О

ОБЕРТОН (нем. Oberton, от ober — верхний и Ton — тон), синусоидаль­ная составляющая периодич. колеба­ния сложной формы с частотой, более высокой, чем основной тон. Любое периодич. колебание можно предста­вить как сумму осн. тона и обертонов, причём частоты и амплитуды этих О. определяются как физ. свойствами колебат. системы, так и способом её возбуждения. Если частоты всех О.— целые, кратные основной частоте, то такие О. наз. гармоническими, или гармониками. Если же частоты за­висят от осн. частоты более сложным образом, то говорят о негармонич. О. В этом случае периодич. колебание также может быть представлено как сумма гармоник, но это разложение будет приближённым, тем более точ­ным, чем большее число гармоник взято. Если частота осн. тона f (пер­вый О.), то частота второго О. равна 2f или близка к этому значению, ча­стота третьего — 3f и т. д.

ОБЛУЧЁННОСТЬ, то же, что энер­гетическая освещённость.

ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, специфич. взаимное влияние тождест­венных частиц, эффективно проявля­ющееся как результат нек-рого осо­бого вз-ствия. О. в.— чисто квантовомеханич. эффект, не имеющий ана­лога в классич. физике (см. Квантовая механика).

Вследствие квантовомеханич. прин­ципа неразличимости одинаковых ч-ц (тождественности принципа) волн. ф-ция системы должна обладать определ. симметрией относительно пе­рестановки двух таких ч-ц, т. е. их координат и проекций спинов: для ч-ц с целым спином — бозонов — волн. ф-ция системы не меняется при такой перестановке (явл. симметричной), а для ч-ц с полуцелым спином — фермионов — меняет знак (явл. антисимметричной). Если силы вз-ствия между ч-цами не зависят от их спинов, волн. ф-цию системы можно представить в виде произведения двух ф-ций, одна из к-рых зависит только от координат ч-ц, а другая — только от их спинов. В этом случае из принципа тождест­венности следует, что координатная часть волн. ф-ции, описывающая дви­жение ч-ц в пр-ве, должна обладать определ. симметрией относительно пе­рестановки координат одинаковых ч-ц, зависящей от симметрии спиновой части волн. ф-ции. Наличие такой симметрии означает, что имеет место определ. согласованность, корреляция движения одинаковых ч-ц, к-рая ска­зывается на энергии системы (даже в отсутствие силовых вз-ствий между ч-цами). Поскольку обычно влияние ч-ц друг на друга явл. результатом действия между ними к.-л. сил, о взаимном влиянии одинаковых ч-ц, вытекающем из принципа тождест­венности, говорят как о проявлении специфич. вз-ствия — О. в.

Возникновение О. в. можно про­иллюстрировать на примере атома гелия (впервые это было сделано нем. физиком В. Гейзенбергом в 1926). Спиновые вз-ствия в лёгких атомах малы, поэтому волн. ф-ция y двух эл-нов в атоме гелия может быть представлена в виде:

y=Ф(r₁, r₂)c(s₁, s₂), (1)

где Ф (r₁, r₂) — ф-ция координат r₁, r₂ эл-нов, а c(s₁, s₂) — ф-ция проекций их спинов s₁, s₂ на нек-рое направление. Т. к. эл-ны явл.. фермионами, полная волн. ф-ция y должна быть антисим­метричной. Если суммарный спин S обоих эл-нов равен нулю (спины анти­параллельны — парагелий), то спи­новая ф-ция c антисимметрична от­носительно перестановки спиновых пе­ременных и, следовательно, коорди­натная ф-ция Ф должна быть симметричной относительно перестановки координат эл-нов. Если же S=1 (спи­ны параллельны — ортогелий), то c симметрична, а Ф — антисиммет­рична. Обозначая через y_n(r₁), y_m(r₂) волн ф-ции отд. эл-нов в атоме гелия (индексы га и т означают набор квант. чисел, определяющих состояние эл-на в атоме), можно, пренебрегая сначала вз-ствием между эл-нами, записать координатную часть волн. ф-ции в виде:

(множитель 1/Ö2 введён для норми­ровки волн. ф-ции). В состоянии с антисимметричной координатной ф-цией Ф_а ср. расстояние между эл-нами оказывается большим, чем в состоя­нии с симметричной ф-цией Ф_с; это видно из того, что вероятность |y|²=|Ф_а|²|c_с|² нахождения эл-нов в од­ной и той же точке r₁=r₂ для со­стояния Ф_а равна нулю. Поэтому ср. энергия кулоновского вз-ствия (от­талкивания) двух эл-нов оказывается в состоянии Ф_а меньшей, чем в со­стоянии Ф_с. Поправка к энергии системы, связанная с вз-ствием эл-нов, определяется по теории возмущений и равна

ξ_вз =K±А, (3)

где знаки ± относятся соответственно к симметричному и антисимметрич­ному координатным состояниям

(е — заряд эл-на, dt=dxdydz — эле­мент    объёма).    Величина    К    имеет

474

 

 

 

 

 

наглядный классич. смысл и соот­ветствует электростатич. вз-ствию двух заряж. «облаков» с плотностями заряда e|y_n(r₁)|² и e|y_m(r₂)|². Величину А, называемую обменным интегралом, можно интерпретировать как элект­ростатич. вз-ствие заряж. «облаков» с плотностями заряда ey*_n(r₁)y_m(r₁) и ey*m(r₂)y_n(r₂) (звёздочка означает комплексное сопряжение), т. е. когда каждый из эл-нов находится одновре­менно в состояниях y_n и y_m (что бес­смысленно с точки зрения классич. физики). Из (3) следует, что полная энергия пара- и ортогелия с эл-нами в аналогичных состояниях отличается на величину 2А. Т. о., хотя непо­средственно спиновое вз-ствие мало и не учитывается, тождественность двух эл-нов в атоме гелия приводит к тому, что энергия системы оказы­вается зависящей от полного спина системы, как если бы между ч-цами существовало дополнит., обменное, вз-ствие. Очевидно, что О. в. в дан­ном случае явл. частью кулоновского вз-ствия эл-нов и явным образом выступает при приближённом рас­смотрении квантовомеханич. системы, когда волн. ф-ция всей системы вы­ражается через волн. ф-ции отд. ч-ц (в частности, в приближении Хартри — Фока; см. Самосогласованное поле).

О. в. эффективно проявляется в тех случаях, когда «перекрываются» волн. ф-ции отд. ч-ц системы, т. е. когда существуют области пр-ва, в к-рых с заметной вероятностью может находиться ч-ца в разл. состояниях движения. Это видно из выражения для обменного интеграла А: если степень перекрытия состояний y*_n (r) и y_m(r) незначительна, то величина А очень мала.

Из принципа тождественности сле­дует, что О. в. возникает в системе одинаковых ч-ц даже в случае, если прямыми силовыми вз-ствиями ч-ц можно пренебречь, т. е. в идеальном газе тождеств. ч-ц. Эффективно оно начинает проявляться, когда ср. рас­стояние между ч-цами становится сравнимым (или меньшим) с длиной волны де Бройля, соответствующей ср. скорости ч-ц. При этом хар-р О. в. различен для фермионов и для бозо­нов. Для фермионов О. в. явл. след­ствием Паули принципа, препятст­вующего сближению тождеств. ч-ц с одинаковым направлением спинов, и эффективно проявляется как оттал­кивание их друг от друга на рас­стояниях порядка или меньше длины волны де Бройля; отличие от нуля энергии вырожденного газа фермионов (ферми-газа) целиком обусловлено та­ким О. в. В системе тождеств. бозонов О. в., напротив, имеет хар-р взаимного притяжения ч-ц. В этих случаях рассмотрение систем, состоящих из большего числа одинаковых ч-ц, про­изводится на основе Ферми — Дирака статистики для фермнонов и Бозе — Эйнштейна статистики для бозонов.

Если взаимодействующие тождеств. ч-цы находятся во внеш. поле, напр. в кулоновском поле ядра, то суще­ствование определённой симметрии волн. ф-ции и соответственно определ. корреляции движения ч-ц влияет на их энергию в этом поле, что также явл. обменным эффектом. Обычно (в атоме, молекуле, кристалле) это О. в. вносит вклад обратного знака по сравнению с вкладом О. в. ч-ц друг с другом. Поэтому суммарный обмен­ный эффект может как понижать, так и повышать полную энергию вз-ствия в системе. Энергетич. выгод­ность или невыгодность состояния с параллельными спинами фермионов, в частности эл-нов, зависит от относит. величин этих вкладов. Так, в ферромагнетике (аналогично рассмот­ренному атому гелия) более низкой энергией обладает состояние, в к-ром спины (а следовательно, и магн. мо­менты) эл-нов в незаполненных обо­лочках соседних атомов параллельны; в этом случае благодаря О. в. возни­кает спонтанная намагниченность (см. Ферромагнетизм). Напротив, в моле­кулах с ковалентной хим. связью, напр. в молекуле Н₂, энергетически выгодно состояние, в к-ром спины ва­лентных эл-нов соединяющихся ато­мов антипараллельны.

О. в. объясняет, т. о., закономер­ности ат. и мол. спектроскопии, хим. связь в молекулах, ферромагнетизм (и антиферромагнетизм), а также др. специфич. явления в системах оди­наковых ч-ц.

• См.  лит.   при  ст.  Квантовая механика.

Д.   А.  Киржниц,  С.  С.  Герштейн.

ОБОБЩЁННЫЕ ИМПУЛЬСЫ, физич. величины р_i, определяемые ф-лами: p_i=дT/дqi или p_i=дL/дq_i, где Т — кинетич. энергия, a L — Лагранжа функция данной механич. системы, выраженные через обобщённые ко­ординаты q_i и обобщённые скорости q_i. Размерность О. и. зависит от раз­мерности обобщённой координаты. Ес­ли q_i имеет размерность длины, то p_i — размерность обычного импульса, т. е. произведения массы на скорость; если же координатой q_i явл. угол (величина безразмерная), то p_i имеет размерность момента кол-ва движе­ния, и т. д.

ОБОБЩЁННЫЕ КООРДИНАТЫ, не­зависимые параметры q_i (i=1, 2, ..., s) любой размерности, число к-рых рав­но числу s степеней свободы механич. системы и к-рые однозначно опреде­ляют положение системы. Закон дви­жения системы в О. к. даётся s ур-ниями вида q_i=q_i(t), где t — время. О. к. пользуются при решении мн. задач, особенно когда система подчинена связям, налагающим ограничения на её движение. При этом значительно уменьшается число ур-ний, описыва­ющих движение системы, по сравне­нию, напр., с ур-ниями в декартовых координатах (см. Лагранжа уравнения в механике). В системах с бес­конечно большим числом степеней свободы (сплошные среды, физ. поля) О. к. являются особые функции про­странственных координат и времени, наз. потенциалами, волн. функция­ми и т. п.

ОБОБЩЁННЫЕ СИЛЫ, величины, играющие роль обычных сил, когда при изучении равновесия или движе­ния механич. системы её положение определяется обобщёнными координа­тами. Число О. с. равно числу s степеней свободы системы; при этом каждой обобщённой координате q_i соответствует своя О. с. Q_i. Значение О. с. Q₁, соответствующей координате q₁, можно найти, вычислив элем. работу dA₁ всех сил на возможном перемещении системы, при к-ром из­меняется только координата q_1:, по­лучая приращение dq₁. Тогда dA₁=Q₁dq₁т. е. коэффициент при dq_i в выражении dA₁ и будет О. с. Q₁. Аналогично вычисляются Q₂, Q₃, . . .,

Q_s.

Размерность О. с. зависит от раз­мерности обобщённой координаты. Ес­ли q_i имеет размерность длины, то Q_i — размерность обычной силы; если q_i — угол, то Q_i имеет размерность момента силы, и т. д. При изучении движения механич. системы О. с, входят вместо обычных сил в Лаг­ранжа уравнения механики, а при равновесии все О. с. равны нулю.

С.    М.    Тарг.

ОБОЛОЧКА, твёрдое деформируемое тело, ограниченное двумя криволи­нейными поверхностями, расстояние между к-рыми мало по сравнению с двумя др. размерами.

Оболочки разл. формы: а — цилиндрич. обо­лочка кругового сечения; б — коническая; в — сферическая; г — тороидальная.

 

Поверхность, делящая пополам толщину О., наз. с р е д и н н о й  п о в е р х н о с т ь ю; в зависимости от её очертания О. различаются по форме (рис.). О. клас­сифицируются также по полной кри­визне поверхности — т. н. гауссовой

475

 

 

кривизне: положительной — сферич., эллипсоидальные; нулевой — цилиндрич., конические; отрицательной — гиперболич. параболоиды. О. могут быть пост. и перем. толщины, а также одно-, двух- и многослойные. В за­висимости от материала О. бывают изотропными либо анизотропными. Выполняются О. из железобетона, стали, лёгких сплавов, композиц. и др. материалов.

Под воздействием внеш. нагрузок в О. возникают внутр. усилия, рав­номерно распределённые по толщине (т. н. мембранные напряжения, или напряжения в срединной поверхно­сти), и усилия изгиба, образующие в сечениях О. изгибающие и крутящие моменты, а также поперечные силы. Благодаря наличию мембранных уси­лий О. сочетают значит. жёсткость и прочность со сравнительно малой массой, что отличает их от пластинок. Если напряжениями изгиба при рас­чёте можно пренебречь, то О. наз. безмоментной. Наличие моментов ха­рактерно для участков О., примыка­ющих к краям (так называемый кра­евой эффект).

Если напряжения лежат в пределах пропорциональности для материала О., то для расчёта О. пользуются зависимостями упругости теории. В статич. расчёте О. на прочность и жёсткость определяют напряжения, деформации и перемещения разл. то­чек О. в зависимости от заданной нагрузки. Как правило, в расчётах на прочность прогибы О. (перемеще­ния вдоль нормали к срединной по­верхности) могут считаться малыми по сравнению с толщиной О.; тогда соотношения между перемещениями и деформациями линейны; соответ­ственно линейными (для упругой за­дачи) будут основные дифф. ур-ния.

Важным для О. явл. расчёт на устойчивость (см. Устойчивость уп­ругих систем). Специфич. особенность тонкостенных О.— потеря устойчи­вости хлопком, или прощёлкиванием, выражающаяся в резком (катастро­фическом) переходе от одного устой­чивого равновесного состояния к дру­гому. Этот переход наступает при разл. нагрузках, в зависимости от исход­ных несовершенств формы оболочки, нач. напряжений и т. д.; он описы­вается т. н. матем. теорией катастроф. В случае прощёлкивания прогибы оказываются соизмеримыми с толщи­ной О. и анализ поведения О. должен основываться на ур-ниях, являющих­ся уже нелинейными. Для обеспечения устойчивости равновесия О. часто приходится подкреплять рёбрами, напр. фюзеляжи и крылья самолётов, нек-рые типы тонкостенных перекры­тий.

В задачах динамики О. рассмат­риваются периодич. колебания и не­стационарные процессы, связанные с

быстрым или ударным нагружением. При обтекании О. потоком жидкости или газа могут наступить неустой­чивые (автоколебательные) режимы, определение к-рых явл. предметом гидро- или аэроупругости. Особый раздел теории колебаний, имеющий важные приложения, представляет ис­следование нелинейных колебаний О. О. широко применяются в кач-ве покрытий зданий, в летат. аппаратах, судах, деталях разл. машин и др.

• Амбарцумян С. А., Общая тео­рия анизотропных оболочек, М., 1974; Вольмир А. С., Гибкие пластинки и оболочки, М., 1956; его же, Нелинейная динамика пластинок и оболочек, М., 1972; Гольденвейзер А. Л., Теория уп­ругих тонких оболочек, 2 изд., М., 1976; Новожилов В. В., Теория тонких обо­лочек, Л., 1951.

А. С. Вольмир.

ОБОРАЧИВАЮЩАЯ ПРИЗМА, см. Оборачивающая система.

 ОБОРАЧИВАЮЩАЯ СИСТЕМА, часть сложной оптич. системы, поворачи­вающая на 180° изображения оптиче­ские предметов, создаваемые пред­шествующей частью оптич. системы. Применение О. с. вызвано тем, что во мн. случаях необходимо получать

и рассматривать прямые изобра­жения предметов, в то время как большинство объективов формирует перевёрнутые изображения. О. с. широко используют в зритель­ных трубах разл. типов (биноклях, микроскопах и т. п.).

О. с. бывают призменными, линзо­выми и зеркальными. В  п р и з м е н н ы х О. с. наиболее употребительны прямоугольные призмы со взаимно перпендикулярными рёбрами (т. н. призмы Порро, рис. 1), в к-рые лучи (1 и 2) света входят перпендикулярно

одной из граней, испытывают затем дважды полное внутреннее отражение от др. граней и выходят параллельно и противоположно своему первонач. направлению: изображение объекта при этом оборачивается без изменения его величины. О. с. из призм Порро значительно сокращают расстояния между объективом и окуляром (в при­борах, предназначенных для визу­ального наблюдения, напр. в бинок­лях).

Типичная  л и н з о в а я  О.с. (рис. 2) состоит из двух сложных линз 2 и 3 и добавочной плоско-выпуклой лин­зы 1, наз. коллективом, рас­положенной вблизи фокальной пло­скости предшествующего О. с. объ­ектива. Коллектив 7 формирует изоб­ражение входного зрачка этого объ­ектива посередине между линзами 2 и 3, что позволяет свести к минимуму поперечные размеры О. с. Линзовые О. с. дают возможность изменять раз­меры получаемого в конечном счёте изображения предмета, т. е. влиять на увеличение оптическое системы в целом.

О. с. изготавливают и из волокон­ных элементов (см. Волоконная опти­ка), если качество последних спо­собно обеспечить необходимую разре­шающую способность оптической си­стемы.

• Тудоровский  А. И., Теория опти­ческих приборов, 2 изд., т. 1, М.— Л., 1948.

Г.   Г.   Слюсарев.

ОБОРОТНЫЙ МАЯТНИК, прибор для эксперим. определения ускорения сво­бодного падения g. Представляет со­бой тело, напр. массив­ную пластину (рис.) с двумя трёхгранными но­жами, из к-рых один не­подвижен, а другой мо­жет перемещаться вдоль прорези на пластине. Ост­рые рёбра ножей O₁ и О₂, помещаемые попере­менно на неподвижную опору, служат осями ка­чаний О. м. Подвижный нож перемещают вверх или вниз до тех нор, пока периоды колебаний О. м. вокруг каждой из осей не совпадут. Рас­стояние O₁O₂=l между осями измеряют с помо­щью нанесённой на пла­стину шкалы с нониусом. Тогда по св-вам физ. ма­ятника О₂ будет для O₁

Схема оборотного маятника.

 

центром качании, и наоборот, а пе­риод малых колебаний О. м. будет при этом равен T=2pÖ(l/g). Зная значения Т и l из опыта, можно по

данной ф-ле вычис­лить g. О. м. позволяет определить величину g со зна­чительно более высо­кой степенью точно­сти, чем матем. ма­ятник.

С. М. Тарг.

ОБРАЗЦОВЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕ­НИЯ, меры, измерительные приборы и измерительные преобразователи, слу­жащие для поверки по ним др. средств измерений и аттестованные в кач-ве образцовых. О. с. и. подразделяются на разряды. О. с. и. 1-го разряда ат­тестуются по эталону или, при его отсутствии, путём косв. измерений по О. с. и. других физ. величин. О. с. и. 2-го разряда аттестуются по О. с. и. 1-го разряда и т. д. О. с. и. обеспе-

476

 

 

чивают   поверку   всех   применяемых

в стране рабочих средств  измерений.

К.   П.  Широков.

ОБРАТИМОСТИ ТЕОРЕМА (принцип обратимости хода лучей света), одно из осн. положений геометрической оптики, согласно к-рому путь элем. светового потока, распространяюще­гося в оптич. средах 1, 2, 3, . . . по лучу АВCD . . ., заменяется на прямо противоположный путь DCBA, если свет исходит в направлении, проти­воположном первоначальному. О. т. широко используется, в частности, при расчёте оптич. систем и построении изображений оптических, даваемых такими системами.

О. т. в простейшем истолковании явл. следствием Снелля закона пре­ломления света, применяемого к двум любым расположенным одна за дру­гой средам из последовательности 1, 2, 3, . . . : sini₁/sini₂=n₂/n_l=n₁₂, где n₁₂ — относит. показатель пре­ломления; n₂ и n₁ — показатели пре­ломления во второй и первой средах; i₁ — угол падения луча света на гра­ницу раздела сред, i₂ — угол прелом­ления во вторую среду. При замене i₁ на i₂ (и наоборот) значения углов остаются неизменными, т. к. неиз­менны n₁ и n₂. Аналогичное поло­жение справедливо и при отражении света, поэтому О. т. можно пользо­ваться в любой (как линзовой, так и зеркальной) оптич. системе.

О. т. предполагает, что ослабление луча света при его прохождении через оптич. среды не зависит от замены направления луча на противополож­ный. Это следует из обратимости Френеля формул относительно на­правления света.

О. т. применима и для систем, со­стоящих из сред с плавно изменяю­щимися значениями п. В средах, для к-рых характерна оптическая анизо­тропия, а также при высоких интенсивностях световых потоков (лазерное излучение) вопрос о применимости О. т. усложняется (см. Обращённый волновой фронт).

• Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Тудоровский А. И., Тео­рия оптических приборов, 2 изд., т. 1, М.— Л., 1948.

Г. Г. Слюсарев.

ОБРАТИМОСТЬ в электродинамике. Максвелла уравнения совместно с уравнениями движения частиц в эле­ктромагнитных полях инвариантны по отношению к операции временной ин­версии:

E(r, t)®E(r, -t), H(r, -t)®-H(r, -t),       (1)

где E и Н—напряжённости электрич. и магн. полей в точке r в момент времени t при одноврем. замене дви­жения всех ч-ц на обратное. В элект­родинамике макроскопич. сред (в т. ч. и неоднородных, поглощающих или усиливающих) это приводит к сим­метрии функции Грина G_ik(r₁, r₂, t), описывающей амплитуду i-й компо­ненты поля в точке r₁ при его воз­буждении k-й компонентой диполя

в точке r₂ при времени запаздывания т (см. Взаимности принцип):

G_ik(r₁, r₂, t)= G_ki(r₂,r₁, t).   (2)

Если распространение эл.-магн. по­ля от точки 1 к точке 2 может быть описано в приближении геометриче­ской оптики, то отсюда следует закон обратимости хода световых лучей в произвольной оптич. системе (см. Об­ратимости теорема).

Наличие внешнего пост. магн. поля Н₀  приводит  к   Фарадея   эффекту,   в этом  случае  из  инвариантности  сле­дует соотношение: G_ik (r1,r₂,t, H₀)=G_ki (r₂, r₁, t,  -H₀). (3)

На основе сред, помещённых в магн. поле Н, изготавливаются  н е в з а и м н ы е  у с т р о й с т в а, широко используемые в оптике и СВЧ элект­ронике. Т. к. в оптич. диапазоне длин волн эффект Фарадея относи­тельно слаб, то обычно он влияет не на геометрию хода лучей, а лишь на состояние поляризации, фазу и ам­плитуду волны, пропущенной оптич. системой.

Симметрия по отношению к обра­щению времени накладывает также ряд ограничений на возможные оптич. эффекты во внеш. полях. Напр., аналог эффекта Фарадея во внеш. постоянном электрич. поле оказыва­ется возможным лишь в проводящей среде. В отсутствии поглощения и усиления обратимость по времени ур-ний электродинамики приводит к тому, что всякому решению для монохроматич. веществ. поля E₁^вещ(r, t)=Re [E₁(r)exp( -wt)] с комплексной амплитудой E₁(-r₁) отвечает «обра­щённое» решение:

Е₂^вещ(r,  t)=Re[Е₂(r)ехр(-wt)],

где E₂(r)=.E*₁ (r) (см. Обращённый волновой фронт).

• Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959 (Теоретическая физика); Барано­ва Н. Б., Б о г д а н о в Ю. В., 3 е л ь д о в и ч Б. Я., Новые электрооптические и магнитооптические эффекты в жидкости. «УФН», 1977, т. 123, № 2.

Б.   Я.   Зельдович.

ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС в термоди­намике, процесс перехода термодинамич. системы из одного состояния в другое, допускающий возможность возвращения её в первонач. состояние через ту же последовательность про­межуточных состояний, что и в пря­мом процессе, но проходимых в об­ратном порядке.

Процесс обратим, если он протекает столь медленно, что его можно рас­сматривать как непрерывный ряд рав­новесных состояний, т. е. О. п. дол­жен быть медленным по сравнению с процессами установления равнове­сия термодинамического в данной си­стеме. Точнее, О. п. характеризуется бесконечно медленным изменением термодинамич. параметров (плотности, давления, темп-ры и др.), определя­ющих равновесие системы. Такие про­цессы наз. также квазистатическими, или квазиравновесными. Обратимость квазирав­новесного процесса следует из того, что его любое промежуточное состоя­ние есть состояние термодинамич. равновесия, и поэтому оно не чув­ствительно к тому, идёт ли процесс в прямом или обратном направлении. О. п. — одно из основных понятий равновесной макроскопической термо­динамики. В её рамках I и II нача­ла термодинамики формулируются для О. п.

Реальные процессы в природе про­текают с конечной скоростью и со­провождаются рассеянием энергии (из-за трения, теплопроводности и т. п.), поэтому они явл. необратимыми процессами. О. п. есть идеализация процессов природы, протекающих столь медленно, что необратимыми явлениями для них можно пренебречь. Микроскопич. теория О. п. рассмат­ривается в статистической физике.

 • Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, пер. с нем., М., 1955; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М.— Л., 1952; Лан­дау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статис­тическая физика, 2 изд., М.—Л., 1964 (Тео­ретическая физика, т. 5); К у б о Р., Тер­модинамика, пер. с англ., М., 1970.

ОБРАТНАЯ РЕШЕТКА, соответству­ющая данной (атомной) кристалли­ческой решётке точечная трёхмерная решётка в абстрактном (обратном) пр-ве, в к-ром расстояния имеют раз­мерность обратной длины. Кристаллич. решётке с векторами трансляции а₁, a₂, a₃ соответствует О. р., векторы трансляции к-рой равны:

где W=a₁[a₂a₃] — объём элем. ячейки исходной решётки. Вектор в О. р. H_hkl=ha*₁+ka*₂+la*₃ перпендикуля­рен плоскости с индексами кристалло­графическими hkl. Элем. ячейка О. р. имеет объём W^-1, обратный объёму элем. ячейки кристалла. Понятие О. р. и обратного пространства широко применяется при описании явлений дифракции и распространения волн и ч-ц в кристаллах, в теории тв. тел при анализе энергетич. спектров эл-нов, фононов и др. квазичастиц (см. Ди­фракция микрочастиц, Нейтроногра­фия, Электронография, Рентгеновский структурный анализ).

А. А. Гусев.

ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ, воздействие ре­зультатов к.-л. процесса на его про­текание. Если при этом интенсивность процесса возрастает, то О. с. наз. п о л о ж и т е л ь н о й, а  в  противопол. случае — о т р и ц а т е л ь н о й. Отрицат. О. с. может обеспечить автоматич. поддержание регулируемых физ. хар-к системы на требуемом уровне. Положит. О. с. приводит к тому, что возникшее отклонение от стационарного состояния всё более

477

 

 

увеличивается и ранее устойчивая система может стать неустойчивой. Многие скачкообразные и лавинные процессы — следствие положит. О. с. (напр., взрыв). О. с. является необхо­димым элементом автоколебательных систем. О. с. могут существовать в самых различных динамич. системах— от простейших механических до биологич. и общественных. Существо­вание О. с. определяет ход многих природных процессов (возбуждение волн на поверхности воды под дей­ствием ветра; звук, возникающий при обтекании препятствий возд. потоком; колебание яркости некоторых звёзд и т. д.). О. с. широко используется в технич. устройствах (механич., электрич., тепловых, оптических, в гене­раторах эл.-магн. колебаний, а также в системах автоматического регули­рования, переработки информации и управления производственными про­цессами).

Впервые О. с. была применена при создании часов. Ход механич. (до Галилея) часов, не имеющих маят­ника, регулировался при помощи крыльчатки или центробежного регу­лятора, увеличивающих трение в ме­ханизме при увеличении скорости и уменьшающих трение при замедлении движения механизма (отрицат. О. с.). В современных часах содержится как устройство О. с., так и резонансный элемент (маятник, балансир, кварце­вая пластина, ансамбль атомов или молекул). В совр. механических ча­сах О. с. осуществляется анкерным устройством, соединяющим источник энергии (гирю, пружину) с маятником (или балансиром). При каждом ка­чании маятника анкер позволяет ан­керному колесу, соединённому с ис­точником энергии, поворачиваться только на небольшой угол, определя­емый расстоянием между соседними зубцами и определяющий порцию энергии, передаваемой от гири (пру­жины) маятнику. При упоре очеред­ного зуба анкерного колеса в выступ на конце анкера маятник получает от источника энергии небольшой тол­чок, поддерживающий его колебания.

В паровой машине положит. О. с. осуществляется тем, что золотник соединён с поршнем так, что он по­даёт пар из котла в цилиндр только во время рабочего хода поршня и соединяет цилиндр с холодильником во время холостого хода. В паровой машине есть и отрицат. О. с., к-рую осуществляет центробежный регуля­тор Уатта, он уменьшает подачу пара в цилиндр при увеличении скорости маховика и увеличивает подачу, когда скорость падает. Англ. физик Дж. Максвелл и И. А. Вышнеградский исследовали св-ва регуляторов и про­цесс регулирования, положив начало теории автоматич. регулирования и тем самым — теории О. с.

О. с. в радиоэлектронике. Термин «О. с.» возник в радиоэлектронике, где им первоначально обозначали воз­действие анодной цепи лампового ре­зонансного усилителя электрич. ко­лебаний на цепь сетки. Если изме­нения тока в анодной цепи лампы передаются в сеточную цепь в фазе с изменением тока в этой цепи (положит. О. с.), то усиление возрастает. В схеме усилителя с колебательным контуром положит. О. с. улучшает резонансные св-ва усилителя. Она может придать св-во избирательности и усилителям, не содержащим резонансных контуров, но содержащим фазосдвигающие эле­менты. Коэфф. усиления К усилителя с О. с. определяется выражением:

где К_й — коэфф. усиления в отсутст­вие О. с., b — коэфф. передачи (доля выходного сигнала, передаваемая на вход усилителя, рис. 1). Если при

Рис. 1. Блок-схе­ма усилителя с отрицат. связью.

положит. О. с. bK₀=1, то знаменатель в (*) обращается в 0. Это соответст­вует потере устойчивости и возмож­ности самовозбуждения.

Если О. с. осуществляется в противофазе, т. е. ток, возбуждаемый в сеточной цепи, через цепь О. с. на­правлен противоположно току, теку­щему в сеточной цепи (отрицат. О. с.), то коэфф. усиления уменьшается (К<К₀), но повышается устойчивость усилителя по отношению к внеш. воздействиям и его хар-ки становятся более гладкими. Если в цепь О. с. введены дополнительные фазодвигающие элементы, то О. с. наз. к о м п л е к с н о й. Эти виды О. с. ис­пользуются для создания частотно-избирательных систем, фильтров и т. п.

О. с. в системах автоматич. регули­рования, как правило, отрицательна, ибо её задача — уменьшить откло­нения от заданного режима работы системы. Напр., автопилот поддержи­вает заданное направление, высоту, скорость полёта, а также правильное положение самолёта в пр-ве, управляя положением руля, элеронов и пода­чей горючего в двигатели самолёта в соответствии с данными компаса, высотомера, креномера, измерителя скорости полёта.

О. с. может быть непрерывной, когда самовоздействие осуществляет­ся постоянно, или прерывистой, если оно происходит периодически или по заданной программе. О. с. может быть полной, когда она охва­тывает всю систему, или локальной, когда О. с. замыкается в части си­стемы. В большинстве систем регули­рования реализуется запаздывающая

О. с. вследствие того, что воздействие на регулируемый элемент отстаёт во времени от сигналов измерительного блока из-за инерционности отд. звень­ев системы или в результате введения спец. элементов задержки между из­мерителем и исполнит. органом.

О. с. может осуществляться не только внеш. цепью или регулятором, часто О. с. реализуется внутр. связью элем. актов, составляющих общий процесс. Пример процесса с внутр. О. с.— химич. и ядерные цепные ре­акции. Напр., реакция окисления идёт с выделением тепла, а скорость ре­акции пропорциональна температуре. Если отвод тепла из реагирующей смеси меньше выделяющегося тепла, то темп-pa смеси повышается, это ве­дёт к увеличению скорости реакции, в результате происходит ускорение реакции иногда вплоть до взрыва.

Внутр. положит. О. с. использу­ется для создания приборов, у к-рых зависимости «скорость — сила» или

Рис. 2. Вольтамперная хар-ка тиристора.

 

«напряжение — ток» (вольтамперная характеристика) имеют падающий уча­сток, напр. тиристоры (рис. 2) или туннельные диоды. Принцип положи­тельной О. с. содержится в явлении вынужденного излучения, на кото­ром основана работа лазеров и мазеров. Возникшая в активной среде или посланная в это в-во извне эл.-магн. волна порождает в в-ве вто­ричное излучение с теми же частотой, поляризацией и направлением рас­пространения, что и у вынуждающей волны. В результате этого происходит усиление первичной волны. Если часть вынужденного излучения возвраща­ется в объём, занятый активным в-вом, то возникает О. с. Для достижения режима генерации активное в-во по­мещают в резонатор с достаточно большой добротностью с тем, чтобы потери в нём были меньше энергии, выделенной активным веществом. В квант. устройствах радиодиапазона применяются объёмные резонаторы, в лазерах — открытые оптические резонаторы. О. с. в лазерах положи­тельна только для излучения с опре­делёнными длинами волн l, зави­сящими от размеров резонатора, со­держащего активное в-во.

В основе устройств смычковых му­зыкальных инструментов и органа также заложена положит. О. с. В смыч­ковых струнных инструментах она образуется за счёт падающего участка на хар-ке зависимости силы трения между смычком и струной от скорости движения смычка (т. н. сухое трение),

478

 

 

В органных трубах О. с. образуется между волнами сжатия и разрежения воздуха в трубе и процессом образо­вания вихрей на выходном отвер­стии. В духовых инструментах языч­кового типа положит. О. с. образуется между колебаниями воздуха в объёме трубы и движением язычка (клапана), мимо к-рого продувается струя воз­духа.

О. с. в хим., биологич. и др. систе­мах. Отрицат. О. с. приводит к ста­билизации режимов в хим. реакторах или поддержанию устойчивого режима жизнедеятельности организма. Напр., постоянство темп-ры теплокровных ор­ганизмов обязано вз-ствию рецепторов, фиксирующих темп-ру в отд. частях организма, с механизмами тепловы­деления и теплообмена, обменом ве­ществ, кровообращением и выделе­нием пота. Процессы О. с. играют ре­шающую роль в протекании таких периодич. процессов, как дыхание и сердцебиение. О. с. может вызывать колебания численности популяций в экологических системах и т. п. По­ложительная О. с. между спросом и предложением в условиях стихий­ной рыночной системы приводит к периодическим депрессиям и даже к кризисам капиталистической эконо­мики.

М.  Е.   Жаботинский,   К.   Я.   Сенаторов.

ОБРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ (Т), математич. операция замены знака вре­мени (t) в ур-ниях, описывающих развитие во времени к.-л. физ. си­стемы (в ур-ниях движения). Такая замена отвечает определ. симметрии, существующей в природе. А именно, все фундам. вз-ствия (за одним ис­ключением; см. ниже) обладают св-вом т. н. T-инварнантности: О. в. (замена t®-t) не меняет вида ур-ний дви­жения. Это означает, что для любого возможного движения системы может осуществляться обращённое во вре­мени движение, когда система после­довательно проходит в обратном порядке состояния, симметричные состояниям, проходимым в «прямом» движении. Такие симметричные по времени состояния отличаются про­тивоположными направлениями ско­ростей (импульсов) ч-ц и магн. поля, T-инвариантность приводит к опре­делённым соотношениям между веро­ятностями прямых и обратных ре­акций, к запрету нек-рых состояний поляризации частиц в реакциях, к равенству нулю электрич. дипольного момента элем. ч-ц и т. д.

Из общих принципов квант. теории поля следует, что все процессы в природе симметричны относительно произведения трёх операций: О. в. Т, пространственной инверсии Р и за­рядового сопряжения С (см. Теорема СРТ). Единств. обнаруженными на опыте процессами, в к-рых наблюда­ется нарушение комбинированной ин­версии (СР), явл. распады долгоживущего нейтрального К-мезона; в них обнаружена слабая (~10^-3) зарядовая

асимметрия. Теор. анализ эксперим. данных по этим распадам приводит к заключению, что СРТ- инвариант­ность в них выполняется, а Т-инвариантность нарушается. Природа сил, нарушающих T-инвариантность, не выяснена.

Несмотря на то, что элем. микропро­цессы (за указанным исключением) обратимы во времени, макроскопич. процессы с участием очень большого числа ч-ц идут только в одном на­правлении — к состоянию термодинамич. равновесия (см. Второе на­чало термодинамики). Статистич. фи­зика объясняет этот парадокс тем, что состоянию макроскопич. равно­весия соответствует неизмеримо боль­шая совокупность микроскопич. со­стояний, чем состояниям неравновес­ным. Поэтому любое сколь угодно малое возмущение искажает движение системы, удаляющее её от состояния равновесия, и превращает его в дви­жение, ведущее к равновесию.

С. С. Герштейн.

ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ.

