Страница 100 из 161
Основная идея представляется очень простой, теперь, РєРѕРіРґР° РјС‹ подготовлены Рє ней Рё можно только удивляться, почему никто РЅРµ додумался РґРѕ этого прежде. Если РјС‹ рассматриваем системы СЃ РґРІСѓРјСЏ энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как это делал Вебер, то РјС‹ знаем, что мощность, излучаемая Р·Р° счет вынужденного излучения, пропорциональна числу частиц n2 РІ верхнем состоянии, Р° поглощенная мощность пропорциональна числу частиц n2 РІ нижнем состоянии. Р�тоговая мощность, которая является разностью поглощенной Рё испущенной мощности, как РјС‹ видели, пропорциональна разности n1 n2. РџСЂРё термическом равновесии, n1 всегда больше, чем n2 Рё, поэтому поглощенная мощность всегда больше, чем испущенная мощность. РќРѕ давайте рассмотрим, что случиться, если РјС‹ каким-РЅРёР±СѓРґСЊ СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј отберем частицы так, что отправим РІ РѕРґРЅСѓ сторону только те, которые находятся РІ верхнем состоянии. Теперь число n2 будет больше, чем n1 Рё поэтому испускаемая мощность станет больше, чем поглощенная мощность. Таким образом, РјС‹ получаем устройство, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅРѕРµ испускать излучение СЃ частотой, соответствующей разности энергий между РґРІСѓРјСЏ СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё. Рто устройство является генератором, Рё над РЅРёРј-то Рё размышлял Таунс.
Активным веществом, которое предусматривал Таунс, был газ аммиак. Согласно классической картине, молекула аммиака (состоящая РёР· РѕРґРЅРѕРіРѕ атома азота Рё трех атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, NH3) представляет треугольную пирамиду (СЂРёСЃ. 41, Р°) СЃ тремя атомами РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ углах основания Рё атомом азота РЅР° вершине. Рти три атома РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° можно рассматривать лежащими РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости, Р° атом азота лежащим РІ РґСЂСѓРіРѕР№ плоскости, которая выше или ниже, чем плоскость атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°. Потенциальная энергия атома азота РІ зависимости РѕС‚ его расстояния РѕС‚ плоскости атомов РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° показана РЅР° СЂРёСЃ 41, Р±. Квантовая механика показывает, что соответствующая кривая имеет РјРёРЅРёРјСѓРј РїРѕ РѕР±Рµ стороны РѕС‚ этой плоскости СЃ потенциальным барьером, имеющим максимум РІ плоскости водородных атомов. Атом азота может колебаться вдоль РѕСЃРё, перпендикулярной этой плоскости, Рё может переходить РёР· положения вверху плоскости РІ положение ниже ее, Рё обратно. Такой переход обозначается как инверсия. РљСЂРѕРјРµ того, молекула вращается РІРѕРєСЂСѓРі взаимно перпендикулярных осей. Согласно квантовой механике, РІСЃРµ колебательные Рё вращательные движения квантованы, Рё поэтому РёС… энергии представляются дискретными энергетическими СѓСЂРѕРІРЅСЏРјРё, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 41, Р±.
Рис. 41. Пирамидальная структура молекулы аммиака (а). Потенциальная энергия атома азота как функция его расстояния от плоскости атомов водорода (б)
Гордон, Цайгер Рё Таунс, после некоторой модификации РёС… идеи, решили наблюдать переход между нижней колебательной парой РІРѕ вращательном состоянии СЃ тремя числами углового момента около каждой РёР· осей, который обозначается 3-3 состояние. Ртому переходу соответствует частота 23 830 МГц.
Р�дея Таунса заключалась РІ том, чтобы получить некоторым СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј пучок молекул, например нагревом, Р° затем отделить тех, которые РІ возбужденном состоянии, РѕС‚ тех, которые РЅР° нижнем состоянии. Рто можно было сделать, учитывая интересное свойство молекулы: РїСЂРё приложении электрического поля молекула деформируется Рё возникает малый дипольный момент для РѕР±РѕРёС… чисел вращательной пары, РЅРѕ противоположного знака. Если электрическое поле неоднородно, получается тот же эффект, который наблюдался Штерном Рё Герлахом, Рё РЅР° молекулу будет действовать сила СЃ противоположным направлением для каждого числа пары. Проект предусматривал использовать сильное электростатическое неоднородное поле, действующее РЅР° пучок молекул аммиака, Рё сфокусировать возбужденные молекулы этого пучка РІ малое отверстие полости резонатора, настроенного точно РЅР° 23 830 МГц.
В 1950-е гг. Вольфганг Поль (1913-1993) вместе с Хельмутом Фридбургом и Гансом Беневитцем спроектировали специальные электрические и магнитные линзы (квадрупольные) для фокусирования атомных и молекулярных пучков. Таунс думал об использовании таких линз для разделения молекул. Поля таких линз и были использованы в аммиачном мазере и в водородном мазере. Позднее Поль разработал трехмерную версию, способную удерживать ионы в малой области (ловушка Поля). С помощью этого устройства можно исследовать одиночные атомы, что было невозможно раньше. За это Поль был награжден в 1989 г. Нобелевской премией по физике вместе с Н. Рамси и Гансом Демельтом, которые также построили подобную ловушку, но другой конструкции.