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.
Поля и волны
Чего-то не хватает в этом заголовке? Может быть, лучше: «поля, леса и волны»? Тогда все было бы ясно, поговорили бы о просторных полях пшеницы, бескрайнем море лесов и белогривых пенящихся волнах в самом настоящем бескрайнем морском просторе! Но разговор предстоит о других полях и других волнах. Они невидимы, неслышимы и неосязаемы. Нет у человека органов чувств, способных улавливать электрические или магнитные поля, но, как мы видим, человека это не остановило. Он исследовал электромагнитные поля и волны, научился их создавать и улавливать, придумал для этого различные приборы. Приборы явились как бы дополнением к тем органам чувств, которые даны человеку природой, причем дополнением настолько совершенным, что мы теперь видим и слышим на расстояния в миллионы километров.
Мы много рассказали о передаче сигналов в эфир, по радио, но еще ничего не сказали о том, как это делается и какие физические процессы с этим связаны. Когда говорят о передаче в эфир, явно грешат против истины. Человеческий язык консервативен и долго хранит давно отживите слова. Говорим же мы до сих пор: «Слава богу», хотя прекрасно знаем, что никакого бога нет. Точно так же нет и никакого эфира. Бог нужен был для объяснения таинственных и непонятных явлений. Точно так же и эфир нужен был физикам для объяснения реально наблюдаемых явлений например, распространения света. Но развитие науки показывает, что существуют и другие объяснения. Оказалось, что свет есть электромагнитная волна, которая может распространяться и в вакууме.
Строение атома.
В нашей Вселенной есть две материальные субстанции: вещество и поле. Вещество все мы ясно себе представляем, а вот поле… В понимании физиков поле проявляется благодаря действию каких-либо сил. Силы могут иметь самую разную физическую природу и самое разное происхождение. Почему все тела притягиваются к Земле? Почему мы постоянно чувствуем собственный вес? И откуда он взялся, этот вес? Вес всех предметов обусловлен гравитационным полем Земли. Находясь в поле сил тяжести, все предметы испытывают силу притяжения она и есть вес.
Кроме гравитационных существуют и другие поля, в частности электрические. Их роль в мире мы явно недооцениваем. Атом составляет единое целое только потому, что легкие отрицательно заряженные электроны находятся в электрическом поле положительно заряженного ядра. Противоположные заряда притягиваются, поэтому электрон не так-то легко «оторвать» от ядра. Процесс удаления электрона из «родного» атома называется ионизацией. Она возможна при сильном нагреве, облучении квантами энергии, «обстреле» вещества элементарными частицами высоких энергий. Во всяком случае сообщаемая атомам энергия должна быть больше энергии ионизации атома, которая равна работе, совершаемой против сил поля ядра при «отрывании» электрона.
Атомы объединяются в молекулы электрическими связями. Вот, например, как устроена молекула обычной поваренной соли NaCl. Натрий легко отдает один электрон, находящийся на самой дальней от ядра орбите. Хлор «с удовольствием» захватывает этот электрон. В результате атом натрия становится положительным ионом, а атом хлора отрицательным. Они притягиваются друг к другу как заряды с противоположными знаками. Так получается молекула. Крупинка поваренной соли представляет собой одну большую «молекулу» — ионный кристалл, состоящий из великого множества ионов Na+ и Cl-. Положительные и отрицательные ионы располагаются строго попеременно, вследствие электрических связей они объединяются в кристаллическую решетку, образуя твердое тело. Все окружающие нас предметы оказываются прочными и твердыми только благодаря межатомным электрическим полям.
Молекула поваренной соли.
Расположение ионов в кристалле поваренной соли.
Все мы знаем, что ядро атома очень мало по сравнению с самим атомом, но в то же время оно содержит почти всю массу атома, примерно 99,95 %. Если точка в конце этого предложения условно изображает ядро, то для того, чтобы нарисовать весь атом, понадобится трехметровый лист бумаги! Вот как мало ядро по сравнению с самим атомом. Что же находится в огромном пустом пространстве в атоме? Не воздух же, так как воздух и сам состоит из атомов, объединенных в еще более крупные молекулы. Электрическое поле! Вот насколько важны электрические поля в мироздании!
Электрические поля создаются зарядами. Но если заряд движется, он создает электрический ток. Обычный ток в проводнике, от которого светится, например, лампочка карманного фонаря, — это направленное движение множества электронов. Такое движение порождает поле иного вида — магнитное. Оно действует на другие движущиеся заряды, т. е. на другие токи. Ну а как же постоянный магнит, спросите вы? На первый взгляд в нем нет никаких токов, а магнитное поле он создает! На самом деле токи есть. Это электроны атомов, движущиеся по орбитам вокруг ядра и вращающиеся вокруг собственной оси. Каждый вращающийся электрон — это маленький кольцевой ток. Он и создает свое маленькое магнитное поле. Пока постоянный магнит не намагничен, все элементарные магнитные поля электронов направлены в разные стороны и их общее, усредненное магнитное поле равно нулю. Чтобы намагнитить кусок железа, надо поместить его в сильное внешнее магнитное поле. Тогда все электроны повернутся так, что их магнитные поля будут направлены в одну и ту же сторону, в сторону внешнего магнитного поля. Теперь уберем внешнее поле. Элементарные магнитные поля сохранят прежнее направление. Кусок железа стал постоянным магнитом.
Намагничивание вещества.
Не все вещества можно намагнитить, а только определенные. К ним относятся сплавы железа, никеля и др., а также искусственно созданные ферриты. Вое они называются ферромагнетиками.
Постоянные электрические и магнитные поля не могут существовать без своих источников, зарядов или токов. Но есть особый и, кстати, самый распространенный вид поля — электромагнитное. Оно может существовать и само по себе, в отрыве от источников. Но только электрическое и магнитное поля в нем должны быть переменными, быстро изменяющимися во времени. А само электромагнитное поле будет представлять собой волны, движущиеся (распространяющиеся) в пространстве.
Только волны
Итак, волны. Так емко, многообразно и содержательно это понятие, выражаемое простым словом, содержащим в лучших традициях телеграфистов, только пять букв (дело в том, что «усредненное» телеграфное слово содержит пять знаков). Волны расходятся и от брошенного в пруд камня, и от говорящего человека, и от звезды, затерявшейся в просторах Галактики, и от самой Галактики, представляющейся булавочной головкой в громадных, бездонных, непостижимых человеческому воображению глубинах открытого космоса. Посредством волн мы получаем практически всю (более 99 %) информацию об окружающем нам мире. Почему-то мы считаем реальными только твердые и осязаемые предметы, а волны представляются нам чем-то эфемерным, зыбким и неустойчивым. Однако волны не менее реальны, чем любые твердые и тяжелые предметы.