Если направления распространения двух волн прямо противоположны, а пространств. распределения фаз и амплитуд этих волн идентичны, то их волновые фронты наз. обращён­ными по отношению друг к другу. Напр., волновой фронт сферич. волны, расходящейся от источника, является обращённым по отношению к фронту сферич. волны, сходящейся к тому же источнику. В более общем случае О. в. ф. по отношению к фронту исходной волны:

ξ₁(x, у, z)=A(x, у, z)Xcos[wt+j(x, у, z)], (1)

где х, у, z — пространств. координаты, t — время, А (х, у, z) — амплитуда колебаний, w — частота, j(х, у, z) — фаза, имеет волна:

ξ₂(х, у, z)=ВА(х, у, z)cos[wt-j(х, у, z)+j₀]. (2)

Здесь В и j₀ — произвольные кон­станты (рис. 1). В комплексном пред­ставлении (см. Комплексная ампли­туда)

ξ₁=Re[E(x, у, z)е^iwt]; ξ₂=Re[const E*(x, y, z)е^iwt],   (3)

где Е и Е* — комплексно сопряжён­ные ф-ции. Поэтому волны ξ₁ и ξ₂ наз. также  с о п р я ж ё н н ы м и, или ф а з о в о-с о п р я ж ё н н ы м и.

Волна с О. в. ф., распространяясь сквозь прозрачную среду, идёт в об­ратном направлении в точности по пути исходной волны, каким бы слож­ным он ни был (см. Обратимости теорема). Это св-во обращённой волны создаёт уникальные возможности для решения ряда практически важных задач: компенсации аберраций оп­тических систем, создания мощных лазерных устройств с предельно вы­сокой направленностью излучения, пе­редачи световой энергии на большие

расстояния, оптич. обработки ин­формации, самонаведения излучения на мишень и др.

Направленность излучения, гене­рируемого в мощных лазерных си­стемах, в основном ограничивается искажениями в оптич. элементах: абер­рациями линз, неоднородностями оп­тич. материалов, воздуха и др., не­однородностями в усиливающей (ак­тивной) среде лазеров. Величина неоднородностей, как правило, возрастает по мере увеличения мощности лазеров.

Рис. 1. Амплитудно-фазовое распределение исходной и обращённой волн: тонкая ли­ния — волн. фронт исходной волны, тол­стая — фронт обращённой волны; длина стрелок пропорц. амплитуде волны в дан­ной точке, а их ориентация показывает на­правление распространения.

Использование О. в. ф. позволяет получать в системах с оптически неоднородными элементами пучки света с почти плоским волн. фронтом, т. е. с направленностью, ограниченной лишь дифракцией. Для этого слабую световую волну с пло­ским волн. фронтом (рис. 2, а) про­пускают сквозь лазерный усилитель и затем подвергают обращению. По

Рис. 2. Фотографии световых пучков (попе­речные сечения в фокальной плоскости лин­зы): а — исходный слабый пучок; б — одно­кратно усиленный пучок; в — обращённый, повторно усиленный пучок (масштаб всех фотографий одинаков).

 

мере распространения исходной волны в усилителе её амплитуда растёт, но одновременно накапливаются искаже­ния волн. фронта и соотв. ухудшается направленность (рис. 2, б). Обращён­ная волна, распространяясь сквозь усилитель в обратном направлении, также усиливается, а её волн. фронт постепенно выправляется, всюду по­вторяя форму фронта исходной волны.

479

 

 

В результате все аберрации компен­сируются, и на выходе системы фронт дважды усиленного пучка становится практически плоским (рис. 2, в).

В нек-рых случаях необходимо кон­центрировать лазерное излучение на площади с малыми угловыми разме­рами, напр. на мишени, нагреваемой светом для получения высокотемпе­ратурной плазмы (см. Лазерная плаз­ма). При этом положение мишени в пр-ве может меняться неконтроли­руемым образом. О. в. ф. обеспе­чивает автофокусировку (самонаведе­ние) излучения на мишень. Мишень подсвечивается широким пучком сла­бого вспомогат. лазера (рис. 3). В ре­зультате она становится источником вторичной световой волны, возни­кающей за счёт отражения или рас­сеяния лазерного света. Часть этой

Рис. 3. Схема лазерной системы с самонаве­дением излучения на мишень; стрелки ука­зывают направление распространения волн, их длина пропорц. амплитуде.

 

волны попадает на линзу, направля­ющую её в лазерный усилитель. Уси­ленная волна поступает в устройство, осуществляющее обращение волн. фронта (инвертор). Обращённая волна, распространяясь в обратном направ­лении, последовательно проходит уси­литель и линзу и концентрируется точно на мишени. Самонаводящаяся система может быть многоканальной, и тогда на мишени будет концентри­роваться излучение от многих парал­лельно работающих усилителей.

О. в. ф. можно получить в резуль­тате отражения исходной волны от зеркала, поверхность к-рого совпа­дает с её волн. фронтом. О. в. ф. в этом случае формируется за счёт того, что поверхность зеркала в любой точке перпендикулярна направлению распространения исходной волны, и поэтому отражение меняет его на прямо противоположное, не изменяя амплитудного распределения.

Известны и др. способы обращения: О. в. ф. получают посредством параметрич. усиления света (см. Нелиней­ная оптика), методами голографии, при вынужденном рассеянии света и т, д. Голографич. способ получения волны с О. в. ф. по отношению к предметной волне состоит в записи голограммы предметной волны с по­мощью нек-рого опорного пучка и в считывании этой голограммы пучком, обращённым по отношению к опор­ному. Для обращения нестационар­ных волн используют динамические голограммы, в которых запись и воспроизведение осуществляется одно­временно.

Принципиально по-иному происхо­дит обращение (точнее, самообраще­ние) волн. фронта при вынужденном рассеянии света, в частности при вынужденном Мандельштама — Бриллюэна рассеянии. Необходимым ус­ловием обращения в этом случае явл. пространств. неоднородность ис­ходной волны. В нелинейной среде под действием света с пространст­венно-неоднородной интенсивностью возникает пространственно-неоднород­ное распределение коэфф. усиления рассеянных световых волн. В спон­танно рассеянном свете присутствуют волны всевозможных конфигураций. Волна с О. в. ф. обладает преимуще­ственным усилением по сравнению с остальными, т. к. только у неё мак­симумы интенсивности всюду в среде совпадают с максимумами интенсив­ности возбуждающего света. Этот фак­тор в сочетании с громадным общим усилением, характерным для вынуж­денного рассеяния света (~10¹¹), при­водит к тому, что обращённая волна резко выделяется на фоне остальных, и в ней концентрируется практически вся энергия рассеянного излучения.

• К о л ь е р Р., Б е р к х а р т К., Лин Л., Оптическая голография, пер. с англ., М., 1973; Зельдович Б. Я., Носач О. Ю. [и др.], Обращение волнового фронта света при его вынужденном рассея­нии, «Вестник МГУ. Сер. физика, астроно­мия», 1978, т. 19, № 4, с. 137; А н а н ь е в Ю. А., Оптические резонаторы и проб­лема расходимости лазерного излучения, М., 1979.

О. Ю. Носач, В. В. Рагульский.

общая теория относительно­сти (ОТО), современная физ. теория пр-ва, времени и тяготения; оконча­тельно сформулирована А. Эйнштей­ном в 1915. В основе ОТО лежит эксперим. факт равенства инертной массы (входящей во второй закон Ньютона) и гравитац. массы (входя­щей в закон тяготения) для любого тела, приводящий к эквивалентности принципу. Равенство инертной и гра­витац. масс проявляется в том, что движение тела в поле тяготения не зависит от его массы. Это позволяет ОТО трактовать тяготение как ис­кривление пространственно-временно­го континуума. Т. о., ОТО явл. тео­рией тяготения, построенной на ос­нове теории относительности (см. Тя­готение).

ОБЪЕКТИВ (от лат. objectus — пред­мет), обращённая к объекту часть оптич. системы или самостоят. оптич. система, формирующая действитель­ное изображение оптическое объекта. Это изображение либо рассматривают в окуляр, либо получают на плоской (реже на искривлённой) поверхности фотогр. светочувствит. слоя, фото­катода передающей телевиз. трубки или электронно-оптического преобра­зователя, матового стекла или эк­рана. Конструктивно О. делятся на три класса: наиб. распространённые линзовые (рефракторы, диоптри­ческие) , зеркальные (рефлекторы, катоптрические), зеркаль­но-линзовые (катадиоптрические; подробно о них см. в ст. Зер­кально-линзовые системы). По назна­чению О. разделяют на: О. зритель­ных труб и телескопов, к-рые дают уменьшенное изображение; О. мик­роскопов, дающие увеличенное изоб­ражение; фотогр. и проекц. О., даю­щие в зависимости от конструкции и способа применения уменьшенное или увеличенное изображение.

Важнейшими оптич. хар-ками О. являются: фокусное расстояние, к-рое при заданном удалении объекта от О. определяет увеличение оптическое О.; диаметр входного зрачка О.; относительное отверстие и выражаю­щаяся через него светосила О.; поле зрения О. Кач-во формируемого О. изображения характеризуется разре­шающей способностью О., коэфф. пере­дачи контраста, коэффициентами интегр. и спектр. пропускания света, коэфф. светорассеяния в О., падением освещённости по полю изображения.

Объективы зрительных труб и те­лескопов. Расстояние до объектов, рассматриваемых в зрит. трубы и телескопы, предполагается очень боль­шим. Поэтому объекты характеризуют не линейными, а угл. размерами. Со­ответственно хар-ками О. данной груп­пы служат угл. увеличение g, угл. разрешающая способность а и угол поля зрения 2w=2w'/g, где 2w' — угол поля зрения следующей за О. ча­сти оптич. системы (обычно окуляра). В свою очередь g=f₁/f₂, где f₁ — фокус­ное расстояние О., f₂ — переднее фокусное расстояние последующей части системы. Разрешающая способ­ность О. в угл. секундах определяется по ф-ле: a"=120"/D, где D — выражен­ный в мм диаметр входного зрачка О.

О. измерит. и наблюдат. зрит. труб и геодезич. приборов имеют вход­ные зрачки диаметром неск. см. Малая величина поля зрения (не более 10— 15°, обычно меньше) большинства зрит. труб позволяет использовать О. сравнительно простых конструкций; напр., линзовые О. состоят, как пра­вило, из двух склеенных линз (в них исправляют лишь сферическую абер­рацию и хроматическую аберрацию), Менее употребительны О. из трёх и более линз, в к-рых устранены также кома и нек-рые др. аберрации оптиче­ских систем. С 70-х гг. 20 в. в гео­дезич. приборах начали использо­ваться менисковые системы. Относит. отверстия О. наблюдат. труб и гео­дезич. приборов варьируют в широких пределах (примерно от 1 : 20 до 1 : 5).

Диаметры линзовых и зеркально-линзовых О. телескопов ~0,5—1 м (макс. D=l,4 м). В телескопах-ре­фракторах используются двухлинзовые О. (также с исправлением лишь сферич. и хроматич. аберраций); в астрографах, предназначенных для фотографирования звёздного неба,— трёх- и четырёхлинзовые О.; в астро­графах, как правило, исправляются

480

 

 

все аберрации, за исключением кри­визны поля. Угол поля зрения О. астрографов достигает 6°; у двухлинзовых О. рефракторов он обычно тем меньше, чем больше их диаметр, составляя у самых больших менее 1°. Относит. отверстия больших рефрак­торов 1 : 20 — 1 : 10, у астрографов они больше и доходят до 1 : 1,4— 1 : 1,2. В телескопах, построенных по т. н. системе Шмидта, и в менисковых системах Максутова поле зрения до­стигает 5° при относит. отверстии ~ 1 : 3. Наибольший О. зеркального телескопа [рефлектор с параболич. зеркалом (БТА) Спец. астрофиз. об­серватории АН СССР на Сев. Кав­казе] имеет D=6 м. Поле зрения О. самых больших рефлекторов не пре­вышает неск. угл. минут; у О. ре­флекторов, построенных по т. н. системе Ричи — Кретьена (с гипербо­лическим гл. зеркалом), поле зрения доходит до 1°. Аберрации подобных О. (кроме хроматических и сфериче­ских) значительны и исправляются введением дополнительных (коррекционных) линз и зеркал, т. н. компен­саторов.

К астр. О. относятся также О., применяемые в системах наблюдения за ИСЗ и для фотографирования ме­теоров. В них исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля.

Фотографические объективы (к ним относятся и О., применяемые при киносъёмке и репродуцировании) от­личаются от О. зрит. труб тем, что формируемые ими изображения долж­ны быть резкими до края фотоплёнки (или иного приёмника), размеры к-рой могут быть сравнительно велики. По­этому угол поля зрения резкого изоб­ражения у таких О. значительно

Рис. 1. Линзовые фотографические объек­тивы .

 

больше, чем у О. зрит. труб и теле­скопов. Чтобы добиться резкости и высокого контраста неискажённого плоского изображения при больших углах поля зрения, необходимо тща­тельно исправлять все осн. аберрации, что усложняет О. На рис. 1 приведено неск. схем наиб. типичных лин­зовых фотообъективов.

По назначению фотогр. О. разде­ляют на О., используемые в люби­тельской и профессиональной фото­графии и кинематографии, репродук­ционные, телевизионные, аэрофото-съёмочные и др., а также О. для невидимых областей спектра — ИК и УФ. Среди О. одного и того же на­значения различают нормальные (уни­версальные), светосильные, широко­угольные и длиннофокусные (телеобъ­ективы). Наиболее распространены нормальные О., обеспечивающие рез­кое плоское изображение при уме­ренно больших относит. отверстии и поле зрения. Их фокусные расстояния ~40—150 мм, относит. отверстия 1:4—1:1,8, угол поля зрения для О. с фокусным расстоянием ~50 мм ок. 50°. Светосильные О. имеют от­носит. отверстия от 1:1,8 до 1:0,9. Угол поля зрения широкоугольных О. превышает 60° и доходит у нек-рых из. них до 180° (напр., показанный на рис. 1 объектив Гилля имеет поле зрения 180° при относит. отверстии 1 : 22). Особенно важную роль такие О. играют в аэрофотосъёмке. Фокус­ные расстояния широкоугольных О. обычно от 100 до 500 мм; их относит. отверстия характеризуются ср. и ма­лыми значениями (1 : 5,6 и ниже). В них трудно исправлять такие абер­рации, как дисторсия, кривизна поля и астигматизм. Значит. искажения эффекта перспективы характерны для изображений, формируемых такими О.

К длиннофокусным относят фотогр. О. с углом поля зрения обычно менее 30° и значениями фокусных расстоя­ний ~100—2000 мм. Такие О. при­меняют для съёмки удалённых объ­ектов в крупном масштабе; их относит. отверстия не превышают 1:5,6—1:4,5.

Широко применяются т. н. панкратические О. с переменным фокусным расстоянием (таковы мн. киносъёмоч­ные О.); изменение этого расстояния осуществляется перемещением отд. компонент О., при к-ром его относит. отверстие обычно остаётся неизмен­ным. Подобные О., в частности, по­зволяют менять масштаб изображения без изменения положения объекта и плоскости изображения (при смеще­нии компонент О. и изменении его фокусного расстояния меняется положение главных плоскос­тей О.; см. Кардинальные точки). По оптико-коррекционным св-вам панкратич. О. делятся на: 1) варио-объективы, оптич. схема к-рых кор­ригируется в отношении всех абер­раций как единое целое; 2) трансфо­каторы — системы, состоящие из соб­ственно О. и устанавливаемой перед ним афокальной насадки, аберрации к-рой исправляются отдельно. Полу­чение изображений высокого кач-ва в панкратич. О. достигается за счёт увеличения числа линз и компонент. Такие О.— сложные системы, состоящие из 11—20 линз. Для уменьшения потерь света совр. фотогр. О. про­светляют (см. Просветление оптики).

Проекционные О. однотипны с фо­тографическими и отличаются от них в принципе лишь обратным направ­лением лучей света. Из них выделяют О. для диапроекции в проходящем свете и О. для эпипроекции в отражён­ном свете (см. Проекционный аппарат). Особую подгруппу, также относимую к фотообъективам, составляют репродукционные О., применя­емые для получения изображений плоских предметов, чертежей, карт и т. п. Проекционные О., репродук­ционные О. и фотообъективы в слу­чаях, когда они расположены близко к объекту, характеризуют не угло­вым, а линейным увеличением (мас­штабом изображения в собственном смысле), линейными размерами поля зрения и числовой апертурой. В этом отношении они сходны с О. микро­скопов.

Объективы микроскопов всегда на­ходятся в непосредств. близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики: от 30—40 мм до 2 мм. К основным оптич. хар-кам О. мик­роскопов относятся: числовая апер­тура А, равная n₁sih₁, где n₁ — по­казатель преломления среды, в к-рой находится объект, u₁ половина угла раствора светового пучка, попадаю­щего в О. из точки объекта, лежащей на оптич. оси О.; линейное увели­чение b; линейные размеры 2l поля зрения, резко отображаемого О.; рас­стояние от плоскости объекта до пло­скости изображения. Значением А определяется как освещённость изоб­ражения, прямо пропорциональная А², так и линейный предел разреше­ния микроскопа, т. е. наименьшее

Рис. 2. Типичная оптич. схема объектива микроскопа.

 

различаемое расстояние на объекте. Если объект находится в воздухе (n=1, «сухой» О.), то А не может превышать единицы (фактически не более 0,9). Помещая объект в сильнопреломляющую (n>1), т. н. иммер­сионную, жидкость, примыка­ющую к поверхности первой линзы О., добиваются того, что А достигает значений 1,4—1,6 (см. Иммерсионная система). У совр. микроскопов b доходит до 90—100; полное увели­чение микроскопа Г=bГ', где Г' — угл. увеличение окуляра. Линейное поле зрения 2l связано о диаметром D диафрагмы поля зрения окуляра со­отношением 2l=D/b. По мере уве­личения A и b растёт сложность

481

 

 

конструкции О., т. к. требования к кач-ву изображения очень велики: разрешающая способность О. прак­тически не должна отличаться от разрешающей способности для иде­ального (безаберрационного) О. Этому условию удовлетворяют конструкции наиб. совершенных О. микроскопов — т. н. планахроматов и планапохроматов. На рис. 2 по­казана типичная схема планапохромата.

Особые группы О. составляют: О. спектральных приборов, во многом близкие фотообъективам; спец. О. для использования с лазерами и т. д.

• Тудоровский А. И., Теория оп­тических приборов, 2 изд., [ч.] 1—2, М.—Л., 1948—52; С л ю с а ре в Г. Г., Методы рас­чета оптических систем, 2 изд., Л., 1969; Русинов М. М., Фотограмметрическая оптика, М., 1962; Микроскопы, М., 1969; Ми х е л ь К., Основы теории микроскопа, пер. с нем., М., 1955.

К. И. Погорелое.

ОБЪЕМ УДЕЛЬНЫЙ вещества, объ­ём, занимаемый ед. массы в-ва. О. у. v — величина, обратная плотности: v=1/r . Для однородного в-ва v=V/m, где V — объём в-ва, m — его масса. Единицы О. у.: 1 м³/кг (СИ) и 1 см³/г (СГС система единиц); 1 м³/кг=10³ см³/г.

