2.3. Константы, используемые при переходе от свойств микромира к свойствам макромира

[3], с. 125...126; [1],т1 182…217

Планк сделал предположение о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), пропорциональных частоте  излучения:

 = ħ.

Коэффициент пропорциональности ħ получил впоследствии название постоянной Планка. Определенное из опыта значение этой постоянной равно ħ = 1,0545915 · 10^-34 Дж·с.

Постоянной Авогадро называется число частиц, содержащихся в моле вещества. Опытным путем найдено, что эта постоянная равна

N_A = 6,0221367 · 10²³ · моль^-1.

Уравнение состояния для массы m идеального газа

,

где V – объем газа;

P – давление газа;

M – молярная масса газа;

R – молярная газовая постоянная (R = 8,31 Дж/(моль·К);

Т – температура.

Если умножить и разделить правую часть этого уравнения на постоянную Авогадро N_A:

,

то - число молекул, содержащихся в массе m газа, а величина

называется постоянной Больцмана. Она определяет «долю» газовой постоянной, приходящуюся на одну молекулу.

Гравитационная постоянная γ входит в качестве коэффициента пропорциональности в закон всемирного тяготения, согласно которому две материальные точки с массами m₁ и m₂ притягивают друг друга с силой F, пропорциональной массам этих точек и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между ними:

.

Вопросы для контроля

1. Дайте определение материи.

2. Перечислите основные формы существования материи.

3. Дайте определения понятиям: время, пространство движение, взаимодействие, единство и многообразие мира.

4. Поясните принципиальную невозможность полного устранения неопределенности результатов измерений.

5. Поясните сущность корпускулярно-волнового дуализма.

6. Поясните понятия макро- и микромир.

7. Дайте определение физической величины.

8. Перечислите основные единицы СИ.

9. Перечислите основные константы микромира.

10. Перечислите константы, используемые при переходе от свойств микромира к свойствам макромира.

3. Высокостабильные квантовые эффекты и их использование для воспроизведения единиц физических величин

3.1. Квантовые переходы

[3], с. 20; 114...117;[2], с. 131...135

В начале ХХ века немецкий физик М. Планк показал, что основные единицы для нашей Вселенной, однозначно предопределенные наиболее общими законами физики, могут быть составлены из фундаментальных физических констант: скорости света с, постоянной Планка ħ и гравитационной постоянной γ. Значения этих констант, фигурирующих в виде коэффициенов в уравнениях основных физических теорий – классической и квантовой электродинамики и общей теории относительности – являются максимально стабильными и независящими от внешних условий. Появилось понятие «квантовая метрология». Но планковские единицы, несмотря на их универсальность, в метрологии в настоящее время не используются.

Государственный первичный эталон (ГПЭ) единиц времени и частоты воспроизводит основную единицу СИ (секунду) в соответствии с ее определением: секунда – единица времени, равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Функциональная схема воспроизводящей части ГПЭ показана на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема цезиевого репера частоты

Атомы цезия-133 испускаются нагретым источником 1. Пучок этих атомов попадает в область неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 2. Угол отклонения атомов в таком магнитном поле определяется их магнитным моментом. Поэтому неоднородное магнитное поле позволяет выделить из пучка атомы, находящиеся на определенном энергетическом уровне. Эти атомы направляются в объемный резонатор 3, пролетая через который, взаимодействуют с переменным электромагнитным полем сверхвысокой частоты. Частота электромагнитных колебаний в резонаторе может регулироваться в небольших пределах. При совпадении ее с частотой, соответствующей энергии квантовых переходов, происходит поглощение энергии СВЧ-поля, и атомы цезия-133 переходят в основное состояние.

Отклоняющей магнитной системой 4 они направляются на детектор 5. Ток детектора при настройке резонатора на частоту квантовых переходов оказывается максимальным. Этой частоте приписывается значение 9192631770 Гц, а промежуток времени, равный 9192631770 периодам сверх- высокочастотных колебаний, принимается равным 1 с.

Поскольку секунда воспроизводится в сверхвысокочастотном диапазоне, а метр по определению должен воспроизводиться в оптическом (метр – единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды), то применяется радиооптический частотный мост (POЧM).

Таким образом, воспроизведение единиц времени, частоты и длины осуществляется единым техническим комплексом – ГПЭ единиц времени, частоты и длины.