И

ИДЕАЛЬНАЯ ЖИДКОСТЬ, вообра­жаемая жидкость, лишённая вязкости и теплопроводности. В И. ж. отсутст­вует внутр. трение, т. е. нет касат. напряжений между двумя соседними слоями, она непрерывна и не имеет

структуры. Такая идеализация до­пустима во многих случаях течения, рассматриваемых в гидроаэромехани­ке, и даёт хорошее описание реальных течений жидкостей и газов на доста­точном удалении от омываемых тв. поверхностей и поверхностей раздела

с неподвижной средой. Использование модели И. ж. позволяет найти теор. решение задач о движении жидкостей и газов в каналах разл. формы, при истечении струй и при обтекании тел. ИДЕАЛЬНАЯ ПЛАЗМА, см. в ст. Плазма.

ИДЕАЛЬНО-ПЛАСТИЧЕСКОЕ ТЕЛО, абстрактная (математическая) модель

204

 

 

пластич. тела, в к-рой не учитывается упрочение материала в процессе де­формирования.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ, теор. модель газа, в к-рой не учитывается вз-ствие ч-ц газа (ср. кинетич. энергия ч-ц много больше энергий их вз-ствия). Разли­чают классич. и квант. И. г. Св-ва классического И. г. описы­ваются законами классич. физики — Клапейрона уравнением и его частны­ми случаями: Бойля — Мариотта за­коном, Гей-Люссака законом. Ч-цы классич. И. г. распределены по энер­гиям согласно распределению Больц­мана (см. Больцмана статистика). Реальные газы хорошо описываются моделью классич. И. г., если они до­статочно разрежены.

При понижении темп-ры газа или увеличении его плотности могут ста­новиться существенными волновые (квантовые) св-ва ч-ц И. г., если дли­ны волн де Бройля для них при ско­ростях порядка тепловых становятся сравнимыми с расстояниями между ч-цами. При этом поведение кван­тового И. г., состоящего из ч-ц с целочисленным спином, описывается статистикой Бозе — Эйнштейна, а по­седение газа ч-ц с полуцелым спином— статистикой Ферми — Дирака (см. Квантовая статистика).

ИДЕАЛЬНЫЙ КРИСТАЛЛ, 1) кри­сталл с совершенной трёхмерно-периодич. решёткой во всём своём объёме, лишённый любых дефектов строения — вакансий, примесных атомов, дислока­ций и др. Понятие «И. к.» широко ис­пользуется в кристаллографии и тео­рии твёрдого тела, но оно явл. идеа­лизацией, т. к. в реальных кристал­лах всегда имеется нек-рое кол-во дефектов, термодинамически равно­весных с решёткой. Наиболее близки по строению к И. к. так наз. бездислокац. кристаллы (Si, Ge) и нитевид­ные кристаллы. 2) Кристалл совер­шенной формы, в к-рой физически рав­ноценные грани одинаково развиты (см. Кристаллизация).

ИЗГИБ бруса, деформированное со­стояние, возникающее в брусе под действием сил и моментов, перпенди­кулярных его оси, и сопровождающе­еся её искривлением (об И. пластинки и оболочки см. Пластинки и Оболоч­ка). Возникающие при И. в попереч­ном сечении бруса норм. напряжения а приводятся к моменту М, перпенди­кулярному оси и наз. изгибаю­щим моментом, а касат. на­пряжения т приводятся к поперечной силе Q и крутящему моменту M_кр (см. Кручение). Изгибающий момент, поперечная сила и крутящий момент определяются через внеш.. нагрузки (включая реакции опор) из условия равновесия части бруса, расположен­ного по одну сторону от рассматривае­мого сечения. Так, если брус нагружён в точках А и D (рис. 1) силами Р и опирается в точках В и С, то силы ре­акции в опорах также равны Р. Если мысленно рассечь брус в точке К

на расстоянии z от точки А и рассмат­ривать равновесие части бруса А К, заменив действие правой части по­перечной силой Q и изгибающим мо­ментом М, найдём, что Q=-Р, а M=-Pz. Аналогично определяют Q и М в любых др. сечениях бруса. Крутящий момент при И. бруса не воз­никает, если линия действия силы проходит через т. н. центр изгиба, в частности если сила направлена вдоль оси симметрии у поперечного сечения (рис. 2, а).

Рис. 1. а — схема изгиба бруса; б и в — графики из­менения попереч­ной силы Q и из­гибающего момен­та М по длине бруса.

 

И., при к-ром в поперечном сечении возникает только изгибающий момент, наз. чистым; если помимо изгибающего момента возникает по­перечная сила, то он наз. п о п е р е ч н ы м. Так, в интервале ВС (рис. 1, а) — чистый И., а в интервалах АВ и CD — поперечный.

 

Рис. 2. Распределение напряжений при из­гибе бруса с поперечным сечением, изобра­жённым на рис. а; б — при упругой дефор­мации; в — при упругопластической дефор­мации; г — остаточные напряжения после упругопластической деформации.

 

При чистом И. первоначально параллельные поперечные сечения наклоняются друг к другу, оста­ваясь плоскими; продольные волокна, расположенные на выпуклой стороне, удлиняются, на вогнутой — укорачи­ваются. Промежуточный слой, волок­на к-рого не изменяют своей длины, наз. нейтральным слоем. Линия пересечения нейтрального слоя с плоскостью поперечного сечения наз. нейтральной осью И.

В упругом брусе в точке с коорди­натами х, у

 

s= (М_х/I_x)y+ (M_y/I_x)z

где М_х, M_y — компоненты момента М в осях, совпадающих с главными цент­ральными осями инерции поперечного сечения; I_xI_y — моменты инерции по­перечного сечения относительно этих осей. Для вычисления составляющих касат. напряжений t_y, параллельных поперечной силе, пользуются прибл. ф-лой: t_y=QS/I_xb, где S — статич. момент относительно оси х части по­перечного сечения, расположенной вы­ше (ниже) рассматриваемой точки,

b — ширина сечения на уровне рас­сматриваемой точки.

С увеличением действующих на­грузок в наиболее напряжённых точ­ках бруса могут возникнуть пластич. деформации, если интенсивность на­пряжений s_н будет равна или больше предела текучести s_s. При чистом И. пластич. деформации наступят прежде всего в волокнах, наиболее удалённых от нейтральной оси. С увеличением изгибающего момента область пластич. деформаций будет увеличиваться; норм. напряжения будут распреде­лены нелинейно. При снятии изгиба­ющего момента возникают остаточные напряжения (рис. 2).

Характерная деформация бруса в целом при И.— искривление оси, ко­личеств, мерой к-рого явл. кривизна c. В упругом брусе c в плоскости yz определяется ф-лой: c=М_х/ЕI_х, где EI_х — жёсткость при изгибе в пло­скости yz, Е — модуль упругости ма­териала. И. В. Кеппен.

ИЗГИБНЫЕ ВОЛНЫ, деформации изгиба, распространяющиеся в стерж­нях и пластинках. Длина И. в. всегда много больше толщины стержня и пластинки. Примеры И. в.— стоячие волны в камертоне, в деках музыкаль­ных инструментов, в диффузорах гром­коговорителей, а также волны, воз­никающие при вибрациях тонкостен­ных механич. конструкций (фюзеля­жей самолётов и др.).

В бесконечных стержнях и пластин­ках возникают бегущие И. в. В стерж­не направлением распространения вол­ны явл. его ось; в пластинке плоские И. в. могут распространяться по лю­бому направлению, ориентированному в её плоскости, и, кроме того, возможны цилиндрич. И. в.

Деформация стержня (а) и пластинки (б) в изгибной волне. Сплошной чёрной чертой дано положение стержня и срединной плос­кости пластинки до смещения, пунктирной — положение оси стержня и срединной плос­кости пластинки после смещения; u₀ — амплитуда смещения элементов стержня и пластинки в изгибной волне, ось z — нап­равление распространения волны.

 

При распростра­нении И. в. каждый элемент стержня или пластинки смещается перпендику­лярно оси стержня или плоскости пла­стинки (рис.). Фазовые скорости И. в. много меньше фазовых скоростей про­дольных волн в пластинках и стерж­нях. Фазовая скорость монохроматич. И. в. пропорц. квадратному корню из частоты. Для И. в. характерна дис­персия (см. Дисперсия звука).

205

 

 

В стержнях и пластинках, размеры к-рых в направлении распространения И. в. ограничены, возникают стоячие И. в. в результате отражений от кон­цов. И. в. возможны не только в пло­ских, но и в искривлённых пластин­ках (т. н. оболочках).

• См. лит. при ст. Упругие волны.

ИЗЛУЧАТЕЛИ ЗВУКА, устройства, предназначенные для возбуждения звук. волн в газообразных, жидких, тв. средах. Наибольшее распростра­нение в кач-ве И. з. получили электро­акустические преобразователи (напр., громкоговорители электродинамич. или электростатич. типа, пьезоэлектри­ческие преобразователи и магнитострикционные преобразователи для УЗ техники и акустоэлектроники). В подавляющем большинстве И. з. этого типа энергия электрич. колеба­ний преобразуется в энергию упругих колебаний к.-л. тв. тела (диафрагмы, пластинки, стержня и др.), к-рое и излучает в окружающую среду акустич. волну. Колебания излучающей системы при этом воспроизводят по форме возбуждающий электрич. сиг­нал. В преобразователях, предназна­ченных для излучения монохроматич. волны, используют явление резонан­са; они работают на одной из собств. частот механич. колебат. системы.

Другой тип И. з. основан на преоб­разовании в энергию упругих колеба­ний кинетич. энергии струи газа или жидкости. Такое преобразование воз­никает при периодич. прерывании струи (см. Сирена) или при вз-ствии её с тв. препятствиями разл. вида, напр. типа резонатора, клина (см. Га­зоструйные излучатели, Гидродина­мический излучатель).

К осн. хар-кам И. з. относятся их частотный спектр, излучаемая мощ­ность звука, направленность (см. На­правленность акустических излучате­лей и приёмников). В случае моночас­тотного излучения осн. хар-ками явл. резонансная частота и ширина полосы частот, определяемая добротностью из­лучателя. И. з.— электроакустич. пре­образователи характеризуются чувст­вительностью (отношением звук. дав­ления на оси И. з. на заданном рас­стоянии от него к электрич. напряже­нию или току) и кпд (отношением акустич. мощности к затраченной элект­рической).

И. з. явл. также музыкальные инст­рументы, где источником звук. волн может быть колеблющаяся струна, де­ка или столб воздуха в резонансной полости. В кач-ве И. з. можно рас­сматривать и звукообразующий аппа­рат человека и животных (см. Физиоло­гическая акустика).

И. П. Голямина.

ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЙ КВАНТОВЫЙ ПЕРЕХОД, квантовый переход, при к-ром квант. система (атом, молекула, ат. ядро и т. д.) испускает или погло­щает квант эл.-магн. излучения. И. к. п. приводят к спонтанному излуче­нию, поглощению и вынужденному излучению. В отличие от безызлучательных квантовых переходов, возмож­ность И. к. п. определяется отбора правилами, а их вероятность — Эйн­штейна коэффициентами.

ИЗЛУЧЕНИЕ электромагнитное, в классич. электродинамике образо­вание эл.-магн. волн ускоренно дви­жущимися заряж. ч-цами (или перем. токами); в квант. теории рождение фотонов при изменении состояния квант. системы; термин «И.» употреб­ляется также для обозначения самого свободного (т. е. излучённого) эл.-магн. поля. Основы классич. теории И. (электродинамики) заложены в 1-й пол. 19 в. англ. физиками М. Фа­радеем и Дж. Максвеллом; последний развил идеи Фарадея и придал им строгую матем. форму. Классич. тео­рия И. объяснила мн. характерные черты процессов И. (она осталась, напр., теор. базой электротехники и радиотехники), но не смогла дать удо­влетворит. описания законов теплово­го излучения, спектров атомов и моле­кул. Эти и ряд др. проблем удалось решить лишь в рамках квант. теории И. Первая работа, положившая нача­ло квант. теории И., принадлежит нем. физику М. Планку (1900), к-рый вы­вел ф-лу для распределения энергии в спектре равновесного теплового из­лучения, впервые приняв, что ат. сис­темы испускают эл.-магн. волны не непрерывно, а порциями, квантами. Основы квант. теории излучения зало­жили А. Эйнштейн, дат. физик Н. Бор, франц. физик Л. де Бройль и др. Пол­ное теор. обоснование она получила после создания квантовой электроди­намики.

Классическая теория излучения (те­ория Максвелла). Физ. причины су­ществования свободного эл.-магн. поля (т. е. самоподдерживающегося, незави­симого от возбудивших его источни­ков) тесно связаны с тем, что изменяю­щееся во времени электрич. поле Е порождает магн. поле Н, а изменяю­щееся Н — вихревое электрич. поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. Благодаря конечности скорости рас­пространения эл.-магн. поля, оно мо­жет существовать автономно от поро­дившего его источника и не исчезает с устранением источника (напр., ра­диоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

В процессе И. эл.-магн. поле уносит от источника И. энергию. Плотность потока энергии этого поля определя­ется Пойнтинга вектором П, к-рый пропорционален векторному произве­дению [ЕН].

Интенсивность И. ξ_и — энергия, уносимая полем от источника в ед. времени. Порядок её величины опре­деляется ср. плотностью потока через к.-л. замкнутую поверхность (обыч­но выбирают сферическую радиуса R, её площадь ~R ), и при R ®¥

Для того чтобы эта величина не обра­щалась в нуль, т. е. для возможности существования свободного эл.-магн. поля, необходимо, чтобы Е и Н убы­вали не быстрее, чем 1/R. Это требова­ние удовлетворяется для вихревой части поля, порождаемого ускоренно движущимися зарядами.

И. движущегося заряда. Простейший источник поля — точеч­ный заряд. У покоящегося или равно­мерно движущегося (в пустоте) заряда И. отсутствует. Излучает эл.-магн. волны лишь ускоренно движущийся заряд. Прямые вычисления на основе ур-ний Максвелла показывают, что интенсивность И. такого заряда равна:

где е — величина заряда, а — его ус­корение. В зависимости от природы ускорения заряж. ч-ц И. иногда имеет определ. название. Так, И., возникаю­щее при торможении ч-ц в в-ве в ре­зультате воздействия на них кулоновских полей ядер и эл-нов атомов, наз. тормозным излучением. И. заряж. ч-цы, движущейся в магн. поле, может быть синхротронным излучением, ондуляторным излучением и т. д.

В частном случае, когда заряд совер­шает гармонич. колебания, ускорение а по величине равно произведению от­клонения х заряда от положения рав­новесия (z=x₀sinwt, где х₀ — ампли­туда отклонения) на квадрат частоты со. Усреднённая по времени t интен­сивность И.

т. е.   при  увеличении частоты растет пропорц. w⁴.

Электрическое дипольное И. Простейшей системой, к-рая может быть источником И., явл. элект­рич. диполь с перем. моментом: два связанных колеблющихся разноимён­ных заряда равной величины. Если за­ряды диполя совершают гармонич. колебания навстречу друг другу, то дипольный электрич. момент d изме­няется по закону: d=d₀sinwt (d₀ — амплитуда момента). Усреднённая по времени t интенсивность И. такого диполя ξ_{эл дип} равна:

И. колеблющегося диполя неизо­тропно, т. е. энергия, испускаемая им в разл. направлениях, неодинакова. Вдоль оси колебаний И. отсутствует, в перпендикулярном к оси направле­нии — максимально; для промежу­точных направлений оно пропорц. sinq², где q — угол, отсчитываемый от оси колебаний.

Реальные излучатели, как правило, включают множество зарядов. Точный учёт всех деталей движения каждого из них при исследовании И. излишен,

206

 

 

т. к. детали распределения зарядов (и токов) в излучателе вдали от него ска­зываются слабо. Это позволяет заме­нять истинное распределение зарядов приближённым. В низшем приближе­нии положит. и отрицат. заряды излу­чающей системы мысленно «стягивают­ся» к центрам своего распределения. Для электронейтральной системы это означает замену её электрич. диполем, излучающим согласно (4). Такое при­ближение наз. дипольным, а соответ­ствующее И.— электрическим диполь­ным И.

Электрическое квадрупольное и высшие мультипольные И. Если у системы зарядов дипольное И. отсутствует, напр. из-за равенства нулю дипольного момента, то необходимо учитывать след. приближение, в к-ром система зарядов рассматривается как квадруполь. Ещё более детальное описание излучающей системы зарядов даёт рассмотрение последующих прибли­жений, в к-рых распределение зарядов описывается мулътиполями высших порядков (диполь наз. мультиполем 1-го порядка, квадруполь — 2-го и т. д. порядков).

В каждом последующем приближе­нии интенсивность И. примерно в (v/с)² меньше, чем в предыдущем (если, конечно, последнее не отсутствует по к.-л. причинам). Если излучатель не­релятивистский, т. е. все его заряды имеют скорости, много меньшие свето­вой (v/с<<1), то гл. роль играет низшее неисчезающее приближение. Так, если имеется дипольное И., оно явл. основ­ным, а все остальные высшие мультипольные поправки крайне малы и их можно не учитывать. В случае релятив. излучателей вклад мультиполей высших порядков перестаёт быть ма­лым.

Магнитное дипольное И. Кроме электрич. диполей и высших мультиполей, источниками И. могут быть также магн. диполи и мультиполи (как правило, основным явл. ди­польное магн. И.). Дипольный магн. момент М магн. диполя, напр. конту­ра с током, определяется силой тока I в контуре и его геометрией. Для пло­ского контура абс. величина момента M=(e/c)IS, где S — площадь, охва­тываемая контуром. Ф-лы для интен­сивности магн. дипольного И. анало­гичны соответствующим ф-лам для И. электрич. диполя (дипольный момент d в них заменён На магн. дипольный мо­мент М). Т. к. отношение М к d имеет порядок v/c, где v — скорость движе­ния зарядов, образующих ток, ин­тенсивность магн. дипольного И. в (v/c)² раз меньше, чем электрического дипольного, т. е. того же порядка ве­личины, что и электрич. квадрупольное И.

И. релятивистских ча­стиц. Пример такого И.— синхротронное И. эл-нов в циклич. уско­рителях (синхротронах). Резкое от­личие от нерелятив. И. проявляется

здесь уже в спектр. составе И.: при частоте w обращения заряж. ч-цы в ускорителе (нерелятив. излучатель ис­пускал бы волны такой же частоты) интенсивность И. имеет максимум при частоте w_мякс~g³w, где g=[1-(v/c)²]^-1/2, т. е. осн. доля И. при v®c приходится на частоты более высокие, чем со. Такое И. направлено почти по касательной к орбите ч-цы, в осн. вперёд по направлению её дви­жения.

Ультрарелятив. заряж. ч-ца может излучать эл.-магн. волны, даже если она движется прямолинейно и равно­мерно (но только в в-ве, а не в пусто­те!). Это т. н. Черенкова — Вавилова излучение возникает в том случае, если скорость заряж. ч-цы в среде превосходит фазовую скорость света в этой среде u=с/n, где n — показа­тель преломления среды. И. появляет­ся вследствие того, что ч-ца «обгоняет» порождаемое ею поле. Излучает также равномерно движущаяся заряж. ч-ца при пересечении границы раздела двух сред с разными показателями прелом­ления (см. Переходное излучение).

Квантовая теория излучения. Выше отмечалось, что классич. теория даёт лишь приближённое описание процес­сов И. Однако существуют и такие физ. системы, И. к-рых невозможно опи­сать в согласии с опытом на основе классич. электродинамики даже при­ближённо. Важная особенность таких квант. систем, как атом или молекула, заключается в том, что их внутр. энергия меняется не непрерывно, а может принимать лишь определ. значе­ния, образующие дискр. набор. Пере­ход системы из одного энергетич. со­стояния в другое (см. Квантовый пере­ход) происходит скачкообразно; в силу закона сохранения энергии, сис­тема при таком переходе должна те­рять или приобретать определ. «пор­цию» энергии. Чаще всего этот процесс реализуется в виде испускания (или поглощения) системой кванта И.— фотона. Энергия кванта e_g=hw. Фо­тон, обладая волн. св-вами, проявляет­ся как единое целое, испускается и поглощается целиком, в одном акте, имеет определённые энергию, импульс и спин (проекцию момента кол-ва дви­жения на направление импульса), т. е. обладает рядом корпускулярных св-в. Такая двойственность фотона пред­ставляет собой частное проявление корпускулярно-волнового дуализма.

Последоват. развитием квант. тео­рии И. явл. квантовая электродинами­ка. Однако мн. результаты, относя­щиеся к процессам И. квант. систем, можно получить из более простой, полуклассической тео­рии И. Ф-лы последней, согласно соответствия принципу, при опреде­лённом предельном переходе должны давать результаты классич. теории. Т. о. устанавливается глубокая ана­логия между величинами, характери­зующими процессы И. в квант. и классич. теориях.

И. атома. Атом — система из ядра и движущихся в его кулоновском поле эл-нов — должен находиться в одном из дпскр. состояний (на определ. уровне энергии). При этом все его со­стояния, кроме основного (т. е. имею­щего наименьшую энергию), неустой­чивы. Атом, находящийся в неустой­чивом (возбуждённом) состоянии, че­рез нек-рое время самопроизвольно (спонтанно) переходит в состояние с меньшей энергией, испуская фотон; такое И. наз. спонтанным. Энер­гия, уносимая фотоном, e_g=hw, равна разности энергий нач. i и кон. j со­стояний атома (e_i>e_j, e_g=e_i-e_j); отсюда вытекает ф-ла Бора для час­тот И.:

Такие хар-ки спонтанного И., как направление распространения (для со­вокупности атомов — угл. распреде­ление) и поляризация, не зависят от И. др. объектов (от внеш. эл.-магн. поля).

Ф-ла (5) определяет дискр. набор частот (и, следовательно, длин волн) И. атома. Она объясняет линейчатый хар-р атомных спектров — каждая линия спектра соответствует одному из квант. переходов атомов данного в-ва.

Источниками эл.-магн. И. могут быть не только атомы, но и более сложные квант. системы. Общие ме­тоды описания И. таких систем те же, что при рассмотрении атомов, но конк­ретные особенности И. весьма разно­образны. И. молекул, напр., имеет более сложные спектры, чем И. ато­мов; для И. ат. ядер энергия отд. квантов (g-квантов) обычно велика.

Интенсивность И. В квант. теории, как и в классической, можно рассматривать электрич. дипольное и высшие мультипольные И. Если излу­чатель нерелятивистский, основным явл. электрич. дипольное И., интен­сивность к-рого определяется ф-лой, близкой к классической:

Величины d_ij, являющиеся квант. аналогом электрич. дипольного мо­мента, оказываются отличными от ну­ля лишь при определ. соотношениях между квантовыми числами нач. и кон. состояний (отбора правила для ди­польного И.). Квант. переходы, удов­летворяющие таким правилам отбора, наз. разрешёнными (фактически име­ется в виду разрешённое электрическое дипольное И.). Переходы же высших мультипольностей наз. запрещённы­ми. Этот запрет относителен: запре­щённые переходы имеют относительно малую вероятность, т. е. отвечающая им интенсивность И. невелика. Те со-

207

 

 

стояния, переходы из к-рых запреще­ны, явл. сравнительно устойчивыми, долгоживущими и наз. метастабильными состояниями.

Квант. теория И. позволяет объяс­нить не только различие в интенсивностях разных линий, но и распреде­ление интенсивности в пределах каж­дой линии, в частности ширину спек­тральных линий.

Эл.-магн. И. часто возникает и при взаимных превращениях элем. ч-ц (аннигиляция эл-нов и позитронов, распад p°-мезона и т. д.).

Вынужденное И. Если частота И., падающего на уже воз­буждённый атом, совпадает с одной из частот возможных для этого атома, согласно (5), квант. переходов, то атом испускает квант И., такой же, как и налетевший на него (резонанс­ный) фотон внеш. И. Это И. наз. вы­нужденным. По своим св-вам оно резко отличается от спонтанного — не толь­ко частота, но и направление распро­странения, и поляризация испущенно­го фотона оказываются такими же, как и у резонансного. Вероятность вы­нужденного И. (в отличие от спонтан­ного) пропорц. интенсивности внеш. И., т. е. кол-ву резонансных фото­нов. Существование вынужденного И. было постулировано Эйнштейном в 1916 при теор. анализе процессов теп­лового И. тел с позиций квант. теории и затем было подтверждено экспери­ментально. В обычных условиях ин­тенсивность вынужденного И. мала по сравнению с интенсивностью спонтан­ного. Однако она сильно возрастает в т. н. активной среде, в к-рой искус­ственно создана инверсия населённостей, т. е. в одном из возбуждённых состояний находится больше атомов, чем в одном из состояний с меньшей энергией. При попадании в такую сре­ду резонансного фотона испускаются фотоны, в свою очередь играющие роль резонансных. Число излучаемых фото­нов лавинообразно возрастает; резуль­тирующее И. состоит из фотонов, иден­тичных по своим св-вам, т. е. образует­ся когерентный поток И. (см. Коге­рентность). На этом явлении основа­но действие квантовых генераторов и квантовых усилителей И.

Значение теории излучения. Практич. и научно-прикладное значение теории И. огромно. На ней основы­ваются разработка и применение ла­зеров и мазеров, создание новых ис­точников света, ряд важных достиже­ний в области радиотехники и спектро­скопии. Понимание и изучение зако­нов И. важно и в др. отношении: по хар-ру И. (энергетич. спектру, угл. распределению, поляризации) можно судить о св-вах излучателя. Эл.-магн. И.— пока фактически единственный и весьма многосторонний источник информации о косм. объектах. Напр., анализ И., приходящего из космоса, позволил открыть такие необычные не­бесные тела, как пульсары. Изучение спектров далёких внегалактич. объек­тов подтвердило теорию расширяю­щейся Вселенной. С другой стороны, исследование И. позволило решить мн. вопросы строения в-ва. Именно теории И. принадлежит особая роль в формировании всей совр. физ. карти­ны мира: преодоление трудностей, воз­никших в электродинамике движущих­ся сред, привело к созданию относи­тельности теории; исследования Планком теплового излучения поло­жили начало всей квант. теории.

• Т а м м И. Е., Основы теории электриче­ства, 9 изд., М., 1976; Ахиезер А. И., БерестецкийВ. Б., Квантовая эле­ктродинамика, 4 изд., М., 1981; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2). В. И. Григорьев.

ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ, см. Плазма.

ИЗМЕРЕНИЕ, последовательность эксперим. и вычислит. операций, осу­ществляемая с целью нахождения значения физ. величины, характери­зующей нек-рый объект или явление. И. завершается определением степени приближения найденного значения к истинному значению величины (если об этом не имеется априорной инфор­мации) .

И. явл. осн. средством объективного познания окружающего мира. Закон­ченное И. включает след. элементы: физ. объект (явление), св-во или со­стояние к-рого характеризует измеряе­мая величина; единицу этой величины; технич. средства И., проградуированные в выбранных единицах; метод И.; наблюдателя (регистрирующее устрой­ство), воспринимающего результат И.; полученное значение измеряемой ве­личины и оценку его отклонения от истинного значения, т. е. погрешность И. Найденное значение измеряемой величины представляет собой произ­ведение отвлечённого числа (числово­го значения) на ед. данной величины. Оценку погрешности выражают в ед. измеряемой величины или в относит. единицах.

Различают прямые и кос­венные И. При прямом И. резуль­тат получается непосредственно из И. самой величины (напр., И. длины предмета проградуированной линей­кой, И. массы тела при помощи гирь). Однако прямые И. не всегда возможны или достаточно точны. В этих случаях прибегают к косвенным И., при к-рых искомое значение величины находят по известной зависимости между ней и непосредственно измеряемыми ве­личинами. Установленные наукой свя­зи и количеств. отношения между разл. по своей природе физ. явлениями по­зволили создать систему единиц, ох­ватывающую все области И. (см. Меж­дународная система единиц). И. следует отличать от счёта и др. приёмов ко­личеств. хар-ки величин, применяемых в тех случаях, когда нет однозначного соответствия между величиной и её количеств. выражением в определ.

единицах. Так, определение твёрдости минералов по шкале Мооса не следует считать И.

Всякое И. неизбежно связано с его погрешностями. В зависимости от источников погрешностей И. раз­личают методические по­грешности, порождённые несовершен­ством метода И., и инструмен­тальные погрешности, обуслов­ленные несовершенством техн. средств, используемых при И. По хар-ру про­явления различают системати­ческие погрешности, изменяющие­ся закономерно или остающиеся по­стоянными при И., и случайные погрешности, изменяющиеся случай­ным образом (вследствие внутр. шумов элементов, из к-рых состоят измерит. приборы, неконтролируемых случай­ных колебаний темп-ры окружающей среды и др. влияющих величин). При высокоточных И. систематич. погреш­ности исключают введением поправок. Случайные погрешности оценивают по данным многократных наблюдений ме­тодами матем. статистики. Особую проблему составляет определение по­грешностей И., обусловленных инер­ционностью применяемых средств И., при И. изменяющихся во времени ве­личин. В микромире предел достижимой точности измерений обусловлен неопределённостей соотношением.