ОБЪЕМНАЯ ВЯЗКОСТЬ (вторая вяз­кость), величина, феноменологически характеризующая процесс диссипа­ции энергии при объёмных деформа­циях среды. В отличие от обычной стоксовой, или сдвиговой, вязкости, характеризующей необратимую пере­дачу энергии поступат. движения сре­ды от одних слоев к другим, О. в. характеризует квазиравновесный об­мен энергией между поступат. и внутр. степенями свободы в каждой ч-це в-ва, т. е. релаксац. процесс

(см. Релаксация акустическая). О. в. проявляется, напр., при распрост­ранении звуковых и особенно УЗ волн в жидкостях и газах. Величина коэфф. О. в. x так же, как и коэфф. сдвиговой вязкости h, определяет ве­личину поглощения звука. Если при распространении звука равновесное состояние среды практически не на­рушается, что справедливо, когда время релаксации очень мало по сравнению с периодом звук. волны, то коэфф. О. в. не зависит от частоты. Если же при распространении звука термодинамич. равновесие наруша­ется, то x принимает аномально боль­шие значения и становится ф-цией частоты звука.

Для определения коэфф. О. в. обычно пользуются данными по по­глощению и дисперсии звука. Вели­чина x зависит от темп-ры и давления: она обычно уменьшается при повы­шении темп-ры и увеличивается при повышении давления. Коэфф. О. в. для жидкостей обычно больше, чем для газов, в ср. на 1—3 порядка.

• Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Механика сплошных сред, 2изд.,М., 1954,

§ 78; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А — Свойства га­зов, жидкостей и растворов, М., 1968.

А.  Л.   Полякова.

ОБЪЁМНАЯ  СИЛА  (массовая сила),

сила, действующая на все ч-цы (элем. объёмы) данного тела и пропорц. массе ч-цы. Пример О. с.— силы тяго­тения.

ОБЪЁМНОЙ УПРУГОСТИ МОДУЛЬ, отношение гидростатич. напряжения к относит. изменению объёма (см. Модули упругости).

ОБЪЁМНЫЙ ЗАРЯД, то же, что пространственный заряд.

ОБЪЁМНЫЙ РЕЗОНАТОР электро­магнитный, обычно замкнутая по­лость с хорошо проводящими стен­ками, внутри к-рой могут сущест­вовать свободные эл.-магн. колебания. Наиболее распространены О. р. цилиндрич., сферич. и тороидальной формы. Период собственных колеба­ний T=2p/w (w — круговая частота) не превышает времени прохождения волны между наиболее отдалёнными стенками; T£l/c (с — скорость рас­пространения света в заполняющей О. р. среде, обычно в воздухе, в ваку­уме). Поэтому в ДВ диапазонах О. р. оказываются слишком громоздкими (I ~l=сТ), и только начиная с СВЧ диапазона (l£10—20 см) их приме­нение технически оправдано. С дру­гой стороны, именно в этом диапазоне колебат. системы с сосредоточенными параметрами становятся низкодоб­ротными из-за больших омич. потерь или потерь на излучение.

Отыскание нормальных колебаний (колебат. мод) эл.-магн. поля внутри замкнутой полости состоит в решении Максвелла уравнений при определён­ных граничных условиях на стенках; в частности, на поверхности идеаль­ного проводника должна обращаться в нуль тангенциальная компонента электрич. поля E_t. Бесконечное, но счётное множество собств. значений этой задачи образует спектр собств. частот О. р., а соответствующие им решения дают пространств. распре­деления электрич. Е и магн. Н полей (моды).

Простейший О. р.— отрезок радио­волновода, закрытый двумя идеально проводящими торцевыми «крышками», перпендикулярными оси Oz. Гранич­ные условия на торцах удовлетво­ряются, если между стенками укла­дывается целое число (q) волноводных полуволн, а также если поле Е всюду внутри О. р. направлено вдоль ко­ординаты z и не зависит от неё, т. е. при k_z=(p/l)q, где k_z — продольное волн. число, q=0, 1,2,...,l — длина О. р. Поскольку каждая из волновод­ных мод характеризуется ещё и спект­ром поперечных волн. чисел c_nm, то полный спектр волноводного О. р. определяется соотношением

Норм. колебания волноводного О. р. классифицируются по  типам  соответствующих волноводных мод. Разли­чают колебания типа TE_nmq и коле­бания типа TM_nmq. Индексы п, т, q указывают число полуволн, уклады­вающихся вдоль трёх измерений О. р. В случае TE_nmq-колебаний вектор Е поляризован в поперечной плоскости z=const, в случае TM_nmq-колебаний в этой плоскости лежит вектор Н. Иногда их обозначают H_nmq и E_nmq,

Рис. 1. Простейшие виды колебаний (моды) в цилиндрическом объёмном резонаторе. Стрелки указывают направление силовых линий электрического (сплошные линии) и магнитного (пунктир) полей.

 

указывая на присутствие в полях про­дольных составляющих векторов Н и Е (рис. 1).

Одной и той же собств. частоте О. р. могут соответствовать две или более линейно независимых моды. Самым высоким числом вырожденных мод (12) обладают частоты w_nmq (n¹m¹q) в сферич. или кубич. О. р. Внесение небольших неоднородностей в О. р. уменьшает число вырожденных мод, образуя систему, как бы состоящую из n связанных колебат. контуров с близкими частотами.

Чаще всего О. р. используются в режиме осн. колебания, обладающего

 

Рис. 2. Переход от цилиндрич. резонатора с модой типа E₀₁₀ путём плавных деформаций стенок к резонатору, а к-ром магн. и элект­рич. поля пространст­венно разделены, почти как в колебательном контуре. Сплошные ли­нии — силовые линии электрич. поля, пунк­тир — магн. поля.

 

наинизшей собств. частотой. В цилиндрич. О. р. длины l и радиуса а при l<2,04а главным явл. колебание E₀₁₀ (1-й индекс относится к вариации поля по углу а, 2-й — по радиусу r, 3-й — вдоль оси цилиндра oz, рис. 1), имеющее собств. частоту w₀₁₀=2,04c/a. Поля в нём (E_z¹0, H_аlfa¹0) расп­ределены, как в колебательном LC-контуре, в к-ром конденсатор С

482

 

 

и самоиндукция L составляют единое целое (рис. 2). Небольшими деформациями границ О. р. можно прида­вать ему технологически различные, но топологически эквивалентные фор­мы. С ростом длины при l>2,04а осн. колебанием становится H₁₁₁ (Н_z¹0, Н_r¹0, E_r¹0, E_a¹0) с частотой

несмотря на то что оно имеет более сложную структуру, чем «конкури­рующее» с ним колебание Н₀₁₁ (H_z¹0, Н_r¹0, Е_a¹0) с частотой

Потери энергии в среде, заполняю­щей полость, и поглощение в экрани­рующих стенках приводят к затуха­нию собств. колебаний. Если потери невелики, их можно учесть с помощью метода возмущений. В первом при­ближении все потери аддитивны. Доб­ротность Q О. р. определяется как отношение запасённой энергии W к потерям энергии Р за период коле­баний; напр., добротность Q из-за поглощения в среде равна: Q₁=e'/2e" (e' и e" — действительная и мнимая части диэлектрической проницаемос­ти), из-за поглощения в стенках Q₂»V/Sd (V — объём полости, S — её поверхность, d — толщина скин-слоя, см. Скин-эффект). Суммарная доб­ротность Q_S определяется из соотно­шения:

1/Q_S=S_n1/Q_n. (2)

Добротности О. р. на осн. колеба­ниях в диапазоне СВЧ достигают 10³, а при использовании сверхпроводящих экранов (см. Сверхпроводимость) могут достигать 10⁶.

Возбуждение О. р., как и радиовол­новодов, происходит с помощью пе­тель, штырей, щелей, отверстий и т. п. (см. Антенна). О. р. с металлич. стен­ками широко применяются в техни­ке СВЧ как частотные фильтры и ре­зонансные колебат. системы генерато­ров, усилителей, приёмных устройств, ускорителей, спектр-анализаторов и др. Но, начиная с частот ~10¹¹ Гц, О. р. при работе на осн. моде становятся слишком малыми (l ~1 мм), и посколь­ку толщина скин-слоя 8 пропорц. Öl, а размеры О. р. уменьшаются пропорц. А, его добротность ухудшается по за­кону Q~Öl. Применение же больших О. р. с возбуждением высших мод за­труднено из-за очень плотного спектра собств. частот. Поэтому в миллимет­ровом, субмиллиметровом и оптич. диапазонах О. р. вытеснены открыты­ми резонаторами, в к-рых осуществ­ляется разрежение спектра за счёт высвечивания поперечных мод с боль­шими индексами m и n через открытые участки боковых поверхностей (см. Квазиоптика, Оптический резонатор}. • Никольский В. В., Электродина­мика и распространение радиоволн, 2 изд., М., 1978; Вайнштейн Л. А., Электро­магнитные волны, М., 1957; Лебедев

И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1,

М.,   1970;   Каценеленбаум     Б.    3.,

Высокочастотная электродинамика, М., 1966.

А.  Г.  Литвак,  М.  А.   Миллер.

ОВЕРХАУЗЕРА ЭФФЕКТ, резкое воз­растание интенсивности ядерного маг­нитного резонанса (ЯМР) при насыще­нии уровней электронного парамаг­нитного резонанса (ЭПР) в том же в-ве. Теоретически предсказан А. У. Оверхаузером (A. W. Overhauser, США) в 1953. Экспериментально наблюдался в 1953 вначале в металлах (Т. Карвер и Ш. Шлихтер, 1953, США), затем в ПП, свободных радикалах и жидко­стях с парамагн. примесями.

О. э.— следствие магн. вз-ствия эл-нов и ядра атомов или ионов таких парамагнетиков, в к-рых возможно установление равновесной электронной и яд. намагниченности в сильном пост. магн. поле. При насыщении ЭПР это вз-ствие вызывает перераспределение ядер по уровням, увеличивая разность их населённостей и вероятность пере­хода. О. э. лежит в основе метода двойного электронно-ядерного резонан­са.

Если длительно поддерживать насы­щение ЭПР, то наступит стационар­ное состояние, при котором отноше­ние населённостей яд. перехода N^я₊/N^я_- будет такое же, как отношение насе­лённостей N^э₊/N^э_- электронного пере­хода, т. е. населённость нижнего яд. уровня возрастает и возникает силь­ная поляризация ядер (см. Ориенти­рованные ядра).

•Хуцишвили Г. Р., Эффект Оверхаузера и родственные явления, «УФН», 1960, т. 71, в. 1. См. также лит. при ст. Электронный парамагнитный резонанс и Ядерный магнитный резонанс.

ОДНОДОМЕННЫЕ ФЕРРОМАГНИТ­НЫЕ ЧАСТИЦЫ, малые ч-цы ферромагн. в-в, являющиеся одиночными доменами. При уменьшении размеров многодоменных ч-ц они могут стать однодоменными, если их свободная энергия в этом состоянии меньше, чем в многодоменном. Критич. размер D_кр, ниже к-рого ч-ца обладает одно-доменной структурой, зависит в пер­вую очередь от значения намагничен­ности насыщения J_s и коэфф. магнит­ной анизотропии К. Величина D_кр возрастает с увеличением К и умень­шением J_s. Для большинства феррома­гнетиков D_кр~10^-4—10^{-6 см. О. ф. ч. характеризуются нек-рыми особен­ностями магн. св-в. Их намагничен­ность остаточная} J_r=J_s. Перемагничивание О. ф. ч. происходит необра­тимым вращением вектора намагни­ченности J_s. Если О. ф. ч. обладают высокой магн. анизотропией (напр., за счёт анизотропии формы ч-ц или магн. кристаллографич. анизотропии), то процесс вращения J_s затруднён и коэрцитивная сила Н_с велика. В маг­нитно-одноосных О. ф. ч. J_r и Н_с имеют максимальное значение вдоль оси лёгкого намагничивания, т. к. пово­рот вектора J_s из этого направления требует наибольшей работы магнитно­го поля.

Для намагничивания до насыщения ферромагн. образца, состоящего из суспензии О. ф. ч., вкрапленных в диамагн. матрицу, требуется поле значительно меньшей напряжённости, чем в случае многодоменных ч-ц. Создание в подобном конгломерате О. ф. ч. магнитной текстуры, при к-рой оси лёгкого намагничивания ч-ц выстроены вдоль одного направления (оси текстуры), приводит к увеличе­нию J_r и Н_с вдоль этой оси. С увели­чением концентрации О. ф. ч. в кон­гломерате растёт значение J_r. Ма­гнитные материалы из микропорош­ков с О. ф. ч. (Fe, Fe—Со и др.) широ­ко применяются для изготовления пост. магнитов в приборостроении.

• Вонсовский С. В., Магнетизм. М., 1971.

ОДНООСНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кри­сталлы, в к-рых происходит двойное лучепреломление при всех направле­ниях падающего на них луча света, кроме одного, наз. оптической осью кристалла. См. Кри­сталлооптика.

ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ, раздел электронной спектроскопии, методы к-рого основаны на измерении энер­гии и интенсивности токов оже-электронов, эмиттированных из атомов, молекул и тв. тел при оже-эффекте. Энергия оже-электронов определяется природой испускающих их атомов и их хим. окружением, что позволяет опре­делять атомы в соединениях и полу­чать информацию об их хим. состоя­нии. О.-с. применяют как для фундам. исследований, так и для элементного анализа. В зависимости от способа воз­буждения атомов — электронным, фо­тонным, ионным пучками — различают электронную, фотоэлектронную и ион­ную О.-с. (соотв. ЭОС, ФОС и ИОС). Спектры оже-электронов получают и регистрируют с помощью оже-спектрометров. Наиболее распространены электронные оже-спектрометры на базе анализаторов энергии эл-нов типа цилиндрич. зеркала и четырёхсеточного анализатора с тормозящим полем (рис. 1). Электронный пучок от элек­тронной пушки направляется на обра­зец, находящийся в вакуумной камере (до 10^{-10 мм рт. ст.), В спектрометрах первого типа (их чувствительность на два порядка выше, чем спектрометров второго типа) потенциал внеш. цилиндрич. электрода анализатора 2 искривляет траектории оже-электро­нов в зависимости от их энергии. В результате каждому значению по­тенциала будет соответствовать определ. энергия оже-электронов, попав­ших в электронный умножитель 6. В спектрометрах второго типа энергия электронов, попадающих на коллектор анализатора 2, зависит от задерживаю­щего потенциала на сетках. Обычно регистрируют не энергетич. распреде­ление числа} N эмиттированных эл-нов

483

 

 

по энергиям ξ, а производную dN(ξ)/dξ (рис. 2), что повышает чувствительность метода.

О.-с. газов используется гл. обр. в фундам. исследованиях (для изуче­ния механизма самого оже-эффекта,

Рис. 1. Схемы электронных оже-спектрометров с элсктростатич. анализатором типа цилиндрич. зеркала (а) и с четырёхсеточным анализатором с тормозящим полем (б): 1 — исследуемый образец; 2 — энергетич. ана­лизатор эл-нов; 3 — электронная душка; 4 — электронная пушка, создающая наклонно падающий пучок; 5 — ионная пушка для по­слойного распыления образца; 6 — электрон­ный умножитель.

Рис. 2. Спектр оже-электронов     стали,  содержащей   Ni,   Cr, С,    Р,    О.

 

основных и возбуждённых состоянии дважды ионизованных атомов, разл. явлений, связанных с процессом нач. возбуждения атома). О.-с. может быть использована и для хим. анализа газов, но систематич. исследования аналитич. возможностей метода пока не проводились. Наибольшее примене­ние О.-с. получила для элементного анализа приповерхностного слоя тв. тела толщиной в неск. ат. слоев. Для получения информации о более глу­бинных слоях используют послойное распыление исследуемого образца ионами инертных газов. На основе ЭОС и ФОС проводят хим. анализ всех элементов периодич. таблицы (кроме Не и Н). Методы ИОС не чувствитель­ны к нек-рым элементам. Т. к. вероят­ность безызлучат. переходов падает с ростом ат. номера элемента, эффектив­ность анализа атомов лёгких элемен­тов выше, чем тяжёлых. Чувствитель­ность методов О.-с. составляет ~10¹² ат/см³.

Важной хар-кой явл. форма оже-линий, а также изменения энергий оже-электронов (сдвиги оже-линий) в зависимости от хим. состояния атома или его хим. окружения. Это позво­ляет наряду с элементным анализом получать информацию о хим. состоя­нии атома.

Совр. оже-спектрометры в боль­шинстве случаев могут работать в сканирующем режиме и давать инфор­мацию о распределении отд. элемен­тов по поверхности образца. Спектро­метры с четырёхсеточным анализато­ром позволяют сочетать методы О.-с. с дифракцией медленных эл-нов (см. Электронография), что даёт возмож­ность не только исследовать элемент­ный состав приповерхностных слоев монокрист. образцов, но и получать сведения об их структуре и её изме­нениях.

• Методы анализа поверхностей,   М.,  1979; Карлсон   Т. А.,   Фотоэлектронная     и ожеспектроскопия,     пер. с англ.,   Л., 1981.

В.   В.   Кораблёв.

ОЖЕ-ЭФФЕКТ, процесс, включающий в  себя  заполнение эл-ном  вакансии, образованной     на    одном   из внутр. у ровней энергии атома, с передачей   безызлучат.    путём выделен­ной при этом энергии эл-ну другого (выше­лежащего)   уровня  и переводом его в  воз­буждённое       состоя­ние. Если переданная энергия    достаточна, то возбуждённый эл-н   покидает    атом (оже-электрон). В ре­зультате О.-э.  в ато­ме вместо одной (пер­вичной)         вакансии возникают  две новые (вторичные)  на более высоких          уровнях энергии. Первичная   вакансия   может быть   образована, напр., при  облуче­нии атома фотонами, эл-нами, ионами соответствующих энергий.

В обозначении оже-переходов сна­чала указывают уровень, на к-ром об­разована первичная вакансия, затем уровень, эл-н к-рого заполнил эту

вакансию, и последним — уровень, к-рый покинул оже-электрон (напр., КL₁М₁-, KM₂M₂-переходы). Оже-электроны обычно делят на серии и груп­пы: серия характеризует положение первичных вакансий (напр., К-, L-серии), группа — положение вторичных (напр., К— L₁M₂-, К — M₂N₁-группы).

Уровни энергии и оже-переходы в металлах: 1 — КL₁М₂-переход; 2 — КL₁L₂-переход; 3 — KL₂L₂-nepexoд; 4 — L₁M₂V-nepexод; 5 — L₁VV-переход (переходы 4 и 5 происходят с участием валентной зоны).

 

О.-э. может наблюдаться не только в изолированных атомах, но и в конден­сированных средах. В тв. теле наряду с переходами между внутр. уровнями энергии атома наблюдаются переходы с участием эл-нов валентной зоны (рис.).

Обычно оже-электроны эксперимен­тально наблюдают в виде потоков эл-нов с определ. энергиями, не зави­сящими от энергии возбуждающих ч-ц. Первичная вакансия заполняется эл-ном вышележащего уровня за время 10^-14—10^-17 с, это приводит к тому, что мин. ширины оже-линий состав­ляют неск. эВ (см. Ширина спектраль­ных линий). В тех случаях, когда пере­ходы включают эл-ны валентной зоны, её энергетич. структура также влияет на ширину и форму оже-линий. В хим. соединениях могут наблюдаться пере­ходы с участием уровней энергии разл. атомов, входящих в соединение, в атомах, адсорбированных на под­ложках,— уровней энергии атомов адсорбата и подложки.

О.-э. проявляется во всех случаях (наряду с излучат. процессами), когда возникает вакансия на одном из внутр. уровней энергии атомов. В природе они могут создаваться косм. ч-цами, блуждающими эл-нами, в эксперим. установках — с помощью специально создаваемых потоков фотонов, эл-нов или ионов. Переходы ат. ядра из воз­буждённого состояния в нормальное могут сопровождаться передачей энер­гии одному из внутр. эл-нов атома — происходят процессы, аналогич. О.-э.

О.-э. наз. по имени франц. физика П. Оже (P. Auger), открывшего в 1925 V-образные пары электронных треков при наблюдении в камере Вильсона ионизации под действием рентг. излу­чения.

Частным случаем О.-э. явл. эффект Костера — Кронига, когда первичная

484

 

 

и одна из вторичных вакансий принад­лежат одной и той же  оболочке.

О. э.   применяется   в   оже-спектроскопии.

• Burhop    Е.  Н. S.,   The   Auger  effect and  other   radiationless   transition,  Cambr 1952; П а р и л и с  Э. С., Эффект Оже, Таш., 1969.

В.   В.   Кораблёв.

ОККЛЮЗИЯ (от позднелат. occlusio — запирание, скрывание), погло­щение газов тв. металлами или рас­плавами с образованием тв. или жид­ких р-ров или хим. соединений (нитридов, гидридов и т. д.). ОКОЛОЗВУКОВОЕ ТЕЧЕНИЕ, тече­ние газа, при к-ром ч-цы его движутся в рассматриваемой области со скорос­тями, близкими к местной скорости звука. О. т. может быть всюду дозву­ковым или всюду сверхзвуковым, но чаще всего оно бывает смешанным, т. е. включает области как с дозвук., так и со сверхзвук. скоростями.

С изучением О. т. связан ряд важ­ных практич. проблем: полёты ракет и самолётов, работа компрессоров и турбин воздушно-ракетных двигате­лей, аэродинамич. труб и т. д.

ОКТАВА, единица частотного интер­вала, равна интервалу между двумя частотами (f₂ и f₁), логарифм отно­шения которых (при основании 2) log₂(f₂/f₁)=1, что соответствует f₂/f₁=2; 1 О. = 1200 центов— 301 савар. При­меняется в акустике.

ОКУЛЯР (от лат. oculus — глаз), об­ращённая к глазу наблюдателя часть оптич. системы (зрительной трубы, телескопа, бинокля, микроскопа и т. д.); служит для визуального рассматри­вания д е й с т в и т е л ь н о г о  и з о б р а ж е н и я, к-рое формирует объ­ектив или другая предшествующая О. часть системы, напр. сочетание объек­тива и оборачивающей системы. По своему действию О. сходен с лупой; отличие его от лупы, связанное с ис­пользованием О. в сложной системе, состоит в значительно меньшей апер­туре пучка попадающих в него лучей.

Оптич. св-ва О. характеризуются: 1) фокусным расстоянием /', определяющим угловое увеличение оптическое Г''= 250/f' (250 мм — рас­стояние наилучшего видения); обычно О. имеют Г'~5—20, хотя в отд. случа­ях оно либо достигает 40—60 (с доба­вочной отрицат. линзой), либо состав­ляет всего 1,5—3; 2) углом поля зрения 2w' в пр-ве изображений (углом между крайними лучами, вы­ходящими из о); 3) расстоянием d от последней линзы О. до его в ы х о д н о г о  з р а ч к а, к-рым явл. изоб­ражение объектива, даваемое О. (см. Диафрагма). Для наиб. удобного рас­положения глаза наблюдателя d долж­но быть 12—15 мм, а при наличии оч­ков — до 25 мм.

От оптич. св-в О. зависят и общие хар-ки включающей его оптич. сис­темы. Так, поле зрения в пр-ве объек­тов — угловое 2w для зрит. трубы и линейное 2'Z для микроскопов — выра­жается по ф-лам: tgw=tgw'/g и 2l=f'tgw'/b, где g — полное увеличение зрит. трубы, b — линейное увели­чение объектива.

Первый О., применённый в 1609 Г. Галилеем, был простой отрицатель­ной (рассеивающей) линзой. Этот О. имеет малые угол зрения и увеличе­ние; используется гл. обр. в театраль­ных биноклях.

Окуляры Гюйгенса (сер. 17 в.) и Рамсдена (кон. 18 в.), сконструиро­ванные из положит. линз, применяют­ся до сих пор. Каждый из них состав­лен из двух плосковыпуклых линз (рис. 1). При всей их простоте для уг­лов поля зрения ~35—45° в них не­плохо исправлены осн. аберрации (см. Аберрации оптических систем) и до­статочно расстояние до выходного зрачка. Их фокусное расстояние не меньше 15—20 мм. Окуляр Рамсдена отличается от окуляра Гюйгенса тем, что его передний фокус действителен, вследствие чего в передней фокальной плоскости (с промежуточным изобра­жением) можно совместить шкалу и крест нитей для измерит. целей. С кон. 19 в. были разработаны ш и р о к о у г о л ь н ы е О. с полем зрения 65—70°, а в дальнейшем услож­нение конструкций позволило создать О. с углами поля зрения до 100° и более (рис. 2). Стали применяться О.

Рис. 1. Двухлинзовые положительные оку­ляры: вверху — окуляр Гюйгенса; внизу — окуляр Рамсдена.

Рис. 2. Схема многолинзового широкоуголь­ного окуляра.

Рис. 3. Автокол­лимационный оку­ляр.

 

большой оптической силы, у к-рых отношение расстояния до выходного зрачка d к фокусному расстоянию превышает единицу.

В сочетании с апохроматич. объек­тивами в микроскопах используют т. н. компенсационные О., к-рые исправляют хроматич. разность

увеличений. Часто применяются  а в т о к о л л и м а ц и о н н ы е О. (рис. 3), вблизи фокальной плоскости к-рых располагают малую призмочку П, направляющую свет от источника И на перекрестье нитей, затем в объек­тив и далее на зеркало. От зеркала свет отражается и собирается в фокусе О., где наблюдается одновременно крест нитей и его изображение, что позволяет с большой точностью опре­делить направление нормали к зер­калу.

• Тудоровский А. И., Теория оп­тических приборов, 2 изд., ч. 2, М.—Л., 1952; Слюсарев Г. Г., Методы расчета опти­ческих систем, 2 изд., Л., 1969.

Г. Г.   Слюсарев.

ОМ (Ом, W), единица СИ электрич. со­противления. Названа в честь нем. физика Г. Ома (G. Ohm). 1 Ом равен сопротивлению проводника, между концами к-рого при силе тока 1 А воз­никает напряжение 1 В; 1 Ом=1,11X10^-12 ед. СГСЭ=10⁹ ед. СГСМ (см. СГС система единиц).

ОМА ЗАКОН, устанавливает зависи­мость между силой тока I в проводни­ке и разностью потенциалов (напряже­нием) U между двумя фиксиров. точ­ками (сечениями) этого проводника:

U=rI. (1)

Коэфф. пропорциональности r, завися­щий от геом. и электрич. св-в провод­ника и от темп-ры, наз. омич. сопро­тивлением или просто сопротивлением данного участка проводника. О. з. от­крыт в 1826 нем. физиком Г. Омом.

В общем случае зависимость между I и U нелинейна, однако на практике всегда можно в определ. интервале на­пряжений считать её линейной и при­менять О. з.; для металлов и их спла­вов этот интервал практически неог­раничен.

О. з. в форме (1) справедлив для участков цепи, не содержащих источ­ников эдс. При наличии таких источ­ников (аккумуляторов, термопар, ге­нераторов и т. д.) О. з. имеет вид:

rI=U+ξ, (2)

где ξ — эдс всех источников, вклю­чённых в рассматриваемый участок цепи. Для замкнутой цепи О. з. при­нимает вид:

r_пI=ξ, (3)

где r_п=r+r_i — полное сопротивление цепи, равное сумме внеш. сопротив­ления r и внутр. сопротивления r_i источника эдс. Обобщением О. з. на случай разветвлённой цепи явл. 2-е Кирхгофа правило.

О. з. можно записать в дифф. фор­ме, связывающей в каждой точке про­водника плотность тока j с полной на­пряжённостью электрич. поля. Потенц. электрич. поле напряжённости Е, создаваемое в проводниках микроскопич. зарядами (эл-нами, ионами) самих проводников, не может поддер-

485

 

 

живать стационарное движение сво­бодных зарядов (ток), т. к. работа это­го поля на замкнутом пути равна ну­лю. Ток поддерживается неэлектростатич. силами разл. происхождения (индукционного, хим., теплового и т. д.), к-рые действуют в источниках здс и к-рые можно представить в виде нек-рого эквивалентного непотенц. по­ля с напряжённостью E_ст, наз. сто­ронним. Полная напряжённость поля, действующего внутри проводника на заряды, в общем случае равна E+E_ст. Соответственно дифф. О. з. имеет вид:

rj=E+E_ст или j=s(E+E_ст), (4)

где r — уд. сопротивление материала проводника, а s=1/r — его уд. элек­тропроводность.

О. з. в комплексной форме справед­лив также для синусоидальных квази­стационарных токов:

zI=ξ, (5)

где z — полное комплексное сопротив­ление: z=r+ix, r — активное сопро­тивление, а х — реактивное сопро­тивление цепи. При наличии индук­тивности L и ёмкости С в цепи квази­стационарного тока частоты w х=wL-1/wС.

• Курс физики, под ред. Н. Д. Папалекси, т. 2, М.—Л., 1948; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Об­щий курс физики); Физические основы эле­ктротехники, пер. с англ., под ред. К. М. По­ливанова, М.—Л., 1950.

ОМЕГАТРОН, масс-спектрометр, в к-ром разделение ионов, различаю­щихся величиной отношения массы М к заряду е, происходит при их движе­нии во взаимно перпендикулярных переменном электрич. и постоянном магн. полях. Разрешающая способ­ность О. уменьшается с ростом М. О. используется для определения состава и измерения парц. давлений остаточ­ных газов в вакуумных системах.

ОМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ, контакт ПП — металл, ток через к-рый подчи­няется закону Ома (т. е. пропорцио­нален напряжению).

ОММЕТР, прибор для измерения электрического (омического) сопротив­ления. В зависимости от диапазона измерений различают микроомметры, мегомметры, тераомметры. В простей­ших О. с магнитоэлектрическим изме­рительным механизмом реализуется метод вольтметра-амперметра: при пост. напряжении источника питания сила тока, протекающего через по­движную рамку механизма, и откло­нение указателя определяются изме­ряемым сопротивлением. Осн. недоста­ток таких О.— зависимость их пока­заний от напряжения источника пита­ния, поэтому перед применением рас­сматриваемого О. нач. положение ука­зателя обязательно корректируется. О. с логометром нечувствительны к отклонению напряжения питания от номин. значения (в пределах примерно

±20%). При измерении больших со­противлений (100 Ом — 10 МОм) изме­ряемое сопротивление включается по­следовательно с рамкой логометра (рис. 1, о), при измерении меньших со­противлений — параллельно (рис. 1, б). Источники питания О. с электроизмерит. механизмом — сухие гальванич. элементы, встраиваемые в О.,

Рис. 1. Схема логометрич. омметра: а — для измерения больших сопротивлений r_х; б — для измерения малых сопротивлений r'_х; Л — логометр; r_х и r₀, r'₀ — измеряемое и образцовые сопротивления; U_пит — питаю­щее напряжение.

 

либо магнитоэлектрич. генераторы с ручным приводом (в мегомметрах). О. с электроизмерит. механизмом позво­ляют измерять сопротивления, не пре­вышающие неск. тысяч МОм. Для из­мерений больших сопротивлений ис­пользуются электронные О. (тераом­метры). Они, как правило, состоят

Рис. 2. Схема электронного омметра: а — с прямой шкалой (ноль на шкале слева); б — с обратной шкалой (ноль на шкале справа); r_x и r₀ — измеряемое и образцовое сопротивления; U_пит — питающее напряже­ние; V — электронный вольтметр.

 

из делителя напряжения, образован­ного образцовым и измеряемым сопро­тивлениями, и электронного вольт­метра, измеряющего напряжение на одном из плеч делителя (рис. 2). Широ­кое распространение получили цифро­вые О. (см. Цифровой электроизмери­тельный прибор), входные цепи к-рых обычно представляют собой мост изме­рительный. Шкалы О. неравномерны. Погрешность измерений выражается в % от длины шкалы.

Выпускаемые О. с электроизмери­тельным механизмом имеют верхний предел измерений от 100 мкОм до 1000 МОм, осн. погрешность 1—5%; у цифровых О. диапазон измерений 10^-3—10¹⁰ Ом, осн. погрешность 0,05— 1,0%; у электронных О. верхний пре­дел измерений до 10¹⁷ Ом, осн. погрешность 1—2,5% (для сверхбольших со­противлений — до 10—15%).

Техн. требования к О. стандартизо­ваны в ГОСТе 22261—76 и ГОСТе 23706—79.

• Электрические измерения. Общий курс, 4 изд., Л., 1973; П о л у л я х К. С., Элект­ронные измерительные приборы, М., 1966; Справочник по электроизмерительным при­борам, 2 изд., Л., 1977. В. П. Кузнецов.

ОМ-МЕТР (Ом•м, W•m), ед. СИ уд. электрич. сопротивления; 1 Ом•м — уд. электрич. сопротивление, при к-ром цилиндрич. проводник пло­щадью сечения 1 м² и длиной 1 м имеет сопротивление 1 Ом; 1 Ом•м=10² ОмXсм=10²Ом•мм²/м=1,11•10^-10ед. СГСЭ=10¹¹ ед. СГСМ. ОНДУЛЯТОР (франц. ondulateur, от onde — волна), устройство, в к-ром создаются периодич. поля, действую­щие на проходящие через него заряж. ч-цы с периодич. силой, удовлетворяю­щей условию: среднее за период зна­чение силы равно нулю. Движущаяся заряж. ч-ца, попав в О., совершает пе­риодич. колебательно-поступат. дви­жение, т. е. явл. осциллятором, дви­жущимся равномерно и прямолинейно; такая ч-ца испускает ондуляторное излучение. Наиболее распространён­ные траектории ч-цы в О.— синусоиды и спирали.

По виду создаваемых полей О. делят­ся на два типа. В О. 1-го типа поля периодически изменяются в пр-ве или во времени [знакопеременное магн. поле (рис.), винтовое магн. поле, ВЧ электрич. поле, поле эл.-магн. волны и т. д.]. В О. 2-го типа действуют ста­тические фокусирующие магн. и элек­трич. поля (однородное магн. поле,

Схема ондулятора со знакопеременным магн. полем. Траектория ч-цы е лежит в плоско­сти, перпендикулярной рисунку. Стрелками указаны направления магн. силовых ли­ний. l₀ — длина периода траектории ч-цы а ондуляторе.

 

скрещённые однородные электрич. и магн. поля, квадрупольное электрич. поле и т. д.). Длина периода траекто­рии ч-цы в О. 1-го типа задаётся пе­риодом поля О., зависит от угла и ко­ординаты вхождения ч-цы в О. и в ре­лятивистском случае не зависит от её энергии. В О. 2-го типа длина периода траектории ч-цы определяется фокуси­рующими св-вами полей (градиентом, величиной), амплитудой колебания ч-цы (задаётся углом и координатой ее вхождения в О.), энергией ч-цы.

Природными О. явл. кристаллы. Внутрикрист. электрич. поле, усред­нённое по поверхностям плоскостей, параллельных кристаллографическим, или по длинам прямых, параллельных осям кристалла, явл. фокусирующим для заряж. ч-цы (см. Каналирование

486

 

 

частиц). В то же время усреднённое внутрикрист. электрич. поле явл. периодич. ф-цией расстояния, отсчиты­ваемого по прямой, пересекающей кри­сталлографич. плоскости. Поэтому ес­ли угол и координата вхождения ч-цы в кристалл таковы, что она пересекает кристаллографич. плоскости, то кри­сталл подобен О. 1-го типа. Длина периода траектории ч-цы в этом случае определяется межплоскостным рас­стоянием и углом между вектором ср. скорости ч-цы и кристаллографич. плоскостями. Если же нач. условия таковы, что ч-цы попадают в режим плоскостного или осевого каналирования, то кристалл подобен О. 2-го типа.

О. находят широкое применение. Они могут служить источниками излу­чения, использоваться для усиления эл.-магн. волн (см. Лазеры на свобод­ных электронах) и ускорения ч-ц эл.-магн. волной; О. применяются в масс-спектрометрах для разделения изото­пов, в системах ввода ионов в магн. ловушки, для сепарации пучка ч-ц, для создания угл. разброса ч-ц пучка, создания сгруппированных пучков. С помощью О. можно осуществлять оптич. индикацию пучков электрон­ных и протонных синхротронов и на­копителей и управлять их парамет­рами.

В источниках индуцированного ондуляторного излучения, ондуляторных линейных ускорителях, устройст­вах для группировки (банчировки) ч-ц в ускорителях, системах индикации пучков и в др. установках может ока­заться целесообразным применение О. с плавно меняющимися параметрами— длиной периода траектории ч-цы, ве­личинами магн. и электрич. полей и т. д. В таком О. можно, напр., добить­ся увеличения времени резонансного вз-ствия ч-ц с эл.-магн. волной, рас­ширения диапазона частот спектра спонтанного ондуляторного излуче­ния.

• См. лит при ст. Ондуляторное излуче­ние.

Е. Г. Бессонов.

ОНДУЛЯТОРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ,

электромагнитное излучение, испуска­емое ускоренными заряж. ч-цами в ондуляторах; излучение равномерно и прямолинейно движущегося осциллятора. Различные типы источников О. и., состоящих из ускорителя или на­копителя ч-ц (чаще эл-нов) и ондуля­тора, могут испускать спонтан­ное некогерентное, спон­танное когерентное и ин­дуцированное О. и.

Скорость ч-цы в ондуляторе можно представить в виде суммы скоростей: постоянной v_п и периодической пере­менной Dv(t+T)=Dv(t) (T — период колебаний ч-цы в ондуляторе, t — время). Одиночная ускоренная ч-ца, пройдя через ондулятор, испускает цуг эл.-магн. волн, длительность к-рого Dt зависит от угла q между v_п и направлением наблюдения. На рас­стояниях R>>Kl₀ (l₀ — длина периода

траектории ч-цы в ондуляторе, К — число периодов)

Dt=(Kl₀/cb_п))1-b_пcosq),       (1)

где b_п=v_п/с. Испущенный ч-цей цуг содержит К периодов, и, следователь­но, круговая частота осн. гармоники О. и. w₁=2pK/Dt. В общем случае цуги волн О. и. на интервале Dt не явл. гармоническими и излучение про­исходит на неск. гармониках, кратных основной. Частоты w_k k-той гармоники определяются в соответствии с Допле­ра эффектом ф-лой:

w_k=kW/(1-b_пcosq), (2)

где W=2pяb_пс/l₀ — частота колебаний ч-цы в ондуляторе. При q=0 частоты О. и. максимальны. Вследствие ко­нечной длительности цугов, О. и., испускаемое ч-цей в нек-ром направ­лении, распределено в интервале час­тот Dw_k., к-рый определяет естеств. ширину линии w_k:

Dw_k/w_k»1/kK. (3)

При K>>1 О. и., наблюдаемое под за­данным углом 6, монохроматично и имеет частоту, соответствующую (2). Осн. часть энергии, испускаемой релятив. ч-цей, сосредоточена вблизи на­правления её мгнов. скорости v в уз­ком диапазоне углов

где ξ — энергия ч-цы, m — её масса, b — v/c; g наз. релятив. фактором ч-цы.

Вектор v изменяет своё направление относительно v_п в нек-ром диапазоне углов Да. Если Da<<1/g, то ч-ца при движении в ондуляторе излучает в основном в направлении, близком к на­правлению v_п, т. е. в диапазоне углов Д6, определяемых (4). С увеличением Da растёт ускорение ч-цы v, а следова­тельно, и полная интенсивность О. и.

При Da>1/g О. и. испускается в больший диапазон углов: Dq>Da. В направлении наблюдения (опреде­ляемом единичным вектором n) излу­чение испускается эффективно только в том случае, когда угол между n и v не превышает 1/g. При этом число гар­моник О. п. резко возрастает, что при­водит к уширению его спектра и сдви­гу в более коротковолновую (жёсткую) область. При Da>>1/g спектр О. и. становится близким к спектру синхротронного излучения. Величина спектр. плотности потока энергии О. и., ис­пускаемого ч-цей в направлении v_п, достигает макс. значения при Da»1/g (условие оптим. генерации).

Хар-ки О. и. пучка ч-ц зависят от угл. и энергетич. разброса ч-ц, разме­ров и формы пучка, а также от вида О. и. Фазы эл.-магн. волн. испускае­мых разл. ч-цами пучка, для спонтан­ного некогерентного О. и. явл. слу­чайными ф-циями времени, для спон­танного когерентного они скоррелированы между собой, а для индуцирован­ного О. и.— скоррелированы между собой, а также и с фазой усиливаемой волны. Степенью фазовых корреляций (синфазностью) О. и. отд. ч-ц пучка в значит. степени определяются интен­сивность, направленность, монохро­матичность и степень поляризации О. и.

В источниках спонтанного некоге­рентного О. и. ч-цы пучка излучают независимо друг от друга. Интенсив­ность излучения такого пучка пропорц. его току г. В условиях оптим. генерации поток dn_ф/dt эквивалентных фотонов О. и. (поток полной, т. е. ус­реднённой по углам, энергии фотонов, делённый на макс. энергию одного фотона), испускаемых эл-нами в онду­ляторах с поперечными гармонич. полями, равен

dn_ф/dt»aKi/e, (5)

где a=е²/ћс»¹/₁₃₇, е — заряд эл-на. В этих условиях при K=10² один эл-н, пройдя через ондулятор, испускает один фотон; пучок эл-нов с i=0,1 А создаёт поток dn_ф/dt=4•10¹⁷ фотонов в с. Для l₀=3 см макс. энергия фо­тонов при этом составляет ок. 300 эВ, если ξ=1 ГэВ, и ок. 30 кэВ при ξ=10 ГэВ.

Источники О. и. с такими парамет­рами целесообразно создавать на осно­ве синхротронов и накопителей эл-нов, в прямолинейных промежутках к-рых устанавливаются ондуляторы. В этом случае достигается высокая эффектив­ность источников за счёт многократ­ного прохождения ч-ц через ондуля­тор: эл-ны, потеряв энергию на излу­чение, восстанавливают её при дви­жении в ускоряющей системе синхро­трона (накопителя) и затем вновь по­падают в ондулятор — происходит т. н. рекуперация энергии. Спонтанное О. и. может применяться в тех же об­ластях исследований, что и синхротронное излучение: в рентг. микро­скопии, рентг. структурном анализе, ат. и мол. спектроскопии, спектроско­пии кристаллов, рентг. литографии, медицине и др. По сравнению с синхротронным излучением оно обладает более высокими интенсивностью, на­правленностью, степенью монохрома­тичности и поляризации.

В рассмотренных источниках длина периода траектории ч-цы в ондуляторе l₀³1 см, т. к. она должна быть боль­ше его апертуры, определяемой по­перечными размерами пучка (³1 мм). Более жёсткое излучение (энергия квантов ћw_11макс»ξ) при меньшей эффективности генерации можно по­лучить, используя ондуляторы, в к-рых l₀<<1 см. Ими могут служить эл.-магн. волны и кристаллы. Через кристалл ч-цы проходят однократно, поэтому кристаллы устанавливаются на краю рабочей области синхротро-

487

 

 

нов, на выходе линейных ускорителей эл-нов, а также в электронных кана­лах протонных синхротронов. Поляри­зованные фотонные пучки, испускае­мые эл-нами в поле поляризованной волны или в кристалле (когерентное тормозное излучение, каналированное излучение), используются в яд. физи­ке и физике высоких энергий.

В источниках спонтанного когерент­ного О. и. используют пучок ч-ц, предварительно сгруппированный (сбанчированный) в сгустки длиной £l=2pс/w, находящиеся друг от дру­га на расстоянии, равном или крат­ном l. В таком пучке излучения отд. ч-ц скоррелированы по фазе. Совр. техника группирования пучков позво­ляет осуществлять генерацию коге­рентного О. и. с l³1 нм.

В источниках индуцированного О. и. используют как сбанчированные, так и однородные по плотности пучки ч-ц. В ондулятор подаётся внеш. эл.-магн. волна, напр. свет. Если сгустки пучка ч-ц, сгруппированного на входе в он­дулятор, попадают в тормозящие фазы электрич. поля Е эл.-магн. волны (по­перечная составляющая скорости ч-цы, определяемая в основном полем онду­лятора, направлена под острым углом к Е), то они отдают свою кинетич. энергию эл.-магн. волне, усиливая её (обратный Комптона эффект). Энер­гия усиленной волны представляет со­бой сумму энергий внеш. излучения, спонтанного когерентного О. и. и ин­дуцированного О. и. Энергия послед­него не равна нулю только в той об­ласти, где существует усиливаемая волна. Это означает, что индуциро­ванное О. и. испускается в направле­нии распространения внеш. волны. Ес­ли поле излучения сгустков ч-ц |E_ч|<<|E|, то все др. хар-ки индуцирован­ного О. и. совпадают с хар-ками уси­ливаемой волны.

Ч-цы однородного пучка попадают " как в тормозящие, так и в ускоряющие фазы. Т. к. энергия ч-ц, находящихся в ондуляторе в разл. фазах волны, из­меняется по-разному, то они начинают двигаться с разл. продольными ско­ростями и группируются в сгустки. Если нач. энергия ч-ц пучка выше нек-рой равновесной энергии, то ч-цы группируются в тормозящих фазах волны и, следовательно, усиливают её.

Источники О. и. всех видов облада­ют общей важной хар-кой — возмож­ностью плавной регулировки частоты. В малом диапазоне частот (~10%) это достигается изменением b_п.

Идея генерации спонтанного О. и. была впервые высказана и обоснована В. Л. Гинзбургом в 1947. Теоретиче­ски было показано, что О. и. должно обладать рядом преимуществ перед синхротронным излучением: монохро­матичностью в заданном направлении, более высокой спектр. плотностью по­тока энергии излучения. Предложена

схема рекуперации энергии. Дальней­шее развитие теория спонтанного О. и. получила в работах Г. Моца (1951—53, США), им были построены первые ис­точники спонтанного некогерентного и спонтанного когерентного О. и., ис­следованы св-ва О. и. этих источни­ков, визуально наблюдалась цветная радужная картина О. и. в оптич. диа­пазоне, согласующаяся с теоретически полученной зависимостью частоты от в. В 1958—59 Р. Твиссом (Австралия), Моцем, Р. Пантелом, Дж. Шнайдером (США) и А. В. Гапоновым-Греховым высказана и обоснована идея источни­ков индуцированного О. и. Первые источники индуцированного О. и. бы­ли созданы и исследованы на длине волны l»10 см (1960, амер. физик Р. М. Фпллипс).

• Бессонов Е. Г., Вопросы теории и экспериментального исследования ондуляторного излучения, в сб.: Труды 6 Всесоюзного совещания по ускорителям за­ряженных частиц, Дубна, 1978, т. 2, Дубна, 1979; Тернов И. М., Михайлин В. В., Халилов В. Р., Синхротронное излучение и его применения, М., 1980; Калашников Н. П., Ремизович В. С., Рязанов М. И., Столкновения быстрых заряженных частиц в твердых те­лах, М., 1980; Бессонов Е. Г., Серов А. В., Ондуляторный группирователь пучков заряженных частиц, «ЖТФ», 1982, т. 52, в. 2.

Е. Г. Бессонов.

ОНСАГЕРА ТЕОРЕМА, одна из осн. теорем термодинамики неравновесных процессов; установлена в 1931 амер. физиком Л. Онсагером (L. Onsager). В термодинамич. системах, в к-рых имеются градиенты темп-ры, концент­раций компонентов, хим. потенциалов и др., возникают необратимые процес­сы теплопроводности, диффузии, хим. реакций и т. д. Эти процессы характе­ризуются тепловыми и диффузионны­ми потоками, скоростями хим. реакций и т. п. Они наз. общим термином «п о т о к и» (обозначаются J_i), а вызываю­щие их причины (отклонения термоди­намич. параметров от равновесных значений) — термодинамиче­скими силами (X_k). Связь меж­ду J_i и X_k, если термодинамич. силы малы, записывается в виде линейных ур-ний:

где онсагеровские кинетические коэффициенты L_ik определяют вклад разл. термодинамич. сил Х_k в создание потока J_i. Соотношения (1) иногда наз. феноменологич. ур-ниями, a L_ik — феноменологич. коэффи­циентами; значения L_ik, рассчитывают или находят опытным путём. Термо­динамич. потоки и силы могут быть скалярами (в случае объёмной вязко­сти), векторами (при теплопроводно­сти, диффузии) и тензорами (при сдви­говой вязкости).

Согласно О. т., если нет магн. поля и  вращения системы как  целого,  то

L_ik=L_ki. (2) Если же на систему действует внеш. магн. поле Н или система вращается с угл. скоростью w, то

L_ik(H)=L_ki(-H), L_ik(w)=L_ki(-w). (3)

Это связано с тем, что Лоренца сила и Кориолиса сила не изменяются при изменении направления скоростей ч-ц лишь в том случае, если одновременно меняется на противоположное направ­ление магн. поля или соотв. скорости вращения. Это св-во симметрии ис­пользуется при выводе О. т. Соотно­шения симметрии (2) и (3), к-рые иног­да наз. соотношениями взаимности Онсагера, устанавливают связь между кинетич. коэффи­циентами при т. н. перекрёст­ных процессах, напр, между коэфф. термодиффузии и коэфф. Дюфура эффекта (обратная термодиффузия), между коэфф. перекрёстных хим. ре­акций.

О. т. явл. следствием микроскопич. обратимости движения ч-ц (к-рая вы­ражается в инвариантности ур-ний движения ч-ц системы относительно обращения времени) с учётом измене­ния направления магн. поля. Кроме того, Онсагер при выводе своей теоре­мы использовал общую теорию флук­туации и гипотезу о том, что их зату­хание подчиняется в ср. обычным макроскопич. законам.

• См. лит. при ст. Термодинамика нера­вновесных процессов.

Д. Н. Зубарее.

ОПАЛЕСЦЕНЦИЯ    КРИТИЧЕСКАЯ, резкое усиление рассеяния света чис­тыми в-вами в критических состояни­ях, а также р-рами жидкостей или газов при достижении ими крити­ческих точек раствори­мости. o.к. объяснена в 1907 польск. физиком М. Смолуховским, показавшим, что при критич. темп-ре сжимаемость в-ва сильно возрастает, в связи с чем энергия теплового дви­жения его ч-ц становится достаточной для «внезапного» сильного увеличения числа микроскопич. флуктуации плот­ности. В результате этого среда, прак­тически прозрачная при темп-pax вы­ше и ниже критической, в критиче­ском состоянии становится мутной средой.

ОПЕРАТОРЫ в квантовой теории, по­нятие, широко используемое в матем. аппарате квант. механики и квант. теории поля. О. служат для сопостав­ления с определ. волновой функцией (или вектором состояния) y другой определ. ф-ции (вектора) y'. Соотно­шение между y и y' записывается в виде y' =L^y, где L ^— О. В квант. ме­ханике физ. величинам L (координате, импульсу, энергии и др.) ставятся в соответствие О. L (оператор коорди­наты, импульса и т. д.), действующие на y. Простейшие виды О., действую­щие на волн. ф-цию y(х) (где х — ко­ордината ч-цы),— О. умножения (напр., О. координаты х^, x^y=xy) и О. диффе­ренцирования (напр., О. р^_х проекции импульса на ось х, р_х^y=-iћдy/дx). Если y — вектор, компоненты к-рого можно представить в виде столбца

488

 

 

чисел, то О. представляет собой квад­ратную таблицу — матрицу.

В квант. механике в осн. использу­ются линейные О., к-рые обладают

след. св-вом: если L^y₁=y'₁ и L^y₂=y'₂,

то

L^(с₁y₁+с₂y₂)=c₁y'₁+c₂y'₂, где c₁ и с₂ — комплексные числа.

Св-ва О. L^ определяются ур-нием L^y_n=l_ny_n, где l_n — числа. Решения этого ур-ния y_n наз. собствен­ными функциями (собств. векторами) О. £. Собств. волн. ф-ции (собств. векторы состояния) описыва­ют в квант. механике такие состояния, в к-рых физ. величина L (соответст­вующая О. £) имеет определ. значение l_n. Числа l_n наз. собственными значениями О. L^, а их совокуп­ность — спектром О. Спектр может быть непрерывным или дискрет­ным; в первом случае ур-ние, опреде­ляющее y_n, имеет решение при любом значении l_n (в определ. области), во втором — решения существуют толь­ко при определ. дискр. значениях l_n. Спектр О. может быть и смешанным: частично непрерывным, частично ди­скретным. Напр., О. координаты и им­пульса имеют непрерывный спектр, а О. энергии в зависимости от хар-ра действующих в системе сил — непре­рывный, дискретный или смешанный спектр. Дискр. собств. значения О. энергии наз. уровнями энергии.

Собств. ф-ции и собств. значения О. физ. величин должны удовлетворять определ. требованиям. Т. к. непосред­ственно измеряемые физ. величины всегда принимают веществ. значения, то соответствующие квантовомеханич. О. должны иметь веществ. собств. зна­чения. Поскольку при измерении физ. величины в любом состоянии y должно получаться одно из возмож­ных собств. значений О. этой вели­чины, необходимо, чтобы произволь­ная волн. ф-ция (вектор состояния) могла быть представлена в виде линей­ной комбинации собств. ф-ций (векто­ров) y_n О. этой физ. величины; други­ми словами, совокупность собств. ф-ций (векторов) должна представ­лять полную систему. Этими св-вами обладают собств. ф-ции и собств. зна­чения т. н. самосопряжён­ных, или эрмитовых, О.

С О. можно производить алгебр. действия. В частности, под произве­дением О. L^₁ и L^₂ понимается такой О. L^=L^₁L^₂, действие к-рого на y даёт

L^y=y"', если L^₂y=y' и L^₁y'=y". Произведение О. в общем случае зави­сит от порядка сомножителей, т. е. L^₁L^₂¹L^₂L^₁. Этим алгебра О. отличает­ся от обычной алгебры чисел. Воз­можность перестановки порядка со­множителей в произведении двух О. тесно связана с возможностью физ. системы находиться в состоянии, в к-ром соответствующие О. физ. вели­чины имеют точно определ. значения

(или с возможностью одноврем. изме­рения физ. величин, к-рым отвечают эти О.). Необходимым и достаточным условием одноврем. измеримости физ. величин L₁ и L₂ явл. равенство L^₁L^₂= L^₂L^₁ (см. Перестановочные соотно­шения).

Ур-ния квант. механики могут быть формально записаны точно в том же виде, что и ур-ния классич. механики (гейзенберговское представление в квант. механике), если заменить физ. величины, входящие в ур-ния клас­сич. механики, соответствующими им О. Различие между квант. и классич. механикой сведётся тогда к различию алгебр. Поэтому О. в квант. механике иногда наз. q-числами, в отличие от c-чисел, т. е. обыкновенных чисел, с к-рыми имеет дело классич. механика.

О. можно также возводить в степень, образовывать из них ряды и рассмат­ривать ф-ции от О. Произведение эр­митовых О. в общем случае не явл. эрмитовым. В квант. механике ис­пользуются и неэрмитовы О., важным классом к-рых явл. унитарные О., не меняющие норм («длин») векто­ров и «углов» между ними. Неизмен­ность нормы вектора состояния даёт возможность интерпретации его ком­понент как амплитуд вероятности и исходной и преобразованной ф-ции. Поэтому действием унитарного О. описывается изменение квантовоме­ханич. системы с течением времени, а также её смещение как целого в пр-ве, поворот, зеркальное отражение и др. Выполняемые унитарными О. преобразования (унитарные преобра­зования) играют в квант. механике такую же роль, какую в классич. ме­ханике играют канонич. преобразова­ния (см. Канонические уравнения меха­ники).

В квант. механике применяется так­же О. комплексного сопря­жения, не являющийся линейным. Произведение такого О. на унитарный О. наз. антиунитарным О. Антиунитарные О. описывают преобра­зование обращения времени и некото­рые др.

В теории квант. систем, состоящих из тождеств. ч-ц, широко применяется метод вторичного квантования. В нём рассматриваются состояния с перем. числом частиц и вводятся О., действие к-рых на вектор состояния с данным числом ч-ц приводит к векто­ру состояния с изменённым на единицу числом ч-ц (О. рождения и уничтоже­ния ч-ц). О. рождения или уничтоже­ния ч-цы в данной точке х, y^(x), фор­мально подобен волн. ф-ции y(x), как q- и с-числа, отвечающие одной и той же физ. величине соответственно в квант. и классич. механике. Такие О. образуют квантованные поля, играю­щие фундам. роль в релятив. квант. теориях (квант. электродинамике, тео­рии элем. ч-ц).

• См. лит. при ст. Квантовая механика, Квантовая теория поля.

В. В. Берестецкий.

ОПТИКА (греч. optike — наука о зри­тельных восприятиях, от optos — ви­димый, зримый), раздел физики, в к-ром изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распростране­ния и явления, наблюдаемые при вз-ствии света и в-ва. Оптич. излуче­ние представляет собой эл.-магн. вол­ны, и поэтому О.— часть общего уче­ния об электромагнитном поле (элек­тродинамики). Оптич. диапазон длин волн охватывает ок. 20 октав и огра­ничен с одной стороны рентгеновски­ми лучами, а с другой — микроволно­вым диапазоном радиоизлучения. Та­кое разграничение условно и в значит. степени определяется общностью техн. средств и методов исследования явле­ний в указанном диапазоне. По тради­ции О. принято подразделять на гео­метрическую, физическую и физиоло­гическую.

