Звуко-электроника. Продолжение.

Звук

Мы уже знаем, что гиперзвук можно усилить с помощью света. Однако расчеты показывают, что куда выгодней делать это с помощью электронов. Идея такого усилителя звука довольно проста. Колыбелью мощного звука служит стержень из сернистого кадмия. К его торцам подводят постоянное напряжение. Оно заставляет свободные электроны «плыть» вдоль стержня. А теперь пошлем им вдогонку звук. В пьезоэлектрике он всегда движется в сопровождении электрического поля. Сильнее звук — сильнее поле, и наоборот.

Когда электроны в кристалле и звук движутся с постоянной скоростью, ничего особенного не происходит. Но вот мы чуть увеличили напряжение на концах стержня. Скорость дрейфующих вдоль него электронов слегка возрастет. Они начнут обгонять звук, а вместе с ним и бегущее электрическое поле. Но поле «не хочет» их отпускать и как бы цепляется за них. Поэтому электроны вынуждены «тянуть» поле за собой.

Думаете, поле начнет двигаться быстрее? Как бы не так. Ведь оно бежит «в одной упряжке» со звуком. Скорость же звука постоянна. В твердом теле, например, она определяется лишь упругими свойствами кристаллической решетки.

При малейшей попытке звука побежать резвее в решетке возникают дополнительные механические напряжения. Чтобы преодолеть их, звуку приходится увеличивать амплитуду колебаний.

Именно на это и идет энергия, полученная звуком от электронов. А результат? Скорость звука остается прежней. Но зато растет размах колебаний, увеличивается сила звука. Этот способ годится для усиления звука любой частоты. Но особенно выгоден он, когда приходится иметь дело с ультраультразвуком. Например, звук с частотой 10 миллиардов герц можно усилить в миллион раз, заставив его пройти в кристалле путь длиной всего лишь 0,5 миллиметра. Звук от падения пылинки на мягкий ковер можно усилить, таким образом, до грохота взрыва!

Электрический заряд не единственная ценность электрона в глазах акустиков. Столь же важным оказывается и то, что он обладает свойствами крошечного магнитика. Эти свойства порождены вращением электрона вокруг своей оси, или, как говорят физики, его спином.

Обычно электроны в атомах попарно связаны друг с другом, так что их магнитные поля взаимно нейтрализуются. Но в атомах некоторых веществ, например у железа, есть и неспаренные электроны. Они-то и вызывают магнетизм вещества.

Любопытная вещь получается, если кристалл из таких атомов поместить в магнитное поле. Электроны-магнитики расположатся в нем так, что их спиновые оси (для краткости просто: спины) займут какое-то определенное положение: либо по направлению поля, либо против него, либо перпендикулярно ему. Каждому положению соответствует определенный энергетический уровень.

При низкой температуре большинство спинов будет повернуто в такую сторону, чтобы это отвечало меньшей энергии. Другими словами, нижний энергетический уровень окажется «заселен» более густо, чем верхние.

Но это лишь до тех пор, пока атомы (и, разумеется, электроны) сидят на голодном энергетическом «пайке». Однако их можно «подкормить» энергией. Тогда картина изменится.

Ради простоты представим, что у нас лишь два (а не три) энергетических уровня. Чтобы электрон перешел с нижнего на верхний, он должен поглотить порцию энергии — квант. Пусть это будет энергия электромагнитных или звуковых колебаний. При соответствующей частоте (от нее зависит энергия кванта) они начнут поглощаться электронами.

Что же произойдет? Электроны с нижнего уровня станут, поглощая кванты, подниматься на верхний. А с верхнего, наоборот, будут прыгать вниз, испуская «ненужный» квант. Каких же окажется больше?

Вы знаете, что происходит, когда в магазине кончается обеденный перерыв. Открывают дверь, и к прилавкам устремляется поток покупателей. Спустя некоторое время кое-кто направляется уже к выходу. Таких становится все больше. Постепенно число входящих и выходящих примерно уравнивается.

Легко понять, что с электронами будет то же самое. Сначала большинство устремится на верхний уровень. В конце концов «плотность населения» там станет такой, как на нижнем. Теперь переселяться наверх уже нет смысла: здесь так же тесно, как и внизу. Может показаться, что все это представляет лишь теоретический интерес. В самом деле, какую из этого можно извлечь пользу?