Обеспечение единства И. в стране возлагается на метрологическую служ­бу, поддерживающую такое состояние И., при к-ром их результаты выраже­ны в узаконенных ед. и погрешности И. известны с заданной вероятностью. В число мероприятий по обеспечению единства И. входят хранение эталонов ед., поверка применяемых средств И., разработка методов определения по­грешностей И. и т. д. Всё большее применение получают аттестация и стандартизация методик выполнения И. (ГОСТ 8.010—72), в т. ч. государст­венная стандартизация (ГОСТы 8.346—79, 8.361—79, 8.377—80 и др.). Способы представления результатов И. и показатели точности И. регламен­тированы в ГОСТе 8.011—72.

• Маликов С. Ф., Тюрин Н. И., Введение в метрологию, 2 изд., М., 1966; Б у р д у н Г. Д., Марков Б. Н., Ос­новы метрологии, М., 1972; Я н о ш и Л., Теория и практика обработки результатов измерений, пер. с англ., 2 изд., М., 1968; ГОСТ 16263—70. Государственная система обеспечения единства измерений. Метроло­гия. Термины и определения.

К. П. Широков.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, сред­ство измерений, представляющее со­бой в общем случае совокупность из­мерит. приборов, измерит. преобразо­вателей, мер, измерит. коммутаторов, линий связи, цифровых и аналоговых вычислит. устройств. Перечисленные элементы И. с. объединены общим ал­горитмом функционирования для по­лучения данных о величинах, харак­теризующих состояние объекта иссле­дования.

И.с. используются также в составе более сложных структур —.измерит.

208

 

 

информац. систем и систем управле­ния, выполняющих функции контроля, диагностики, распознавания образов, автоматич. управления науч. экспери­ментами, испытаниями сложных объек­тов и технол. процессами.

Структурной единицей И. с., осу­ществляющей законченный цикл изме­рит. преобразований до ввода инфор­мации в регистрирующее или вычис­лит. устройство, явл. измерит. канал. В зависимости от способа образования измерит. канала различают: И. с. по­следовательного действия (сканирующие И. с.), в к-рых при помощи, как правило, единств. из­мерит. канала осуществляется после­довательное во времени измерение од­нородных физ. величин, разнесённых в пр-ве (путём «обегания» первичным измерит. преобразователем точек, в к-рых выполняются измерения); И. с. параллельной структуры, в к-рых измерение разнородных физ. величин осуществляется непрерывно во времени при помощи индивидуаль­ного для каждой величины измерит. канала, причём выходной сигнал каж­дого канала может поступать на об­щее регистрирующее или вычислит. устройство; И. с. последователь­но-параллельной структу­ры, в к-рой индивидуальными явл. только первичные измерит. преобразо­ватели и нач. участки линий связи, а промежуточные преобразования осу­ществляются общей частью, подклю­чаемой периодически или в соответст­вии с выбранной программой к парал­лельным участкам измерит. каналов с помощью измерит. коммутатора. Воз­можны и смешанные варианты указан­ных структур.

Осн. метрологич. требования к сред­ствам измерений, предназначенным для использования в составе И. с., регламентированы в ГОСТе 8.009—72. Общие требования к И. с., построен­ным из агрегатных средств, регламен­тированы в ГОСТах 22315—77, 22316 — 77 и 22317 — 77.

• Ц а п е н к о М. П., Измерительные ин­формационные системы, М., 1974; Ново­пашенный Г. Н., Информационные из­мерительные системы, М., 1977; Ф р е м к е А. В., Телеизмерения, 3 изд., М., 1975; Мановцев А. П., Основы теории радио­телеметрии, М., 1973.

В. П. Кузнецов.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР, сред­ство измерений, дающее возможность непосредственно отсчитывать значения измеряемой величины. В анало­говых И. п. отсчитывание произво­дится по шкале, в цифровых— по цифровому отсчётному устройству. В И. п. прямого преобразо­вания (напр., в манометре, ампер­метре) осуществляется одно или неск. преобразований измеряемой величи­ны, и значение её находится без срав­нения с известной одноимённой вели­чиной. В И. п. сравнения непо­средственно сравнивается измеряемая величина с одноимённой величиной, воспроизводимой мерой (примеры — равноплечные весы, электроизмерит.

потенциометр, компаратор для ли­нейных мер). К разновидностям И. п. относятся интегрирующие И. п., в к-рых подводимая величина подвергается интегрированию по вре­мени или по др. независимой перемен­ной (электрич. счётчики, расходоме­ры), и суммирующие И. п., дающие значение суммы двух или неск. величин, подводимых по разл. кана­лам (ваттметр, суммирующий мощно­сти неск. электрич. генераторов). Для целей автоматизации управления тех­нол. процессами И. п. часто снабжает­ся дополнительно регулирующими, счётно-решающими и управляющими устройствами, действующими по зада­ваемым программам.

К. П. Широков.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, устройство для усиления электрич. сигналов (тока, напряжения), а также для преобразования напряжения в ток и наоборот. По виду амплитудно-частотной хар-ки различают: избирательные И. у., предназна­ченные для усиления гармонич. сиг­налов определ. частоты; широко­полосные усилители перем. тока и усилители пост. тока, позволяющие усиливать сигналы произвольной фор­мы. Для всех И. у. характерно наличие элемента, управляя к-рым при помо­щи усиливаемого сигнала, регулируют поступление энергии от внеш. источ­ника на выход И. у., чем и дости­гается эффект усиления. Как правило, И. у. выполняются многокаскадными, когда выходной сигнал первого управ­ляемого элемента используется для управления вторым элементом и т. д.

В зависимости от вида входного управляемого элемента различают электронные (гл. обр. полупроводни­ковые), магн., диэлектрич., фотогальванометрич. и др. И. у. Наибольшее распространение получили электрон­ные И. у. В ламповых И. у. регулируе­мым элементом явл. электронная лам­па, в полупроводниковых — полупро­водниковый триод. В магн. И. у. ток, протекающий по управляющей обмот­ке, вызывает изменение магн. прони­цаемости ферромагн. сердечника и тем самым изменяет индуктивное сопро­тивление второй обмотки, а следова­тельно, и протекающий через неё ток от источника питания. В диэлектрич. И. у. управляющее напряжение изме­няет ёмкость конденсатора, что позво­ляет управлять током, протекающим через конденсатор от источника пита­ния. В фотогальванометрич. И. у. протекание управляющего тока через рамку гальванометра вызывает пропорц. отклонение подвижной системы с укреплённым на нём зеркальцем. В результате изменяется освещён­ность фоторезисторов и их сопротивле­ние, что приводит к изменению тока в цепи, подключённой к источнику пи­тания.

Общей проблемой для всех И. у. явл. достижение высокой стабильности коэфф. усиления (преобразования). Наиболее радикальное средство — использование сильной отрицательной обратной связи. Коэфф. усиления со­временных И. у. достигает 10⁶ и более, входное сопротивление — 10¹⁶ Ом, осн. погрешность в % от диапазона изме­рений составляет от 0,01% до неск. % при больших коэфф. усиления, час­тотный диапазон — до неск. десятков МГц. Применение И. у. обеспечивает измерение сигналов до 10^-17 А и 10^-9 В.

• Основы электроизмерительной техники, М., 1972; Электрические измерительные пре­образователи, М.—Л., 1967.

В. П. Кузнецов.

ИЗОБАРА (от греч. isos — равный, одинаковый и baros — тяжесть), линия на термодинамич. диаграмме со­стояния, изображающая процесс, про­ходящий при пост. давлении (изобар­ный процесс). Ур-ние И. идеального газа: T/v=const, где v — уд. объём, Т — темп-ра.

ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС (изобариче­ский процесс), процесс, происходящий в физ. системе при пост. внеш. давле­нии; на термодинамич. диаграмме из­ображается изобарой. Простейшие при­меры И. п.— нагревание воды в откры­том сосуде, расширение газа в цилинд­ре со свободно ходящим поршнем. В обоих случаях давление равно атмо­сферному. Объём идеального газа при И. п. пропорц. темп-ре (Гей-Люссака закон). Теплоёмкость системы в И. п. больше, чем в изохорном процессе (при пост. объёме). Напр., в случае идеаль­ного газа c_p-c_v=k, где с_р и c_v — теп­лоёмкости в изобарном и изохорном процессах на одну ч-цу. Работа, совер­шаемая идеальным газом при И. п., равна p•DV, где р — давление, DV — изменение объёма газа.

ИЗОБАРЫ, атомные ядра с одинако­вым числом нуклонов, т. е. массовым числом и разными числами протонов и нейтронов. См. Ядро атомное.

 ИЗОБРАЖЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЕ, кар­тина, получаемая в результате про­хождения через оптическую систему лучей, распространяющихся от объек­та, и воспроизводящая его контуры и детали. При практич. использовании И. о. пользуются возможностью изме­нения масштаба изображений пред­метов и их проектирования на поверх­ность (киноэкран, фотоплёнку, фото­катод и т. д.). Основой зрит. восприя­тия предмета явл. его И.о., спроекти­рованное на сетчатку глаза.

Макс. соответствие изображения объекту достигается, когда каждая его точка изображается точкой. Иными словами, после всех преломлений и от­ражений в оптич. системе лучи, испу­щенные светящейся точкой, должны пересечься в одной точке. Однако это возможно не при любом расположении объекта относительно системы. Напр., системы, обладающие осью симметрии (оптической осью), дают точечные И. о. лишь тех точек, к-рые находятся на небольшом угловом удалении от оси,

209

 

 

в т. н. параксиальной об­ласти. Применение законов гео­метрической оптики позволяет опре­делить положение И. о. любой точки из параксиальной области; для этого достаточно знать, где расположены кардинальные точки системы.

Совокупность точек, И. о. к-рых можно получить с помощью оптич. системы, образует пространст­во объектов, а совокупность точечных изображений этих точек — пространство изображе­ний.

И. о. разделяют на действи­тельные и мнимые. Первые создаются сходящимися пучками лу­чей в точках их пересечения. Поместив в плоскости пересечения лучей экран или фотоплёнку, можно наблюдать на них действит. И. о. В др. случаях лу­чи, выходящие из оптич. системы, рас­ходятся, но если их мысленно продол­жить в противоположную сторону, они пересекутся в одной точке. Эту точку наз. мнимым изображением точ­ки-объекта; т. к. она не соответствует

Образование оптич. изображений: а — мни­мого изображения М' точки М в плоском зеркале; б — мнимого изображения М' точ­ки М в выпуклом сферич. зеркале; в — мни­мого изображения М' точки М и действи­тельного изображения N' точки N в вогну­том сферич. зеркале; г — действительного А'В' и мнимого М'N' изображений предме­тов АВ и MN в собирающей линзе; д — мни­мого изображения M'N' предмета MN в рас­сеивающей линзе; i, j — углы падения лучей; i', j'—углы отражения; С — центры сфер; F, F' — фокусы линз.

 

пересечению реальных лучей, то мни­мое И. о. невозможно получить на экране или зафиксировать на фото­плёнке. Однако мнимое И.о. способно играть роль объекта по отношению к др. оптич. системе (напр., глазу или собирающей линзе), к-рая преобразует его в действительное.

Оптич. объект представляет собой совокупность светящихся собственным или отражённым светом точек. Зная, как оптич. система изображает каж­дую точку, легко графически постро­ить и изображение объекта в целом.

И. о. действит. объектов в плоских зеркалах — всегда мнимые (рис., а); в вогнутых зеркалах и собирающих

линзах они могут быть как действи­тельными, так и мнимыми, в зависимо­сти от положения объектов относитель­но фокуса зеркала или линзы (рис., в, г). Выпуклые зеркала и рассеивающие линзы дают только мнимые И.о. дейст­вит. объектов (рис., б, д). Положение и размеры И. о. зависят от хар-к оп­тич. системы и расстояния между нею и объектом (см. Увеличение оптиче­ское). Лишь в случае плоского зеркала И. о. по величине всегда равно объек­ту.

Если точка-объект находится не в параксиальной области, то исходящие из неё и прошедшие через оптич. сис­тему лучи не собираются в одну точку, а пересекают плоскость изображения в разных точках, образуя аберра­ционное пятно (см. Аберрации оптических систем); размеры этого пятна зависят от положения точки-объекта и конструкции системы. Без­аберрационными (идеальными) оптич. системами, дающими точечное изобра­жение точки, явл. только плоские зер­кала. При конструировании оптич.

систем аберрации исправляют, т. е. добиваются, чтобы аберрац. пятна рассеяния не ухудшали в заметной степени картины изображения; однако полное уничтожение аберраций невоз­можно.

Сказанное выше строго справедливо лишь в рамках геом. оптики (не учиты­вающей волн. явлений, напр. дифрак­ции света), к-рая явл. хотя и достаточ­но удовлетворительным во мн. случа­ях, но всё-таки лишь приближённым способом описания явлений, происхо­дящих в оптич. системах. Более де­тальное рассмотрение микроструктуры И.о., принимающее во внимание волн. природу света, показывает, что изоб­ражение точки даже в идеальной (без­аберрационной) системе представляет собой не точку, а сложную дифракц. картину (подробнее см. в ст. Разрешаю­щая способность оптических прибо­ров).

Для оценки кач-ва И.о., получив­шей большое значение в связи с разви­тием фотогр., телевиз. и пр. методов, существенно распределение плотности световой энергии в изображении. С этой целью используют особую

хар-ку — контраст   k=(E_макс-E_мин)/(E_макс+E_мин),   

где E_мин и E_макс — наименьшее и наибольшее значения освещённости в И. о. стандартного тест-объекта; за такой объект обычно принимают ре­шётку, яркость к-рой меняется по си­нусоидальному закону с частотой R

(число периодов решётки на 1 мм). Контраст k зависит от R и направле­ния штрихов решётки. Ф-ция k(R) наз. частотно-контрастной характе­ристикой. Чем меньше k при заданной R, тем хуже кач-во И. о. в данной сис­теме.

•Тудоровский А. И., Теория опти­ческих приборов, 2 изд., М.—Л., 1948; С л ю с а р е в Г. Г., Методы расчета опти­ческих систем, 2 изд., Л., 1969.

Г. Г. Слюсарев.

ИЗОЛЮКС,  линия равной  освещённо­сти, выраженной в люксах.

ИЗОМЕРИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР (от греч. isos — равный, одинаковый и meros — доля, часть), существова­ние у нек-рых ат. ядер метастабильных состояний с относительно большими временами жизни. Нек-рые ат. ядра имеют неск. изомерных состояний с разными временами жизни. Понятие «И. а. я.» возникло в 1921, когда нем. учёный О. Ган открыл радиоакт. в-во, наз. ураном-Z, к-рое как по хим. св-вам, так и по массовому числу А не отличалось от известного тогда урана-Х₂. Позднее было уста­новлено, что уран-Z и уран-Х₂ — два состояния одного и того же ядра ²³⁴Ра с разными энергией и периодом полу­распада Т_1/2. По аналогии с изоме­рией молекул их назвали ядер­ными изомерами. В 1935 Б. В. Курчатов, И. В. Курчатов, Л. В. Мысовский и Л. И. Русинов об­наружили изомерное состояние у ядра ⁸⁰Вг, что послужило началом систематич. изучения И. а. я. Известно боль­шое число изомеров с T_1/2 от 10^-6 с до мн. лет. Один из наиболее долгоживущих изомеров — ²³⁶Np (T_1/2=5500 лет).

Распад изомеров обычно сопровож­дается испусканием конверсионных электронов или g-квантов; в результа-

Схемы уровней энергии радиоакт. изотопов ⁸⁰Br, ²³⁴Ра и ¹⁹²Ir. Изомерные состояния ядер , обозначены жирной линией, осн. состоя­ния — линией со штриховкой. Слева указа­ны энергии уровней, справа — спины и периоды полураспада T_1/2 ; b- означает рас­пад с испусканием эл-на, b⁺ — позитрона, ЭЗ — электронный захват, прямые вертик. стрелки — испускание эл-нов внутр. конвер­сии или g-квантов.

210

 

 

 

 

те образуется то же ядро, но в состоянии с меньшей энергией. Иногда более вероятен бета-распад (рис.). Изомеры тяжёлых элементов могут распадаться путём самопроизвольного деления (см. Деление атомного ядра).

И. а. я. обусловлена особенностями структуры ядер. Изомерные состояния образуются в тех случаях, когда пере­ход ядра в состояние с меньшей энер­гией путём испускания g-кванта за­труднён. Чаще всего это связано с большим различием в значениях спи­нов ядер в этих состояниях. Если при этом различие в энергии двух состоя­ний невелико, то вероятность испуска­ния g-кванта мала и, как следствие, период полураспада возбуждённого со­стояния оказывается большим. Изоме­ры особенно часто встречаются в определ. областях значений А (острова изомерии). Этот факт оболочечная модель ядра объясняет существо­ванием (при определ. значениях чисел протонов и нейтронов, входящих в сос­тав ядра) близких по энергии яд. уров­ней с большим различием спинов (см. Ядро атомное).

В 1962 в ОИЯИ (г. Дубна) был от­крыт новый вид изомерных состоя­ний, характеризующихся высокой ве­роятностью спонтанного деления (см. Делящиеся изомеры).

• Мошковский С., Теория мультипольного излучения, в кн.: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., т. 3, М., 1969, с. 5.

Н. Н. Делягин.

ИЗОМЕРИЯ МОЛЕКУЛ, явление, состоящее в существовании молекул, обладающих одинаковой мол. массой и составом, но различающихся по строению или расположению атомов в пр-ве и, следовательно, по хим. и физ. св-вам. Такие молекулы наз. и з о м е р а м и. Существуют два вида И. м.— структурная и конформационная. Структурными изо­мерами наз. соединения, характе­ризующиеся одинаковыми хим. ф-лами, но разными структурными ф-лами. Так, нормальный бутан и изобутан при одинаковых ф-лах (С₄Н₁₀) имеют раз­ные структурные ф-лы:

и   явл.   изомерными   соединениями.

Молекулы структурных изомеров — разные молекулы, и их взаимопревра­щение невозможно без разрыва хим. связей. Если при к.-л. условиях на­блюдают переходы между структур­ными изомерами, то последние наз. т а у т о м е р а м и.

Особым типом структурной И. м. явл. оптическая изомерия. Оптич. изомеры (т. н. э н а н т и о м е р ы) возникают в том случае, когда молекула содержит атом, являющий­ся киральным, т. е. молекула должна иметь асимметричный центр, напр. асимметричный тетраэдрич. атом С (см. Симметрия молекулы), заместители к-рого могут быть расположены двумя

зеркально-симметричными способами. Так, в изомерах молекулы фторхлорбромметана

заместители при тетраэдрич. атоме углерода (Н, F, Cl и Br) расположены зеркально-симметричным способом. Оптич. изомеры имеют одинаковые физ. св-ва, за исключением того, что они вращают плоскость поляризации света в противоположные стороны, т. е. явл. оптически активными веще­ствами.

Конформационная изо­мерия связана с различием прост­ранств. форм (к о н ф о р м е р о в) од­ной и той же молекулы. Конформеры, возникающие при вращении ат. групп вокруг хим. связей и отвечающие раз­ным минимумам потенц. поверхности (см. Молекула), наз. поворотны­ми изомерами (или ротамерами), а о соответствующем яв­лении говорят как о поворотной И. м. Если же взаимопревращения изомеров происходят при одноврем. вращении вокруг неск. связей в циклич. молеку­лах или при изменении нек-рых ва­лентных углов, то И. м. наз. и н в е р с и о н н о й. Так, молекула 1,2-дихлорэтана существует в виде двух ротамеров:

Транс-ротамер стабильнее гош-изомера, а энергетич. барьер, разделяющий их, равен 13 кДж/моль. Молекула аммиака существует в виде двух оди­наковых пирамидальных и н в е р т о м е р о в, превращающихся друг в друга через плоскую форму:

Барьер инверсии аммиака (разность энергий плоской и пирамидальной форм) равен 25 кДж/моль.

Энергетич. барьеры, разделяющие конформеры, при норм. темп-pax не превышают 100 кДж/моль, а времена их жизни обычно ~10^-10 —10^-13 с. Если же величина барьера существен­но выше, то взаимопревращения не­возможны (статистически крайне ред­ки) и соответствующие изомеры наз. геометрическими. Напр., геом. изомеры 1,2-дихлорэтилена

в принципе можно получить один из другого путём поворота вокруг двой­ной связи С=С на 180°. Однако поскольку энергетич. барьер такого по­ворота ~250 кДж/моль, эти изомеры живут практически бесконечно долго, не превращаясь друг в друга. Геом. изомеры — фактически разные в-ва (хотя формально явл. состояниями од­ного соединения), обладающие разл. св-вами. Напр., темп-pa кипения цис- и транс-изомеров 1,2-дихлорэтилена равна соотв. 60,1 и 48,4°С.

• См. лит. при ст. Молекула.

В.Г. Дашевский.

ИЗОМЕРЫ ОПТИЧЕСКИЕ, см. Оптически   активные   вещества.

ИЗОМОРФИЗМ (от греч. isos — рав­ный, одинаковый и morphe — форма, вид), полное подобие атомно-крист. строения и внеш. огранки кристаллов у в-в с одинаковой (по соотношению компонент) хим. ф-лой и одинаковым типом хим. связи. Открыт в 1819 нем. химиком Э. Мичерлихом на примере кристаллов КН₂РO₄, KH₂AsO₄ и NH₄H₂PO₄. И. наз. также связанное с существованием изоморфных кри­сталлов св-во разл. атомов, ионов и их сочетаний замещать друг друга в крист. решётке с образованием кри­сталлов перем. состава (твёрдых растворов замещения). Пример совершенного И.— кристаллы квасцов КАl(SO₄)•12Н₂O, в к-рых одновалентные ионы К могут в любом кол-ве замещаться однова­лентными ионами Rb, NH₄ и др., имею­щими прибл. одинаковый с ионами К кристаллохим. радиус, а трёхвалент­ные ионы Аl — трёхвалентными иона­ми Fe, Cr и др. с радиусами, близ­кими к радиусу Аl. Различие в кри­сталлохим. радиусах атомов в изо­морфных кристаллах не превышает 10—15%.

Кроме совершенного (полного) И. с образованием тв. р-ров при любых соотношениях компонент, возможен ограниченный (по возмож­ным концентрациям) И.; примером такого рода могут служить соединения BaSO₄ и КМnО₄. Различают изовалентный И., когда замещающие друг друга атомы или группировки имеют одинаковую валентность (напр., Na⁺ , К⁺ , NH₄⁺), и гетеровалентный, когда валентность их различна (напр., Са²⁺ и Y³⁺ ). В последнем случае важна близость размеров замещаю­щих друг друга атомов, а разли­чие зарядов компенсируется вакан­сиями.

И. наблюдается у мн. минералов и кристаллов, используется при синте­зе кристаллов, когда введением ма­лых добавок существенно меняют или создают новые св-ва. Так, введение малых изоморфных добавок, напр. Сг³⁺ в корунд Al₂O₃, Nd³⁺ в гранат Y₃Al₅O₁₂, превращает их в активную среду для квант. генераторов; введе­ние изоморфных примесей в ПП кри­сталлы изменяет тип проводимости.

211

 

 

Изоморфные примеси используют, напр., для изменения окраски юве­лирных кристаллов.

• См.   лит.   при  ст.   Кристаллохимия.

Б. К. Вайнштейн.

ИЗОСПИН, то же, что изотопический спин.

ИЗОТЕРМА (от греч. isos — равный, одинаковый и therme — тепло), линия на термодинамич. диаграмме состоя­ния, изображающая изотермический процесс. Ур-ние И. идеального газа: pV=const, где р — давление, V — объём газа. Т. о., в координатах р, V И. представляет собой гиперболу. Для реального газа ур-ние И. имеет более сложный хар-р и переходит в ур-ние И. идеального газа только при малых давлениях или высоких темп-pax. В координатах р, V у И. ход всегда менее крут, чем у адиабаты. См. Ван-дер-Ваальса уравнение.

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, процесс, происходящий в физ. системе при пост. темп-ре; на термодинамич. диаграммах состояния изображается изотермой. Для осуществления И. п. систему обычно помещают в термо­стат, теплопроводность к-рого ве­лика, так что темп-pa системы прак­тически не отличается от темп-ры термостата. Можно осуществить И. п. иначе: с применением источников или стоков теплоты, контролируя посто­янство темп-ры с помощью термомет­ров. К И. п. относятся, напр., кипе­ние жидкости или плавление тв. тела при пост. давлении. В идеальном газе при И. п. произведение давления на объём постоянно (см. Бойля — Мариотта закон). При И. п. системе, во­обще говоря, сообщается определ. кол-во теплоты (или она отдаёт теп­лоту) и совершается внеш. работа. Для идеального газа эта работа равна NkTln(V₂/V₁), где N — число ч-ц газа, Т — абс. темп-pa, V₁ и V₂— объём газа в начале и конце процесса. В тв. теле и большинстве жидкостей И. п. очень мало изменяет объём тела, если только не происходит фазовый переход.

ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТ­НОСТЬ, особая симметрия, присущая сильному взаимодействию элем. ч-ц. Существующие в природе ч-цы, обла­дающие сильным вз-ствием (адроны), можно разбить на группы «похожих» ч-ц, в каждую из к-рых входят ч-цы с примерно равными массами и оди­наковыми внутр. хар-ками (спином, внутр. чётностью, барионным заря­дом В, странностью S, «очарованием» С, «красотой» B, за исключением электрич. заряда). Такие группы наз. изотопическими мульти­плетами. Сильное вз-ствие для всех ч-ц, входящих в один изотопич. мультиплет, одинаково, т. е. не зависит от электрич. заряда; в этом и состоит одно из проявлений симметрии силь­ного вз-ствия, наз. И. и.

Простейший пример ч-ц, к-рые мо­гут быть объединены в один изото­пич. мультиплет: протон (р) и ней­трон (n). Опыт показывает, что силь­ное вз-ствие протона с протоном, ней­трона с нейтроном и протона с ней­троном одинаково (если они находятся соответственно в одинаковых состоя­ниях); это послужило исходным пунк­том для установления И. и. Протон и нейтрон рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной ч-цы — нуклона; они образуют изо­топич. дублет. Другие примеры изо­топич. мультиплетов: пи-мезоны (p⁺, p°, p^-)и S-гипероны (S⁺ ,S°, S^-), образующие изотопич. триплеты, К-мезоны (К⁺, К°) и анти-К-мезоны (К^^-, К^°), образующие два изотопич. дублета.

Электрич. заряд Q ч-цы, входящей в изотопич. мультиплет, выражается ф-лой Гелл-Мана — Нишиджимы:

Q = I₃+¹/₂Y;

величина Y была названа гиперзаря­дом и до открытия в 70-х гг. новых адронов считалась равной: Y=B+S (обобщение ф-лы для Y см. в ст. Элементарные частицы). В этой ф-ле величина I₃ пробегает с интервалом в единицу все значения от нек-рого максимального значения 7 (целого или полуцелого) до минимального, равного -I. Общее число значений, к-рые может принимать I₃ (и Q) для данного изотопич. мультиплета, а следовательно, и число ч-ц в изо­топич. мультиплете, равно 2 7+1. Ве­личина I, определяющая это число, наз. изотопическим спи­ном, а I₃— третьей «проекцией» (или просто проекцией) изотопич. спина (названия связаны с формальной матем. аналогией с обычным спином ч-ц J и его проекцией J_z). Т. к. нук­лоны существуют в двух зарядовых состояниях, то для них (и для всех др. ч-ц, входящих в изотопич. дубле­ты) 2I+1=2, т. е. I=¹/₂, а I₃, может принимать два значения: +¹/₂ для протона (что соответствует Q=+1) и -¹/₂ для нейтрона (Q=0). Изото­пич. триплету пионов соответствует I=1, а I₃ равно +1 для p⁺ , 0 для p° и -1 для p^-. Ч-цы с I=0 не имеют изотопич. «партнёров» и явл. изотоппч. синглетами; к таким ч-цам относятся, напр., гипероны L° и W^-. Переход от одной ч-цы к другой из того же изотопич. мультиплета, не меняя величины изотопич. спина, ме­няет его проекцию; поэтому такой пе­реход формально можно представить как поворот в условном «изотопиче­ском („зарядовом") пр-ве». Тот факт, что сильное вз-ствие ч-ц, входящих в определ. изотопич. мультиплет, оди­наково: не зависит от Q, т. е. от «про­екции» изотопич. спина I₃, можно ин­терпретировать как независимость (ин­вариантность) сильного вз-ствия от вращений в «изотопич. пр-ве» [или как существование группы симметрии

SU (2)]. Это утверждение явл. наиб. общей формулировкой И. и., и из него следует закон сохранения изо­топич. спина в сильном вз-ствии (аналогично тому, как из независимо­сти законов механики относительно вращений в обычном пр-ве следует закон сохранения момента кол-ва дви­жения). На основе И. и. удаётся предсказать существование, массу и заряды новых ч-ц, если известны их изотопические «партнёры». Так бы­ло предсказано существование p°, S°, X° по известным p⁺, p^-; S⁺ S^-;X^-.

И. и. имеет место и для составных систем адронов, в частности для ат. ядер. Изотопич. спин сложной сис­темы складывается из пзотопич. спннов входящих в систему ч-ц, при этом сложение производится по тем же правилам, что и для обычного спина. Так, система из двух ч-ц с изотоппч. спинами ¹/₂ (напр., нуклон) и 1 (напр., p-мезон) может иметь изото­пич. спин I=1+¹/₂=³/₂ или I=1-¹/₂=¹/₂. В ядрах И. и. проявля­ется в существовании уровней энер­гии с одинаковыми квант. числами для разл. изобар. Примером служат ядра ¹⁴₆С, ¹⁴₇N, ¹⁴₈O: осн. состояния ядер ¹⁴С, ¹⁴O и первое возбуждённое состояние ¹⁴N образуют изотопич. триплет (7=1; рис.). Все квант. числа

J=1, I=0

этих уровней одинаковы, а различие в их энергиях можно объяснить раз­ницей электростатич. энергий из-за различия в электрич. зарядах ядер. (Осн. уровень ¹⁴N имеет изотопич. спин 7=0, поэтому у него нет ана­логов в ядрах ¹⁴С и ¹⁴О.)

Из И. и. следует закон сохранения полного изотопич. спина I в процессах, обусловленных сильным вз-ствием. Этот закон приводит к определ. соот­ношениям между вероятностями про­цессов для ч-ц, входящих в один изо­топич. мультиплет, а также к запрету нек-рых реакций в процессах сильно­го вз-ствия. Комбинация И. и. и зарядового сопряжения приводит к со­храняющейся в сильном вз-ствии ве­личине (для ч-ц с B=S=C=b=0)— G-чётностн.

И. и. заведомо нарушается эл.-магн. вз-ствием, зависящим от электрич. зарядов ч-ц (т. е. от I₃), «сила» к-рых по порядку величины составляет прибл. 1% от сильного вз-ствия. Другой источник нарушения И. и.— различие в массах u- и d-кварков, входящих в состав адронов. Указан­ные причины приводят к небольшому

212

 

 

различию в массах ч-ц одного изотопич. мультиплета.

И. и. представляет собой часть бо­лее широкой приближённой симметрии сильного вз-ствия — унитарной сим­метрии SU (3). См. Элементарные частицы.

С. С. Герштейн.

ИЗОТОПИЧЕСКИЙ    МУЛЬТИПЛЕТ,

см.   в   ст.   Изотопическая   инвариант­ность.

ИЗОТОПИЧЕСКИЙ СПИН   (изоспин, I), одна из внутр. хар-к (квант. чи­сел) адронов, определяющая число за­рядовых состояний адрона (или число ч-ц n в изотопич. мультиплете): n=2I+1. См. Изотопическая инвари­антность.

ИЗОТОПИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ, зави­симость критич. темп-ры Т_к сверхпроводящего металла от его изотоп­ного состава; Т_к возрастает при умень­шении ср. ат. массы М в-ва. Для ряда металлов при этом выполняется соот­ношение Т_к •M^1/2=const. Впервые И. э. наблюдался в 1950; было уста­новлено, что у изотопа ¹⁹⁸Hg T_к=-4,156 К, а у чистой ртути, имеющей естеств. изотопный состав со ср. ат. массой 200,6, T_к=4,177 К. Иссле­дования показали также, что одно­временно с Т_к изменяется критиче­ское магнитное поле H_к,0 (при Т®0 К), по отношение Н_к,0/Т_к для разных изотопов данного сверхпроводящего металла остаётся постоянным. И. э. свидетельствует, что сверхпроводи­мость связана с массой образующих решётку ч-ц и обусловлена вз-ствием эл-нов с фононами (колебаниями ре­шётки).

ИЗОТОПНАЯ ХРОНОЛОГИЯ, опре­деление абс. возраста горных пород, минералов, следов древних человече­ских культур и в целом Земли по на­коплению в них продуктов распада радионуклидов (см. Радиоактивность). Идея И. х. принадлежит франц. физи­ку П. Кюри и англ. физику Э. Резер­форду. При И. х. учитывают, что радио-акт. распад каждого радионуклида происходит с пост. скоростью и при­водит к накоплению конечных ста­бильных нуклидов, содержание к-рых D связано с возрастом t исследуемого объекта соотношением: D = P(e^lt-1), где Р — число атомов радионуклида, К — постоянная распада. Отсюда воз­раст t равен

t =¹/_llln(1+D/P).

В И. х. наиб. распространены свин­цовый, аргоновый, стронциевый и углеродный методы. В первом исполь­зуется накопление радиогенного свин­ца в результате распадов ²³⁸U®²⁰⁶Pb;

²³⁵U®²⁰⁷Pb  и     ²³²Th®²⁰⁸Pb      (см.      радиоактивные ряды). Аргоновый ме­тод основан на радиогенном накопле­нии Ar в калиевых минералах (⁴⁰К^ЭЗ ® ⁴⁰Ar, где эз — электронный захват). Стронциевый метод основан на бета-

распаде ⁸⁷Rb^b-® ⁸⁷Sr. Для оценки воз­раста объектов меньше чем 60 000 лет

используется радиоуглеродныи метод. В земной атмосфере под действием нейтронов косм. лучей идёт яд. ре­акция: ¹⁴N(n,p) ^l4C. В результате воздух, растения и животные содер­жат радионуклид ¹⁴С (T_1/2=5700 лет) в определённой и постоянной (в ра­счёте на 1 моль атомов С) концентра­ции. В мёртвых организмах обмен с атмосферой прекращается, и содер­жание ¹⁴С постепенно падает. По концентрации ¹⁴С можно установить возраст органич. остатков.

ИЗОТОПНЫЕ ИНДИКАТОРЫ (мече­ные атомы), вещества, имеющие отлич­ный от природного изотопный состав, используемые в кач-ве «метки» при исследовании разл. процессов (в т. ч. в живом организме). Метод И. и. был предложен венг. радиохимиком Д. Хевеши и нем. химиком Ф. Панетом (1913). В кач-ве изотопной «метки» чаще используются радиоакт. изотопы, к-рые могут быть легко об­наружены и измерены количественно. Реже используются стабильные изо­топы, техника обнаружения к-рых сложна (см. Mace-спектроскопия). В кач-ве радиоакт. «меток» применяют нуклиды: ³Н, ¹⁴С, ³²Р, ³⁵S, ⁴⁵Ca, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Со, ⁸⁹Sr,⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ^110mAg, ¹³¹I и др. Выбор радионуклида определяется гл. обр. периодом его полураспада, ти­пом и энергией излучения. Для обна­ружения излучения используют обыч­но газоразрядные счётчики, сцинтилляционные счётчики, ядерные фото­графические эмульсии (см. Авторадио­графия) и др. детекторы ч-ц. С по­мощью И. и. изучают распределение в-в в системе и пути их перемещения. В этих случаях И. и. вводят в систему и через определ. промежутки времени устанавливают их наличие в разл. частях системы. Для количеств. ана­лиза пользуются, напр., методом изотопного разбавления, при к-ром к анализируемой пробе добав­ляют порцию меченого в-ва и по сте­пени его разбавления судят о содержа­нии анализируемого в-ва в пробе. Введение И. и. в определ. место моле­кулы делает различимыми атомы од­ного элемента и позволяет выяснить механизм хим. реакций и структуру молекул. Метод И. и. широко исполь­зуется в физике, химии, биологии (процессы синтеза и распада хим. сое­динений в живой клетке, обмена в-в и др.), в технике, медицине (изотоп­ная диагностика) и др.

• В а н г Ч., У и л л и с Д., Радиоиндика­торный метод в биологии, пер. с англ., М., 1969; Радиоактивные индикаторы в химии. Основы метода, 2 изд., М., 1975; Радиоактив­ные индикаторы в химии, М., 1977.

ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ, выделе­ние отд. изотопов из естественной их смеси или обогащение смеси отд. изо­топами. Первые попытки И. р. про­изводились гл. обр. для обнаружения изотопов у стабильных элементов, для точного измерения массы их атомов и относит. содержания (см. Масс-спектроскопия). В 30-х гг. фундам. ис­следования в области яд. физики потребовали получения изотопов, что тогда даже в кол-вах порядка неск. мг являлось сложной задачей. Выде­лялись лишь небольшие кол-ва обо­гащённых смесей изотопов лёгких эле­ментов. Только дейтерий начал про­изводиться в пром. масштабах. Даль­нейшее развитие техники И. р. было обусловлено появлением ядерных реак­торов, для к-рых требовался U, обо­гащённый ²³⁵U (см. Ядерное топливо). Существует множество методов И. р. Все они основаны на различиях в св-вах изотопов и их соединений, свя­занных с различием масс их атомов. Для большинства элементов относит. разность масс изотопов весьма мала, что определяет сложность задачи. Эф­фективность методов И. р. характе­ризуется коэфф. разделения a. Для смеси двух изотопов он равен:

где с' и 1-с' — относит. содержания лёгкого и тяжёлого изотопов в обо­гащённой смеси, а с" и 1-с" — в ис­ходной смеси. Если а лишь немного больше единицы, то операцию И. р. приходится многократно повторять; только при эл.-магн. разделении a>>1 (см. ниже).

Газовая диффузия через пористые перегородки. Газообразное соединение разделяемого элемента при достаточно низких давлениях (~10^{-3 мм рт. ст.}

Рис. 1. Схема устройства для разделения изотопов методом газовой диффузии.

 

или ~0,1 Па) прокачивается через пористую перегородку (рис. 1). Лёгкие молекулы диффундируют через пе­регородку быстрее тяжёлых. В ре­зультате газ обогащается лёгкой ком­понентой по одну сторону перегородки и тяжёлой — по другую. Если разница в массах мала, то необходимо повто­рять процесс неск. тыс. раз. Этот ме­тод используется на спец. газодиффуз. заводах для обогащения U (в виде газообразного UF₆) изотопом ²³⁵U (a~1,0043). Для получения нужной концентрации ²³⁵U требуется ок. 4000 операций разделения.

Диффузия в потоке пара (масс-диф­фузия). И. р. происходит в цилиндрич. сосуде (колонне), перегороженном вдоль оси диафрагмой, содержащей ок. 103 отверстий на 1 см² (рис. 2). Га­зообразная изотопная смесь движется навстречу потоку вспомогат. пара. Вследствие перепада концентраций газа и пара в поперечном сечении ци-

213

 

 

линдра и большего коэфф. диффузии для более лёгких молекул происходит обогащение лёгким изотопом части газа, прошедшего сквозь поток пара в левую часть цилиндра. Обогащённая часть выводится из верхнего цилиндра вместе с осн. потоком пара, а остав­шаяся в правой половине часть газа

Рис. 2. Схема устройства для разделения изотопов методом противопоточной масс-диффузий.

 

движется вдоль диафрагмы и выводит­ся из аппарата. Пар конденсируется и отделяется от смеси изотопов. Про­цесс может осуществляться много­кратно. В лаб. условиях получают до 1 кг изотопов Ne, Ar, С, Kr, S. Термодиффузия. Разделит. колонка состоит из двух коаксиальных труб, поддерживаемых при разных темп-pax (рис. 3), между к-рыми на­ходится газообразное в-во. Разность темп-р DT создаёт вертик. конвекц. поток газо­вой смеси и одновре­менно вызывает непре­рывно идущее попе­речное термодиффуз. разделение изотопов

Рис. 3. Схема термодиф­фузионной разделит. ко­лонки.

(см. Конвекция, Термодиффузия). Вследствие этого более лёгкие изотопы накапливаются у горячей поверх­ности внутр. трубы и движутся вверх. Коэфф. разделения a=1+gDТ/Т, где g — постоянная термодиффузии, зависящая от относит. разности масс изотопов, а Т=(Т₁+Т₂)/2. Этим ме­тодом были получены Не с содержа­нием 0,2% ³Не (в природной смеси — 1,5*10^-5%), изотопы ¹⁸О, ¹⁵N, ¹³C,

²⁰Ne, ²²Ne, ³⁵Cl, ⁸⁴Kr, ⁸⁶Kr с концен­трацией >99,5%.

Дистилляция. Изотопы обычно име­ют разл. давления насыщ. пара (p₁ и р₂) и точки кипения, поэтому возможно И. р. путём фракц. перегонки. При кипении жидкой смеси изотопов в образующемся паре преобладает изо­топ с наименьшей темп-рой кипения. Используются фракционирующие ко­лонны с большим числом ступеней разделения; а зависит от отношения p₁/p₂  и уменьшается с ростом мол. массы и темп-ры (процесс наиб. эф­фективен при низких темп-pax). Ди­стилляция использовалась при полу­чении изотопов лёгких элементов ¹⁰В, ¹¹B, ¹⁸O, ¹⁵N, ¹³С и для получения тяжёлой воды (сотен т в год).

Изотопный обмен. Для И. р. ис­пользуются хим. реакции, при к-рых происходит перераспределение изо­топов к.-л. элемента между реагиру­ющими в-вами. Так, напр., если при­вести в соприкосновение HCl с HBr, в к-рых первонач. содержание дей­терия D в водороде было одинако­вым, то в результате обменной ре­акции в HCl содержание D будет неск. выше, чем в HBr. Применение неск. каскадов позволяет получать дейте­рий и обогащённые отд. изотопами смеси для др. лёгких элементов (N, S, О, С, Li).

Центрифугирование. В центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжёлые молекулы под дей­ствием центробежных сил концентри­руются у периферии, а лёгкие моле­кулы — у ротора. Поток пара во внеш. части с тяжёлым изотопом на­правлен вниз, а во внутренней, с лёг­ким изотопом, вверх. Соединение неск. центрифуг в каскад обеспечивает не­обходимое обогащение. Центрифуги­рование пригодно для разделения изотопов как лёгких, так и тяжёлых элементов.

Электролиз. При электролизе воды или водных р-ров электролитов выде­ляющийся на катоде водород содержит меньшее кол-во D, чем исходная вода. В результате в электролизёре растёт концентрация D. Метод применялся в пром. масштабах для получения тяжёлой воды. Электролизный завод в Норвегии в 40-х гг. производил неск. тонн D в год. Разделение Li, К и др. (электролизом их хлористых солей) производится только в лаб. условиях.

Электромагнитный метод. В-во, со­держащее изотопы элемента, к-рые требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизац. камеры высоким отрицат. потенциалом, формируются в ионный пучок и попадают в вакуумную разде­лит, камеру с магн. полем, направ­ленным перпендикулярно ионному пучку. Под действием магн. поля ионы движутся по окружностям с радиуса­ми R~ÖМ/е, где М и е — масса

и заряд ионов. Это позволяет соби­рать ионы разл. изотопов в разные приёмники, помещённые в фокальной плоскости установки (рис. 4; см. Масс-спектрометр).

Эл.-магн. метод впервые (1943—45) использовался в Ок-Ридже (США) для получения ²³⁵U в кол-ве неск. кг.

Рис. 4. Схематич. изображение эл.-магн. раз­делит, устройства. Магн. поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

 

Обычно достаточно одной ступени. Повторное разделение применяется редко. Осн. недостаток — относитель­но низкая производительность, вы­сокие эксплуатац. затраты, значит. безвозвратные потери разделяемого в-ва.

Другие методы разделения пока на­ходятся в стадии лаб. исследований. К ним относятся: лазерное разделе­ние изотопов — метод, перспектив­ный для создания пром. установок; получение ³Не, основанное на сверх­текучести ⁴Не; разделение посредст­вом диффузии в сверхзвуковой струе газа, расширяющейся в пр-ве с по­ниженным давлением; разделение, обу­словленное миграцией ионов при про­хождении электрич. тока в электро­литах; хроматографич. разделение, ос­нованное на различии в скоростях ад­сорбции изотопов; биол. способы раз­деления и др.

Методы И. р. имеют особенности, определяющие области их наиболее эфф. применения. При И. р. лёгких элементов с A~40 экономически бо­лее выгодны и эфф. дистилляция, изо­топный обмен и электролиз. Для раз­деления изотопов тяжёлых элемен­тов применяются диффузионный ме­тод, центрифугирование и эл.-маг­нитное разделение. Однако газо­вая диффузия и центрифугирование могут быть использованы, если име­ются газообразные соединения эле­ментов. Поскольку таких соединений мало, реальные возможности этих методов пока ограничены. Термодиф­фузия позволяет разделять изотопы как в газообразном, так и в жидком состоянии, но при разделении изото­пов в жидкой фазе а мало. Эл.-магн. метод обладает большим а, но имеет малую производительность, поэтому применяется гл. обр. при огранич. масштабах произ-ва изотопов.

214

 

 

 

Для обеспечения н.-и. работ и практич. применений изотопов в СССР создан Гос. фонд стабильных изото­пов. Систематически производится по­лучение значит. кол-в дейтерия, ¹⁰В, ¹³С, ¹⁵N, ¹⁸O, ²²Ne и др. Орга­низован также выпуск разл. хим. препаратов, «меченых» стабильными изотопами.

• Р о з е н А. М., Теория разделения изото­пов в колоннах, М., 1960; Ш е м л я М., Перье Ж., Разделение изотопов, пер. с франц., М., 1980.

В. С. Золотарёв.

ИЗОТОПЫ, разновидности данного хим. элемента, различающиеся по массе ядер. Обладая одинаковыми за­рядами ядер Z, но различаясь числом нейтронов, И. имеют одинаковое стро­ение электронных оболочек, т. е. очень близкие хим. св-ва, и занимают одно и то же место в периодич. системе хим. элементов (отсюда термин «И.» — от греч. isos — одинаковый и topos — место). Первые эксперим. данные о су­ществовании И. были получены в 1906 —10 при изучении св-в радиоакт. элементов. Термин «И.» предложен англ. учёным Ф. Содди в 1910. Ста­бильные И. были обнаружены англ. физиками Дж. Томсоном (1913) и Ф. Астоном (1919). К 1981 известно 276 стабильных И., принадлежащих 83 природным элементам, и более 2000 радиоактивных И. 107 природных и искусственно синтезиров. элементов.

Стабильные И. встречаются только у элементов с Z£83. Большее число стабильных И. имеют элементы с чёт­ным Z, напр. ₅₀Sn имеет 10 И., _мХе—9, ₄₈Cd и ₅₂Те — по 8 И. Элементы с не­чётным Z имеют, как правило, не более двух стабильных И.

Близость физ.-хим. св-в И. при­водит к тому, что их относит. содер­жание почти не меняется при разл. природных процессах. Однако эти св-ва нетождественны — сказываются различия в массах атомов, а также в значениях спинов и магн. моментов ядер И. Это приводит к разл. изо­топным эффектам. Различия нек-рых физ.-хим. св-в И. использу­ется для их разделения (см. Изотопов разделение).

При изучении физ.-хим., технол. и биол. процессов часто применяют сое­динения с искусственно введённой примесью радиоактивного (реже ста­бильного) И. элемента, участвующего в процессе (см. Изотопные индикато­ры). Зависимость изотопного состава природных элементов от возраста об­разцов и условий их образования ле­жит в основе методов определения воз­раста горных пород и рудных место­рождений (см. Изотопная хронология) и используется при поиске полезных ископаемых.

• А с т о н Ф. В., Масс-спектры и изотопы, М., 1948; Учение о радиоактивности. Исто­рия и современность, М., 1973; Трифо­нов Д. Н., Кривомазов А. Н., Лисневский Ю. И., Химические эле­менты и нуклиды, М., 1980.

И. О. Лейпунский.

ИЗОТРОПИЯ (от греч. isos — рав­ный, одинаковый и tropos — поворот, направление), независимость св-в среды (в-ва) от направления.

ИЗОФОТ, линия равной освещённости, выраженной в фотах.

ИЗОХОРА (от греч. isos — равный, одинаковый и chora — занимаемое ме­сто), линия на термодинамич. ди­аграмме состояния, изображающая изохорный процесс. Наиб. простым явл. ур-ние И. для идеального газа: р/Т=const, где р — давление, Т — темпе­ратура.

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС, процесс, происходящий в физ. системе при пост. объёме; на термодинамич. ди­аграммах состояния изображается изохорой. Для осуществления И. п. в газах и жидкостях их можно поме­стить в герметич. сосуд, не меняющий своего объёма. При И. п. механич. работы, связанной с изменением объёма тела, не совершается; изменение вну­тренней энергии тела происходит за счёт поглощения или выделения теп­лоты. С изменением темп-ры газа (жид­кости) изменяется его давление. В идеальном газе при И. п. давление пропорц. темп-ре (закон Шарля). Для неидеального газа закон Шарля не­справедлив, т. к. часть сообщённой газу теплоты идёт на увеличение энер­гии вз-ствия ч-ц. Осуществить И. п. в тв. теле технически значительно сложнее. Из-за малой сжимаемости практически любой изотермический процесс в тв. теле явл. почти изохорным вплоть до давлений порядка неск. десятков килобар.

ИЗОЭЛЕКТРОННЫЙ РЯД, ряд, со­ставленный из атомов и ионов разл. элементов, имеющих одинаковое число эл-нов (напр., водородоподобные ато­мы, ряд Li, Ве⁺ , В²⁺ , . . .); обладают сходными оптич. св-вами.

ИЗОЭНТАЛЬПИЙНЫЙ ПРОЦЕСС, процесс в физ. системе, при к-ром сохраняется неизменной энтальпия системы. Классич. примером И. п. явл. протекание газа через пористую перегородку при отсутствии теплооб­мена между потоком газа и окружаю­щими телами (стенками труб и др.). См. Джоуля — Томсона эффект.

ИЗОЭНТРОПИЙНЫЙ ПРОЦЕСС, процесс в физ. системе, при к-ром сохраняется неизменной энтропия сис­темы; то же что обратимый адиабати­ческий процесс.

ИЛЛЮЗИИ ОПТИЧЕСКИЕ (от лат. illusio — обман), типичные случаи резкого несоответствия зрит. вос­приятий реальным св-вам наблюдае­мых объектов. И. о. известны с глу­бокой древности: строители Древней Греции учитывали их при постройке зданий, они описаны Титом Лукре­цием Каром. И. о. свойственны здо­ровому зрит. аппарату (чем они от­личаются от галлюцинаций) и не устраняются при многократных на­блюдениях. По механизму возникно­вения И. о. можно разделить на такие, к-рые возникают из-за несовершенства глаза как оптич. прибора (кажущаяся

лучистая структура ярких источников малого размера, напр. звёзд; наблю­даемые иногда радужные кромки пред­метов из-за неисправленного хрома­тизма хрусталика и пр.), а также на И. о., за возникновение к-рых ответ­ствен весь зрит. аппарат, включая его мозговые отделы. Подавляющая часть

Рис. 1. Кажущееся косое расположение букв — оптич. иллюзия, возникающая из-за влияния фона.

 

И. о. относится ко второй группе, т. е. их возникновение связано с осо­бенностями обработки зрит. информа­ции на разл. этапах зрит. восприятия. Первым этапом этой обработки счи­тается выделение сигнала из фона, и ошибки восприятия, связанные с ним, можно отнести к И. о. (т. н. оптический обман). На су­ществовании таких И. о. основано применение защитной окраски при

Рис. 2. Неоднозначная классификация зрит. впечатлений; наблюдатель видит либо вазу, либо два силуэта.

 

маскировке, к-рая как известно, широ­ко распространена также и в животном мире (мимикрия). Со вторым этапом — классификацией зрит. сигналов, свя­заны И.о., в к-рых структурный или сплошной фон приводит к ошибкам выявления фигур или к ошибкам оценки их параметров (яркости, фор­мы, взаимного расположения и пр., рис. 1). И.о., связанные с возможной неоднозначной классификацией зрит. впечатлений, представлены на рис. 2. Наконец, распространены И. о., свя­занные с ошибками на третьем, по­следнем этапе обработки зрит. ин-

215

 

 

формации — в оценке хар-к рассмат­риваемых объектов (площади, длины, углов, рис. 3), а также с перспектив­ными искажениями (рис. 4).

При движении или изменении во времени наблюдаемого объекта про­цесс зрит. восприятия усложняется, что в ряде случаев приводит к неадекватному отражению движения объек­тов.

Рис. 3. Примеры ошибок в оценке хар-к объектов; а — иллюзия иррадиации (бе­лый квадрат кажется больше равного ему чёрного); б — стрелы Мюллера—Лиера (от­резки равны, хотя кажутся неравными).

 

Возникающие в этих условиях И. о. целесообразно выделить в отд. группу динамических И.о., в противо­вес описанным выше, к-рые воспри­нимаются статически. Так, если после долгого наблюдения за движущимся

Рис. 4. Фигура девочки, кажущаяся самой маленькой, наибольшая.

 

предметом внезапно прекратить на­блюдение, то появится иллюзия дви­жения этого предмета в обратном на­правлении (напр., если смотреть про­должит. время на водопад и потом закрыть глаза, то можно «увидеть» струю воды, поднимающуюся вверх,— т. н. «эффект водопада», известный ещё Аристотелю). К этому же классу И. о. можно отнести и появление ощущения цвета при наблюдении модули­рованного во времени светового по­тока белого света, напр. при вра­щении разделённого на чёрные и белые сектора диска (т. н. диск Бенхема). Сюда же нужно отнести И.о., связанные с инерцией зрения, т. е. со св-вом глаза сохранять зрит. впе­чатление ок. 0,1 с. Примерами И. о., связанных с инерцией зрения, слу­жат все виды стробоскопического эф­фекта, а также наблюдение следа от быстро движущегося светящегося источника и пр. На использовании этих И. о. основаны кинематограф и телевидение.

• Толанский С., Оптические иллюзии, пер. с англ., М., 1967; Артамонов И. Д., Иллюзии зрения, 3 изд., М., 1969; Г р е г г Дж., Опыты со зрением в школе и дома, пер. с англ., М., 1970; Грегори Р. Л., Глаз и мозг, [пер. с англ.], М., 1970; П э д х е м Ч., Сондерс Дж., Воспри­ятие света и цвета, [пер. с англ.], М., 1978.

Л. П. Гагарин, Н. Ф. Подвигин.

ИММЕРСИОННАЯ СИСТЕМА (от позднелат. immersio — погружение), оптич. система, в к-рой пр-во между предметом и первой линзой заполнено иммерсионной жидкостью. И. с. при­меняются в микроскопах. В кач-ве иммерсионных жидкостей применяют кедровое или минеральное масло (по­казатель преломления n=1,515), вод­ный р-р глицерина (n=1,44), воду (n=1,338), монобромнафталин (n=1,656), вазелиновое масло (n=1,503), йодистый метилен (n=1,741). Оптич. хар-ки иммерсионной жидко­сти (n и дисперсия) входят в расчёт И. с., поэтому И. с. можно применять только с жидкостью, на к-рую система рассчитана, иначе ухудшится кач-во изображения. Применение иммерсии даёт возможность повысить апертуру А объектива, а следовательно, и раз­решающую способность микроскопа. «Сухая» система не может иметь A>1, у масляных И. с. А достигает 1,3, у монобромнафталиновой — 1,6. В И. с. уменьшается рассеяние света и тем самым увеличивается контрастность изображения. И. с. позволяют иссле­довать объекты, находящиеся на раз­ной глубине в иммерсионной жидкости, путём погружения в неё объектива.

• См.   лит.    при   ст.    Микроскоп.

Л. А. Федин.

ИММЕРСИОННЫЙ МЕТОД, метод оп­ределения показателей преломления n мелких зёрен (крупнее 1—2 мкм) тв. тел под микроскопом. В И. м. исследуемые зёрна погружают в на­несённые на предметное стекло капли разл. жидкостей с известными п. Наблюдая эти препараты, подбира­ют жидкость, наиболее близкую по n к данному в-ву. Для сравнения n тв. в-ва и жидкости пользуются, напр., Бекке методом. Точность И. м.~0,001; форма и хар-р поверх­ности исследуемого зерна не оказы­вают на неё существ. влияния. В И. м. применяют иммерсионный набор, сос­тоящий из 98 жидкостей с n от 1,408 до 1,780, а также жидкости с и до 2,15 и прозрачные сплавы с и до 2,7.

И. м. используют для установления чистоты соединений, определения тв. фаз в смесях в-в и пр., а также при изучении минералов и горных пород.

• Иоффе Б. В., Рефрактометрические ме­тоды химии, 2 изд., Л., 1974; Татарс­кий В. Б., Кристаллооптика и иммерси­онный метод..., М., 1965; Сахарова М. С., Черкасов Ю. А., Иммерсионный метод минералогических исследований, М., 1970.

В. Б. Татарский.

ИМПЕДАНС АКУСТИЧЕСКИЙ (англ. impedance, от лат. impedio — препят­ствую), комплексное сопротивление, представляющее собой отношение ком­плексных амплитуд звукового давления к объёмной колебат. скорости (послед­няя равна произведению усреднённой по площади колебательной скорости ч-ц среды на площадь, для к-рой опре­деляется И. а.). Вводится при рассмот­рении колебаний акустич. систем (из­лучателей и приёмников звука и т, п.). Комплексное выражение И. а. имеет вид:

Z_a=ReZ_a+iImZ_a.

Действительная часть И. a. ReZ_a (т. н. активное акустич. сопротивле­ние) связана с диссипацией энергии в самой системе и с затратами энергии на излучение звука; мнимая часть И. а. ImZ_a (реактивное акустич. сопротив­ление) обусловлена реакцией сил инер­ции (масс) или сил упругости. Ре­активное сопротивление в соответствии с этим бывает инерционное или упру­гое.

Акустич. сопротивление в СИ из­меряется в ед. Па с/м³ (в литературе эта ед. иногда наз. «акустический Ом»). В излучающих системах от И. а. зависят мощность излучения, кпд и др.; для приёмников звука И. а. определяет условия согласова­ния со средой.

Наряду с И. a. Z_a пользуются также понятием удельного И. a. z_a и механич. импеданса Z_M, к-рые свя­заны между собой и с Z_a зависимостью: Z_M=Sz_a=S²Z_a, где S — рассматри­ваемая площадь в акустич. системе. Удельный И. а. выражается отноше­нием звук. давления к колебат. ско­рости в данной точке. Для плоской волны удельный И. а. равен волновому сопротивлению среды. Механич. им­педанс (и соотв. механическое активное и реактивное сопротивления) опреде­ляется отношением силы, с к-рой система действует на среду, к колебат. скорости ч-ц. Единица механич. со­противления в СИ — Н•с/м, в системе СГС — дин•с/см (иногда наз. «механи­ческий Ом»).

ИМПЕДАНС ХАРАКТЕРИСТИЧЕ­СКИЙ электромагнитного поля, от­ношение ортогональных друг к дру­гу и касательных к поверхности S компонент электрич. E_t и магн. H_t полей в данной точке поверхности:

Z_x=E_t/H_t. (1)

На поверхности идеального провод­ника E_t=0 и Z_x=0, что эквивалентно короткозамкнутой электрич. цепи; на идеальной магн. поверхности H_t=0,

216

 

 

Z_x=¥, что эквивалентно разомкну­той цепи. На поверхности реального проводника (в случае сильного скин-эффекта)

где s — проводимость проводника, m — его относит. магн. проницаемость, m₀— магнитная постоянная, w — ча­стота поля. В этом случае И. х. носит назв. поверхностного импе­данса.

При отсутствии потерь энергии в среде И. х. бегущей волны — действит. величина, связанная с плотно­стью Р потока энергии соотношением:

где Е_^ и H_^ — амплитуды поперечных компонент электрич. и магн. полей. Из ф-лы (3) следует аналогия между И. х. эл.-магн. поля и волновым со­противлением линий передачи.

В случае плоской поперечной одно­родной эл.-магн. волны, распространя­ющейся со скоростью света с в данной среде, И. х. равен:

Z₀=Ö(m/e) (4)

(e — диэлектрич. проницаемость сре­ды), т. е. зависит только от св-в среды и поэтому наз. И. х. среды Z₀. Для вакуума это универсальная кон­станта (равная в СИ):

(e₀— электрическая   постоянная).

•  Вайнштейн  Л. А.,   Электромагнит­ные волны, М.,  1957; Ф е л с е н Л., М а р к у в и ц Н.,  Излучение и рассеяние волн, пер.  с англ.,  т. 1—2,  М.,   1978.

З. Ф. Красильник, М. А. Миллер.

ИМПУЛЬС (от лат. impulsus — удар, толчок), то же, что количество движе­ния.

ИМПУЛЬС АКУСТИЧЕСКИЙ, 1) бе­гущая звук. волна, имеющая хар-р резкого кратковрем. изменения дав­ления, напр. звук. волны, создаваемые взрывом, искровым разрядом, соуда­рением тел. Каждый такой импульс содержит как область повышенного, так и область пониженного давления. Спектр такого И. а. сплошной, с мак­симумом в области частот, период к-рых близок к длительности И. а. 2) Звук. волна в виде цуга квазигармонич. колебаний, включающего примерно от десяти до неск. сотен пе­риодов (т. н. заполненный И. а.— аналог радиоимпульса, см. Импульс­ный сигнал). Часто применяют ряд следующих друг за другом с определ. частотой (частота повторения) иден­тичных заполненных И. а., промежут­ки между к-рыми обычно существен­но больше длительности отдельного И. а. Применяют И. а. с целью разде­ления во времени посылаемого и отра­жённого сигналов при акустич. ис­следованиях в огранич. объёмах, в гидроакустике при исследовании св-в морской среды и измерения глубин

(см. Эхолот), в гидролокации, а также в УЗ дефектоскопии и т. д.

ИМПУЛЬС СИЛЫ, мера действия силы за нек-рый промежуток времени; равняется произведению ср. значения силы F_cp на время t₁ её действия: S=F_cpt₁. И. с.— величина вектор­ная, и направлен он так же, как F_ср. Точное значение И. с. за промежуток времени t₁ определяется интегралом:

При движении матер. точки под действием силы F её кол-во движения получает за время t₁ при­ращение, равное И. с.: S=mv₁-mv₀ (mv₀ и mv₁— соотв. кол-во движения точки в начале и в конце промежутка времени t₁.

Понятие И. с. широко использу­ется в механике, в частности в теории удара, где величина, равная импульсу ударной силы F_уд за время удара t, наз. ударным импульсом.

ИМПУЛЬС ЭЛЕКТРОМАГНИТНО­ГО ПОЛЯ, динамич. характеристика поляг количество движения, к-рым обладает эл.-магн. поле в данном объ­ёме. Тела, помещённые в эл.-магн. по­ле, испытывают действие механич. сил, к-рое связано с поглощением эл.-магн. волн или изменением направле­ния их распространения (отражением, рассеянием, преломлением). При излу­чении телом эл.-магн. волн, в част­ности света, импульс тела также меня­ется. Т. к. импульс замкнутой мате­риальной системы в результате излу­чения, поглощения или отражения эл.-магн. волн не может измениться (в силу закона сохранения полного импульса системы), из этого следует, что эл.-магн. волна также обладает импульсом. Существование И. э. п. впервые было экспериментально об­наружено в опытах по давлению света (П. Н. Лебедев, 1899—1901).

Согласно Максвелла уравнениям, И. э. п. распределён в пр-ве с объём­ной плотностью g=1/c² [EH] — в СИ

или   g=1/4pc[EH] — в   СГС   системе,

где [ЕН] — векторное произведение напряжённостей электрич. Е и магн. Н полей. Т. о., вектор плотности И. э. п. g перпендикулярен Е и Н и направлен по движению правого буравчика, рукоятка к-рого вра­щается от Е к Н.

В квант. теории эл.-магн. поля (квантовой электродинамике) носи­телями энергии и импульса явл. кванты этого поля — фотоны. Фотон частоты v обладает энергией hv и им­пульсом hv/c. Существование импульса у фотона проявляется во мн. явлениях, напр. в обмене импульсами между эл.-магн. полем и ч-цей в Комптона эффекте.

ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ, модуляция колебаний, при к-рой моду­лирующий сигнал представляет собой последовательность импульсов. В ре­зультате И. м. образуется последова­тельность кратковременных посылок, «цугов», модулируемых коле­баний. Характеристики этой после­довательности (порядок следова­ния, длительность и форма отд. по­сылок и др.) определяются поряд­ком следования, формой и др. св-вами модулирующих импульсов. И. м. при­меняется, напр., в радиолокации, оптич. локации, гидролокации, при зондировании ионосферы, где расстоя­ние до объекта определяется по вре­мени прихода отражённых или рас­сеянных объектом импульсных посылок колебаний. И. м. используется также в системах импульсной радио- и оп­тической связи. При этом передавае­мый сигнал может изменить разл. параметры исходной последователь­ности модулирующих сигналов.

Чаще всего в И. м. применяются им­пульсы прямоуг. или колоколообразной формы (см. Импульсный сигнал). Длительность импульсов в зависимо­сти от типа модулируемых колебаний (световые, радио, акустические) и от хар-ра решаемых задач может ме­няться в широких пределах (от неск. единиц 10^-12 с до 10^-1 с). Скважность при регулярной И. м. (отношение пе­риода повторения к длительности им­пульсов) может изменяться от 10²— 10³ (у радиолокац. станций) до неск. ед. (в многоканальной радиосвязи).

• И ц х о к и     Я.   С.,    Овчинников . И., Импульсные и цифровые устройства, М.,     1972;     Зернов Н.  В.,     Карпов В. Г.,   Теория   радиотехнических   цепей,   2 изд., Л.,  1972. В. В. Мигулин.

ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД, самостоя­тельный нестационарный электриче­ский разряд в газах, возникающий при наложении на электроды кратковрем. импульса напряжения. Различают два вида И. р. 1-й вид — разряд с ис­кусственно сформированным импуль­сом постоянного (или ВЧ) тока (на­пряжения). И. р. этого вида имеет место только при коротких импульсах, меньших времени релаксации осн. па­раметров плазмы (т. е. времени уста­новления равновесия в системе), когда все процессы разряда нестационарны и ток явл. неустановившимся. Если же длительность импульса существен­но превышает время релаксации осн. параметров плазмы, то последние при­нимают значения, типичные для ква­зистационарных разрядов (напр., ду­гового или тлеющего). При повторяю­щихся импульсах на хар-ки разряда оказывает влияние остаточная иониза­ция среды в разрядном промежутке. Для облегчения и стабилизации зажи­гания И. р. применяются либо предионизация среды в разрядном про­межутке, либо электрич. поля, значи­тельно превышающие величину по­тенциала зажигания. 2-й вид И. р. возникает при ограниченной энерго­ёмкости источника питания; в этом случае И. р. принимает форму пе­риодического затухающего или даже апериодич. тока (в зависимости от

217

 

 

параметров разрядной цепи). Такой вид И. р. обычно наз. искровым разря­дом.

И. р. широко применяется для соз­дания спец. источников света (лампы для оптич. накачки лазеров, эталон­ные источники и т. д.), в газовой элек­тронике, технике.

В. Н. Колесников.

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕАКТОР, ядерный реактор, генерирующий кратковрем. импульсы потока нейтронов длитель­ностью от неск. десятков мкс до неск. с. Коэфф. размножения нейтронов в И. р. быстро увеличивается, напр. путём введения в активную зону ре­актора дополнит. кол-ва ядерного топ­лива, создавая условия для развития ядерной цепной реакции. В так наз. И. р. самогасящего действия гашение импульса происходит за счёт уменьше­ния коэфф. размножения нейтронов вследствие разогрева активной зоны во время импульса, и импульс может быть повторён после охлаждения ре­актора (неск. ч). И. р. самогасящего действия используются гл. обр. для изучения поведения материалов и при­боров под действием интенсивного из­лучения (полное число нейтронов за импульс ~10¹⁸—10²⁰). В И. р. периодич. действия возбуждение и га­шение импульса осуществляется с ча­стотой неск. Гц с помощью спец. механич. устройств. Такие И. р. пред­назначены для нейтронной спектро­скопии; они создают поток нейтронов ~10¹²—10¹⁴ с 1 см² за импульс дли­тельностью 100 мкс.

• Шабалин Е.П., Импульсные реакто­ры на быстрых нейтронах, М., 1976.

В. И. Лущикое.

ИМПУЛЬСНЫЙ СИГНАЛ  (импульс), изменение к.-л. физ. величины (эл.-магн. поля, механич. смещения и т. п.) в течение некоторого конечного промежутка времени. С распростране­нием И. с. обычно связан перенос энергии и, следовательно, передача определ. информации.

Одиночные И. с. наз. видеоимпульсами; фор­ма их может быть различной. На рис. 1 показаны видеоимпульсы пря­моугольной (а), экспоненциальной (б), колоколообразной (в) и треуголь­ной (г) форм. Участки нарастания и спада И. с. наз. его передним и зад­ним фронтами, макс. отклонение от нулевого (или постоянного) уровня — амплитудой И. с. Ширина И.с., или его длительность, определяется ус­ловно на нек-ром уровне его высо­ты (напр., на уровне 1/е=¹/_2,7

или на уровне 0,9). Последователь­ность И. с. характеризуется также скважностью — безразмерной величиной, равной отношению пери­ода повторения И. с. к длительно­сти одиночного И. с.

Высокочастотные И. с. (рис. 2), напр. акустические   и   радиоимпульсы, используемые в гидролокации или радиолокации, пред­ставляют собой цуги   высокочастот­ных колебаний   ко­нечной    длительно­сти.  Их огибающая имеет форму видео­импульса.

И. с. применяется в технике связи. Передача информации в этом случае осуществляется путём модуляции ко­лебаний. И. с. «наполнена» природа: соударения, рождение и аннигиля­ция элем. ч-ц, переходы атомов и молекул из одного состояния в дру­гое сопровождаются импульсным из­лучением. Импульсный хар-р имеют «всплески» радиоизлучения косм. ис­точников (Солнца, пульсаров и др.), а также всплески земного происхожде­ния; напр., при грозах возникают ра­диоимпульсы, наз. атмосфериками.

• Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И., Импульсные и цифровые устройства, М., 1972.

Д. А. Кабанов, М. А. Миллер.

ИНВАРИАНТНОСТЬ (от лат. invarians, род. п. invariantis — неизменя­ющийся), неизменность, независи­мость от нек-рых физ. условий. Чаще рассматривается И. в матем. смысле — неизменность к.-л. величины по от­ношению к нек-рым преобразованиям. Напр., если рассматривать движение матер. точки в двух системах коор­динат, повёрнутых одна относитель­но другой на нек-рый угол, то проек­ции скорости движения в них будут разными, но квадрат скорости, а сле­довательно, и кинетич. энергия будут одинаковыми, т. е. кинетич. энергия инвариантна относительно поворота в пр-ве системы отсчёта. Важный слу­чай — И. относительно преобразова­ний Лоренца (релятивистская инва­риантность). Примеры таких ин­вариантов — четырёхмерный интер­вал, полный электрич. заряд, а также величины Е²-Н² и E•H в электро­динамике, где Е к Н — напряжён­ности электрич. и магн. полей. В об­щей теории относительности (теории тяготения) рассматриваются величи­ны, инвариантные относительно про­извольных преобразований коорди­нат. Особую роль играет И. относи­тельно т. н. калибровочных преобра­зований (см. Калибровочная симмет­рия), распространение к-рой на ши­рокий класс физ. теорий позволила установить единство фундам. вз-ствий, выступавших в прежних теориях как независимые.

И.   тесно  связана   с  сохранения  за­конами   (см.   также   Нётер   теорема).

В. И. Григорьев.

ИНВЕРСИОННЫЙ СЛОЙ, область полупроводника у его поверхности, в к-рой равновесная концентрация не­основных носителей заряда больше, чем основных. И. с. возникает, когда поверхность ПП n-типа (р-типа) по отношению к объёму находится под достаточно большим отрицательным (положительным) потенциалом:

j>2kT/e|lnp₀/n₀|.

Здесь е — заряд эл-на, n₀ и p₀— концентрации эл-нов и дырок в объёме ПП. И. с. реализуется вблизи кон­такта ПП — металл, когда работа выхода металла превышает работу выхода ПП более чем на ширину за­прещённой зоны ПП при наличии поверхностных состояний, захваты­вающих осн. носители. Если толщина И. с. меньше длины свободного про­бега носителей, то в нём возможно образование квазидвухмерной про­водимости (см. Двумерные проводни­ки). Это приводит к изменению элект­рич. и оптич. св-в поверхностного слоя ПП.

• См. лит.  при ст.   Поверхностные явления.

Э. М. Эпштейн.

ИНВЕРСИЯ НАСЕЛЁННОСТЕЙ   (от лат. inversio — переворачивание, пе­рестановка), неравновесное состояние в-ва, при к-ром для составляющих его ч-ц (атомов, молекул и т. п.) вы­полняется неравенство: N₂/g₂>N₁/g₁, где N₂ и n₁— населённости верх. и ниж. уровней энергии, g₂ и g₁— их кратности вырождения (см. Уровни энергии). В обычных условиях (при тепловом равновесии) на верхних уров­нях энергии находится меньше ч-ц, чем на нижних (см. Больцмана рас­пределение) и неравенство не выпол­няется. И. н.— необходимое условие генерации и усиления эл.-магн. коле­баний во всех устройствах квантовой электроники.

Н. В. Карлов.

ИНДЕКСЫ КРИСТАЛЛОГРАФИ­ЧЕСКИЕ, три целых числа, опреде­ляющих расположение в пр-ве гра­ней и ат. плоскостей кристалла (индексы Миллера), а также направлений в кристалле и его рёбер (индексы Вейса) относительно кристаллографич. осей.

Прямая ОА с индексами Вейса [2,3,3] и плоскость Р с индексами Миллера (4,3,6); Ох, Оу, Оz — кристаллографич. оси; OA^P.

Прямая и параллельное ей ребро, определяемые индексами Вейса p₁, р₂, p₃ (обознача­ются [p₁, p₂, p₃] или [h, k, l]), проходят из начала координат О в точку А, оп­ределяемую вектором р₁а+р₂b+р₃с, где a, b, с — периоды решётки (рис.).

218

 

 

Плоскость P, отсекающая на осях отрезки р₁а, р₂b, р₃с, имеет индексы Миллера h, k, l, определяемые отно­шением целых величин, обратных ин­дексам p₁, р₂, р₃, т. е. h : k : l=1/p₁:1/p₂:1/p₃,    к-рые     обозначаются

(h, k, I). Равенство нулю одного или двух индексов Миллера означает, что плоскости параллельны одной из кристаллографич. осей. Отрицат. зна­чения индексов Миллера соответст­вуют плоскостям, пересекающим оси координат в отрицат. направлениях. Совокупность симметричных граней одной простой формы кристалла обоз­начается {h, k, l}. При дифракции рентгеновских лучей индексы h, k, l отражающей плоскости характеризуют одновременно положение дифракц. максимума (рефлекса) в обратной ре­шётке.

• См.   лит.   при   ст. Кристаллография.

Б. К. Вайнштейн.

ИНДИКАТРИСА (от лат. inclico — указываю, определяю) (указательная поверхность), вспомогательная по­верхность, характеризующая зависи­мость к.-л. св-ва среды от направле­ния. Для построения И. из одной точки проводят радиусы-векторы, длина к-рых пропорц. величине, характе­ризующей данное св-во в данном на­правлении, напр. электропроводность, показатель преломления, модули упру­гости.

ИНДИКАТРИСА в оптике, изобража­ет зависимость хар-к светового поля (яркости, поляризации) или оптич. хар-к среды (отражат. способности, показателей преломления и др.) от направления. Напр., И. рассея­ния даёт зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния неполяризованного падающего света. Для получения И. из центра полярной диаграммы откладывают отрезки, изо­бражающие в условном масштабе ве­личины соответствующих векторов. Поверхность, на к-рой лежат концы этих векторов, и будет И. Для опти­чески изотропных сред оптич. И.— сфера. И. пользуются в тех случаях, когда аналитич. выражения соответ­ствующих угл. зависимостей сложны или неизвестны, а также при систе­матизации эксперим. данных. См. так­же ст. Кристаллооптика.

Л. Н. Капорский.

ИНДУКТИВНОЕ   СОПРОТИВЛЕНИЕ в аэродинамике, часть аэродинамиче­ского сопротивления крыла, обуслов­ленная вихрями, оси к-рых берут на­чало на крыле и направлены вниз по потоку. Эти, т. н. свободные, вихри происходят от перетекания воздуха у торцов крыла (рис. 1) из области под крылом в область над крылом.

Рис. 1. Схема возникновения торцевого вих­ря в результате перетекания воздуха из об­ласти под крылом в область над крылом.

 

Те­чение воздуха у торцов вызывает по­ток, направленный над крылом от торцов к плоскости симметрии, а под крылом — от плоскости симметрии к торцам; в результате в спутной струе, или следе, за крылом происходит вращение каждой ч-цы вокруг оси, проходящей через неё и параллельной местному вектору скорости v потока; направление вращения при этом про­тивоположно для левого и правого полукрыла (рис. 2). Т. о., возникает непрерывная система вихрей, от­ходящих от каждой точки поверхно­сти крыла.

Рис. 2. Разрез потока за крылом плоско­стью, перпендику­лярной V.

 

Свободные вихри вызывают (ин­дуцируют) в области между торцами крыла потоки, направленные вниз, к-рые, налагаясь на набегающий по­ток, отклоняют последний вниз на

Рис. 3. Схема образования индуктивного со­противления (v_y — скорость, индуцирован­ная свободными вихрями, a — угол атаки).

 

угол Da (угол скоса потока). Пос­кольку подъёмная сила крыла должна быть перпендикулярна набегающему потоку, она отклоняется назад на тот же угол Да (рис. 3). Разлагая эту силу на компоненты вдоль и перпен­дикулярно v, получим И. с. dQ_инд и подъёмную силу dY. Если крыло имеет бесконечно большой размах, И. с. отсутствует.

• Прандтль Л., Гидроаэромеханика, пер. с нем., 2 изд., М., 1951; Л о й ц я н с к и й Л. Г., Механика жидкости и газа, 5 изд., М., 1978.

ИНДУКТИВНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬ (генриметр), прибор для измерения индуктивности элементов электрич. цепей. Действие И. и. основано на тех же методах измерений, что и дей­ствие ёмкости измерителя. Для изме­рений на низких и средних частотах (до 20 кГц) применяют гл. обр. И. и. на основе моста измерительного. На рисунке изображена упрощённая схе­ма И. и. на основе четырёхплечного моста с мерой ёмкости. При больших активных потерях в объекте измерений применяют шестиплечный мост, что облегчает достижение равновесия моста. На ВЧ используют И. и. на основе резонансных методов изме­рений.

Схема электрич. моста для изме­рения индуктив­ности: L_x и r_х — индуктивность и омич. сопротив­ление катушки индуктивности; С₀ и r₀ — регу­лируемые меры ёмкости и актив­ного сопротивле­ния; r₁, и r₂ — со­противления плеч моста; НИ — ну­левой индика­тор, U_пит— напря­жение питания.

 

В кач-ве И. и. применяют также куметр. Совр. И. и. обеспечивают измерение индуктивности в диапазоне 10^-8—10⁵ Гн при осн. погрешности в % от верх. предела измерений до 0,1%.

Техн. требования к И. и. стандар­тизованы в ГОСТе 22261—76, для мо­стовых И.и.— в ГОСТе 9486—79, 9 Электрические измерения, 14 изд., Л., 1973; Справочник по электроизмерительным приборам, 2 изд., Л., 1977.

В. П. Кузнецов.

ИНДУКТИВНОСТЬ (от лат. inductio — наведение, побуждение), ве­личина, характеризующая магн. св-ва электрич. цепи. Ток, текущий в про­водящем контуре, создаёт в окружаю­щем пр-ве магн. поле, причём маг­нитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с ним), прямо пропорционален току I:Ф=LI. Коэфф. пропорциональности L наз. И. или коэфф. самоиндукции контура. И. зависит от размеров и формы кон­тура, а также от магнитной проница­емости окружающей среды. В СИ И. измеряется в генри, в Гаусса системе единиц она имеет размерность длины (1 Гн=10⁹ см).

Через И. выражается эдс самоин­дукции ξ в контуре, возникающая при изменении в нём тока:

(DI изменение тока за время Dt). И. определяет энергию W магн. поля тока I:

W =LI²/2.

Если провести аналогию между элек­трич. и механич. явлениями, то магн. энергию следует сопоставить с кинетич. энергией тела T=mv²/2 (m — масса тела, v — его скорость), при этом И. будет играть роль массы, а ток — скорости. Т. о., И. определяет инерц. св-ва тока.

Для увеличения И. применяют ка­тушки индуктивности с железными сердечниками; в результате зависи­мости магн. проницаемости m фер­ромагнетиков от напряжённости магн.

219

 

 

поля (а следовательно, и от тока) И. таких катушек зависит от I. И. длин­ного соленоида из N витков с пло­щадью поперечного сечения S и дли­ной l в среде с магн. проницаемостью m равна (в ед. СИ): L=mm₀N²S/l, где m₀— магн. проницаемость вакуума.

ИНДУКТИВНОСТЬ ВЗАИМНАЯ, ве­личина, характеризующая магн. связь двух или более электрич. цепей (кон­туров).

Магн. поток через контур 1 с током I₁ (рис.) частично пронизывает площадь, ограниченную конту­ром 2, причём магн. поток Ф₁₂ через контур 2 прямо пропорционален току

Ф₁₂=M₁₂I₁. (1)

Коэфф. пропорциональности М₁₂ за­висит от размеров и формы контуров 1 и 2, расстояния между ними, от их взаимного расположения, а также от магнитной проницаемости окружаю­щей среды. Он наз. И. в. или коэфф. взаимной индукции контуров 1 и 2; в ед. СИ измеряется в генри (Гн). Если ток I₂ течёт в контуре 2, то магн. поток Ф₂₁ через контур 1 так­же пропорц. току I₂:

Ф₂₁=М₂₁I₂, (2)

причём  М₂₁=М₁₂.

Наличие магн. связи между кон­турами проявляется в том, что при изменении тока в одном из них наво­дится эдс в другом. Согласно закону электромагнитной индукции,

где ξ₂ и ξ₁ — возникающие в кон­турах 2 и 1 эдс индукции, a dФ₁₂/dt и dФ₂₁/dt — изменение магн. потоков через соответствующие контуры по времени t.

Через  И.  в.  выражается взаимная энергия W₁₂ магн. поля токов I₁ и I₂:

W₁₂=±M₁₂I₁I₂. (4)

Знак в (4) зависит от направления

токов.

ИНДУКЦИОННЫЕ     УСКОРИТЕЛИ,

ускорители, в к-рых ускоряющее электрич. поле создаётся за счёт из­менения во времени магн. поля (эдс индукции). Циклич. И. у. эл-нов наз. бетатроном. Существуют также линейные И. у., в к-рых эдс индукции создаётся кольцеобразным импульсным магн. полем. См. Ускорители. ИНДУКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ­НЫЙ МЕХАНИЗМ, преобразователь электрич. величины в механич. перемещение; основан на вз-ствии перем. магн. потоков, связанных с измеряе­мой электрич. величиной, с токами, индуцированными ими в подвижной части механизма. Магн. потоки, сдви­нутые по фазе и в пр-ве, образуют «бегущее» магн. поле, пересекающее подвижную часть механизма (токопроводящий диск, цилиндр или катуш­ку; рис.). В результате вз-ствия поля с индуцированными им в подвижной части токами на последнюю действует

 

Принципиальная схема устройства индук­ционного двухпоточного измерит. механизма: 1 — электромагниты, по обмоткам к-рых протекают токи разл. силы (I₁ и I₂); 2 — вращающийся диск; 3— ось диска; устройст­во, создающее тормозной момент, не пока­зано.

 

вращающий момент, пропорц. изме­ряемой величине. В И. и. м., пред­назначенных для счётчиков электрич. энергии, на подвижный диск помимо магн. потоков, создаваемых катуш­ками электромагнитов, ток в одной из к-рых пропорц. напряжению, а в другой — силе тока нагрузки, дей­ствует ещё магн. поток от пост. маг­нита, создающего тормозной (проти­водействующий при вращении диска) момент. Показания счётчика пропорц. числу оборотов диска. Осн. относит. погрешность измерений счётчиков с И. и. м.—1—3% , они обладают сла­бой чувствительностью к внеш. магн. полю и изменениям темп-ры окружаю­щей среды, выдерживают перегрузки. Однако они очень чувствительны к изменению частоты перем. тока в сети и поэтому предназначаются для работы только на определ. частоте (обычно 50 Гц).

• Основы   электроизмерительной   техники. ., 1972.

В. Я. Кузнецов.

ИНДУКЦИОННЫЙ РАЗРЯД, без­электродный разряд в газе, возбуж­даемый ВЧ переменным магн. по­лем. См. Высокочастотный разряд.

ИНДУКЦИОННЫЙ ТОК, ток, воз­никающий в проводящем контуре, находящемся в перем. магн. поле или движущемся в магн. поле. См. Элек­тромагнитная индукция.

ИНДУКЦИЯ ВЗАИМНАЯ, явление, в к-ром обнаруживается магн. связь двух или более электрич. цепей. Бла­годаря этой связи возникает эдс ин­дукции в одном из контуров при изме­нении тока в другом. Количеств. хар-кой магн. связи электрич. цепей явл. индуктивность взаимная. И. в. лежит в основе действия трансформа­торов.

ИНДУКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТ­НАЯ, см. Электромагнитная индук­ция.

ИНДУКЦИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕ­СКАЯ, см. Электростатическая ин­дукция. ИНДУЦИРОВАННОЕ   ИЗЛУЧЕНИЕ, то же, что вынужденное излучение.

ИНЕРТНАЯ МАССА, физ. величина, характеризующая динамич. св-ва тепа. И. м. входит во второй закон Ньютона (и, т. о., явл. мерой инерции тела). Равна гравитац. массе (см. Масса).

ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА ОТСЧЁ­ТА, система отсчёта, в к-рой спра­ведлив закон инерции: матер. точка, когда на неё не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в сос­тоянии покоя или равномерного пря­молинейного движения. Всякая систе­ма отсчёта, движущаяся по отноше­нию к И. с. о. поступательно, рав­номерно и прямолинейно, есть также И. с. о. Следовательно, теоретически может существовать любое число рав­ноправных И. с. о., обладающих тем важным св-вом, что во всех таких сис­темах законы физики одинаковы (прин­цип относительности). В любой И. с. о. справедливы также второй закон Ньютона и законы сохранения кол-ва движения (импульса), момента кол-ва движения и движения центра инер­ции (центра масс) для замкнутых, не подверженных внеш. воздействиям систем. Система отсчёта, движущаяся по отношению к И. с. о. с ускорением, явл. неинерциальной, и ни закон инер­ции, ни др. названные законы в ней не выполняются.

Понятие «И. с. о.» явл. научной аб­стракцией. Реальная система отсчёта всегда связывается с к.-н. конкретным телом (Землёй, корпусом корабля или самолёта и т. п.), по отношению к к-рому и изучается движение тех или иных объектов. Поскольку в природе нет неподвижных тел (тело, неподвиж­ное относительно Земли, будет дви­гаться вместе с нею ускоренно по отношению к Солнцу и звёздам), то любая реальная система отсчёта мо­жет рассматриваться как И. с. о. лишь с той или иной степенью приближении. С очень высокой степенью точности инерциальной можно считать гелио­центрическую (звёздную) систему с на­чалом в центре масс Солн. системы и с осями, направленными на три звезды. Такая И. с. о. используется гл. обр. в задачах небесной механики и кос­монавтики. Для решения большин­ства технич. задач И. с. о. можно считать систему, жёстко связанную с Землёй, а в случаях, требующих боль­шей точности (напр., в гироскопии),— с началом в центре Земли и осями, направленными на звёзды.

При переходе от одной И. с. о. к другой в классич. механике Ньюто­на для пространств. координат и вре­мени справедливы преобразования Га­лилея (см. Галилея принцип относи­тельности), а в релятив. механике — Лоренца преобразования.

• См. лит. при ст. Механика, Относительности теория,

С. М. Тарг.

220

 

ИНЕРЦИИ ЗАКОН, один из осн. за­конов механики, согласно к-рому при отсутствии внеш. воздействий (сил) или когда действующие силы взаимно уравновешены тело сохраняет не­изменным состояние своего движения или покоя относительно инерциальной системы отсчёта. В частности, ма­тер. точка в этом случае находится в покое или движется равномерно и прямолинейно. См. Ньютона законы механики, Динамика.

ИНЕРЦИЯ (от лат. inertia — бездей­ствие) (инертность), в механике свой­ство матер. тел, находящее отражение в 1-м и 2-м Ньютона законах механики. Когда внеш. воздействия на тело (силы) отсутствуют или взаимно урав­новешиваются, И. проявляется в том, что тело сохраняет неизменным сос­тояние своего движения или покоя по отношению к т. н. инерциальной систе­ме отсчёта. Если же на тело действует неуравновешенная система сил, то И. сказывается в том, что изменение сос­тояния покоя или движения тела, т. е. изменение скоростей его точек, про­исходит постепенно, а не мгновенно; при этом движение изменяется тем медленнее, чем больше И. тела. Мерой И. тела явл. его масса.

Термин «И.» применяют также по отношению к разл. приборам, пони­мая под И. прибора его св-во пока­зывать регистрируемую величину с нек-рым запаздыванием.

ИНЖЕКЦИОННЫЙ ЛАЗЕР, полу­проводниковый лазер, в к-ром для создания инверсии населённости ис­пользуется инжекция избыточных эл-нов и дырок в прямом (пропускном) направлении через нелинейный ПП контакт, обычно через р — n-переход или гетеропереход. Важнейшей раз­новидностью И. л. явл. гетеролазер, включающий два гетероперехода, меж­ду к-рыми находится активный слой с более узкой запрещённой зоной, чем в прилегающих слоях. И. л. имеет в кач-ве оптич. резонатора плоскопа­раллельные зеркальные грани самого кристалла или выносные зеркала. Хар-ки нек-рых И. л. даны в табл. в ст. Полупроводниковый лазер.

П. Г. Елисеев.

ИНЖЕКЦИЯ носителей (от лат. injectio — вбрасывание), проникновение неравновесных (избыточных) носите­лей заряда в полупроводник или ди­электрик под действием электрич. по­ля. Источником избыточных носи­телей служит контактирующий ПП или металл (см. Электронно-дыроч­ный переход), свет (ф о т и н ж е к ц и я), само электрич. поле (лавин­ная И.) и т. п. При контактной И. внеш. электрич. поле нарушает рав­новесие потоков носителей заряда че­рез контакт двух тв. тел с разными работами выхода Ф. При приведе­нии тв. тел в контакт возникают диф­фузионные потоки носителей, приво­дящие к тому, что в приконтактной области одно тело заряжается поло­жительно, а другое — отрицательно. Вблизи контакта возникает электрич.

поле, создающее потоки носителей заряда, к-рые компенсируют диффу­зионные потоки. Если внеш. поле на­правлено против контактного, то по­является поток избыточных эл-нов из тела с меньшей Ф в тело с большей Ф и поток избыточных дырок в обратном направлении.

И. основных носителей создаёт нескомпенсированный пространств. заряд, поле к-рого препятствует их проникновению в глубь ПП и ог­раничивает инжекц. ток. И. основ­ных носителей наблюдается в слоях высокоомных полупроводников и ди­электриков, толщина к-рых сравнима с глубиной проникновения неравно­весных носителей. Она осуществля­ется в антизапирающих контактах. В ПП с высокой электропроводно­стью а (напр., в Ge и Si) И. основных носителей не наблюдается, т. к. глу­бина их проникновения крайне мала.

При И. неосновных носителей их заряд нейтрализуется основными носи­телями. Поэтому в ПП с высокой а неосновные носители могут переме­щаться за счёт амбиполярной диффу­зии и амбиполярного дрейфа носите­лей. Глубина проникновения избы­точных носителей ограничивается ре­комбинацией. При малой напряжён­ности электрич. поля она определя­ется длиной диффузии (Dt)^1/2, где D — коэфф. амбиполярной диффузии, т — время жизни носителей; в до­статочно сильном поле Е она ~mЕt; (m — амбиполярная подвижность). Ко­эфф. И. наз. отношение тока неоснов­ных носителей через контакт к полно­му току. И. осуществляется запираю­щими контактами.

Хотя в ПП с высокой s И. основных носителей не происходит, вблизи ан­тизапорных контактов всё же воз­можно появление неравновесных носи­телей заряда. Внешне это явление (т.н. аккумуляция) напоми­нает И., но имеет др. природу. Оно наблюдается при таком направлении поля, когда неосновные носители дви­жутся к контакту. При включении по­ля ток неосновных носителей через антизапирающий контакт меньше, чем в объёме ПП, и они накапливаются вблизи контакта. Заряд избыточных неосновных носителей нейтрализует­ся непрерывно натекающими из объё­ма основными. Глубина области на­копления значительно превосходит длину экранирования. В слабых по­лях она ~(Dt)^1/2, в сильном поле она меньше. И. лежит в основе работы многих ПП приборов.

• Ламперт М., Марк П., Инжекционные токи в твердых телах, пер. с англ., М., 1973; Вопросы пленочной электроники, М., 1966.

В. А. Сабликов.

ИНКЛЮЗИВНЫЙ ПРОЦЕСС  (от англ. inclusive — включающий в се­бя), процесс неупругого вз-ствия ч-ц, при к-ром регистрируется лишь часть ч-ц (одна или несколько), образую­щихся в реакции. См. Множествен­ные процессы, Глубоко неупругие про­цессы.

ИНСТАНТОН, особый вид колебаний вакуума, при к-ром в нём спонтанно вспыхивает и гаснет сильное глюонное поле. Этот процесс, будучи квант. явлением, не противоречит закону сохранения энергии в силу принципа неопределённости. Поле внутри И. имеет нетривиальную топологию, т. е. не может быть сведено к нулю не­прерывной деформацией.

Для матем. описания И. использует­ся формальный приём, приводящий к важной физ. аналогии. Доказано, что распространение инстантонных флук­туации, происходящее с дефицитом энергии, можно описывать как классич. движение, если время считать мни­мым. При этом исходное пространст­во-время Минковского (четырёхмерное пространство-время спец. теории отно­сительности) становится математиче­ски эквивалентным евклидову пр-ву и задача в вакууме сводится к задаче классич. статистич. механики нек-рых четырёхмерных «частиц». Такие псевдочастицы могут быть разных типов; не все из них до конца изучены, одна­ко уже учёт известных псевдочастиц — И. приводит к важным физ. явлениям. Напр., при введении кварков внутрь газа (или жидкости) из псевдочастиц (т. е. при рассмотрении кварков в ва­кууме) псевдочастицы «сжимают» кулоновское глюонное поле кварков, сос­редоточивая его в струноподобной области, что может привести к т. н. «пленению» кварков (см. Удержание «цвета», Квантовая хромодинамика). Пока неясно, являются ли И. доми­нирующими псевдочастицами, но их существ. роль в сильном вз-ствии несомненна.

Другое применение идея И. на­ходит в теории гравитации. Благодаря рождению гравитационных И. пр-во приобретает сложную топологич. структуру (оказывается изрытым «кро­товыми норами» и др. топологич. обра­зованиями). Такая пространственно-временная «пена» приводит к необыч­ным следствиям (напр., к нарушению закона сохранения барионного заряда) на расстояниях порядка планковской длины (~10^{-33 см) и должна играть важную роль в будущих попытках объединения всех фундам. вз-ствий (включая гравитационное).}

• PolyakovA., Compact gauge fields and the infrared catastrophe, «Physics letters», 1975, v. 59B, № 1, p. 82—84; В е 1 a v i n A. (et al.), Pseudoparticle solu­tions of the Yang-Mills equations, «Physics Letters», 1975, v. 59 B, № 1, p. 85; Белавин А. А., Поляков А. М., Метастабильные состояния двумерного изотропного ферромагнетика, «Письма в ЖЭТФ», 1975, т. 22, с. 503.

А. М. Поляков.

ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА, раздел совр. оптики, осн. задачей к-рого явл. изучение и использование особен­ностей генерации, распространения и преобразования световых волн в тон­ких слоях прозрачных материалов, а

221

 

 

также разработка принципов и ме­тодов создания и интеграции оптич. и оптоэлектронных волноводных эле­ментов, способных эффективно управ­лять световыми потоками. И. о. воз­никла в 70-х гг. 20 в.

Важнейшими элементами И. о. явл. тонкоплёночные и диффузные диэлектрич. микроволноводы, образу­ющиеся за счёт резкого или плавного изменения показателя преломления среды. Они изготовляются путём на­пыления тонких плёнок на подложки из материала с более низким показа­телем преломления, а также с по­мощью диффузии, ионной импланта­ции, эпитаксиального наращивания и др. методами.

Локализация световых потоков в оптич. микроволноводах, имеющих толщину порядка длины световой вол­ны, приводит к ряду эффектов, не имеющих аналогов в обычной оптике, использующей, как правило, свето­вые пучки с поперечными размерами, значит. превышающими длину волны.

В оптич. микроволноводах осуще­ствляется волноводный режим (см. Волновод), т. е. распространяется по­верхностная световая волна. Это при­водит к таким эффектам, как сущест­вование собств. волноводных мод с дискр. спектром фазовых скоростей; изменение эфф. показателя преломле­ния среды с изменением геом. разме­ров микроволноводов; концентрация световой энергии на большом протя­жении без дифракц. расходимости; возможность фазового синхронизма волн разл. частот в изотропном матери­але; резонансная связь световых по­токов неск. волноводов и т. п. Эти волноводные эффекты дают возмож­ность реализовать на единой подлож­ке конструкции интегр. оптич. схем из отд. волноводных элементов, та­ких, как тонкоплёночные генераторы, модуляторы и дефлекторы света, ча­стотные фильтры, направленные ответвители и др. Интегр. оптич. схе­мы позволяют также на неск. поряд­ков снизить мощность, необходимую для электронного управления свето­выми потоками. Существ. роль в создании интегр. оптич. схем играют ПП структуры с гетеропереходами.

И. о. расширяет функциональные возможности оптич. и оптоэлектрон­ных устройств, открывает широкие перспективы для их миниатюризации, позволяет на принципиально новом уровне решать задачи создания оптич. линий связи, систем оптич. обработки информации, быстродействующих ЭВМ.

• Гончаренко А. М., Р е д ь к о В. П., Введение в интегральную оптику, Минск, 1975; К и с е л е в В. А., Прохо­ров А. М., Оптические процессы в тонко­пленочных лазерах и волноводах с произ­вольным распределением показателя пре­ломления, «Квант. электрон.», 1977, т. 4, no 3, с. 544; Интегральная оптика, под ред. Т. Тамира, пер. с англ., М., 1978.

Е. Л. Портной.

ИНТЕНСИВНОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ (от лат. intensio — напряжение, усиле­ние), величина, определяющая выз­ванное деформацией изменение угла между выбранными направлениями, одинаково наклонёнными к гл. осям деформации в точке (октаэдрич. сдвиг). Через компоненты тензора деформации e_ij (см. Деформация механическая) И. д. e_и выражается ф-лой:

Применяется в Пластичности теории.

ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКА (сила зву­ка), средняя по времени энергия, пе­реносимая за ед. времени звук. вол­ной через единичную площадку, пер­пендикулярную направлению рас­пространения волны. Для периодич. звука усреднение производится либо за промежуток времени, большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов. Для плоской сину­соидальной бегущей волны И. з. I равна: I=pv/2=p²/2rc, где р — ам­плитуда звукового давления, v — ам­плитуда колебательной скорости, r — плотность среды, с — скорость звука в ней. В сферической бегущей волне И. з. обратно пропорциональна квад­рату расстояния от источника. В стоя­чей волне I=0, т. е. потока звук. энер­гии в среднем нет.

И. з. измеряется в СИ в Вт/м² [в системе ед. СГС — в эрг/(с•см)²] И. з. оценивается также уров­нем интенсивности по шкале децибел; число децибел N=10lg(I/I₀), где I — интенсивность данного звука, I₀=10^-12 Вт/м².

ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ (ин­тенсивность лучистого потока), пол­ный поток энергии излучения, прохо­дящий за ед. времени через единичную площадку в направлении нормали к ней и рассчитанный на ед. телесного угла. Понятие «И. и.» применяется в теории равновесного излучения, в тео­рии переноса излучения, в теории лу­чистого теплообмена, в фотометрии. Вместо термина «И. и.» используется также термин «яркость излучения». В системе световых величин аналогич­ная величина наз. интенсивностью светового потока (интенсивностью све­та)

М. А. Ельяшевич.

ИНТЕНСИВНОСТЬ НАПРЯЖЕНИЙ, величина, определяющая касат. на­пряжение на элем. площадке, одина­ково наклонённой к гл. осям напря­жений в точке (октаэдрич. касат. напряжение). Через компоненты тен­зора напряжений s_ij И. н. s_ij вы­ражается ф-лой:

Применяется в пластичности теории.

ИНТЕНСИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ в тер­модинамике, параметры (давление, темп-pa, концентрация и др.), не за­висящие от массы системы, т. е. име­ющие одинаковые значения для лю­бой макроскопич. части однородной термодинамич. системы, находящейся в равновесии.

ИНТЕРВАЛ четырёхмерный (интер­вал), в теории относительности — ве­личина, характеризующая связь меж­ду пространств. расстоянием и про­межутком времени, разделяющими два события. С матем. точки зрения И. есть «расстояние» между двумя собы­тиями в четырёхмерном пространстве-времени.

В специальной (частной) теории относительности квадрат И. (s_ab) между двумя событиями А и В равен:

s_AB=с²(Dt)²-(Dr)², где Dt и Dr — соотв. пространств. расстояние и про­межуток времени между этими собы­тиями. И. между событиями остаётся неизменным при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к дру­гой, т. е. инвариантен относительно Лоренца преобразований (тогда как Dr и Dt зависят от выбора системы отсчёта). Если s²_AB>0, то И. наз. времен и подобным; в этом случае существует система отсчёта, в к-рой события происходят в одной пространств. точке (Dr=0) и s_ab=cDt, т. е. И. равен промежутку времени между событиями в этой системе, умноженному на скорость света. Если s²_AB<0, то И. наз. пространственноподобным; в этом случае существует сис­тема отсчёта, в к-рой события про­исходят одновременно (Dt=0) и рас­стояние между ними Dr=is_AB. При s_AB=0 И. наз. нулевым; в этом случае Dr=сDt всегда, т. е. события в любой системе отсчёта могут быть связаны световым сигналом (см. От­носительности теория).

В общей теории относительности, рассматривающей искривлённое про­странство-время при наличии тяго­тения, всё сказанное об И. справед­ливо для бесконечно близких собы­тий (см. Тяготение).

И. Д. Новиков.

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ КАРТИ­НА, регулярное чередование обла­стей повыш. и пониж. интенсивности света, получающееся в результате наложения когерентных све­товых пучков, т. е. в условиях посто­янной (или регулярно меняющейся) разности фаз между ними (см. Интер­ференция света). Для сферич. волны макс. интенсивность наблюдается при разности фаз, равной чётному числу полуволн, а минимальная — при раз­ности фаз, равной нечётному числу полуволн. См. также Полосы равной толщины.

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ МИКРО­СКОПИЯ (метод интерференционного контраста), основана на интерферен­ции световых пучков, прошедших через прозрачную или слабопоглощающую ч-цу в-ва и миновавших её. Световая волна, прошедшая через ч-цу, за-

222

 

 

паздывает по фазе — возникает раз­ность хода лучей d, к-рая может быть измерена компенсатором оптическим. Пользуясь ф-лой d=Nl= (n₀-n_m)d (где n₀, n_m— показатели преломления ч-цы и окружающей среды, d — толщина ч-цы, N — порядок интерферен­ции, l — длина волны света), можно определять размеры и показатели пре­ломления разл. объектов исследования (гл. обр. биологических), И, м. в отличие от метода фазового контраста даёт возможность, используя компен­саторы, измерять б с высокой точ­ностью ~(¹/₃₀₀)l. Это открывает возможности количеств. исследований структуры живой клетки. К И. м. относят также методы измерения не­ровностей на поверхностях, определе­ния толщины плёнок, величины ма­лых перемещений с помощью микро­интерферометра .

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН (от лат. inter — взаимно, между собой и ferio— ударяю, поражаю), сложение в пр-ве двух (или нескольких) волн, при к-ром в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды ре­зультирующей волны. Интерференция характерна для волн любой приро­ды; волн на поверхности жидкости, упругих (напр., звуковых), эл.-магн. (напр., радиоволн или свето­вых).

При И. в. результирующее коле­бание в каждой точке представляет собой геом. сумму колебаний, соот­ветствующих каждой из складываю­щихся волн. Этот т. н. суперпозиции принцип соблюдается обычно с боль­шой точностью и нарушается только при распространении волн в к.-л. среде, если амплитуда (интенсив­ность) волн очень велика (см. Не­линейная оптика, Нелинейная аку­стика). И. в. возможна, если они когерентны (см. Когерентность).

Простейший случай И. в.— сложе­ние двух гармонических волн одина­ковой частоты при совпадении нап­равления (поляризации) колебаний в складывающихся волнах. В этом слу­чае амплитуда А результирующей вол­ны в к.-л. точке пр-ва равна:

A = Ö(A²₁+A²₂+2A₁A₂cosj) ,

где а₁ и А₂— амплитуды складываю­щихся волн, а j — разность фаз между ними в рассматриваемой точке. Если волны когерентны, то разность фаз j остаётся неизменной в данной точке, но может изменяться от точки к точке и в пространстве получается нек-рое распределение амплитуд результирую­щей волны с чередующимися макси­мумами и минимумами. Если ампли­туды складывающихся волн одинако­вы: A₁=A₂, то макс. амплитуда равна удвоенной амплитуде каждой волны, а минимальная равна нулю. Геом. места равной разности фаз, в частности соот­ветствующей максимумам или мини­мумам, представляют собой поверх­ности, зависящие от св-в и расположения источников, излучающих скла­дывающиеся волны. Напр., в случае двух точечных источников, излучаю­щих сферич. волны, эти поверхности — гиперболоиды вращения.

Другой важный случай И. в.— сложение двух плоских волн одина­ковой частоты, распространяющихся в противоположных направлениях (напр., прямой и отражённой), при­водящее к образованию стоячих волн,

При И, в. происходит также пере­распределение потока энергии волны в пр-ве. Характерное для И. в. рас­пределение амплитуд с чередующими­ся максимумами и минимумами оста­ётся неподвижным в пр-ве (или пере­мещается столь медленно, что за вре­мя, необходимое для наблюдений, мак­симумы и минимумы не успевают сме­ститься на величину, сравнимую с рас­стоянием между ними), и его можно наблюдать только в случае, если вол­ны когерентны. Если волны не коге­рентны, то разность фаз j быстро и бес­порядочно изменяется, принимая все возможные значения, так что cos j=0. В этом случае ср. значение амплитуды результирующей волны оказывается одинаковым в разл. точках, макси­мумы и минимумы размываются и интерференц. картина исчезает. Ср. ква­драт результирующей амплитуды при этом равен сумме ср. квадратов ам­плитуд складывающихся волн, т. е. при сложении волн происходит сло­жение потоков энергии или интенсивностей.

Явление И. в. используется, напр., для создания в радиотехнике и аку­стике сложных антенн, в к-рых нужные св-ва направленности получают за счёт И. в. от различных «эле­ментарных» излучателей. Особенно большое значение И. в. имеет в оптике (см. Интерференция света). И. в. ле­жит в основе оптич. и акустич. голо­графии. Поскольку между длиной волны, разностью хода интерферирую­щих лучей и расположением максиму­мов и минимумов существует вполне определ. связь, можно, зная разности хода интерферирующих волн, по рас­положению максимумов и минимумов определить длину волны, и наоборот, зная длину волны, по расположению максимумов и минимумов определять разность хода лучей, т. е. измерять расстояния. И. в. используется в оптич. интерферометрах, радиоин­терферометрах, интерференц. радио­дальномерах и т. д.

• Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; П е й н Г., Физика колеба­ний и волн, пер. с англ., М., 1979.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ПОЛЯРИЗО­ВАННЫХ ЛУЧЕЙ света, явление, возникающее при сложении когерент­ных поляризованных световых коле­баний (см. Поляризация света). Наи­больший контраст интерференцион­ной картины наблюдается при сло­жении колебаний одного вида поляри­зации (линейных, круговых, эллип­тических) с совпадающими азимута-

ми. Ортогональные колебания не ин­терферируют. Так, при сложении двух линейно поляризованных взаимно перпендикулярных колебаний в общем случае возникает эллиптически по­ляризованное колебание, интенсив­ность к-рого равна сумме интенсивностей исходных колебаний.

И. п. л. можно наблюдать, напр., при прохождении линейно поляризо­ванного света через анизотропные среды. Попадая в такую среду, луч разделяется на два когерентных, по­ляризованных во взаимно перпендику­лярных плоскостях луча, имеющих разные скорости распространения, вследствие чего между ними возникает разность фаз, зависящая от расстоя­ния, пройденного ими в в-ве. Если повернуть плоскость поляризации од­ного из лучей до совпадения с пло­скостью поляризации другого луча или выделить из обоих лучей ком­поненты с одинаковым направлением колебаний, то такие лучи будут ин­терферировать.

Схема наблюдения И. п. л. в парал­лельных лучах показана на рис. 1,а. Пучок параллельных лучей выходит из поляризатора n₁ линейно поляризо­ванным в направлении N₁N₁. В пла­стинке К, вырезанной из двоякопреломляющего одноосного кристалла па­раллельно его оптич. оси ОО и рас­положенной перпендикулярно пада­ющим лучам, происходит разделение

луча на составляющую А_е (рис. 1, б) с колебаниями параллельно ОО (не­обыкновенный луч) и составляющую А₀ с колебаниями перпендикулярно ОО (обыкновенный луч). Для повы­шения контраста интерференц. кар­тины угол между N₁ и А₀ устанавлива­ют равным 45°, благодаря чему ампли­туды колебаний А_е и А₀ равны.

Показатели преломления материала пластинки К для этих двух лучей (n_е и n₀) различны, а следовательно, различны скорости их распростране­ния в К, вследствие чего эти лучи, распространяясь по одному направле­нию, приобретают разность хода. Раз­ность фаз d их колебаний при выходе

из   К равна: d=2pl/l (n₀-n_e), где l — толщина К, l — длина волны падаю­щего света. Анализатор N₂ пропуска­ет из каждого луча только слагающую с колебаниями в плоскости его гл. сечения N₂N₂. Если N₁^N₂ (оптич. оси анализатора и поляризатора скре­щены), амплитуды слагающих a₁ и А₂ равны, а разность фаз D=d+p. Лучи

223

 

 

когерентны и интерферируют между собой. В зависимости от величины D на к.-л. участке пластинки К на­блюдатель видит этот участок тём­ным [D=(2k+1)p, k — целое число] или светлым (D=2kp) в монохроматич. свете и окрашенным — в белом (хроматическая поляри­зация). Если пластинка К неодно­родна по толщине или по показателю преломления, её участки, в к-рых

Рис. 2. Схема для наблюдения хроматич. по­ляризации в сходящихся лучах: N₁ — поля­ризатор; N₂ — анализатор; К — пластинка толщиной l, вырезанная из одноосного двулучепреломляющего кристалла перпенди­кулярно его оптич. оси; L₁, L₂ — линзы.

эти параметры одинаковы, видны со­ответственно одинаково тёмными или светлыми или одинаково окрашенны­ми. Линии одинаковой цветности наз. изохромами.

Пример И. п. л. в сходящихся лучах показан на рис. 2. Сходящийся плоскополяризов. пучок лучей из лин­зы l₁ падает на пластинку, вырезан­ную из одноосного кристалла перпен­дикулярно его оптич. оси. При этом лучи разного наклона проходят раз­ные пути в пластинке, а необыкновен­ный и обыкновенный лучи приобретают

разность хода D=(2pl/lcosy)(n₀-n_e), где y — угол между направлением распространения обоих лучей и нор­малью к поверхности кристалла. Интерференц. картина для этого случая дана на рис. 3,а. Точки, соответствую­щие одинаковым разностям фаз, рас­положены по концентрич. окружно­стям (тёмным или светлым, в зависимо­сти от D).

Рис.  3.  Интерференция поляризов.  лучей в сходящихся лучах   при  N₁^N₂ для одноос­ного    двулучепреломляющего    кристалла: а — срез перпендикулярен оптич.  оси;  б — срез параллелен оптич. оси.

И. п. л. находит широкое приме­нение в кристаллооптике, для иссле­дования состояния поляризации све­та, напряжений.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА, прост­ранственное перераспределение энер­гии светового излучения при наложе­нии двух или неск. световых волн;

частный случай общего явления ин­терференции волн. Нек-рые явления И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном в 17 в., однако не могли быть им объяс­нены с точки зрения его корпускуляр­ной теории (см. Оптика). Правильное объяснение И. с. как типично волно­вого явления было дано в нач. 19 в. франц. физиком О. Ж. Френелем и англ. учёным Т. Юнгом. Наиболее часто наблюдается И. с., характери­зующаяся образованием стационар­ной (постоянной во времени) интерфе­ренционной картины (и. к.) — регу­лярного чередования областей повы­шенной и пониженной интенсивности света (см., напр., Ньютона кольца); к явлениям И. с. относятся также све­товые биения и явления корреляции интенсивности (см. ниже). Строгое объяснение этих явлений требует учё­та как волновых, так и корпускуляр­ных св-в света и даётся на основе квант. электродинамики.

Стационарная И. с. воз­никает при наличии пост. разности фаз (или определ. корреляции фаз)

Рис. 1. Схема опыта Юнга. Справа сплошной линией пред­ставлена зависимость интенсив­ности на экране от координа­ты, нормальной щелям; пунк­тиром показана освещённость экрана при поочерёдном закры­вании щелей.