Геометрическая оптика, не рассмат­ривая вопроса о природе света, исхо­дит из эмпирич. законов его распро­странения и использует представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, прелом­ляющихся и отражающихся на грани­цах сред с разными оптич. св-вами и прямолинейных в оптически однород­ной среде.

Методы геом. О. позволяют изучить условия формирования оптич. изобра­жений объекта как совокупности изоб­ражений отд. его точек и объяснить мн. явления (миражи, радуги), связанные с прохождением оптич. излучения в различных, в т. ч. оптически неодно­родных, средах (см., напр., рефракция света). Наибольшее значение геом. О. (с частичным привлечением волн. О.) имеет для расчёта и конструирования оптич. приборов — от очковых линз до сложных объективов и огромных астр. инструментов. Благодаря раз­витию и применению вычислит. мате­матики, методы таких расчётов достиг­ли высокого совершенства и сформиро­валось отд. направление, получившее назв. вычислительной оп­тики.

По существу, не рассматривает физ. природу света и фотометрия. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия света че­ловеческим глазом. Изучением этих закономерностей занимается физио­логическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследую­щая механизмы зрения.

Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные эл.-магн. волны, основано на результатах огромного числа эксперим. исследований дифрак­ции света, интерференции света, поля­ризации света и распространения све­та в анизотропных средах (см. Кри­сталлооптика, Оптическая анизотро­пия). Совокупность явлений, в к-рых

489

 

 

проявляется волн. природа света, изу­чается в крупном разделе физ. О,— волновой оптике. Её матем. основанием служат общие ур-ния классич. элек­тродинамики — Максвелла уравнения. Св-ва среды при этом характеризуются макроскопич. матер. константами — значениями диэлектрической проницае­мости 8 и магнитной проницаемости m, входящими в ур-ния Максвелла в виде коэффициентов. Эти величины однозначно определяют показатель преломления n среды: n=Öem.

Феноменологическая волн. О., не рассматривая связь величин e и m (обычно известных из опыта) со струк­турой в-ва, позволяет объяснить все эмпирич. законы геом. О. и устано­вить границы её применимости. В от­личие от геометрической волновая О. даёт возможность рассматривать про­цессы распространения света не толь­ко тогда, когда размеры формирую­щих или рассеивающих световые пуч­ки систем много больше длины волны X, но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волн. О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоп­тика, в к-рой процессы распростране­ния, преломления и отражения описы­ваются в рамках геом. оптики, но при этом учитывается и волн. природа из лучения. Геом. и волн. подходы фор­мально объединяются в геом. теории дифракции, в к-рой, кроме падающих, отражённых и преломлённых лучей, постулируется существование разл. типа дифрагированных лу­чей.

Огромную роль в развитии волн. О. сыграло установление связи величин e и m  с мол. и крист. структурой в-ва (см. Кристаллооптика, Металлооптика). Это позволило объяснить все явления, сопровождающие распро­странение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптич. хар-ками, а также зависимость от l, (дисперсию) оптич. св-в сред, влияние на световые явления давления, темп-ры, звука, электрич. и магн. полей и др.

В классической волн. О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно оптич. процессы описываются линей­ными дифф. ур-ниями. Однако во мн. случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо и пока­затель преломления оказывается зави­сящим от напряжённости электрич. поля световой волны (нелиней­ная поляризуемость в-ва). Это приводит к изменению угла пре­ломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсив­ности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектр. состава света, проходящего через нелинейную среду (генерация оптических гармоник), к вз-ствию световых пучков и появле­нию в излучении т. н. комбинационных частот, а в среде — выделенных направлений преимущест­венного вз-ствия световых волн (параметрич. явления, см. Параметриче­ский генератор света) и т. Д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей особенно боль­шое развитие в связи с созданием лазеров.

Хорошо описывая распространение света в матер. средах, волн. О. не смог­ла удовлетворительно объяснить про­цессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэф­фекта, фотохим. превращений моле­кул, спектров оптических и пр.) и об­щие термодинамич. соображения о вз-ствии эл.-магн. поля с в-вом приве­ли к выводу, что элем. система (атом, молекула) может испускать или погло­щать энергию лишь дискр. порциями (квантами), пропорциональными час­тоте излучения v. Поэтому световому эл.-магн. полю необходимо сопоста­вить поток квантов света — фотонов. В простейшем случае энергия, теряе­мая или приобретаемая изолирован­ной квант. системой в элем. акте вз-ствия с оптич. излучением, равна энергии фотона, а в более сложном — сумме или разности энергий неск. фо­тонов (см. Многофотонные процессы). Явления, в к-рых при вз-ствии света и в-ва проявляются квант. св-ва элем. систем, изучаются в квантовой оптике методами, развитыми в квантовой ме­ханике и квантовой электродинамике.

Двойственность природы света (на­личие у него одновременно характер­ных черт, присущих и волнам и ч-цам) явл. частным проявлением корпускулярно-волнового дуализма. Историче­ски концепция корпускулярно-волн. дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обна­ружения волновых свойств у матери­альных частиц (см. Дифракция микро­частиц) и лишь затем эксперименталь­но подтвердилась для радиоизлуче­ния (квантовая электроника). Откры­тие квантовых явлений в радиодиа­пазоне во многом стёрло резкую гра­ницу между радиофизикой и О. Снача­ла в радиофизике, а затем в физ. О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынуж­денного излучения и созданием кванто­вых усилителей и квантовых генерато­ров излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного свето­вого поля обычных (тепловых и люми­несцентных) источников, излучение лазеров характеризуется временной и пространственной упорядоченностью (когерентностью), высокой монохро­матичностью (Dv/v~10^{-14, см. Моно­хроматическое излучение) и предельно}

малой (вплоть до дифракционной) рас­ходимостью пучка. Последнее позво­ляет при фокусировке получать не достижимые ни для каких других ис­точников плотности излучения (~10¹⁸ Вт-см^-2•ср^-1). Появление ла­зеров стимулировало пересмотр и раз­витие традиционных и возникновение новых направлений физ. О. Большую роль стали играть исследования ста­тистики излучения (статистическая оптика), сформировалась как само­стоят. раздел нелинейная оптика, по­лучили развитие методы создания уз­конаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т. д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на в-во. Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптич. элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптич. материалов, пропускаю­щих без их повреждений интенсивные световые потоки (силовая оптика).

Все разделы оптики имеют многочисл. практич. применения. Задачи рационального освещения улиц, поме­щений, рабочих мест на производстве, зрелищ, историч. и архитектурных па­мятников и пр. решаются светотехни­кой на основе геом. О. и фотометрии, учитывающей законы физиол. О. Геом. О. решает задачи получения в разл. условиях стигматических изображе­ний, соответствующих объектам как по геом. форме, так и по распределению яркости, а также исследует причины искажений изображения и их уровень в реальных оптич. системах (см. Абер­рации оптических систем). Геом. О. с привлечением физ. О. устанавливает разрешающую способность приборов и систем, учитывает зависимость пока­зателя преломления от l (дисперсию света) и т. д.

Новые возможности получения оп­тич. образов без применения фокуси­рующих систем даёт голография, осно­ванная на однозначной связи формы те­ла с пространств. распределением ам­плитуд и фаз распространяющихся от него (рассеянных им) световых волн. Для регистрации поля с учётом рас­пределения фаз волн в голографии ис­пользуют монохроматич. излучение. В месте регистрации изображения на рассеянное телом излучение наклады­вают дополнительное когерентное поле и фиксируют (напр., на фоточувствит. слое) возникающую при этом интерференц. картину. При рассматривании полученной т. о. плоской голограммы в когерентном (монохроматическом) свете или объёмной голограммы в бе­лом свете получается объёмное изоб­ражение предмета. Развитие гологра­фии связано с появлением лазеров, позволяющих получать интенсивные когерентные световые поля. Она нахо­дит применение при решении мн. на­учных и техн. проблем (изучение св-в плазмы, исследование сдвигов и на­пряжений в телах и т. д.).

490

 

 

Оптич. явления и методы применя­ются для аналитич. целей и контроля в разл. областях науки и техники. Осо­бенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцент­ного анализа, основанные на связи структуры атомов и молекул с хар-ром их спектров испускания и поглоще­ния, а также спектров комбинацион­ного рассеяния света. По виду спектров можно установить мол. и ат. состав, агрегатное состояние, темп-ру в-ва, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процес­сов. Применение в спектроскопии лазе­ров обусловило бурное развитие нового её направления — лазерной спектро­скопии.

Интерферометры применяются для измерений длин волн и изучения спек­тров, определения показателей пре­ломления прозрачных сред, абс. и от­носит. измерений длин, измерений угл. размеров звезд и др. косм. объек­тов. В пром-сти интерферометры ис­пользуют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации не­больших смещений, обнаружения по малым изменениям показателей пре­ломления непостоянства темп-ры, дав­ления или состава в-ва и т. д. Созданы лазерные интерферометры с уникаль­ными хар-ками, расширившие возмож­ности интерференц. методов за счёт большой мощности и высокой монохро­матичности излучения лазеров.

Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры в-ва с помощью многочисл. поляризационных приборов. По изме­нению степени поляризации (деполя­ризации) света при рассеянии и люми­несценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в в-ве, флуктуациях концентрации р-ров, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Приме­няется поляризационно-оптический метод исследования напряжений, воз­никающих в тв. телах (напр., при механич. нагрузках), по изменению по­ляризации прошедшего через тело света, а также метод исследования св-в поверхности тел по измерению поляризации при отражении света (эллипсометрия). В кристаллооптике поляризац. методы используются для изучения структуры кристаллов, в хим. пром-сти — как контрольные ме­тоды при производстве оптически ак­тивных веществ (см. также Сахариметрия), в оптич. приборостроении — для повышения точности отсчётов при­боров (напр., фотометров).

Широкое распространение получи­ли высокочувствительные спектраль­ные приборы с дифракционной решёт­кой в кач-ве диспергирующего элемен­та (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использую­щие явление дифракции света. Ди­фракция света на ультразвуке в про­зрачных средах позволяет определить упругие константы в-ва, а также создать акустооптич. модуляторы света (см. Модуляция света).

Оптич. методы, основанные на ана­лизе рассеяния света (особенно мут­ными средами), имеют большое значе­ние для мол. физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в р-рах, определять размеры и мол. массу макромолекул полимеров, а также ч-ц в коллоидных системах, взвесях и аэрозолях. Цен­ные сведения о структуре уровней энергии молекул и св-вах в-ва даёт изучение комбинационного рассеяния света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света, открытого благодаря использо­ванию лазеров.

Очень широка сфера практич. при­менения приборов, основанных на квант. оптич. явлениях,— фотоэле­ментов и фотоэлектронных умножите­лей, фотосопротивлений, фотодиодов, электронно-оптических преобразова­телей и др. усилителей яркости изоб­ражения, передающих и приёмных телевиз. трубок и т. д. Фотоэлементы используются не только для регист­рации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электрич. энергию (т. н. солнечные батареи). Фотохим. процессы лежат в основе фото­графии. На основе изучения измене­ний оптич. св-в в-в под действием све­та (фотохромизм) разрабатываются новые системы записи и хранения ин­формации для нужд вычислит. техни­ки и созданы защитные светофильтры, автоматически усиливающие поглоще­ние света при возрастании его интен­сивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излу­чения с разными длинами волн откры­ло пути к разработке методов лазерного разделения изотопов и стимулирова­ния направленного протекания хим. реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в био­физике (воздействие лазерных свето­вых потоков на биол. объекты на мол. уровне) и медицине. Благодаря воз­можности с помощью лазеров концент­рировать на площадках с линейными размерами ~10 мкм большие мощно­сти излучения, интенсивно развивает­ся оптич. метод получения высокотем­пературной плазмы с целью осуществ­ления управляемого термоядерного синтеза.

Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники. Первоначально её задачи сводились к простой замене электронных элементов в счётно-ре­шающих и др. устройствах оптиче­скими. Затем (70-е гг. 20 в.) стали раз­рабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислит. техники и обработки информации, ис­ходящие из методов голографии, и предлагаться новые техн. решения, основанные на применении микрооптич. устройств (интегральная опти­ка). С появлением лазеров новое развитие получили оптич. дальнометрия (см. Светодальномер), оптическая ло­кация и оптическая связь. В них ис­пользуются элементы и устройства, принципы действия к-рых основаны на изменении хар-ра поляризации све­та при его прохождении через электро- или магнитоактивные среды (см. Маг­нитооптика, Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект, Электро­оптика). Методами оптич. локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за ИСЗ; по линиям лазерной оптич. связи осуществляют­ся телефонные переговоры и передают­ся изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптич. видеосвязи.

Исторический очерк. О.— одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на протяже­нии всего своего развития. Прямоли­нейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э., и это св-во исполь­зовалось в Древнем Египте при строит. работах. Пифагор (в 6 в. до н. э.) высказал близкую к современной точ­ку зрения, что тела становятся види­мыми благодаря испускаемым ими ч-цам. Аристотель (4 в. до н. э.) по­лагал, что свет есть возбуждение сре­ды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сфор­мулированы два важнейших закона геом. О.— прямолинейность лучей све­та и равенство углов их падения и от­ражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возник­новение изображений при отражении от зеркал. Гл. вклад греков, явивший­ся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распро­странения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.

Следующий важный шаг развития О. состоял в понимании законов пре­ломления света (диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя. В ср. века хорошо были известны эмпирич. правила построения изображений, да­ваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки. По нек-рым данным, ок. 1590 3. Янсен (Нидерланды) по­строил первый двухлинзовый микро­скоп. Первые же наблюдения с помо­щью телескопа, построенного итал. учёным Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астр. открытий. Однако точные законы преломления света были эксперим. установлены лишь ок. 1620 голл. учёным В. Снеллем (см. Снелля закон преломления) и франц. учёным Р. Декартом, изло­жившим их в «Диоптрике» (1637).

491

 

 

Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа) был завершён фун­дамент построения геом. О.

Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции света (итал. учёный Ф. Гримальди; опубликовано в 1665), интерференции света, а также двойного лучепреломления (дат. учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геом. О., и с работами англ. учёных И. Ньютона, Р. Гука и голл. учёного X. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочте­ние корпускулярной концепции све­та, считая его потоком ч-ц, действую­щих на эфир (этот термин для обозна­чения наделённой механич. св-вами среды — переносчика света ввёл Де­карт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых ч-ц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их вз-ствием с матер. те­лами, по Ньютону, обусловлены пре­ломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же подробно изученная). Ньютон не считал возмож­ным рассматривать свет как колеба­ния самого эфира, т. к. в то время на этом пути не удавалось удовлетвори­тельно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньюто­ном и следовавшую из классич. опытов Гюйгенса по двойному лучепреломле­нию). Согласно Ньютону, поляриза­ция — «изначальное» св-во света, объ­ясняемое определ. ориентацией свето­вых ч-ц по отношению к образуемому ими лучу.

Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между мн. акустич. и оптич. явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с боль­шой, но конечной скоростью (нем. астроном И. Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук — конечной; первое её эксперим. определение произвёл в 1676 дат. аст­роном О. Рёмер). Наибольшим вкла­дом Гюйгенса в О. явя. установление им принципа, согласно к-рому каждая точка фронта волн. возбуждения может рассматриваться как источник вторич­ных (сферических) волн (Гюйгенса — Френеля принцип); их огибающая пред­ставляет собой фронт реальной рас­пространяющейся волны в последую­щие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волн. ис­толкование законов отражения и пре­ломления, причём из его теории следо­вало правильное выражение для пока­зателя преломления: n₂₁=v₁/v₂ (где v₁ и v₂ — скорость света в 1-й и 2-й средах). Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Однако, сфор­мулировав фундам. принцип волн. О., Гюйгенс не разработал последователь­ную волн. теорию света, к-рая могла бы противостоять воззрениям Нью­тона, поэтому корпускулярная «тео­рия истечения» сохраняла господст­вующее положение в О. до нач. 19 в. Победа волн. О. связана с работами англ. учёного Т. Юнга и франц. учё­ного О. Френеля. В 1801 Юнг сформу­лировал принцип интерференции, по­зволивший ему объяснить цвета тон­ких плёнок (см. Полосы равной толщи­ны) и послуживший основой для по­нимания всех интерференц. явлений. Френель, используя принцип Гюйген­са, дал удовлетворительное волн. объ­яснение прямолинейности распростра­нения света и объяснил многочисл. дифракц. явления. В опытах Френеля и франц. учёного Д. Ф. Араго было ус­тановлено, что волны, поляризован­ные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и независимо от него Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из к-рой Френель построил теорию кристаллооптич. явлений. Т. о., все известные к тому времени оптич. явления получили волн. интерпрета­цию. Вместе с тем детальная разра­ботка представлений о свете, как по­перечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусст­венных теор. построений (так, эфир приходилось наделять св-вами тв. состояния и в то же время допускать, что в нём могут свободно перемещать­ся тела). Эти трудности были разреше­ны лишь при последоват. развитии учения англ. физиком Дж. К. Макс­веллом об эл.-магн. поле. Основываясь на открытии англ. физика М. Фара­дея, Максвелл пришёл к выводу, что свет есть эл.-магн., а не упругие вол­ны.

Первым указанием на непосредств. связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1848) вращения плоскости поляризации света в магн. поле (Фарадея эффект). Далее было установлено, что отношение эл.-магн. и электростатич. единиц силы тока по абс. величине и размерности совпадает со скоростью света с (нем. физики В. Вебер и Ф. Кольрауш, 1856). Макс­велл теоретически показал, а нем. фи­зик Г. Герц в 1888 подтвердил экспери­ментально, что изменения эл.-магн. поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрач­ной среде скорость света v=c/n=Ö(e/m), т. е. определяется диэлектрич. и магн. проницаемостями среды. Открытие в 1862 франц. физиком Ф. Леру существования в узких участках спектра аномальной дисперсии (показатель преломления n увеличи­вался с ростом длины волны l), к-рая, как показал впоследствии нем. физик А. Кундт, свойственна очень мн. в-вам и связана с поглощением ими света,

привело к представлению о в-ве как совокупности осцилляторов, с к-рыми взаимодействует свет (нем. физик В. Зельмейер, 1872). В 90-х гг. 19 в. нем. физики П. Друде, Г. Гельмгольц и в особенности голл. физик X. Ло­ренц при создании электронной тео­рии строения в-ва объединили идею об осцилляторах и эл.-магн. теорию све­та. Плодотворное представление об эл-нах как об осцилляторах, к-рые вхо­дят в состав атомов и молекул и спо­собны совершать в них колебания, позволило описать мн. оптич. явле­ния, в т. ч. нормальную и аномальную дисперсии, т. к. в электронной теории значение e зависит от частоты (длины волны) внеш. поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали резуль­таты, хорошо согласующиеся с пред­сказаниями электронной теории. Блес­тящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяются поведением эл-нов в атомах, явилось открытие в 1896 голл. физиком П. Зееманом и истолко­вание в 1897 Лоренцем действия магн. поля на частоты излучения и поглоще­ния атомов (Зеемана эффект). В пол­ном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина светового давле­ния, мысль о к-ром впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения откло­нения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях давление света было впервые продемонстриро­вано и измерено П. Н. Лебедевым в 1899. Построение эл.-магн. теории света и дополнение её электронной теорией вз-ствия света и в-ва явилось крупнейшим этапом в развитии О.

