в 1948 г.: первый - молекулярных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на наши дни, так как именно за последние сорок лет были созданы все модели молекулярных и атомных часов.


ПЕРВЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСЫ 1948 ГОДА


В молекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменение энергии (Еn - Em), входящей в уравнения Бора, настолько мало, что частоты, соответствующие этим энергетическим разностям, лежат в области миллиметровых и сантиметровых волн.
В сантиметровом диапазоне радиоволн систематические исследования начались с 1946 года, после освоения этого диапазона в результате развития радиолокации. Особенное значение для создания первых молекулярных часов имело изучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых и миллиметровых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильное избирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, при которых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолько узки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральных линий дает радиоспектр газа.
В 1947 году спектральные линии поглощения аммиака были применены для стабилизации частоты отражательного клистрона - широко распространенной электронной лампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 году - для создания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их легче было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.
Первые практические результаты, показавшие возможность создания молекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнуты в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использования принципа, разработанного Гарольдом Лайонсом - сотрудником научно-исследовательской лаборатории по изучению микроволн.
Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках, заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10^-2, то есть в сильно разреженном состоянии, на волне 1,25 см можно получать довольно узкие спектры поглощения аммиака.
Когда стало очевидным, что такой спектр поглощения может служить надежной основой для новых эталонов частоты и времени, ученые Комитета стандартов в Вашингтоне начали искать пути применения этого спектра для осуществления контроля над радиотехническим генератором, который в свою очередь мог быть использован в качестве двигателя часов.
Таким образом, была сделана попытка заменить корректирование хода кварцевых часов по астрономическим наблюдениям автоматической коррекцией по спектральной линии поглощения аммиака. Этому устройству было дано претенциозное, но не совсем точное название "атомные часы".
Квантовая система, использованная в первых молекулярных часах, состоит из газообразного аммиака NH3. Его атомы располагаются в пространстве по вершинам воображаемой трехгранной пирамиды с атомом водорода по углам ее основания и атомом азота у ее вершины. Атом азота по отношению к трем атомам водорода может занимать два крайних положения. Эти два положения молекулы отличаются знаком проекции электрического момента диполя на ось вращения молекулы, находящейся в магнитном поле. Частота, с которой атом водорода совершает свои колебания, зависит от энергии вращающихся молекул.
Собственная частота колебания молекулы аммиака 23870,14 МГц. Это соответствует длине волны 1,25 см. Следовательно, период ее колебания длится всего одну двадцатичетырехмиллионную долю секунды. Эта частота в миллион раз превосходит частоты, применяемые при обычных радиовещательных передачах, приближаясь к области световых волн.
Первые молекулярные часы состояли из высокочастотного кварцевого генератора со схемой автоматической подстройки ее частоты к частоте автоколебаний опорного - в данном случае молекулярного - осциллятора. Частота сигнала подстроенного кварцевого генератора предварительно умножается на число n, чтобы она была примерно равна частоте собственных колебаний аммиака. Устройство, корректирующее частоту колебаний кварцевого генератора, именуемого дискриминатором, производит сравнение частоты генератора с собственной частотой колебаний молекул аммиака и при наличии различия этих частот вырабатывается "сигнал погрешности". Сигнал ошибки с выхода дискриминатора подается на подстроенный генератор и с помощью особых устройств корректируется его частота колебаний таким образом, чтобы они сравнялись с ча