 

налагающихся волн (см. Когерент­ность). До появления лазеров коге­рентные световые пучки могли быть получены только путём разделения и последоват. сведения лучей, исходя­щих из одного и того же источника (см., напр., Френеля зеркала). Требо­вание когерентности налагает огра­ничения на угл. размеры источника и на ширину спектра излучения. Так, напр., в классич. опыте Юнга, в к-ром малый источник с линейным размером излучающей поверхности S освещает две узкие щели (рис. 1), когерентность обеспечивается услови­ем: S£lR/d, где l — ср. длина волны света, R — расстояние от источника до экрана со щелями, d — расстоя­ние между щелями. Когерентность также зависит от разности хода d интерферирующих лучей, к-рая, бу­дучи выраженной в длинах световых волн, наз. порядком интерференции. С ростом б когерентность, а вместе с ней и контраст и. к. падает тем бы­стрее, чем шире спектр Dl света. Макс. разность хода, при к-рой и. к. ещё видна, имеет порядок

(Dl)^-1. В белом свете наблюдается и. к. са­мых низких порядков (1—2-го), при­чём окрашенная, поскольку положение максимумов и минимумов интен­сивности света на и. к. зависит от l. Для узких спектр. линий порядок И. с. может доходить до 10⁵—10⁶, что соответствует разности хода в неск. см. Для наиболее монохроматических лазерных источников допустимая раз­ность хода измеряется тысячами км.

Ограничения, связанные с когерент­ностью, могут быть поняты из рассмо­трения наложения и. к. от отдельных точек реального источника. При слиш­ком больших размерах источника сум­марная и. к. оказывается смазанной.

Различают двухлучевую и многолу­чевую И. с. В первом случае свет в каждую точку и. к. приходит от об­щего источника по двум путям, как на рис. 1, при этом распределение интенсивности на и. к. явл. гармонич. ф-цией (cos²2pd/l). Многолучевая

И. с. возникает при наложении мн. когерентных волн, получаемых деле­нием исходного волн. фронта с по­мощью многократных отражений (напр., в интерферометре Фабри —

Перо) или дифракцией на многоэле­ментных периодич. структурах (см., напр., Дифракционная решётка, Майкельсона эшелон). При многолучевой И. с. интенсивность и. к. явл. перио­дической, но не гармонич. ф-цией d (рис. 2). Резкая зависимость интенсивности и. к. от длины волны при многолучевой И. с. широко использу­ется в спектр. приборах.

Рис. 2. Зависимость интенсивности в интерференц. картине интерферометра Фабри — Перо от разности хода d.

 

Из естеств. проявлений И. с. наи­более известно радужное окрашива­ние тонких плёнок (масляные плён­ки на воде, мыльные пузыри, окисные плёнки на металлах), возникающее вследствие И. с., отражённого двумя поверхностями плёнки. В тонких плён­ках перем. толщины при освещении

224

 

 

протяжённым источником локализа­ция и. к. происходит на поверхности плёнки, при этом данная интерференц. полоса соответствует одной и той же толщине плёнки (полосы равной тол­щины). В белом свете полосы окраше­ны. В тонких плёнках строго пост. толщины (с точностью до долей Я) одинаковую разность хода имеют лу­чи, падающие на плёнку под одним и тем же углом, и интерференц. полосы наз. полосами равного наклона. Они локализованы в бесконечности, и на­блюдать их можно в фокальной пло­скости линзы. Если при наблюдении И. с. от обычных источников света и. к. имеет малую яркость и размеры, то при использовании лазеров явле­ния И. с. настолько ярки и характер­ны, что нужны особые меры для полу­чения равномерной освещённости. Чрезвычайно высокая когерентность лазерного излучения приводит к появ­лению помех интерференц. происхо­ждения при наблюдении объектов, освещённых лазером. При лазерном освещении произвольной шероховатой поверхности глаз воспринимает хаотич. картину световых пятен, мерцаю­щую при перемещении наблюдателя (нерегулярная и. к., к-рая при обыч­ном освещении не наблюдается).

К явлениям И. с. относятся также световые биения, возникаю­щие при наложении световых полей разных частот. В этом случае обра­зуется бегущая в пр-ве и. к., так что в заданной точке интенсив­ность света периодически меняется во времени с частотой, равной разно­сти частот интерферирующих волн. Биения возникают в обычных (не­лазерных) схемах И. с. при измене­нии во времени хода интерферирую­щих лучей. Наблюдение биений в излу­чении независимых источников света возможно только для лазерных источ­ников.

Эффектами, родственными световым биениям, явл. корреляции ин­тенсивности, наблюдаемые при установке двух фотоприёмников (напр., счётчиков фотонов) в пределах пло­щади когерентности. На интервалах времени порядка (или менее) обрат­ной ширины спектра излучения обна­руживается превышение числа пар­ных фотонных совпадений над фоном случайных событий. Зависимость это­го превышения от расстояния между счётчиками позволяет судить о пло­щади когерентности поля излучения, что нашло применение для измерения диаметра звёзд наряду с традиционным методом звёздного интерферометра.

И. с. широко используется при спе­ктральном анализе для точного изме­рения расстояний и углов, в рефрак­тометрии, в задачах контроля кач-ва поверхностей, для создания све­тофильтров, зеркал, просветляющих покрытий и др.; на явлениях И. с. основана голография. Важный слу­чай И. С.— интерференция поляризо­ванных лучей.

 

• Борн М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; Калитеевский Н. И., Волновая оптика, 2 изд., М., 1978; Вольф Э., Мандель Л., Когерентные свойства оптических полей, «УФН», 1965, т. 87, в. 3, с. 491; 1966, т. 88, в. 2, с. 347; Клаудер Дж., С у д а р ш а н Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970.

Е. Б. Александров.

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СОСТОЯНИЙ, суперпозиция состояний квантовомеханич. системы, определяемая прин­ципом суперпозиции. См. Квантовая механика.

ИНТЕРФЕРОМЕТР, измерительный прибор, основанный на интерференции волн. Существуют И. для звук. волн и для эл.-магн. волн (оптических и радиоволн). Оптич. И. применяются для измерения оптич. длин волн спектр. линий, показателей преломле­ния прозрачных сред, абс. и относит. длин объектов, угл. размеров звёзд и пр., для контроля кач-ва оптич. де­талей и их поверхностей и т. д.

Принцип действия всех И. одина­ков, и различаются они лишь метода­ми получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства простран­ственно разделяется на два или боль­шее число когерентных пучков (см. Когерентность), к-рые проходят разл. оптич. пути, а затем сводятся вместе, и наблюдается результат их интер­ференции (см. Интерференция света). Вид интерференционной картины за­висит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, оптич. раз­ности, хода, относит. интенсивности, размеров источника, спектр. состава света.

Методы получения когерентных пучков в И. разнообразны, и потому существует большое число разл. кон­струкций И. По числу интерферирую­щих пучков света оптич. И. можно разделить на многолучевые и двухлучевые. Многолучевые И. применя­ются гл. обр. как интерференционные спектральные приборы для исследова­ния спектр. состава света. Двухлучевые И. используются и как спектр. приборы, и как приборы для физ. и техн. измерений.

Примером двухлучевого И. может служить интерферометр Майкельсона (рис. 1). Парал­лельный пучок света источника L, проходя через объектив O₁ и попадая на полупрозрачную пластинку Р₁ разделяется на два когерентных пучка 1 и 2. После отражения от зеркал m₁ и М₂ и повторного прохождения луча 2 через пластинку P₁ оба пучка про­ходят в направлении А О через объек­тив O₂ и интерферируют в его фокаль­ной плоскости D. Наблюдаемая интер­ференц. картина соответствует интер­ференции в возд. слое, образованном зеркалом M₂ и мнимым изображением М'₁ зеркала M₁ в пластинке P₁. Оп­тич. разность хода при этом равна: D=2(AC-АВ)=2l, где l — расстояние между M₂ и M'₁. Если зеркало М₁ расположено так, что М'₁ и М₂ па­раллельны, то образуются полосы рав­ного наклона, локализованные в фо­кальной плоскости объектива O₂ и имеющие форму концентрич. колец. Если же M₂ и М'₁ образуют возд. клин, то возникают полосы равной толщины, локализованные в плоскости клина M₂M'₁ и представляющие собой параллельные линии.

Рис. 1. Схема интер­ферометра Майкель­сона: Р₂ — пластин­ка, компенсирующая дополнит. разность хода, появляющуюся за счёт того, что луч 1 проходит только один раз через пла­стинку P₁; D — диа­фрагма.

 

Интерферометром Майкельсона ши­роко пользуются в физ. измерениях и техн. приборах. С его помощью впер­вые была измерена абс. величина дли­ны волны света, доказана независи­мость скорости света от движения ис­точника и др. (см. Майкельсона опыт). Он используется и как спектральный прибор, позволяющий анализировать спектры излучения с высоким разре­шением, доходящим до ~0,005 см^-1 (см. Фурье спектроскопия).

Интерферометр Майкельсона при­меняется в технике для абс. и отно­сит. измерений длин эталонных пла­стинок с точностью до 0,005 мкм. В со­четании с микроскопом он позволяет по виду интерференц. картины изме­рять величину отступлений от пло­скости и форму микронеровностей металлич. поверхностей.

Существуют двухлучевые И., пред­назначенные для измерения показа­телей преломления газов и жидко­стей — интерференц. рефрактометры.

Рис. 2. Схема ин­терферометра Жамена.

 

Один из них — интерферо­метр Жамена (рис. 2). Пучок монохроматич. света S после отраже­ния от передней и задней поверхностей первой стеклянной пластинки Р₁ раз­деляется на два пучка S₁ и S₂. Пройдя через кюветы К₁ и К₂ и отразившись от поверхностей стеклянной пластин-

225

 

 

ки Р₂- слегка повёрнутой относительно p₁, пучки попадают в зрит. трубу Т, где интерферируют, образуя прямые полосы равного наклона. Если одна из кювет наполнена в-вом с показате­лем преломления n₁, а другая — с n₂, то по смещению интерференц. картины на число полос т по сравнению со слу­чаем, когда обе кюветы наполнены одним и тем же в-вом, можно найти

Рис. 3. а —схема звёздного интерферометра Майкельсона; б — вид интерференц. картин.

 

Dn=n₁-n₂=ml/l (l — длина волны света, l — длина кюветы). Точность измерения Dn очень высока и дости­гает 7-го и даже 8-го десятичного зна­ка.

Для измерения угл. размеров звёзд и угл. расстояний между двойными звёздами применяется звёздный интерферометр Майкельсона (рис. 3, а). Свет от звезды, отразив­шись от плоских зеркал М₁, М₂, М₃, M₄, образует в фокальной плоскости телескопа интерференц. картину. Угл. расстояние между соседними макси­мумами q=l/D, где D — расстояние между зеркалами M₁ и М₂ (рис. 3, а). При наличии двух близких звёзд, находящихся на угл. расстоянии j, в телескопе образуются две интерференц. картины, также смещённые на угол j, ухудшая видимость полос. Измене­нием D добиваются наихудшей види­мости картины, что будет при условии

j=¹/₂q=l/2D, откуда можно опре­делить j.

Многолучевой интер­ферометр Фабри — Перо (рис. 4) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок Р₁ и Р₂, на обращённые друг к другу и парал­лельные между собой поверхности к-рых нанесены зеркальные покрытия с высоким (85—98%) коэфф. отраже­ния. Параллельный пучок света, па­дающий из объектива О₁, в результате многократного отражения от зеркал образует большое число параллельных

когерентных пучков с пост. разностью хода D=2nhcosq между соседними пучками, но разл. интенсивности. В ре­зультате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива О₂ образуется интерференц. картина, имеющая форму концентрич. колец с резкими интенсивными максимума­ми, положение к-рых определяется из условия D=ml (m — целое число), т. е.

 

Рис. 4. Схема интерферометра Фабри — Пе­ро (S — источник света).

 

зависит от длины волны. Поэтому ин­терферометр Фабри — Перо разлагает сложное излучение в спектр. Приме­няется такой И. и как интерференци­онный спектр. прибор высокой разре­шающей силы, к-рая зависит от ко­эфф. отражения зеркал r и от расстоя­ния h между пластинками, возрастая с их увеличением. Так, напр., при r=0,9,h=100 мм, l= 5000Å ми­нимальный разрешаемый интервал длин волн dl=5*10^-4 Å. Специальные сканирующие интерферометры Фаб­ри — Перо с фотоэлектрич. регистра­цией используются для исследования спектров в видимой, ИК и в санти­метровой области длин волн.

Разновидностью интерферометров Фабри — Перо явл. оптические резо­наторы лазеров, излучающая среда к-рых располагается между зеркала­ми И. Разность частот Dn между со­седними продольными модами в излу­чении лазеров зависит от расстояния между зеркалами резонатора l: Dn=с/2l. Перемещение одного из зеркал на величину dl приводит к изменению разностной частоты на d(Dn)=cdl/2l², к-рое может быть измерено с помощью фотоприёмника радиотехн. метода­ми. Это используется в лазерных И., предназначенных для измерения длин объектов и их перемещений.

Использование в измерит. И. в кач-ве источника света лазеров, обладаю­щих высокой монохроматичностью и когерентностью, позволяет значи­тельно повысить точность измерений.

• Л а н д с б е р г Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Захарьевский А. Н., Интерферометры, М., 1952; Малышев В. И., Введение в эксперимен­тальную спектроскопию, М., 1979; Инфра­красная спектроскопия высокого разре­шения. Сб. статей, пер. с франц. и англ., М., 1972; Крылов К. И., Прокопен­ко В. Т., Митрофанов А. С., При­менение лазеров в машиностроении и прибо­ростроении, Л., 1978.

В. И. Малышев.

ИНФРАЗВУК (от лат. infra — ниже, под), упругие волны с частотами ниже области слышимых человеком частот. Обычно за верх. границу И. прини­мают частоты 16—25 Гц, ниж. граница неопределённа. И. содержится в шуме атмосферы и моря; его источник — турбулентность атмосферы и ветер,

грозовые разряды (гром), взрывы, орудийные выстрелы; в земной коре — сотрясения и вибрации от самых раз­нообразных источников.

Для И. характерно малое поглоще­ние в разл. средах, вследствие чего он может распространяться на очень далёкие расстояния. Это позволяет определять места сильных взрывов или положение стреляющего орудия, предсказывать цунами, исследовать верх. слои атмосферы, св-ва водной среды.

• Ш у л е й к и н В. В., Физика моря, изд., М., 1968; К о у л Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950.

ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКО­ПИЯ (ИК спектроскопия), раздел оптич. спектроскопии, включающий получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в ИК области спектра (см. Инфракрасное излучение). И. с. за­нимается гл. обр. изучением молеку­лярных спектров, т. к. в ИК области расположено большинство колебат. и вращат. спектров молекул.

И. с. исследует ИК спектры как по­глощения, так и излучения. При про­хождении ИК излучения через в-во происходит его поглощение на ча­стотах, совпадающих с нек-рыми соб­ственными колебат. и вращат. часто­тами молекул или с частотами колеба­ний крист. решётки. В результате интенсивность ИК излучения на этих частотах падает — образуются поло­сы поглощения (рис.). Количеств. связь между интенсивностью I про­шедшего через в-во излучения, ин­тенсивностью I₀ падающего излуче­ния и величинами, характеризующими поглощающее в-во, даётся Бугера — Ламберта — Бера законом.

 

Зависимость интенсивности падающего на в-во I₀(n) и прошедшего через в-во I(n) из­лучения (n₁ n₂, n₃,...— собственные частоты в-ва, заштрихованные области — полосы поглощения).

 

На прак­тике обычно ИК спектр поглощения представляют графически в виде за­висимости от частоты v (или длины волны l=c/n) ряда величин, характе­ризующих поглощающее в-во: коэфф. пропускания T(n)=I(n)/I₀(n); ко­эфф. поглощения A(n)=1-Т(n): оп­тич. плотности D (n)=ln[l/T(n)] =c(n)cl, где c(n) — показатель по­глощения, с — концентрация погло­щающего в-ва, l — толщина поглощаю­щего слоя в-ва. Поскольку D (n) пропорц. c(n) и с, она обычно приме­няется для количеств. спектрального анализа. Исследование ИК спектров твёрдых, жидких и газообразных сред обычно производится с помощью разл.

226

 

 

ИК спектрометров (см. Спектральные приборы).

Число полос поглощения в спектре ИК излучения, их положение, ширина и форма, величина поглощения опре­деляются структурой и хим. составом поглощающего в-ва и зависят от его агрегатного состояния, темп-ры, дав­ления и др. Поэтому изучение колебательно-вращат. и чисто вращат. спектров методами И. с. позволяет определять структуру молекул, их хим. состав, моменты инерции моле­кул, величины сил, действующих меж­ду атомами в молекуле и др. Вследст­вие однозначности связи между строе­нием молекулы и её мол. спектром И. с. широко используется для ка­честв. и количеств. спектрального анализа. Изменения параметров ИК спектров (смещение полос поглощения, изменение их ширины, формы, величи­ны поглощения), происходящие при переходе из одного агрегатного состоя­ния в другое, при растворении, изме­нении темп-ры, давления, позволяют судить о величине и хар-ре межмоле­кулярных взаимодействий. И. с. также находит применение в исследовании строения ПП материалов, полимеров, биол. объектов и непосредственно жи­вых клеток. Быстродействующие спек­трометры позволяют получать спектры поглощения за доли с и используются при изучении быстропротекающих хим. реакций. Применение специаль­ных зеркальных микроприставок даёт возможность получать спектры погло­щения очень малых объектов, что представляет интерес для биологии и минералогии. И. с. играет большую роль в создании ИК лазеров и иссле­довании их спектров излучения. Ис­пользование в кач-ве источников излу­чения ИК лазеров с перестраиваемой частотой излучения позволяет получать ИК спектры с очень высоким раз­решением (см. Лазерная спектроско­пия).

• См. лит. при ст. Инфракрасное излучение.

В. И. Малышев.

ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (ИК излучение, ИК лучи), электромагнитное излучение, занимающее спектр. область между красным концом види­мого излучения (с длиной волны l»0,74 мкм) и KB радиоизлучением (l~1 — 2 мм). ИК область спектра обычно условно разделяют на ближнюю (0,74—2,5 мкм), среднюю (2,5— 50 мкм) и далёкую (50—2000 мкм). И. и. от­крыто англ. учёным В. Гершелем (1800).

Спектр И. и. (как и видимого излу­чения) может быть линейчатым (излу­чение возбуждённых атомов или ионов, т. е. атомные спектры), непрерывным (спектры излучения нагретых твёр­дых и жидких тел) и полосатым (из­лучение возбуждённых молекул, т. е. молекулярные спектры).

Оптические свойства в-в (прозрач­ность, коэфф. отражения, коэфф. пре­ломления) в И. и., как правило, зна­чительно отличаются от оптич. св-в

тел в видимой и УФ областях. Многие в-ва, прозрачные для видимого света, оказываются непрозрачными в нек-рых областях И. п., и наоборот. Так, слой воды толщиной в неск. см непрозра­чен для И. и. с l>1 мкм (поэтому вода часто используется как теплозащит­ный фильтр); пластинки Ge и Si, непрозрачные в видимой области, про­зрачны в И. и. (Ge для l>1,8 мкм, Si для l>1,0 мкм); чёрная бумага про­зрачна в далёкой ИК области. В-ва, прозрачные для И. и. и непрозрачные для видимого света, используются в кач-ве светофильтров при выделении И. и.

Отражат. способность большинства металлов в И. и. значительно выше, чем в видимом свете, и возрастает с увеличением l (см. Металлооптика). Напр., коэфф. отражения Al, Au, Ag, Cu для И. и. с l=10 мкм достигает 98%. Жидкие и твёрдые неметаллич. в-ва обладают в ИК диапазоне l селективным отражением, причём по­ложение максимумов отражения за­висит от хим. состава в-ва.

Проходя через земную атмосферу, И. и. ослабляется в результате рас­сеяния и поглощения. Азот и кисло­род воздуха не поглощают И. и. и ослабляют его лишь в результате рассеяния, к-рое, однако, для И. и. значительно .меньше, чем для види­мого света. Н₂О, СO₂, O₃ и др. в-ва, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают И. и. Особенно сильно по­глощают И. и. пары воды (полосы поглощения Н₂О расположены почти во всей ИК области спектра), а в сред­ней ИК области — СО₂. В призем­ных слоях атмосферы в средней ИК

Кривая пропускания атмосферы в области 0,75—14 мкм. «Окна» прозрачности: 2,0—2,5 мкм; 3,2—4,2 мкм; 4,5—5,2 мкм, 8,0 —13,5 мкм. Полосы поглощения с максимумами при l=0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74 мкм принадлежат парим воды; при l=2,7 и 4,26 мкм — углекислому газу и при l»9,5 мкм—озону.

 

области имеется лишь небольшое чис­ло «окон», прозрачных для И. и. (рис.). Наличие в атмосфере взве­шенных ч-ц дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) — приво­дит к дополнит. ослаблению И. и. в ре­зультате рассеяния его на этих ч-цах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров ч-ц и l. При малых размерах ч-ц (возд. дымка) И. и. рассеивается меньше, чем види­мое излучение (это используется в ИК фотографии).

Источники И. и. Мощный источник И. и.— Солнце, ок. 50% его излуче­ния лежит в ИК области. На И. и. приходится значит. доля (от 70 до 80%) энергии излучения ламп нака­ливания с вольфрамовой нитью. И. и.

испускают угольная электрич. дуга и разл. газоразрядные лампы. Для радиац. обогрева помещений приме­няют спирали из нихромовой прово­локи, нагреваемые до темп-ры ~950 К. В научных исследованиях применяют спец. источники И. п.: ленточные воль­фрамовые лампы, штифт Нернста, глобар, ртутные лампы высокого дав­ления и др. Излучение нек-рых лазеров также лежит в ИК области спектра [напр., l лазеров на неодимовом стек­ле — 1,06 мкм, гелий-неоновых лазе­ров — 1,15 мкм и 3,39 мкм, СО₂-лазеров — 10,6 мкм, ПП лазеров на InSb — 5 мкм; лазер на парах Н₂O может излучать большое число линий в широкой ИК области, включая да­лёкую (120 и 220 мкм)].

Приёмники И. и. основаны на пре­образовании энергии И. и. в др. виды энергии, к-рые могут быть измерены обычными методами. В тепловых при­ёмниках поглощённое И. и. вызывает повышение темп-ры термочувствит. элемента, к-рое и регистрируется. В фотоэлектрич. приёмниках погло­щённое И. и. приводит к появлению или изменению электрич. тока или напряжения. Фотоэлектрич. приём­ники, в отличие от тепловых, явл. селективными, т. е. чувствительными лишь в определ. области спектра. Спец. фотоэмульсии чувствительны к И. и. до l=1,2 мкм.

Применение И. и. Используют И. и. в научных исследованиях, при реше­нии большого числа практич. задач, в военном деле и пр. Спектры испу­скания и поглощения И. и. исследуют с целью изучения структуры электрон­ной оболочки атомов, определения

структуры молекул, а также для ка­честв. и количеств. спектрального ана­лиза. Благодаря различию коэфф. рассеяния, отражения и пропускания тел в видимом и И. и. фотографии, полученные в И. п. обладают рядом особенностей по сравнению с обычной фотографией, напр. на ИК снимках часто видны детали, невидимые на обычной фотографии. В пром-сти И. и. применяется для сушки и нагрева ма­териалов. На основе фотокатодов, чувствительных к И. и. (для l<1,3 мкм), созданы электронно-оптич. преобразователи, в к-рых не видимое глазом ИК изображение объекта на

227

 

 

фотокатоде преобразуется в видимое. На этом принципе построены разл. приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении объектов И. и. от спец. источников вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. При помощи высокочувствит. приёмников И. и. можно осуществлять теплопеленгацию объектов по их собств. И. и. и создавать системы самонаведения на цель снарядов и ракет. ИК ло­каторы и дальномеры позволяют обна­руживать в темноте объекты, темп-ра к-рых выше темп-ры окружающего фона, и измерять расстояния до них. ИК лазеры, помимо научных целей, используются также для наземной и косм. связи.

• Л е к о н т Ж., Инфракрасное излучение, пер. с франц., М., 1958: X а д с о н Р., Ин­фракрасные системы, пер. с англ., М., 1972; Соловьев С. М., Инфракрасная фото­графия, М., 1960.

ИОН (от греч. ion — идущий), элект­рически заряж. ч-ца, образующаяся при потере или присоединении эл-нов атомами, молекулами, радикалами и т. д. И. соответственно могут быть по­ложительными (при потере эл-нов) и отрицательными (при присоединении эл-нов), заряд И. кратен заряду эл-на. И. могут входить в состав молекул и существовать в несвязанном состоя­нии (в газах, жидкостях, плазме).

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА, детек­тор ч-ц, действие к-рого основано на способности заряж. ч-ц вызывать иони­зацию газа. И. к. представляет собой электрич. конденсатор, заполненный газом, к электродам к-рого приложена разность потенциалов V. При попа­дании регистрируемых ч-ц в пр-во между электродами там образуются эл-ны и ионы, к-рые, перемещаясь в электрич. поле, собираются на элект­родах. В цепи камеры появляется электрич. ток. Применяются И. к. с параллельными плоскими электрода ми, цилиндрическими коаксиальными (рис. 1) электродами и сферич. электродами (две концентрич. сферы, иног­да внутр. электрод — стержень).

 

Рис. 1. Сечение дилиндрич. ионизац. ка­меры: 1 —цилиндрич. корпус камеры, слу­жащий отрицат. эле­ктродом; 2 — цилинд­рич. стержень, слу­жащий положит. эле­ктродом; 3 — изоля­тор.

 

В токовых И. к. измеряется ток I, создаваемый эл-нами и ионами. За­висимость Iот V (вольт-ампер­ная характеристика) име­ет горизонтальный рабочий участок

АВ (ток насыщения), к-рый соответ­ствует полному собиранию на элек­тродах всех образовавшихся эл-нов и ионов. Токовые И. к. дают сведения об общем кол-ве ионов, образовавших­ся в 1 с. Токи обычно малы (10^-10— 10^-15 А) и требуют усиления для ре­гистрации (рис. 2).

В импульсных И. к. регистриру­ются и измеряются импульсы напря­жения, к-рые возникают на сопротивлении R при протекании по нему ио­низац. тока, вызванного прохожде­нием ч-цы.

Рис. 2. Схема вклю­чения токовой иони­зац. камеры: V — напряжение на элект­родах камеры; G — гальванометр, изме­ряющий ионизацион­ный ток.

 

Амплитуда и длительность импульсов зависят от RC (рис. 3). Для импульсной И. к., работающей в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорц. энергии, потерян­ной ч-цей в объёме И. к. Часто объекты

Рис. 3. Схема включения импульсной иони­зац. камеры: С — ёмкость собирающего электрода; R — высокоомное сопротивле­ние.

 

исследования для импульсных И. к.— короткопробежные ч-цы, способные полностью затормозиться в межэлек­тродном пр-ве (a-частицы, осколки делящихся ядер). В этом случае ве­личина импульса И. к. пропорц. пол­ной энергии ч-цы, и распределение импульсов по амплитудам воспроиз­водит распределение ч-ц по энергиям, то есть И. к. явл. спектрометром. Разрешающая способность И. к. для a-частиц с энергией 5 МэВ состав­ляет ок. 0,5%.

Подбором R можно добиться того, чтобы импульсы И. к. соответствовали сбору только эл-нов, гораздо более подвижных, чем ионы. При этом уда­ётся уменьшить длительность импуль­са до 1 мкс.

В И. к. для исследования короткопробежных ч-ц источник помещают внутри камеры или в корпусе дела­ют тонкие входные окошки из слюды или синтетич. материалов. В И. к. для исследования g-излучений иониза­ция обусловлена вторичными эл-нами (фотоэлектронами), выбитыми из атомов газа или из стенок И. к. Чем больше объём И. к., тем больше ионов образуют вторичные эл-ны. Поэтому для регистрации g-излучений малой интенсивности применяют И. к. боль­шого объёма (неск. л). В случае де­тектирования нейтронов ионизация вы­зывается ядрами отдачи (обычно про-

тонами), создаваемыми быстрыми ней­тронами, либо a-частицами, протона­ми или g-квантами, возникающими при захвате медленных нейтронов яд­рами ¹⁰В, ³Не, ¹¹³Cd, к-рые вводятся в газ или в стенки камеры. И. к.— один из самых старых детекторов, применявшихся ещё в первых опы­тах англ. физика Э. Резерфорда. Однако благодаря простоте она продолжает использоваться особен­но в дозиметрии, для контроля за ра­ботой ускорителей и яд. реакторов, при исследовании косм. лучей и др. В физике ч-ц высоких энергий нашли применение И. к., наполненные жид­ким аргоном. Это увеличивает тор­мозную способность И. к. и усилива­ет её электрич. сигнал в 10³ раз.

• См.  лит.  при  ст.   Детекторы.

К. П. Митрофанов.