А вот какую. Вспомните принцип квантового генератора света — лазера. В кристалле рубина атомы хрома «впитывают» свет ртутной лампы, поднимаясь на более высокий энергетический уровень. Их там собирается столько, что они начинают «сталкивать» друг друга «вниз». Возникает мощная лавина световых квантов, которые выбрасываются из кристалла в виде ослепительного луча. Яркостью он во много раз превосходит ртутную лампу. Получается, что свет лампы с помощью рубина усиливается. И еще как — миллионнократно!

На подобном же принципе можно сделать, оказывается, и квантовый генератор звука. Точнее — гиперзвука. Вот как работает один из таких приборов. Он создан американским физиком Г. Туккером. Самая важная его часть — кристалл из парамагнитного вещества, то есть вещества со слабыми магнитными свойствами. Электроны в нем могут находиться на одном из трех энергетических уровней: нижнем, среднем или верхнем. Но если кристалл охладить, почти все они соберутся на нижнем уровне.

Поможем электронам «расселиться». Для этого достаточно возбудить в кристалле электромагнитные колебания. Частота их подбирается такой, чтобы энергия электромагнитных квантов соответствовала разнице между нижним и верхним уровнями. Ясно, к чему это приведет. Поглощая кванты, электроны станут перебираться наверх. Вскоре заселенность нижнего уровня и верхнего станет примерно одинаковой. Ну, а теперь?

Есть еще один уровень — средний. Попасть на него электрон может двумя путями: либо спустившись с верхнего уровня, либо поднявшись с нижнего. Конечно, нас интересует лишь первый путь — ведь в этом случае электрон не поглощает квант, а, наоборот, выбрасывает его.

К кристаллу прижат кварцевый брусок. В нем возбуждается ультразвук с такой частотой, чтобы энергия квантов звуковой энергии соответствовала разнице между верхним и средним уровнями. Из кварца звук попадает в парамагнитный кристалл. Там звуковые кванты поглощаются электронами.

Думаете, в результате звук заглохнет? Нет, звук только усилится! И вот как это произойдет. Поглотив квант звуковой энергии, электрон с помощью верхнего уровня теряет право там находиться. У него теперь больше энергии, чем положено. Поэтому он немедленно от нее избавляется: выбрасывает поглощенный квант. И — самое важное — в придачу испускает еще точно такой же. А сам перескакивает на средний уровень. Электрон среднего уровня тоже может поглотить звуковой квант. При этом он ничего не испускает, а просто переходит на верхний уровень. Однако сверху вниз движение более оживленное — наверху больше электронов. «Старания» звука направлены на то, чтобы уравнять заселенность верхнего уровня и среднего. Поэтому звуковых квантов испускается во много раз больше, чем поглощается.

Правда, теперь нарушается равенство между числом электронов на верхнем и нижнем уровне. Но это уже забота электромагнитных колебаний — за счет их энергии непрерывно производится «подкачка» электронов на верхний уровень. А звук в свою очередь непрерывно сбрасывает их на средний уровень. И за каждый потраченный на это квант звук получает два. Понятно, что звук усиливается.

Таким методом можно генерировать сверхмощный звук частотой в десятки миллиардов герц. Никакие пьезоэлектрические устройства на это неспособны. О свойствах гиперзвука мы знаем пока немного. Ученые лишь недавно стали иметь с ним дело. Этому звуку уже намечают на старте поразительные применения.

Звуколокация атомов и отдельных элементарных частиц — вот одна из наиболее заманчивых возможностей. Если «обычный» ультразвук позволяет увидеть крошечную трещину в детали, то ультраультразвук поможет «разглядеть» даже неправильности в размещении атомов кристаллической решетки.

Вычислительная техника и биология, химия и технология — во многих областях науки и техники скажет, по-видимому, свое слово ультраультразвук. У новой науки — звукоэлектроники, появившейся на свет на стыке акустики, электроники, физики, оптики, электричества, магнетизма и многих других отраслей знания, — все пока впереди.

Автор: В. Тоболев.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *