В классическом мире радиоантенна, предназначенная для работы на определенной длине волны, должна иметь размер, близкий к длине волны — обычно в пределах порядка одного порядка. В противном случае антенна не будет работать эффективно. Интуитивно можно предположить, что низкоэнергетические фотоны «слишком велики», чтобы быть поглощенными маленькой антенной, и просто пройдут сквозь нее. (Следует признать, что этот аргумент вводит в заблуждение, и его не следует воспринимать слишком серьезно.)
Это ограничение не распространяется на атомы. Типичная атомная орбиталь может иметь характерный масштаб длины в несколько ангстрем, однако атомы часто поглощают и излучают фотоны с длиной волны до нескольких сотен нанометров. Для своих размеров атомные «антенны» могут быть удивительно эффективными. Например, при тщательном планировании эксперимента один атом может заблокировать до 3% падающего лазерного луча.
Сравнение этих двух случаев побуждает меня задуматься о том, что происходит на промежуточных масштабах. В отдельном атоме энергетические уровни с большими вероятностями перехода обычно разделены расстоянием примерно в один эВ (плюс-минус несколько порядков). Поэтому атомные спектры имеют наиболее сильные линии поглощения в этом диапазоне. Однако молекулы среднего размера могут иметь много энергетических уровней, разделенных милли- или микроэВ. Возможно ли, что существуют электрически малые молекулы, которые поглощают и излучают микроволны или низкочастотные радиоволны с атомарной эффективностью? Если да, то как будут выглядеть эти молекулы?
Если поднять вопрос еще на один шаг: по аналогии с хемилюминесценцией теоретически возможно провести химическую реакцию, производящую большое количество низкочастотных радиоволн из маленькой колбы?
Я знаю, что некоторые полярные молекулы, такие как трифторйодметан , имеют вращательный спектр, простирающийся в микроволновый диапазон. Кроме того, сверхтонкие переходы являются очень низкоэнергетическими процессами. Однако, насколько я знаю, "эффективность антенны" этих систем обычно очень низкая. (Если это не так, я был бы признателен, если бы меня поправили.)
Да, атомы и молекулы могут поглощать или рассеивать радиоволны, если их перевести в очень высокие квантовые состояния (так называемые «состояния Ридберга»; см. https://en.wikipedia.org/wiki/Rydberg_atom ). Эти состояния, например, создаются рекомбинацией ионов и электронов в плазме. Плотность атомов в этих состояниях очень мала, но сечения поглощения и резонанса очень велики, так как они сильно возрастают с квантовым числом n (~n 2,4 для поглощения/ионизации и ~n 4для резонансного рассеяния). При достаточно большой длине оптического пути радиоволны могут полностью поглощаться или рассеиваться таким образом. Спонтанное радиоизлучение таких высоковозбужденных ридберговских состояний (с n>100) также хорошо известно из астрономических наблюдений (линии радиоизлучения от HII-областей).
Я опубликовал статью об этом несколько лет назад в Radio Science, которая доступна по адресу https://www.researchgate.net/publication/253543274_Scattering_of_radio_waves_by_high_atomic_Rydberg_states (обратите внимание, что эта статья очень длинная, занимает 100 страниц, поэтому она не была полностью опубликована в печатная версия, но только летняя версия, а полная версия в то время была опубликована только на микрофишах; версия Researchgate, указанная выше, является полной версией).
Прежде всего, радиоволна – это модулированное ЭМ излучение. На атомном уровне это означает, что поверхностные электроны на стержне антенны ускоряются вперед и назад.
Чем ниже желаемая частота радиоволны, тем длиннее должен быть стержень. Это предотвращает слишком быстрое увеличение сопротивления всего стержня электронами на конце стержня.
Каждый электрон движется лишь немного, чему препятствует его длина свободного пробега, которая невелика. Но в сумме многие электроны синхронно ускоряются в одном направлении и испускают большое количество поляризованных фотонов. Имеют ли эти фотоны длины волн, сравнимые с длиной антенны? Нисколько. Электроны испускают излучение от ИК до рентгеновских лучей.*)
Причина, по которой радиоволны проникают в воздух, следующая. Огромное количество поляризованных фотонов подавляет стохастический процесс в газах. Отдельный фотон будет немедленно поглощен молекулами газа. То же самое происходит и в приемнике. Периодическое прибытие поляризованных фотонов (с их выровненной составляющей электрического поля) вызывает ускорение поверхностных электронов в принимающем проводящем материале. При этом приемная антенна может быть очень маленькой по сравнению с излучающей антенной.
О размере атома и поглощении фотонов. Эксперимент с двумя щелями показывает, что расстояние, на котором край воздействует на фотон, очень велико по сравнению с длиной волны фотона. Эффективные сечения обоих акторов велики. В связи с этим возникает вопрос, насколько велик радиус действия взаимодействия между электроном и фотоном. Такая функция имеет вторую составляющую, помимо расстояния, энергетического содержания (соответственно длины волны или частоты) фотона.*
Если поднять вопрос еще на один шаг: по аналогии с хемилюминесценцией теоретически возможно провести химическую реакцию, производящую большое количество низкочастотных радиоволн из маленькой колбы?
Да. Это возможно с помощью модулированного ЭМ излучения. Используя только свет от термического источника, нет, это невозможно.
*)
Это настоящая причина, по которой не рекомендуется находиться перед радаром. Модулированное электромагнитное излучение радара составляет, например, 2 гигагерца, тогда как рентгеновское излучение находится в диапазоне от 30 петагерц до 30 экзагерц.
**)
Некоторое время назад я спросил на PSE, каков исходный эталон сравнения для определения длины волны или частоты видимого света. Как мы определили, что красный цвет имеет длину волны 650 нм?
Атомы и молекулы действительно очень малы, и при расчете поглощения ими излучения обычно предполагается, что электрические/магнитные поля однородны (даже для синего света длина волны 400 нм намного больше, чем размер атома или молекулы). ).
Однако существует принципиальное различие между поглощением энергии атомами/молекулами и тем, что происходит в антенне. Атомно-молекулярное поглощение пропорционально интенсивности света, т. е. не чувствительно к фазе излучения, а частота может быть обнаружена только по частоте поглощения, т. е. по расстоянию между энергетическими уровнями. Таким образом, основным способом кодирования информации в оптической связи является включение/выключение света в двоичном виде. На языке радио мы можем назвать это амплитудной модуляцией (АМ).
Антенна, с другой стороны, преобразует ЭМ-излучение в ток с той же частотой и фазой, что и излучение - это чувствительность к фазе электромагнитной волны, которая достигается за счет наличия длинной антенны (фактический размер фактически составляет половину волны длина, а не вся длина волны). Это обеспечивает эффективное кодирование информации с помощью частотной и фазовой модуляции.
Обновление
См. также эту ветку для сравнения поглощения света атомами и радиоантенной.
Мэтт