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ в низ­котемпературной плазме (волны иони­зации), области с различной (посто­янной или слабо меняющейся) кон­центрацией заряж. ч-ц, разделённые узкой поверхностью раздела — фрон­том волны. На фронте волны проис­ходит резкий скачок концентрации заряж. ч-ц от значений перед фрон­том и за ним. Наряду с волнами, сос­тоящими из одного фронта иониза­ции, могут быть волны, в к-рых про­исходит периодич. чередование обла­стей с разл. концентрацией заряж. ч-ц (слоев). В последнем случае И. в. наз. стратами. И. в. бывают стацио­нарными и движущимися.

Характерная особенность И. в. за­ключается в том, что их возникнове­ние и распространение связаны не с перемещением в-ва вперёд и назад или поперёк (как это имеет место в упру­гих волнах), а с изменением степени ионизации в плазме. Локальное воз­мущение плотности ионов ведёт к воз­никновению пространственного заряда и появлению локального электрич. по­ля, меняющего, в свою очередь, ср. энергию эл-нов. В связи с этим меня­ется скорость ионизации и постепенно меняется (понижается) концентрация заряж. ч-ц. Вся эта цепь процессов ведёт к распространению возмущения, причём с чередованием положит. и отрицат. отклонений плотности и др. параметров плазмы от равновесного состояния. Поскольку кинетика про­цессов ионизации и рекомбинации и. хар-р переноса могут быть весьма разнообразны в зависимости от рода газов и внешних электрич. и магн. полей, то весьма разнообразны и св-ва И. в., скорости и направления их движения. Имеется множество типов И. в.: обратные волны с фазовой ско­ростью, направленной противополож­но групповой, прямые волны с фазо­вой скоростью, большей или меньшей, чем групповая, а также ряд промежу­точных типов волн. И. в. наблюдаются в плазмах разнообразного состава при давлениях от 10^{-2 мм рт. ст. до де­сятков атм. Скорости распространения И. в. также могут изменяться в ши-}

228

 

 

роком диапазоне от нулевой (стоя­чие страты) до скоростей, близких к скорости света (волны вторичной иони­зации в разряде молнии и в наносекундном пробое слабоионизованных газов); могут быть волны, направлен­ные в сторону электрич. поля и про­тив него. В неравновесной замагнич. плазме инертных газов с присадками паров щелочных металлов при раз­витии понизац. неустойчивости воз­никают т. н. м а г н и т н ы е  с т р а т ы, природа к-рых связана с анизо­тропией флуктуации джоулева тепло­выделения, переноса теплоты и про­цессов ионизации.

И. в. по природе возникновения и распространения в нек-рых случаях близки к волнам горения, но отли­чаются тем, что в волнах горения про­исходит высвобождение энергии хим. реакции, а в И. в. энергия, идущая на ионизацию, подводится извне. Если в волне горения кол-во продуктов реакции всегда только увеличивается, то в И. в. концентрация заряж. ч-ц может и возрастать (волна ионизации) и падать (волна рекомбинации).

• Недоспасов А. В., Страты, «УФН», 1968, т. 94, в. 3, с. 439; П е к а р е к Л., Ионизационные волны (страты) в разрядной плазме, там же, с. 463.

Л. А. Рухадзе,   О. Л. Синкевич.

ИОНИЗАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ (потенциал ионизации), наименьшая разность потенциалов V, к-рую должен пройти эл-н в ускоряющем электрич. поле, чтобы его энергия eV была до­статочна для ионизации невозбуждён­ного атома (или молекулы) электрон­ным ударом (е — заряд эл-на). Та­кой эл-н может ионизовать атом (мо­лекулу), если eV³eV_i, где V_i — И. п. Величина eV_i наз. энергией и о н и з а ц и и, она равна работе вырывания эл-на из атома (молекулы). Т.о., И. п.— мера энергии иониза­ции, он характеризует прочность свя­зи эл-на в атоме (молекуле), выража­ется в В и численно равен энергии ионизации в эВ.

Значения И. п. могут быть опреде­лены при эксперим. исследованиях ионизации атомов электронным уда­ром (см. Франка — Герца опыт), а также путём измерения граничной частоты n_i фотоионизации, исходя из соотношения hn³hn_i=eV_i, где n — частота падающего света, n_i — мин. частота света, вызывающего фотоиони­зацию. Наиболее точные значения И. п. для атомов и простейших моле­кул могут быть получены из спектроскопич. данных об уровнях энергии и

их схождении к границе ионизации (см. Атом).

Первый И. п.— И, п., соответст­вующий удалению наиб. слабо свя­занного эл-на из нейтрального невоз­буждённого атома; удалению из иони­зованного атома следующих эл-нов соответствуют второй, третий и т. д. И. п. Первые И. п. составля­ют от 3,89 В для Cs до 24,58 В для Не и периодически изменяются в зави­симости от ат. номера Z, увеличи­ваясь с ростом Z в пределах одного периода периодич. системы элементов. В пределах одной группы элементов И. п. уменьшается с ростом Z (рис.). Первые И. п. молекул — того же по­рядка величины, что и для атомов, и обычно составляют от 5 до 15 В. И. п. возрастает при повышении степени ионизации атома.

• Шпольский Э. В., Атомная физика, 6 изд., т. 1, М., 1974.

М. А. Ельяшевич.

ИОНИЗАЦИЯ, образование положит. и отрицат. ионов и свободных эл-нов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, мо­лекулы), так и совокупность множе­ства таких актов (И. газа, жидкости).

Ионизация в газе и жидкости. Для разделения нейтрального невозбуждён­ного атома (или молекулы) на две или более заряж. ч-цы, т. е. для его И., необходимо затратить энергию И. W. Для всех атомов данного элемента (или молекул данного хим. соедине­ния), ионизующихся из основного сос­тояния с образованием одинаковых ионов, энергия И. одинакова. Про­стейший акт И.— отщепление от ато­ма (молекулы) одного эл-на и обра­зование положит. иона. Свойства ч-цы по отношению к такой И. характери­зуются её ионизационным потенци­алом.

Присоединение эл-нов к нейтр. ато­мам или молекулам (образование от­рицат. ионов), в отличие от др. актов И., может сопровождаться как затра­той, так и выделением энергии; в по­следнем случае говорят, что атомы (молекулы) обладают сродством к элек­трону.

Если энергия И. W сообщается ионизуемой ч-це др. ч-цей (эл-ном, атомом или ионом) при их столкнове­нии, то И. наз. ударной. Вероят­ность ударной И., характеризуемая т. н. сечением И. (см. Сечение эффек­тивное), зависит от рода ионизуе­мых и бомбардирующих частиц и от кинетич. энергии последних Е_к: до нек-рого минимального (порогового) значения Е_к эта вероятность равна нулю, при увеличении Е_к выше поро­га она вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убы­вает (рис. 1). Если энергии, передава­емые ионизуемым ч-цам в столкнове­ниях, достаточно велики, возможно образование из них, наряду с одно­зарядными, и многозарядных ионов (многократная И., рис. 2). При столкновениях атомов и ионов с

атомами может происходить И. не только бомбардируемых, но и бомбар­дирующих ч-ц. Налетающие нейтр. атомы, теряя свои эл-ны, превраща­ются в ионы, а у налетающих ионов заряд увеличивается; это явление наз. «обдиркой» пучка ч-ц. Обратный про­цесс — захват эл-нов от ионизуемых ч-ц налетающими положит. ионами — наз. перезарядкой ионов (см. также Столкновения атомные).

Рис. 1. Ионизация атомов и молекул водоро­да электронным ударом: 1 — атомы Н; 2 — молекулы Н₂ (эксперим. кривые).

Рис. 2. Ионизация аргона ионами Не⁺. На оси абсцисс отложена скорость ионизирую­щих ч-ц. Пунктирные кривые — ионизация аргона электронным ударом.

 

В определ. условиях ч-цы могут ионизоваться и при столкновениях, в к-рых передаётся энергия, меньшая W: сначала атомы (молекулы) в пер­вичных соударениях переводятся в возбуждённое состояние, после чего для их И. достаточно сообщить им энергию, равную разности W и энер­гии возбуждения. Т. о., «накопление» необходимой для И. энергии осущест­вляется в неск. последоват. столкно­вениях. Подобная И. наз. ступен­чатой. Она возможна, если стол­кновения происходят столь часто, что ч-ца в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в первом из них (в достаточно плотных газах, высоко­интенсивных потоках бомбардирую­щих ч-ц). Кроме того, механизм сту­пенчатой И. очень существен в слу­чаях, когда ч-цы ионизуемого в-ва обладают метастабилъными состоя­ниями, т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию воз­буждения.

И. может вызываться не только ч-цами, налетающими извне. При до-

229

 

 

статочно высокой темп-ре, когда энер­гия теплового движения атомов (мо­лекул) велика, они могут ионизовать друг друга за счёт кинетич. энергии сталкивающихся ч-ц — происходит термическая И. Значит. ин­тенсивности она достигает, начиная с темп-р —10³—10⁴ К, напр. в дуговом разряде, ударных волнах, в звёздных атмосферах. Степень термич. И. газа как ф-ция его темп-ры и давления оце­нивается Саха формулой для слабоио­низованного газа в состоянии термодинамич. равновесия.

Процессы, в к-рых ионизуемые ч-цы получают энергию И. от фотонов (квантов эл.-магн. излучения), наз. фотоионизацией. Если атом (молекула) не возбуждён, то энергия ионизующего фотона hn (n — частота излучения) в прямом акте И. должна быть не меньше энергии И. W. Для всех атомов и молекул газов и жид­костей W такова, что этому условию удовлетворяют лишь фотоны УФ и ещё более коротковолнового излуче­ния. Однако фотоионизацию наблю­дают и при hn<W за счёт ступенча­той И., напр. при облучении видимым светом большой интенсивности. В от­личие от ударной И., вероятность фо­тоионизации максимальна именно при пороговой энергии фотона hn~W, a затем с ростом v падает. Макс. сече­ния фотоионизации в 100—1000 раз меньше, чем при ударной И. Меньшая вероятность компенсируется во мн. процессах фотоионизации значит. плот­ностью потока фотонов, и число актов И. может быть очень большим.

Если разность hn-W относительно невелика, то фотон поглощается в акте И. Фотоны больших энергий (рентге­новские, g-кванты), затрачивают при И. часть своей энергии (изменяя свою частоту). Такие фотоны, проходя через в-во, могут вызвать значит. число актов фотоионизации. Разность DE-W (или hn-W при поглощении фото­на) превращается в кинетич. энергию продуктов И., в частности свободных эл-нов, к-рые могут совершать вто­ричные акты И. (уже ударной).

Большой интерес представляет И. лазерным излучением. Его частота обычно недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И. Однако чрезвычайно высокая плот­ность потока фотонов в лазерном пуч­ке делает возможной И., обусловлен­ную одновременным поглощением неск. фотонов (многофотонная И.). Экспериментально в разреженных парах щелочных металлов наблюда­лась И. с поглощением 7—9 фотонов. В более плотных газах И. лазерным излучением происходит комбиниров. образом. Сначала многофотонная И. ос­вобождает неск. «затравочных» эл-нов. Они разгоняются полем световой волны, ударно возбуждают атомы, к-рые затем ионизуются светом (см.

Световой пробой). Фотоионизация иг­рает существ. роль, напр., в процессах И. верхних слоев атмосферы, в обра­зовании стримеров при электрич. про­бое газа.

И. атомов и молекул газа под дей­ствием сильных электрич. полей (~10⁷ —10⁸ В*см^-1), наз. автоиони­зацией, используется в ионном проек­торе и электронном проекторе.

Ионизованные газы и жидкости об­ладают электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе их разл. применений, а с другой — даёт возможность измерять степень И. этих сред, т. е. отношение концентра­ции заряж. ч-ц в них к исходной кон­центрации нейтр. ч-ц.

Процессом, обратным И., явл. ре­комбинация ионов и эл-нов — обра­зование из них нейтр. атомов и моле­кул. Защищённый от внеш. воздейст­вий газ при обычных темп-pax в ре­зультате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в к-ром сте­пень его И. пренебрежимо мала. По­этому поддержание заметной И. в газе возможно лишь при действии внеш. ионизатора (потоки ч-ц, фотонов, на­гревание до высокой темп-ры). При повышении степени И. ионизов. газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим св-вам от газа нейтр. ч-ц.

Особенность И. жидких р-ров сос­тоит в том, что в них молекулы раст­ворённого в-ва распадаются на ионы уже в самом процессе растворения без всякого внеш. ионизатора, за счёт вз-ствия с молекулами растворителя. Вз-ствие между молекулами приводит к самопроизвольной И. и в нек-рых чистых жидкостях (вода, спирты, ки­слоты). Этот дополнит. механизм И. в жидкостях наз. электролити­ческой диссоциацией.

Ионизация в твёрдом теле — про­цесс превращения атомов тв. тела в заряж. ионы, связанный с переходом эл-нов из валентной зоны кристалла в проводимости зону. Энергия И. W в тв. теле имеет величину порядка ширины запрещённой зоны ξ_g (см. также Твёрдое тело). В кристаллах с узкой запрещённой зоной эл-ны могут при­обретать W за счёт энергии тепловых колебаний атомов (термическая И.); при фотоионизации необходимые энергии сообщаются эл-нам проходя­щими через тв. тело (или поглощае­мыми в нём) фотонами. И. происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (эл-ны, протоны) или нейтральных (нейтроны) ч-ц.

Особый интерес представляет И. в сильном электрич. поле, наложенном на тв. тело. В таком поле эл-ны в зоне проводимости могут приобрести ки­нетич. энергии, большие, чем ξ_g, и «выбивать» эл-ны из валентной зоны (т. н. ударная И.). При этом в валентной зоне образуются дырки, а в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» эл-на появляются два «мед­ленных», к-рые, ускоряясь в поле,

могут также стать «быстрыми» и выз­вать И. Вероятность ударной И. воз­растает с ростом напряжённости элек­трич. поля. При нек-рой критич. на­пряжённости ударная И. приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрич. пробою тв. тела (см. Пробой диэлектриков).

• Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Месси Г., Бархоп Е., Электронные и ионные столкновения, пер. с англ., М., 1958; Э н г е л ь А., Ионизованные газы, пер. с англ., М., 1959; Федоренко Н. В., Ионизация при столкновениях ионов с атомами, «УФН», 1959, т. 68, в. 3; В и л е с о в Ф. И., Фотоионизация газов и паров вакуумным ультрафиолетовым излу­чением, там же, 1963, т. 81, в. 4.

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, потоки ч-ц и эл.-магн. квантов, вз-ствие к-рых со средой приводит к ионизации её атомов и молекул. И. и. явл. рентгеновское и g-излучение, потоки a-частиц, эл-нов, позитронов, протонов, нейтронов.

Заряж. ч-цы ионизуют среду не­посредственно при столкновениях с её атомами и молекулами (первичная ионизация). Выбиваемые при этом эл-ны, если они обладают достаточно большой энергией, также могут иони­зовать (вторичная ионизация). В слу­чае быстрых нейтронов ионизация обу­словлена ядрами отдачи или др. ч-цами, возникающими при вз-ствии нейтронов со средой. Ионизация фото­нами рентгеновского и g-излучений может быть непосредственной — пер­вичной (фотоионизация), а также, в большей степени, вторичной — обус­ловленной эл-нами, образующимися при вз-ствии фотонов с в-вом (см., напр., Гамма-излучение, Комптона эффект).

• ГОСТ 15484—74. Ионизирующие излуче­ния, М., 1974.

Г. Б. Радзеевский.

ИОННАЯ СВЯЗЬ (электровалентная связь), химическая связь, обусловлен­ная переносом валентных эл-нов с одного атома на другой (образовани­ем положит. и отрицат. ионов) и электростатическим (кулоновским) вз-ствием между ними. Характерна для соединений металлов с наиб. ти­пичными неметаллами, напр. для мо­лекулы NaCl и соответствующего ион­ного кристалла. См. Межатомное взаимодействие.

В. Г. Дашевский.

ИОННАЯ ЭМИССИЯ, испускание по­ложит. и отрицат. ионов поверхно­стью тв. тела (э м и т т е р а) под воздействием теплового возбуждения (термоионная эмиссия), или облучения поверхности потоком ч-ц (ионно-ионная и электронно-ионная эмиссии), или фотонов (фотодесорбция). При облучении поверх­ности тел мощными импульсами ла­зерного излучения также наблюда­ется И. э., к-рая имеет более сложный хар-р и может быть объяснена как оптическим, так и тепловым возбужде­нием поверхностных атомов. И. э. ис­пользуется в разл. приборах для ис­следований св-в и состава поверхно­сти тв. тел.

230

 

 

• Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Зандберг Э. Я., Ионов Н. И., По­верхностная ионизация, М., 1969.

Н. И. Ионов.

ИОННОЕ ВНЕДРЕНИЕ (ионное леги­рование, ионная имплантация), введе­ние посторонних атомов внутрь тв. тела бомбардировкой его поверхно­сти ионами. Ср. глубина проникнове­ния ионов в мишень тем больше, чем больше энергия ионов (ноны с энер­гиями ξ_и~10—100 кэВ проникают на глубину 0,01—1 мкм). При бомбарди­ровке монокристаллов глубина про­никновения ч-ц вдоль определ. кристаллографич. осей может быть во много раз больше, чем в др. направле­ниях (каналирование частиц). При интенсивной бомбардировке И. в. пре­пятствует катодное распыление мише­ни, а также диффузия внедрённых ионов к поверхности и их вы­деление с поверхности (ионно-ионная эмиссия). Существует макси­мально возможная концентрация вне­дрённых ионов, к-рая зависит от хим. природы иона и мишени, а также от темп-ры мишени. И. в. позволяет вводить в полупроводниковые материа­ла точно дозированные кол-ва почти любых хим. элементов.

ИОННО-ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ, низкочастотные акустические про­дольные волны, распространяющиеся в плазме с независящей от частоты скоростью

где Z —

заряд ионов, Т_е и Т_i — темп-ры эл-нов и ионов, g_е и g_i — отношения уд. теплоёмкостей электронного и ион­ного газов. И.-з. к. слабо затухают лишь в случае бесстолкновительной (частота колебаний много больше ча­стоты столкновений) и неизотермиче­ской (T_e>>T_i) плазмы. При выполне­нии этих условий инерция среды опре­деляется ионами, а упругая возвра­щающая сила — давлением электрон­ного газа. Если условие Т_е>>Т_i не выполнено (напр., T_е»Т_i, изотермич. плазма), то волна не распростра­няется вследствие сильного Ландау затухания.

• См.   лит.   при   ст.   Плазма.

Б. А. Трубников.

ИОННО-ИОННАЯ ЭМИССИЯ, ис­пускание ионов (вторичных) поверх­ностью тв. тела при облучении её по­током ионов (первичных). В составе вторичных ионов наблюдаются отра­жённые первичные ионы, изменившие при отражении знак заряда (конверсия ионов), а также ионы примесных в-в облучаемой мишени. Количеств. хар-ка И.-и. э.— коэфф. И.-и. э., равный отношению потоков вторичных ионов к первичным. Его величина зависит от материала и темп-ры мишени, её хим. состава, кинетич. энергии и угла падения первич. ионов.

• См.   лит.   при ст.   Ионная   эмиссия.

Н. И. Ионов.

ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИС­СИЯ, испускание эл-нов поверхностью тв. тела в вакуум при бомбардировке поверхности ионами. Коэфф. И.-э.э. g равен отношению числа эмиттированных эл-нов n_е к числу падающих на поверхность ионов n_i. Для И.-э.э. характерно отсутствие энергетич. по­рога. Для медленных ионов g прак­тически не зависит от их энергии ξ_i и массы m_i, но зависит от их заряда (для однозарядных ионов g~0,2—0,3, для многозарядных g может превы­шать единицу). И.-э. э. зависит также от энергий ионизации и возбуждения ионов и от работы выхода в-ва мишени. Когда скорость ионов v_i достигает (6—7) 10⁶ см/с, хар-р И.-э. э. резко изменяется (для диэлектриков при меньших энергиях). Вначале g растёт пропорц. ξ_i, затем как Öξ_i, при v_i~10⁸ —10⁹ см/с достигается мак­симум, после чего начинается спад. Энергетич. спектр эмиттированных эл-нов имеет максимум при энергиях ξ_i~1—3 эВ, положение к-рого не зависит от ξ_i.

Если к поверхности твёрдого тела подходит медленный ион, то эл-н тв. тела может перейти к иону и нейтра­лизовать его. Такой переход сопро­вождается выделением энергии, и часть эл-нов, получивших её, может покинуть тело. При бомбардировке быстрыми ионами происходит интен­сивный электронный обмен, при к-ром эл-н может перейти из валентной зоны в зону проводимости, а затем и в ва­куум.

• Аброян И. А., Еремеев М. А., Петров Н. И., Возбуждение электронов в твердых телах сравнительно медленными атомными частицами, «УФН», 1967, т. 92, в. 1, с. 105.

ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кристаллы с ионным (электростатическим) хар-ром связи между атомами. И. к. могут состоять как из одноатомных, так и многоатомных ионов. Примеры И. к. первого типа — кристаллы галогенидов щелочных и щёлочноземельных металлов, образованные положитель­но заряж. ионами металла и отрица­тельно заряж. ионами галогена (NaCl, CsCl, CaF₂). Примеры И. к. второго типа — нитраты, сульфаты, фосфаты и др. соли металлов, где отрицат. ионы кислотных остатков состоят из неск. атомов. К И. к. относят также силикаты, в к-рых кремнекислородные радикалы SiO₄ образуют цепи, слои или трёхмерный каркас, внутри ра­дикалов атомы связаны ковалентной связью (см. Межатомное взаимодейст­вие).

• Б е л о в Н. В., Структура ионных крис­таллов и металлических фаз, М., 1947. См. также лит. при ст. Кристаллохимия.

Б. К. Вайнштейн.

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ, газоразрядные приборы, действие к-рых основано на использовании разл. видов электри­ческих разрядов в газе или в парах ме­талла. Св-ва И. п. определяются электрич. полем между электродами и вз-ствием электронного потока с газовой средой. При движении от катода в аноду эл-ны, соударяясь с атомами и молекулами газа, производят иони­зацию. Для управления моментом возникновения разряда в И. п. приме­няют дополнит. электроды. В И. п. можно получить очень большой ток при небольшом анодном напряжении благодаря компенсации объёмного электронного заряда ионами. Работа И. п. основана на использовании отд. св-в того или иного вида разряда, гл. обр. тлеющего разряда с холодным ка­тодом (декатроны и др.), дугового разряда (газотроны, тиратроны, ртут­ные вентили), искрового разряда (ис­кровые разрядники, тригатроны, ста­билитроны и др.), коронного разряда. Отд. группу И. п. составляют газо­разрядные источники света, в т. ч. газовые лазеры. Существует группа И. п. (фазовращатели, разрядники и др.), основанная на вз-ствии СВЧ поля и ионизиров. области газа.

• Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., М., 1960; Каганов И. Л., Ионные приборы, М., 1972.

ИОННЫЕ ПУЧКИ, направленные по­токи ионов, имеющие определ. форму. Обычно И. п. имеют малые попереч­ные размеры по сравнению с длиной. И. п. впервые наблюдал нем. физик Э. Гольдштейн (1886) в опытах с газо­разрядной трубкой, в катоде к-рой были проделаны отверстия. Ускорен­ные в межэлектродном пр-ве ионы проходили через эти отверстия, созда­вая за катодом по ходу образованных ими пучков слабое свечение (т. н. каналовые лучи).

И. п. используются в разл. физ. экспериментах и в технике. При про­хождении И. п. через газы они рас­сеиваются вследствие столкновений (см. Столкновения атомные) ионов с атомами газа. Чтобы уменьшить этот эффект, И. п. получают в условиях достаточно высокого вакуума. Опре­деление параметров ионного пучка в разл. его сечениях значительно облег­чается путём использования Лиувилля теоремы (см. Электронные пучки).

Для образования И. п. необходимо получить достаточное кол-во ионов, ускорить их и соответствующим обра­зом направить их движение. В ионных источниках ионы получают путём ио­низации атомов и молекул электрон­ным ударом (см. Ионизация), поверх­ностной ионизации, фотоионизации, автоионизации и т. п. Мощным источ­ником ионов явл. электрич. разряд в вакууме (низковольтный ду­говой разряд, высокочастотный разряд). Ускорение и формирование ионов в лучок производится системой ионных линз (см. Электронные линзы). При большой интенсивности И. п. для предотвращения их расширения, свя­занного с образованием объёмного заряда, применяются ионные линзы спец. конструкций. В части И. п., на­ходящейся вне зоны воздействия элек­трич. полей, при определ. условиях может наступить компенсация поло­жительного объёмного заряда ионов

231

 

 

отрицат. зарядами вторичных эл-нов разл. происхождения.

Воздействуя электрич. и магн. поля­ми на И. п., можно определить массу и энергию ионов (см. Масс-спектро­метр), ускорить их до высоких и сверхвысоких энергий (см. Ускори­тели заряженных частиц), сепариро­вать их по массе (см. Изотопов разде­ление) и т. п. И. п. используются так­же для получения увеличенных изоб­ражений микрообъектов (см. Ионный проектор, Ионный микроскоп), т. к. при этом дифракц. явления, ограни­чивающие разрешение, играют зна­чительно меньшую роль, чем при ис­пользовании электронных пучков, что связано с большой массой ионов и соответственно уменьшенной дли­ной волн де Бройля для них.

• Молоковский С. И., С у ш к о в А. Д., Интенсивные электронные и ионные пучки, Л., 1972; Л о у с о н Дж., Физика пучков заряженных частиц, пер. с англ., М., 1980. См. также лит. при ст. Ионный источник, Масс-спектрометр.

В. М. Кельман, И. В. Родникова,

ИОННЫЙ ИСТОЧНИК, устройство для получения в вакууме направлен­ных ионных потоков (пучков). И. и.— важная часть ускорителей заряж. ч-ц, масс-спектрометров, ионных микро­скопов, установок для термояд. синте­за и разделения изотопов и мн. др. устройств. В И. и. используются: ионизация атомов электронным ударом, поверхностная ионизация, ионизация в газовом разряде и др. (см. Ионная эмиссия). Наибольшее распростране­ние получили плазменные И. и., со­здающие интенсивный пучок ионов с заданными массой, зарядом, энерги­ей, током при мин. расходе рабочего в-ва и потреблении энергии, высоких стабильности и долговечности.

И. и. с высокой плотностью ионного тока явл. дуоплазмотрон, в к-ром плазма подвергается сперва «геом.» сжатию, а затем сжатию неод­нородным магн. полем. Распростране­ны И. и., в к-рых эл-ны, ионизирую­щие газ, осциллируют вдоль линий магн. поля между катодом и отража­телем. Ионы извлекаются через от­верстие в отражателе либо через щель в анодном цилиндре (поперёк магн. поля). Интенсивные импульсные пуч­ки отрицат. ионов получаются в поверхностно-плазменных И. и., где покрытый Cs электрод бом­бардируется потоком положит. ионов водорода, к-рые при этом преобразу­ются в отрицат. ионы. В инжекторах быстрых нейтр. ч-ц используются мощ­ные дуговые И. и. без магн. поля, позволяющие получать ионные пучки с током в десятки А. Импульсным сильноточным И. и. является спец. отражат. диод, состоящий из двух катодов и находящегося между ними тонкоплёночного анода, на к-рый по­даётся короткий импульс высокого напряжения. Образующиеся эл-ны

многократно пронизывают анод и ос­циллируют между катодами, испаряя и ионизируя в-во анода. Нейтрализуя объёмный заряд ионов, можно полу­чить ионные потоки с высокой плот­ностью и общим током порядка сотен кА. Иногда роль одного из катодов играет т. н. виртуальный катод. Осо­бенностью И. и. многоразрядных ионов явл. длит. удержание ионов в объёме, пронизываемом электронным пото­ком с большими энергией и плотно­стью. Плазма, образующаяся при облу­чении тв. тела лазерным излучением, также явл. эфф. источником много­зарядных ионов.

• Габович М. Д., Физика и техника плазменных источников ионов, М., 1972; Семашко Н. Н., Инжекторы быстрых атомов водорода, М., 1981.

М. Д. Габович.

ИОННЫЙ МИКРОСКОП, электронно-оптич. прибор, в к-ром для получения изображений применяется ионный пу­чок, создаваемый термоионным или газоразрядным ионным источником. По принципу действия И. м. анало­гичен электронному микроскопу. Про­ходя через объект и испытывая в раз­личных его участках рассеяние и по­глощение, ионный пучок фокусиру­ется системой электростатич. или магн. линз и создаёт на экране или фотослое увеличенное изображение объекта.

Работы по усовершенствованию И. м. стимулируются тем, что он обладает более высокой разрешающей способ­ностью по сравнению с электронным микроскопом. Длина волны де Бройля для ионов в ÖM/m раз меньше, чем для эл-нов (m — масса эл-нов, М — масса ионов) при одинаковом ускоря­ющем напряжении, вследствие чего в И. м. очень малы эффекты искажения, обусловленные дифракцией, к-рые ограничивают в электронном микро­скопе его разрешающую способность. Другие преимущества И. м.—меньшее влияние изменения массы ионов при больших ускоряющих напряжениях и лучшая контрастность изображения. Напр., контрастность изображения органич. плёнок толщиной в 50 А, вы­званная рассеянием ионов, в неск. раз превышает контрастность, вызван­ную рассеянием эл-нов.

