Популярное

Молекулы вместо маятника

С ГЛУБОКОЙ древности люди привыкли вести счет времени по Солнцу. Давно уже в качестве меры времени были приняты сутки.
Однако недавно выяснилось, что сутки — эталон ненадежный Их длительность в течение года периодически изменяется примерно на одну тысячную секунды. Это было установлено с помощью кварцевых часов — одного из точнейших приборов для измерения времени.

Что же может служить надежным и точным эталоном времени? Астрономы предложили считать таким эталоном время обращения Земли вокруг Солнца — год. Но и этот эталон далеко не идеален: его точность для ряда технических и научных задач недостаточна, а пользоваться им сложно.

Это толкнуло ученых на дальнейшие поиски. И вот обнаружилось, что самый точный счет времени можно вести не по огромному Солнцу, а по мельчайшим «клеточкам» вещества — молекулам.

Оказалось, что молекулы, словно миниатюрные радиостанции. ведут «радиопередачу». Причем все молекулы-«радиостанции>. данного вещества излучают свои сигналы с идеально постоянной частотой. Это излучение возникает в момент перестройка архитектоники молекулы (см. цветную вкладку, рис. внизу справа).

Ученые решили использовать эти колебания для создания часов нового вида. Ведь неизменные колебания молекул — это созданная самой природой основа эталона времени.

На пути ученых встало много препятствий. Первое — излучаемые молекулами сигналы очень слабы. Их нужно было значительно усилить. Это посильная для инженеров задача. Ведь и от далеких радиостанций доходят иногда еле уловимые сигналы, а радиоприемник может усилить их так, что от звуков, вырывающихся из него, будут звенеть стекла.

Второе препятствие было куда трудней. Любая молекула может быть то «радиопередатчиком», то «радиоприемником», в зависимости от того, велик или мал у нее запас энергии.

«Радиопередачу» обычно ведет меньшее количество молекул, чем число молекул, ведущих «прием»: последние не излучают, а поглощают энергию. Энергия, излучаемая молекулами-«передатчиками», поглощается молекулами-«приемниками».

Молекулы-приемники» настолько «прожорливы», что поглощают даже приходящую извне энергию.

Именно поэтому газы при обычных условиях способны лишь поглощать радиоволны. Например, водяной пар поглощает радиоволны длиной в 1,3 см, а молекулы кислорода — волны длиною в 5 мм.

Два молодых советских физика, докторы физико-математических наук Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров поставили перед собой задачу — отделив передающие молекулы от принимающих, использовать их как источник излучения, то есть создать молекулярный генератор радиоволн.

В одной из лабораторий Физического института Академии наук СССР на длинном столе стоят три поблескивающих никелем и лаком прибора. Это молекулярные генераторы, с помощью которых решена проблема, еще недавно казавшаяся фантастической: проблема получения стабильных колебаний в виде радиоволн, излучаемых молекулами.

Замечательный прибор очень прост. В молекулярном генераторе всего три главные детали: небольшой сосуд, в который по тонкой трубке подается аммиак и из которого он выходит сквозь диафрагму со множеством мельчайших отверстий; конденсатор, отсеивающий «передающие» молекулы от «принимающих», и, наконец, металлический цилиндр, внутри которого отсортированные активные молекулы излучают радиоволны. Вот и весь «механизм» этого замечательного прибора. В нем совершенно нет подвижных частей, которые могут износиться и нарушить работу. Для работы прибора нужен еще насос, откачивающий из прибора воздух и отработавшие молекулы аммиака, выпрямитель, подающий высокое напряжение на пластины конденсатора, и сосуд, в который периодически подливается жидкий азот.

Как же работает молекулярный генератор?

Разделение излучающих и поглощающих молекул осуществляется с помощью электрического поля конденсатора: молекулы аммиака в электрическом поле ведут себя по-разному, в зависимости от того, каким запасом энергии они обладают.

Процесс отделения молекул с большей энергией от молекул с меньшей энергией напоминает то, что происходит на беговой дорожке во время состязаний. Спортсмены, у которых больше сил и энергии, доходят до финиша. Те же, у кого не хватает силенок, сходят с дорожки, не добежав до конца.
«Старт» дается у диафрагмы, из отверстий которой молекулы вылетают. «Беговая дорожка» проходит через небольшой участок безвоздушного пространства между диафрагмой и конденсатором, затем уходит в тоннель, образованный его стержнями, и кончается металлическим цилиндром (см. цветную вкладку).

Молекулы-«передатчики», которые обладают большей энергией, пробегают начальный участок пути, затем попадают в тоннель конденсатора и благополучно достигают «финиша». Электрическое поле конденсатора направляет их на правильный путь. Молекулы же, у которых меньше энергии, поле конденсатора отбрасывает с «беговой дорожки» в сторону, и они «замораживаются» жидким азотом.

«Молекулярная веялка» работала великолепно.Так была решена одна часть проблемы.

Нужно было решить вторую. Дело в том, что если молекулы с избытком энергии даже отсортированы от остальных, это еще не значит, что они тотчас же отдадут эту энергию в виде радиоволны. Молекула аммиака, например, может годы летать в пустоте, прежде чем излучит радиоволну!

Размеры молекулярного генератора невелики, и молекулы пролетают его за тысячные доли секунды. Ясно, что за столь малое время из многих миллиардов пролетающих молекул успевают излучить радиоволну лишь единицы.

А нужно было заставить большинство молекул излучать радиоволны не через тысячу лет, а немедленно, тут же, в приборе.

Как была решена эта задача?

...Вы ударили по клавише рояля, зазвучал инструмент, а вместе с ним вдруг зазвучала струна у висящей на стене гитары. Это известное вам явление резонанса. Конструкторы поставили на пути молекул нечто подобное «струне», настроенной в резонанс с молекулами. Такой «струной» является металлический цилиндр, или, как его называют, «объемный резонатор». При правильной настройке резонатор отзывается на слабое излучение пролетающих молекул и излучает энергию той же частоты. Объемный резонатор и без молекул колеблется, правда очень слабо, под действием тепла своих стенок. На колебания резонатора откликнутся молекулы, пролетающие через резонатор, и, излучив внутри него радиоволну, увеличат его первоначальную энергию. Это увеличение энергии сильнее подействует на следующие порции молекул, и они будут еще интенсивнее излучать радиоволны. Так в резонаторе начнется своеобразный цепной процесс. Он будет развиваться до тех пор, пока ровно половина молекул, пролетающих через резонатор, не начнет излучать в нем свою избыточную энергию в виде радиоволн.

По медной трубочке радиоволны выводятся наружу.

Чтобы использовать эти радиоволны в качестве регулятора,, определяющего ход часов, специальная радиосхема преобразовывает их в короткие сигналы — импульсы. С помощью этик импульсов можно заставить идти обыкновенные электрические часы.

Точность часов зависит только от свойств молекул, влияние самого прибора столь незначительно, что если построить два1 таких прибора совершенно независимо, в разных местах, та различие в их частотах не будет превышать одной миллиардной доли. Ученые считают, что в будущем точность молекулярного генератора может быть повышена в сотни раз.

С помощью молекулярных часов можно будет повысить точность радионавигационных систем, улучшить работу радиовещательных станций и автоматических систем управления, осуществить ряд научных опытов.

Работа над созданием и улучшением молекулярных — атомных, как их еще называют, — часов ведется во многих научно-исследовательских институтах нашей страны.