Единицы измерения

В аттосекундной физике центральным понятием является время, измеряемое в экстремально малых интервалах, недоступных традиционной измерительной технике. Базовой единицей времени в Международной системе единиц (СИ) является секунда, которая определяется через излучение цезиевого атома:

1 с = 9 192 631 770 периодов излучения перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Cs-133.

Однако аттосекундная физика оперирует временными шкалами на порядки меньше секунды. Важнейшие производные единицы:

  • Фемтосекунда (фс) — 10−15 секунды, характерная для вибраций атомных ядер в молекулах.
  • Аттосекунда (ас) — 10−18 секунды, время, на которое укладываются динамические процессы движения электронов в атомах.
  • Зептосекунда (зс) — 10−21 секунды, исследуемая в экспериментах по крайне быстрому выбиванию электронов из атомных оболочек.
  • Йоктосекунда (йс) — 10−24 секунды, теоретически применима в моделях квантовой электродинамики.

Эти единицы позволяют описывать процессы на атомном и субатомном уровнях, где классические подходы к измерению времени становятся бессмысленными.

Масштабы времени в аттосекундных экспериментах

Для понимания величины аттосекунды полезно соотнести её с другими физическими интервалами:

  • Время пробега света через водородный атом: ~24 аттосекунды.
  • Время колебания валентного электрона в атоме водорода: 152 аттосекунды.
  • Время туннелирования электрона через потенциальный барьер: 100–200 аттосекунд.

Эти значения показывают, что аттосекундная физика непосредственно работает с временными масштабами движения электронов, что позволяет наблюдать их динамику в реальном времени.

Производные единицы энергии и их связь со временем

В аттосекундной физике ключевую роль играют взаимосвязанные единицы энергии и времени через принцип неопределённости Гейзенберга:

$$ \Delta E \cdot \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}, $$

где ℏ — приведённая постоянная Планка ( ≈ 1.054 ⋅ 10−34 Дж·с).

Следствия для измерений:

  • Аттосекундные интервалы (Δt ∼ 10−18 с) соответствуют энергии фотонов ΔE ∼ 0.3 эВ для видимого диапазона и до сотен эВ для рентгеновского излучения.
  • Возможность разрешения процессов на уровне отдельных электронных переходов требует высокой временной и энергетической точности, что напрямую связано с выбором единиц измерения.

Единицы длины в контексте аттосекундной физики

Хотя основная фокусировка на времени, длина также играет критическую роль через связь с скоростью света:

c = 299 792 458 м/с.

  • Пробег света за 1 аттосекунду: ℓ = c ⋅ 10−18 с ≈ 0.3 нанометра.
  • Это соответствует размеру атома водорода, что делает аттосекундные интервалы естественным масштабом для атомных процессов.

Следовательно, единицы длины и времени взаимосвязаны и формируют натуральные масштабы атомной физики.

Единицы интенсивности и поля лазерного излучения

Эксперименты с аттосекундными импульсами требуют точного измерения электрических и магнитных полей, а также интенсивности лазера:

  • Интенсивность I измеряется в Вт/м². Для создания аттосекундных импульсов требуются значения I ∼ 1014 − 1015 Вт/см².
  • Амплитуда электрического поля E связана с интенсивностью:

$$ E = \sqrt{\frac{2I}{c \varepsilon_0}}, $$

где ε0 — электрическая постоянная.

  • Магнитная составляющая поля определяется соотношением B = E/c.

Эти единицы критически важны для моделирования процессов ионизации, ускорения электронов и генерации гармоник.

Натуральные единицы и атомные системы единиц

Для удобства расчетов на атомном уровне часто используются атомные единицы (a.u.):

  • Длина: Боровский радиус a0 ≈ 0.529 Å.
  • Энергия: энергия Хартри Eh ≈ 27.2 эВ.
  • Время: атомная единица времени ta = ℏ/Eh ≈ 2.42 ⋅ 10−17 с.

Атомные единицы времени близки к десяткам аттосекунд и удобны для описания электронных движений в атомах и молекулах без лишних коэффициентов.

Оглавление