К недостаткам И. м. относятся: за­метная потеря энергии ионов даже при прохождении их через очень тонкие объекты, что приводит к раз­рушению объектов; большая хроматич. аберрация; разрушение люмино­фора экрана ионами и слабое фотогр. действие ионов. Эти недостатки при­вели к тому, что, несмотря на пере­численные выше преимущества, И. м., по сравнению с электронным, не имеет пока широкого применения. Более эф­фективен И. м. без линз — ионный проектор.

ИОННЫЙ ПРОЕКТОР (полевой ионный микроскоп, автоионный микро­скоп), безлинзовый ионно-оптич. при­бор для получения увеличенного в неск. млн. раз изображения поверх­ности тв. тела. С помощью И. п. можно различать детали поверхности, разделённые расстояниями порядка 2—3 Å, что даёт возможность наблю­дать расположение отд. атомов в крист. решётке. И. п. был изобретён в 1951 Э. В. Мюллером (Е. W. Miiller, США), к-рый ранее создал электрон­ный проектор.

Принципиальная схема И. н. показа­на на рис. 1. Положит. электродом и одновременно исследуемым объектом, увеличенная поверх­ность к-рого изо­бражается на экра­не, служит остриё тонкой проводящей иглы. Атомы (или молекулы) газа, за­полняющего внутр. объём прибора, ионизуются в сильном электрич. поле вблизи поверхно­сти острия, отдавая ему свои эл-ны.

Рис. 1. Схема ионного проектора: 1 — жид­кий водород; 2 — жид­кий азот; 3 — остриё; 4 — проводящее коль­цо; 5 — экран.

 

Возникшие положит. ионы приобре­тают под действием поля радиальное ускорение, устремляются к флуоре­сцирующему экрану (потенциал к-рого отрицателен) и бомбардируют его. Свечение каждого элемента экрана пропорц. плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распреде­ление свечения на экране воспроизво­дит (в увеличенном масштабе) рас­пределение плотности возникновения ионов вблизи острия, отражающее структуру поверхности объекта. Мас­штаб увеличения m примерно равен отношению радиуса экрана R к ра­диусу кривизны острия r, т. е. m=R/r.

Вероятность полевой ионизации (см. Автоионизация) газа в электрич. поле оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся па­дение потенциала порядка ионизацион­ного потенциала этой ч-цы. Это зна­чит, что напряжённость поля должна достигать ~(2—6)*10⁸ В/см, т.е. (2—6) В/Å. Столь сильное поле можно создать у поверхности острия (на рас­стоянии 5—10 Å от неё) при доста­точно малом радиусе кривизны по­верхности — от 100 до 1000 А. Имен­но поэтому (наряду со стремлением к большим увеличениям) образец в И. п. изготовляют в виде тонкого острия.

Вблизи острия электрич. поле не­однородно — над ступеньками крист. решётки или над отдельными высту­пающими атомами его локальная на­пряжённость увеличивается: на та­ких участках вероятность полевой ионизации выше и кол-во ионов, обра­зующихся в ед. времени, больше. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Иными словами, образование контрастного изобра­жения поверхности определяется на-

232

 

 

личием у неё локального микрорелье­фа. Другим фактором, влияющим на контраст, явл. электронная природа атома; так, напр., в сплаве Со и Pt более электроотрицательные атомы Pt отображаются как яркие точки, а находящиеся рядом атомы Со не видны. Ионный ток и, следовательно, яр­кость и контрастность изображения растут с повышением давления газа, к-рое в И. п., однако, обычно не превышает 10^{-3 мм рт. ст.}

Разрешающая способность И. п. d находится в обратной зависимости от тангенциальной составляющей ско­рости иона, т. е., чем меньше кинетич. энергия ч-цы, превращающейся в ион, тем выше б. Поэтому остриё И. п. обычно охлаждают (до 4—78 К). При этом увеличивается аккомодация ч-ц изображающего газа. В сильном электрич. поле атомы газа адсорбиру­ются на участках с наибольшей ло­кальной напряжённостью поля (т. н. полевая адсорбция). Их присутствие даёт возможность получать высокодеталированное изображение (рис. 2), т. к. полевая ионизация изображаю­щих ч-ц облегчается при полевой ад­сорбции на уже ранее адсорбированных ч-цах.

Рис. 2. Изображения поверхности вольфра­мового острия радиусом 950 Å при увеличе­нии в 10⁶ раз в электронном проекторе (о) и в гелиевом ионном проекторе (б) при темп-ре 22К. На первом изображении можно ви­деть только структуру крист. плоскостей, тогда как с помощью ионного проектора за счёт разрешения отд. атомов (светлые точки на кольцах) можно различить бисерно-цепочную структуру ступеней крист. решетки.

 

Чем выше потенциал иони­зации ч-ц, тем большее разрешение они обеспечивают. (Лучшими изобра­жающими газами явл. Не и Ne.) Однако при этом требуются более сильные электрич. поля, что ограничи­вает круг объектов И. п. из-за поле­вого испарения. Примесь к рабочему газу другого снижает величину изобра­жающего поля за счёт понижения по­рогового поля полевой адсорбции. Часто в И. п. применяют внутренний микроканальный умножитель (МКУ), к-рый конвертирует ионный ток в элек­тронный, многократно его усиливает и обеспечивает яркое изображение на экране. МКУ позволили использо­вать разнообразные рабочие газы, по­нижать их давление и тем самым зна­чительно , расширили возможности И. п.

И. п. широко применяется для ис­следования ат. структуры поверхно­сти металлов, сплавов и соединений. С его помощью определяются пара­метры поверхностной диффузии отд. атомов и их элем. ассоциатов, при этом выявляются механизмы переме­щения, что недоступно др. методам. С помощью И. п. наблюдаются и изу­чаются двухмерные фазовые превраще­ния; в ат. масштабе исследуются внутр. дефекты в металлах и сплавах (вакансии, атомы в междоузлиях, дис­локации, дефекты упаковки и др.); исследуются потенциалы межат. вз-ствия, электронные св-ва элемен­тарных поверхностных объектов. Ис­следования с использованием И. п. привели к радикальному пересмотру представлений о границах зёрен в по­ликристаллах.

Сочетание И. п. с масс-спектромет­ром, регистрирующим отд. ионы, при­вело к изобретению ат. зонда, рас­ширившего аналитич. возможности прибора.

• Мюллер Э. В., Ц о н г Т. Т., Поле­вая ионная микроскопия, полевая иониза­ция и полевое испарение, пер. с англ., М., 1980; их же, Автоионная микроскопия, пер. с англ., М., 1972.

ИОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, люминес­ценция, возбуждаемая бомбардиров­кой ионами.

ИПСИЛОН-ЧАСТИЦЫ (r), тяжё­лые мезоны с массой »9,4 ГэВ и св-вами, подобными св-вам мезонов со скрытым «очарованием». Первая И.-ч. с массой ок. 9,4 ГэВ открыта в 1977. В кварковой модели адронов И.-ч. рассматривают как связанное состоя­ние кварка и антикварка, ещё более тяжёлых, чем «очарованный» с-кварк. Новый кварк обозначают буквой b (от англ. beauty — красота, прелесть или от bottom — нижний); его элек­трич. заряд равен — ¹/₃е (где е — эле­ментарный электрич. заряд). Т. о., символически: Y=(bb^). См. Элемен­тарные частицы.

ИРИСОВАЯ ДИАФРАГМА, приспо­собление для регулирования осве­щённости изображения и изменения глубины резко изображаемого пр-ва (см. Глубина изображаемого пространства), применяемое в фотогр. объекти­ве. И. д. состоит из заходящих друг за друга тонких непрозрачных сер­повидных пластинок, образующих прибл. круглое отверстие. Передвиже­нием диафрагменного кольца объек­тива или связанного с ним рычага все пластинки одновременно поворачива­ются, плавно изменяя отверстие объ­ектива (его светосилу, см. Диафрагма в оптике).

ИРНШОУ ТЕОРЕМА, одна из осн. теорем электростатики, согласно к-рой система покоящихся точечных зарядов, находящихся на конечном расстоянии друг от друга, не может быть устойчивой. И. т. сформулиро­вана англ. физиком и математиком С. Ирншоу (S. Earnshaw) в 19 в. и вытекает из утверждения, что потенц. энергия статич. системы зарядов не может иметь минимума. Наличие же минимума потенц. энергии явл. не­обходимым условием устойчивого рав­новесия системы. И. т. сыграла боль­шую роль в развитии теории атома. Из неё следует, что атом не может быть построен из неподвижных зарядов, связанных между собой только элек­трич. силами, и должен представлять собой динамич. систему.

ИСКРОВАЯ КАМЕРА, прибор для наблюдения и регистрации следов (треков) ч-ц, основанный на возникно­вении искрового разряда в газе при попадании в него ч-цы. Используется для исследования ядерных реакций, в экспериментах на ускорителях и при исследовании космических лучей. Про­стейшая И. к.— два плоскопарал­лельных электрода, пространство меж­ду к-рыми заполнено газом (чаще Ne, Ar или их смесью). Площадь пластин от десятков см² до неск м². Одновре­менно с прохождением ч-цы или с нек-рым запозданием (~1 мкс) на электроды И. к. подаётся короткий (10—100 нс) импульс высокого напря­жения. В рабочем объёме И. к. созда­ётся сильное электрич. поле (5— 20 кВ/см). Импульс подаётся по сиг­налу системы детекторов (сцинтилля­ционных счётчиков, черенковских счёт­чиков и т. п.), выделяющих исследу­емое событие. Эл-ны, возникшие вдоль траектории ч-цы в процессе иониза­ции атомов газа, ускоряются полем, ионизуют (ударная ионизация) и воз­буждают атомы газа. В результате на очень коротком пути образуются элек­тронно-фотонные лавины, к-рые, в за­висимости от амплитуды и длитель­ности импульса, либо перерастают в видимый глазом искровой разряд, либо создают в газе локально светя­щиеся области небольшого объёма. Узкозазорная И.к. обыч­но состоит из большого числа одина­ковых искровых промежутков(~1см). Искровые разряды распространяются перпендикулярно электродам (рис. 1, а). Цепочка искр воспроизводит траек-

233

 

 

Рис. 1. Треки ч-ц в искровых камерах разных типов (эл-ны движутся противопо­ложно направлению электрич. поля Е).

 

торию ч-цы (рис. 2). Точность лока­лизации искр вблизи траектории со­ставляет доли мм, временное разреше­ние ~10^-6 с, полное время восста­новления ~10^-3 с. В широкозазор­ной трековой И. к. (расстояние между электродами 3—50 см) электронно-фононные лавины, развивающиеся от первичных эл-нов, сливаются в узкий светящийся канал вдоль трека (рис. 1, б). В этом режиме могут ре­гистрироваться треки под углами не более 50° к направлению электрич. поля в камере. Для наблюдения треков под большими углами, вплоть до 90°, используют т. н. с т р и м е р н ы й режим, при к-ром развитие стримера (начальной стадии пробоя) начинается с каждого первичного элек­трона и обрывается, когда длина стри­мера достигает неск. мм (рис. 1, в).

Рис. 2. Фотография треков в узкозазорной искровой камере.

 

На камеру, при этом, подаётся импульс с более коротким фронтом и длитель­ностью ~10 нс. Трековые И. к. и стримерные камеры обладают высокой эффективностью к одновременной ре­гистрации многих частиц (ливней ча­стиц) и дают высокую пространствен­ную и угловую точность определения траекторий (~10^-3 рад).

И. к. позволяют в ряде случаев определять, помимо траектории, иони­зующую способность ч-ц. Помещённая в магн. поле И. к. служит для опре­деления импульсов ч-ц по кривизне их траектории. И. к. могут работать в условиях интенсивного потока заряж. ч-ц на ускорителях, т. к. время их «памяти» (время жизни эл-нов) может быть уменьшено до 1 мкс. С дру­гой стороны, И. к. способны работать с большой частотой, т. к. время вос­становления камеры после срабаты­вания равно всего неск. мс. И. к. управляема, т. е. может срабатывать по сигналу др. детекторов.

Кроме фотографирования, в И. к. широко применяют др. методы реги­страции, позволяющие, в частности, передавать данные с И. к. непосред­ственно на ЭВМ и автоматически их обрабатывать (безфильмовые И. к.). Напр., в проволочных И. к., имеющих электроды в виде ряда тон­ких нитей, расположенных на пло­скости на расстоянии ~1 мм друг от друга, появление искры сопровожда­ется разрядным током в близлежащей нити; это позволяет определить коор­динаты искры, к-рые могут быть пере­даны непосредственно на ЭВМ. В акустич. И. к. с помощью установленных вне камеры пьезокристаллов улавли­вают ударную волну в газе, возникаю­щую в момент искрового пробоя. Ин­тервал времени между появлением ис­кры и сигналом в кристалле позволяет определить расстояние искры от кри­сталла, т. е. координаты искры. В этом случае также часто осуществля­ют непосредств. связь пьезодатчиков с ЭВМ.

• Искровая камера, М., 1967; Калашни­кова В. И., К о з о д а е в М. С., Де­текторы элементарных частиц, М., 1966 (Экспериментальные методы ядерной физи­ки), [ч. 1]; Воробьев А. А., Р у д е н к о Н. С., Сметанин В. И., Техника искровых камер, М., 1978.

М. И. Дайон.

ИСКРОВОЙ РАЗРЯД (искра), неуста­новившийся электрич. разряд, возни­кающий в том случае, когда непосред­ственно после пробоя разрядного про­межутка напряжение на нём падает в течение очень короткого времени (от неск. долей мкс до сотен мкс) ниже величины напряжения погаса­ния разряда. И. р. повторяется, если после погасания разряда напряжение вновь возрастает до величины напря­жения пробоя. При увеличении мощ­ности источника напряжения И. р. переходит обычно в дуговой разряд. В природных условиях И. р. наблю­дается в виде молний.

Развитие И. р. объясняется стримерной теорией электрич. пробоя га­зов: из электронных лавин, возника­ющих при наложении электрич. поля на разрядный промежуток, при определ. условиях образуются т. н. стримеры — тонкие разветвлённые каналы, заполненные ионизованным газом. Стримеры, быстро удлиняясь, перекрывают разрядный промежуток

и соединяют электроды непрерывны­ми проводящими каналами. Далее сила тока резко нарастает, каждый из ка­налов быстро расширяется, в них скачкообразно повышается давление, в результате чего на границах возни­кает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся ис­кровых каналов порождает звук, во­спринимаемый как характерный «треск» искры (в случае молнии — гром).

Величины, характеризующие И. р. (напряжение зажигания, напряже­ние погасания, макс. ток, длитель­ность), могут меняться в очень широ­ких пределах в зависимости от пара­метров разрядной цепи, величины разрядного промежутка, геометрии электродов, давления газов и т. д. Напряжение зажигания И. р., как правило, достаточно велико. Продоль­ная напряжённость поля в искре понижается от неск. десятков кВ/см в момент пробоя до 100 В/см спустя неск. мкс. Макс. сила тока в мощном И. р. может достигать значений по­рядка неск. сотен кА.

Особый вид И. р.— скользя­щий И. р., возникающий вдоль по­верхности раздела газа и тв. диэлек­трика, помещённого между электро­дами. Области скользящего И. р., в к-рых преобладают заряды к.-л. одного знака, индуцируют на по­верхности диэлектрика заряды дру­гого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности ди­электрика (см. Лихтенберга фигуры). Процессы, близкие к происходящим при И. р., свойственны также кисте­вому разряду.

И. р. нашёл разнообразное приме­нение в науке и технике. С его по­мощью инициируют взрывы и про­цессы горения, измеряют высокие на­пряжения; его используют в спектр. анализе, для регистрации заряж. ч-ц (см. Искровой счётчик), в переключа­телях электрнч. цепей, для обработки металлов и т. п.

• См. лит. при ст. Электрические разряды в газах.

В. Н. Колесников.

ИСКРОВОЙ   СЧЁТЧИК,   прибор  для регистрации заряж. ч-ц, принцип дей­ствия  к-рого  основан на   возникнове­нии искрового разряда в газе при по­падании  в  него    заряж.   ч-цы.   Даёт информацию о прошедшей ч-це в виде электрич.    импульса    (с    амплитудой неск. кВ) и яркой искры вблизи тра­ектории ч-цы.  Искра  сопровождается ударной волной и звуком. И. с. состоит из двух плоскопараллельных электродов, находящихся в герметизиров. объёме, наполненном Ar и парами органич.   в-в  (спирт,   эфир  и  т. п.)  при общем   давлении   от   0,5   до   20   атм. Межэлектродное   расстояние — от до­лей до неск. мм рт. ст. На электроды; подаётся пост. напряжение (неск. кВ). Эл-ны,    возникшие   в   газе   на    пути ч-цы,    вследствие    ионизации    атомов газа    ускоряются    полем,    ионизуют атомы    газа    (ударная   ионизация)   в

234

 

 

создают электронно-фотонные лавины, перерастающие в искровой пробой между электродами.

В отличие от Гейгера счётчика, в к-ром эл-ны лишь у нити производят ударную ионизацию, в И. с. электрич. поле однородно и ударная иониза­ция может начаться в любой точке рабочего объёма. Это приводит к очень малому времени запаздывания разряда по отношению к моменту прохождения ч-цы (в И. с. с зазором 0,1—0,2 мм и давлением 3—20 атм получены запаздывания ~10^-10— 10^-11 с). Однако И. с. обладают боль­шим мёртвым временем (время вос­становления ~10^-3 с) и поэтому не могут быть использованы в условиях интенсивных потоков ч-ц (напр., в экспериментах на ускорителях). По­ка не удалось создать И. с. большого размера, т. к. увеличение энергии разряда приводит к разрушению по­верхности электродов. Поэтому И. с. получили ограниченное применение.

В И. с. с локализов. разрядом поло­жит. электрод делают из диэлектри­ка (стекло, бакелит) толщиной ~2— 10 мм с удельным сопротивлением ³10⁹Ом•см с металлизиров. наруж­ной поверхностью. Спец. подбором га­сящих смесей достигается быстрое по­глощение фотонов, возникающих в искре. Искра в месте прохождения ч-цы снимает электрич. поле только в огранич. области зазора вблизи раз­ряда, а чувствительность к ч-цам на остальной площади счётчика сохраня­ется; поэтому существенно возрастает предельная загрузка И. с. и отсут­ствуют ограничения на его размеры. Металлизиров. поверхность диэлек­трика обычно выполняют в виде от­дельных изолированных полос; по разности времён прихода электрич. сигналов на два конца полосы может быть определена координата искры вдоль линии с точностью ~0,2 мм. Характерные параметры такого И. с.: иежэлектродный зазор — доли мм, давление рабочего газа ~ 1—20 атм, разность потенциалов на пласти­нах—неск. кВ, величина плато—неск. кВ, временное разрешение — до де­сятков нс. Сохраняются уникальные временные параметры И. с., но в зна­чит. мере отсутствуют их недостатки, что расширяет область применения.

Кроме И. с. с плоскопараллельными электродами — предшественников искровой камеры, существуют И. с. для a-частиц. Катодом в них служит металлич. пластинка, а анод в виде металлич. нити натягивается на изо­ляторах параллельно катоду на рас­стоянии 1,5—2 мм. Счётчик работает обычно в воздухе при атм. давлении. Эл-ны (или g-кванты) вследствие ма­лой ионизующей способности не вызы­вают эффекта. При полёте a-частицы, обладающей гораздо большей ионизу­ющей способностью, проскакивает ис­кра. Поэтому И. с. такого типа может быть применён для регистрации a-частиц в присутствии интенсивного b- и g-излучения. Благодаря большой величине тока, протекающего в искро­вом разряде, импульс, возникающий на нити счётчика, имеет амплитуду в неск. сотен В. Время нарастания импульса мало (~10^-7 с); полная продолжительность импульса обычно ~10^-4 с.

• Новый детектор частиц — искровой счет­чик с локализованным разрядом, «Изв. АН СССР. Сер. физическая», 1978, т. 42, № 7, с. 1488; Измерение формфактора пиона в реакции е⁺ е^-®p⁺p^- в области энергий от 0,4 до 0,46 ГэВ, «ЯФ», 1981, т. 33, в. 3.

М. И. Дайон.

ИСПАРЕНИЕ, переход в-ва из жид­кого или твёрдого агрегатного состоя­ния в газообразное (пар). Обычно под И. понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной по­верхности жидкости. И. твёрдых тел наз. возгонкой или сублимацией.

Вследствие теплового движения мо­лекул И. возможно при любой темп-ре, но с возрастанием темп-ры ско­рость И. увеличивается. В замкну­том пр-ве (закрытом сосуде) И. про­исходит при заданной пост. темп-ре до тех пор, пока пр-во над жидкостью

Зависимость давления насыщ. пара нек-рых жидкостей от темп-ры.

 

(или тв. телом) не заполнится насыщ. паром. Давление насыщ. пара р_нас зависит только от темп-ры Т и повыша­ется с её возрастанием. Кривая зави­симость р_нас от Т наз. равновес­ной кривой И. (рис.). Если р_нас становится равным внеш. давлению или несколько его превышает, то И. переходит в кипение. Наиб. высокой темп-рой кипения явл. критическая температура данного в-ва. Критиче­ские темп-pa и давление определяют критическую точку — конечную точку на равновесной кривой И. Выше этой точки сосуществование двух фаз — жидкости и пара — в равновесии не­возможно.

При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы мол. сцепления в жидкости. Работа против этих сил (работа выхода), а также против внеш. давления уже образовавшегося пара, совершается за счёт кинетич. энергии теплового дви­жения молекул. В результате И. жид­кость охлаждается. Поэтому, чтобы процесс И. протекал при пост. темп-ре, необходимо сообщать каждой ед. мас­сы в-ва определ. кол-во теплоты l (Дж/кг или Дж/кмоль), наз. теплотой испарения. Теплота И. уменьшается с ростом темп-ры, особенно быстро вблизи критич. точки, обращаясь в этой точке в нуль. Теплота И. свя­зана с производной давления насыщ. пара по темп-ре Клапейрона — Кла­узиуса уравнением, на основе к-рого определяются численные значения l для жидкостей. Скорость И. резко снижается при нанесении на поверх­ность жидкости достаточно прочной плёнки нелетучего в-ва. И. жидкости в газовой среде, напр. в воздухе, про­исходит медленнее, чем в разреженном пр-ве (вакууме), т. к. вследствие со­ударений с молекулами газа часть ч-ц пара вновь возвращается в жид­кость (конденсируется). И. относится к фазовым переходам 1-го рода, к-рые характеризуются отличной от нуля теплотой фазового перехода. При про­цессе, обратном И., т. е. при образо­вании из пара жидкой фазы (конден­сации пара), происходит выделение теплоты И. Применяется И. в техни­ке как средство очистки в-в или раз­деления жидких смесей перегонкой. Процесс И. лежит в основе работы двигателей внутр. сгорания, холо­дильных установок, а также всех про­цессов сушки материалов.

В естественных условиях И. явл. единств. формой передачи влаги с океанов и суши в атмосферу и осн. со­ставляющей круговорота воды на земном шаре.

• Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е., Техническая термо­динамика, 2 изд., М., 1974; Кикоин А. К., Кикоин И. К., Молекулярная физика, 2 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Кон­стантинов А. Р., Испарение в приро­де, Л., 1963; ХирсД., П а у н д Г., Испарение и конденсация, пер. с англ., М.. 1966.

ИСТИННО НЕЙТРАЛЬНАЯ ЧА­СТИЦА (абсолютно нейтральная ча­стица), элементарная ч-ца (или свя­занная система), у к-рой все хар-ки, отличающие ч-цу от античастицы (эле­ктрический, барионный, лептонный за­ряды, странность, «очарование», «кра­сота»), равны нулю. Поэтому И. н. ч. тождественна своей античастице. При­меры: фотон, pi°-мезон, J/y-мезон, ип­силон-частицы. И. н. ч. обладают оп­редел. значениями зарядовой чётно­сти и комбинированной чётности.

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗ­ЛУЧЕНИЯ (источники света), преоб­разователи разл. видов энергии в эл.-магн. энергию оптич. диапазона с условными границами 10¹¹—10¹⁷ Гц, что соответствует длинам волн в вакууме от неск. мм до неск. нм. Естественными И. о. и. явл.

235

 

 

Солнце, звёзды, атмосферные разря­ды и др., а также люминесцирующие объекты животного и растит. ми­ра (см. Люминесценция). Искус­ственные И. о. и. различаются в зависимости от того, какой процесс лежит в основе получения эл.-магн. излучения оптич. диапазона. И. о. и. могут быть когерентны и некогерент­ны (см. Когерентность). Временной и пространств, когерентностью обла­дает только излучение лазеров. Излуче­ние остальных И. о. и. представляет собой суммарный эффект независи­мых актов спонтанного испускания совокупности возбуждённых атомов и молекул. Неодновременность актов ис­пускания приводит к хаотичному ра­спределению фаз волн, излучаемых отд. атомами, т. е. к некогерентности их излучения.

Разнообразие И. о. и. определяется многочисленностью способов преобра­зования разл. видов энергии в све­товую, большой широтой оптич. диа­пазона спектра, разл. требованиями, к-рые предъявляются к И. о. и., при­меняемым для научных и техн. целей. Искусств. И. о. и. классифицируют по видам излучений, роду используе­мой энергии, признакам эксплуатац. хар-ра, конструктивным особенностям, назначению. По видам излучений И. о. и. разделяют на тепловые ис­точники и люминесцирующие. Тепловыми И. о. и. явл. пламёна, электрич. лампы накаливания, стержневые и плоскостные излучатели с электрона­гревом, модели абсолютно чёрного те­ла, излучатели с газовым нагревом

(калильные сетки). Они имеют сплошной спектр, положение макси­мума к-рого зависит от темп-ры в-ва; с ростом темп-ры общая энергия ис­пускаемого теплового излучения воз­растает, а её максимум смещается в область коротких длин волн. Тепловые излучатели используются и как све­товые эталоны.

В люминесцирующих И. о. и. используется люминесцен­ция газов или тв. тел (кристаллофосфоров), возбуждаемая электрич. полем, напр. при прохождении через них электрич. тока. Электрические разряды в газах используются в разнообраз­ных газоразрядных И. о. и., к-рые различаются в зависимости от вида газового разряда (дуговой, искровой, тлеющий, безэлектродный), хар-ра из­лучающей среды (газы, пары метал­лов), режима работы (непрерывный, импульсный).

Различают газосветовые лампы (трубки), в к-рых источник излуче­ния — возбуждённые атомы, моле­кулы или рекомбинирующие ионы; люминесцентные лампы, где источ­ник излучения — люминофоры, воз­буждаемые излучением газового раз­ряда; электродосветные лампы, в к-рых осн. источник излучения — электроды, раскалённые в газовом раз­ряде. Спектры испускания большин­ства газоразрядных И. о. и. линей­чатые, характерные для возбуждённых атомов газа или пара, в к-ром про­исходит разряд. Распределение энер­гии в спектре, кпд, величина свето­вого и лучистого потоков, яркость и др.

хар-ки зависят от рода газа или пара, его давления, величины разрядного тока, расстояния между электродами и др. условий. В лазерной технике, скоростной фоторегистрации, светолокации распространены импуль­сные И. о. и., позволяющие полу­чать одиночные или периодически повторяющиеся световые вспышки дли­тельностью до неск. нс.

В И.о. п. на основе электролюми­несценции и электрохемилюминесценции в свет также преобразуется эл.-магн. энергия. В электролюминесцент­ных И. о. п. оптич. излучение тв. тел возникает либо в результате и н ж е к ц и о н н о й электролюминесценции, характерной для р—n перехода, вклю­чённого в цепь источника пост. тока (см. Светодиод), либо в результате предпробойной электролю­минесценции, наблюдаемой у порош­кообразных активиров. кристаллофосфоров при помещении их в диэлектрик между обкладками конденсатора, на к-рый подаётся перем. напряжение. В катодолюминесцентных И.о. п. люминофор возбужда­ется быстрыми эл-нами (см. Элек­тронно-оптический преобразователь). В р а д и о и з о т о п н ы х И. о. и. люминесценцию возбуждают продук­тами радиоакт. распада нек-рых изо­топов.

• Рохлин Г. Н., Газоразрядные источ­ники света, М.—Л., 1966; Импульсные ис­точники света, под ред. И. С. Маршака, 2 изд., М., 1978; Литвинов В. С., Р о х л и н Г. Н., Тепловые источники оптического из­лучения, М., 1975; Мешков В. В., Ос­новы светотехники, 2 изд., М., 1979.

Л. Н. Капорский.