Эл.-магн. теория света стала от­правным пунктом при создании отно­сительности теории. Эксперим. осно­ваниями для этого были данные оп­тич. опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относитель­но источника излучения, противоре­чившие теор. представлениям. Юнг в 1804 показал, что волн. теория требует для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично ув­лекали эфир. Этот вывод был подкреп­лён Физо опытом (см. Скорость света). Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рам­ках электронной теории, также при­водила к частичному увлечению эфира. Однако классич. Майкельсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неод­нократно повторяющийся со всё боль­шей точностью, не обнаружил такого увлечения («эфирного ветра»). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде — переносчи­ке эл.-магн. колебаний, нашли объяс­нение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), при-

492

 

 

ведшей к кардинальному пересмотру мн. положений классич. физики, в частности окончательно устранившей необходимость в эфире и др. гипотетич. средах-переносчиках.

Плодотворность классич. электродинамич. теории света Максвелла — Лоренца неоднократно подтвержда­лась и в дальнейшем, напр. в истол­ковании И. Е. Таммом и И. М. Фран­ком (1937) природы Черенкоеа — Ва­вилова излучения, в выдвижении Д. Га-бором (1947) идеи голографии (с за­писью волн. поля в одной плоскости), в разработке метода голографии с записью в трёхмерной среде, начало к-рому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962), и т. д.

Несмотря на успехи электродинамич. теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Осо­бенно отчётливо это проявилось в па­радоксальности выводов теории (про­тиворечащих закону сохранения энер­гии) из анализа распределения по длинам волн равновесного теплового излучения (излучения абсолютно чёр­ного тела). Рассматривая эту прин­ципиальную проблему, нем. физик М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебат. сис­тема (атом, молекула) отдаёт волн энергию эл.-магн. полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колеба­ний, квантами. Развитие идеи Планка, противоречащей классич. представле­ниям, не только дало удовлетворит. решение проблемы теплового излуче­ния, но и заложило основы всей совр. квант. физики. Работы Планка и Эйн­штейна (1905), к-рый приписал кван­там света — фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. мн. черты корпускулярных представ­лений.

Интенсивность эл.-магн. поля в квант. О. определяет вероятность об­наружения фотона, а структура поля отражает квант. структуру ансамбля элем. излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физ. смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существую­щие только при движении со скоро­стью света, приобрели черты матер, ч-ц. При поглощении фотона он пере­стаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и им­пульс. Если, взаимодействуя с другой ч-цей, фотон не поглощается, то он изменяет свою энергию и импульс (со­храняя абс. величину скорости) в со­ответствии с законами соударения двух матер. тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить осн. законы фотоэффекта, впервые исследо­ванные А. Г. Столетовым в 1888—90, и дать ясную трактовку фотохим. превращений. Они дают наглядное истолкование существованию коротко­волновой границы в тормозном излу­чении эл-нов (макс. энергия фотона

равна энергии эл-на), Комптона эф­фекту (открытому в 1923), стоксовскому сдвигу частоты излучения фото­люминесценции по отношению к часто­те возбуждающего света, комбинаци­онному рассеянию света (открытому в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо от них инд. физиком Ч. В. Раманом) и огромному числу др. явлений вз-ствия света с в-вом, известных ко времени формирования квант. теории и откры­тых в последующие годы. Поэтому переход к квант. представлениям был следующим существ. шагом в О., к-рую в её дальнейшем развитии нельзя рас­сматривать изолированно от квант. физики вообще.

В совр. О. квант. представления не противополагаются волновым, а соче­таются на идейной основе квантовой механики и квантовой электродинами­ки, развитых в трудах Н. Бора (Да­ния), М. Борна и В. Гейзенберга (Гер­мания), В. Паули (Швейцария), Э. Шредингера (Австрия), англ. физи­ка П. Дирака, Э. Ферми (США), Л. Д. Ландау, В. А. Фока и др. Квант. тео­рия позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрич., магн. и акустич. полей на спектры, установить зависимость хар-ра спект­ра от условий возбуждения и т. д. Примером обратного влияния О. на развитие квант. теории может служить открытие собств. момента кол-ва дви­жения — спина и связанного с ним собственного магн. момента у эл-на (С. А. Гаудсмит, США, Дж. Уленбек, Нидерланды, 1925) и др. ч-ц и ядер атомов, повлёкшее за собой установ­ление Паули принципа (1926) и истол­кование сверхтонкой структуры спек­тров (Паули, 1928).

Т. о., построение двух из наиболее фундам. теорий совр. физики — квант. механики и спец. теории относитель­ности — основывалось на наблюдении и анализе оптич. явлений.

Наиболее важное событие совр. О.— эксперим. обнаружение и создание методов генерации вынужденного излу­чения атомов и молекул, предсказан­ного Эйнштейном в 1916. Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход и, если имеется запас возбуждённых систем, превы­шающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсной населён­ностью энергетич. состояний атомов или молекул), этот процесс может мно­гократно повторяться — происходит усиление исходного светового потока (оптич. сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю оптической об­ратной связи (напр., путём возвраще­ния части излучения с помощью сис­темы зеркал) превращает его в опти­ческий квант. генератор—лазер. Пер­вые квант. генераторы (в сантиметро­вом диапазоне длин волн — мазеры) были созданы А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым и амер. физиком Ч. Таунсом в 1954—55. В 1961 был построен первый лазер на рубине, в следую­щем году — первый газовый лазер на смеси гелия и неона, а в 1963 — полу­проводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была не­медленно оценена, и за ними последо­вали многочисл. исследования св-в вынужденного излучения и возможно­стей его генерации. Используя разл. методы получения инверсной насе­лённости, строят лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие традиц. областей О. и при­вело к возникновению совершенно новых научных и техн. направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптич. обработка матери­алов), позволило распространить ме­тоды О. на решение задач, немыслимых для неё раньше (напр., проблема уп­равляемого термоядерного синтеза), и тем самым подтвердило динамич­ность О., свойственную наукам, нахо­дящимся на переднем крае знаний.

•Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Б о р н М., В о л ь ф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; С о р о к о Л. М., Основы голографии и когерентной оптики, М., 1971; Вломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Действие излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Бльяшевича, М., 1970; Гарбуни М., Физика опти­ческих явлений, пер. с англ., М., 1967; А х м а н о в С. А., X о х л о в Р. В., Про­блемы нелинейной оптики, М., 1964; Вави­лов С, И., Экспериментальные основания теории относительности, М.—Л., 1928; Е л ь я ш е в и ч М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Зоммерфельд А., Оптика, пер. с нем., М., 1953; Лоренц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., 2 изд., М., 1956; Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950; Клаудер Дж., Сударшан Э., Ос­новы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970.

А. М. Бонч-Бруевич.

оптика неоднородных сред, раздел физ. оптики, в к-ром изучаются явления, сопровождающие распрост­ранение оптического излучения в опти­чески неоднородных средах, показа­тель преломления n к-рых не постоя­нен, а зависит от координат. Оптич. неоднородностями явл. поверхности или объёмы внутри среды, на (в) к-рых изменяется п. Независимо от физ. природы неоднородности она всегда отклоняет свет от его первонач. на­правления. На поверхностях, разде­ляющих среды с разными n, происхо­дит отражение света и преломление света; на микронеоднородностях, n к-рых отличается от n окружающей среды,— рассеяние света. Существ. роль в О. н. с. играет интерференция света между рассеянными, отражён­ными и преломлёнными световыми вол­нами, а также падающей волной. Опти­чески неоднородными явл. мутные среды; в них размеры оптич. неоднородностей чаще всего превышают дли­ну световой волны l. Если неоднород­ность среды вызвана присутствием в ней мелкодисперсных коллоидных

493

 

 

ч-ц, размеры к-рых сравнимы с l, то среда кажется совершенно прозрач­ной; однако наблюдение под углом

~90° к направлению падающего света обнаруживает свечение среды, обус­ловленное интенсивным рассеянием света (Тиндаля эффект).

К неоднородным средам относятся также в-ва без инородных включений, в к-рых изменения n в большом числе микрообъёмов, приводящие к рассея­нию света, вызваны флуктуациями плотности среды в результате хаоти­ческого теплового движения её моле­кул или турбулентностью среды.

Интенсивность I света, рассеивае­мого непоглощающими диэлектрич, ч-цами, пропорц. l^-p, где p — пара­метр, зависящий от отношения разме­ров ч-ц к l. При рассеянии света на тепловых флуктуациях, размеры к-рых Много меньше l, I~l^-4 (Рэлея закон). Для ч-ц, размеры к-рых много больше l, параметр р близок к 0, и рассеяние определяется геом. эффектами пре­ломления света на поверхностях раз­дела объёмов. В этом случае I не за­висит от X, что и наблюдается при рас­сеянии света в туманах и облаках —

они имеют белый цвет. На изучении рассеяния света неоднородностями в газах, жидкостях и тв. телах основаны методы нефелометрии и ультрамикро­скопии (см. Ультрамикроскоп), позво­ляющие определять концентрацию неоднородностей и изучать их природу (а в нефелометрии — и их размеры). Особый раздел О. н. с. составляет оптика тонких слоев.

• Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); III и ф р и н К. С., Рассеяние света в мутной среде, М.— Л., 1951; Волькенштейн М. В., Мо­лекулярная оптика, М.—Л., 1951; III и ш л о в с к и й А. А., Прикладная физичес­кая оптика, М., 1961; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965.

Л. Н. Капорский.

ОПТИКА ТОНКИХ СЛОЕВ, раздел физ. оптики, в к-ром изучается про­хождение света через один или по­следовательно через неск. непогло­щающих слоев в-ва, толщина к-рых соизмерима с длиной световой волны. Специфика О. т. с. заключается в том, что в ней определяющую роль играет интерференция света между световы­ми волнами, частично отражёнными от верхних и нижних границ слоев. В ре­зультате интерференции происходит усиление или ослабление проходящего или отражаемого света, причём эф­фект зависит от вносимой оптической толщиной слоев разности хода лучей, длины волны (или набора длин волн) света, угла его падения и т. д.

Тонкие слои могут быть образованы на массивной подложке из стекла, кварца или др. оптич. среды с помощью термич. испарения в-ва и его осажде­ния на поверхность подложки, хим. осаждения, катодного распыления или хим. реакций материала подложки с выбранным в-вом. Для получения таких слоев используют (в скобках указаны показатели преломления в-в): окислы — Аl₂О₃ (1,59), SiO₂, (1,46), TiO₂ (2,2—2,6); фториды — MgF₂ (1,38), CaF₂ (1,24), LiF (1,35); сульфи­ды — ZnS (2,35), CdS (2,6); нек-рые др. соединения; полупроводники — Si (3,5), Ge (4,0).

Одно из важнейших практич. при­менений О. т. с.— уменьшение отражат. способности поверхностей оптич. деталей (линз, пластин и пр.; подроб­нее см. в ст. Просветление оптики). Нанося многослойные покрытия из большого (13—17 и более) числа чере­дующихся слоев с высоким и низким n, изготовляют зеркала с большим отра­жения коэффициентом, обычно в срав­нительно узкой спектр. области (не только в диапазоне видимого света, но и в УФ и ИК диапазонах). Коэфф. от­ражения таких зеркал (50—99,5%) зависит как от длины волны, так и от угла падения. С помощью многослой­ных покрытий разделяют падающий свет на прошедший и отражённый практически без потерь на поглоще­ние; на этом принципе созданы эфф. с в е т о д е л и т е л и (полупрозрач­ные зеркала). Системы из чередующих­ся слоев с высоким и низким n ис­пользуют и как интерференц. поляри­заторы, отражающие составляющую света, поляризованную перпендику­лярно плоскости его падения, и про­пускающие параллельно поляризо­ванную составляющую. Степень поля­ризации в проходящем свете достигает для многослойных поляризаторов 99%. О. т. с. позволила создать полу­чившие широкое распространение ин­терференц. светофильтры, полоса про­пускания к-рых может быть сделана очень узкой — существующие много­слойные светофильтры выделяют из спектр. области шириной в 500 нм интервалы длин волн 0,1—0,15 нм. Тонкие диэлектрич. слои применяют для защиты металлич. зеркал от кор­розии и при исправлении аберраций линз и зеркал (см. Аберрации оптиче­ских систем). О. т. с. лежит в основе многих других оптич. устройств, из­мерит. приборов и спектр. приборов высокой разрешающей способности. Светочувствит. слои фотокатодов и болометров б. ч. представляют собой тонкослойные покрытия, эффектив­ность к-рых существенно зависит от их оптич. св-в. О. т. с. применяется в лазерах и квант. усилителях света; при создании приборов высокого раз­решения (напр., при изготовлении интерферометров Фабри — Перо); при изготовлении дихроичных зеркал, используемых в цветном телевидении; в интерференц. микроскопии (см. Мик­роскоп) и т. д. К эффектам О. т. с. от­носятся также Ньютона кольца, Поло­сы равного наклона, Полосы равной толщины.

• Розенберг Г. В., Оптика тонко­слойных покрытий, Л., 1958; Крылова Т. Н., Интерференционные покрытия, Л., 1973.

Л. Н. Капорский.

ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, спо­собность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (све­та). Впервые обнаружена в 1811 франц. учёным Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 франц. учёный Ж. Б. Био открыл О. а. чистых жидкостей (скипидара), а за­тем р-ров и паров многих, гл. обр. органич., в-в. Он же установил (см. Био закон), что: 1) для р-ра угол j поворота плоскости поляризации ли­нейно зависит от толщины l слоя р-ра и концентрации с активного в-ва: j=[a]lс (коэфф. [a] наз. удель­ной О. а.); 2) поворот происходит либо по часовой стрелке (j>0), либо против неё (j<0), если смотреть на­встречу ходу лучей света. Соответст­венно оптически активные вещества, проявляющие естественную О. а., разделяют на правовращающие (положительно вращающие) и левовращающие (отрицательно вращающие). Это условное деление применимо в ши­роких интервалах длин волн излуче­ния. Оно теряет смысл лишь вблизи полос собственного (резонансного) по­глощения среды; в 1896 франц. физик Э. Коттон обнаружил, что в одном и том же в-ве j имеет разл. знаки по разные стороны от полос резонансного поглощения. Нек-рые в-ва оптически активны лишь в крист. состоянии (кварц, киноварь и др.), так что их О. а.— св-во кристалла в целом; для них, в отличие от р-ров, удельная О. а. обозначается просто а, и ф-ла Био записывается в виде: j=al. Другие в-ва активны в любом агрегатном со­стоянии; это означает, что их О. а. определяется строением отд. молекул. Удельная О. а. зависит не только от рода в-ва, но и от его агрегатного со­стояния, давления, темп-ры, типа рас­творителя и пр.

От естеств. О. а. отличают искус­ственную, или наведён­ную, О. а., проявляющуюся лишь при помещении оптически неактивного в-ва в магн. поле (Фарадея эффект; см. также Верде постоянная). Знак вра­щения в эффекте Фарадея зависит как от магн. св-в среды, так и от того, вдоль поля или против него распространяется излучение. Если ли­нейно поляризованный свет, прошед­ший через слой в-ва с естеств. О. а., отражается и проходит через тот же слой в обратном направлении, восста­навливается исходная поляризация, а в среде с наведённой О. а. в аналогич­ном опыте угол поворота удвоится.

Феноменологич. теорию О. а. раз­вил в 1823 франц. физик О. Ж. Фре­нель, объяснивший О. а. различием показателей преломления среды n₊ и n_- для право- и левополяризованных по кругу компонент линейно поляри­зованного света (см. Поляризация све­та). Полученное Френелем выражение для угла поворота плоскости поляри­зации имеет вид: j= (l/l)(n₊—n_-), где l — длина волны излучения в ва­кууме; т. о., ф может быть значитель-

494

 

 

ным даже при очень малом различии n₊ и n_-, если l>>l, как это обычно бы­вает. Этим объясняется чрезвычайно высокая чувствительность методов, ос­нованных на измерении О. а. (напр., при определении различий в показа­теле преломления они в 10 000 раз чувствительнее самых точных интерферометрич. методов).

Развитие теории О. а. тесно связано с изучением её д и с п е р с и и — за­висимости a (или │a│) от l, (т. н. в р а щ а т е л ь н о й  д и с п е р с и и). Ещё Био установил, что в исследо­ванных им случаях а тем меньше, чем больше l (j~l^-2). Такая дисперсия характерна для н о р м а л ь н о й О. а.— вдали от длин волн l₀, на к-рых в оптически активном в-ве происходит резонансное поглощение. Коттон, изу­чавший О. а. для излучений с l, близкими к l₀, обнаружил ано­мальную О. а.— увеличение а с ростом l. Им обнаружено также раз­личие поглощения показателей при этих длинах волн для право- и левополяризованных по кругу лучей — т. н. к р у г о в о й  д и х р о и з м, или Коттона эффект, вследствие к-рого свет, исходно поляризованный линей­но, превращается в эллиптически по­ляризованный.

Исследования О. а. показали, что для её объяснения существен учёт изменения поля световой волны на расстояниях порядка размеров а мо­лекулы (иона) в-ва (см. Пространст­венная дисперсия). (При описании мно­гих других оптич. явлений таким из­менением можно пренебречь, т. к. a/l~10^-3, но как раз этот параметр определяет различие между n₊ и n_-.) Теория О. а. мол. паров в рамках классической электронной теории была разработана в 1915 нем. физиком М. Борном и независимо от него швед. физиком К. В. Озееном, к-рые пока­зали, что наряду с асимметрией моле­кул следует учитывать несинфазность микротоков, наведённых полем свето­вой волны в разных участках молекул (при всей малости а/l). Квант. теорию О. а. паров построил в 1928 бельг. учё­ный Л. Розенфельд. И в этой, более строгой с позиций совр. науки, теории рассматриваются процессы, связанные с конечным размером молекул (про­исходящие на расстояниях ~а). Для объяснения О. а. оказалось необхо­димым учитывать вз-ствие электрич. и магн. дипольных моментов, наведён­ных в молекуле полем проходящей волны. Теория О. а. мол. сред, актив­ных лишь в крист. фазе, тесно связана с теорией экситоное, так как О. а. таких в-в определяется хар-ром волн поляризации в этих кристаллах. О те­ории наведённой О. а. см. Магнитооп­тика, Фарадея эффект.

Совр. теории О. а. качественно пра­вильно описывают это явление, одна­ко количеств. теория дисперсии О. а. сталкивается со значит. трудностями в связи со сложностью изучаемых объ­ектов.

О. а. обнаруживают широкие клас­сы в-в, в особенности органических. Хар-р дисперсии О. а. весьма чувстви­телен к разл. факторам, определяю­щим внутри- и межмолекулярные вз-ствия. Поэтому методы, основанные на измерении О. а., используются в физ., хим., биол. и др. научных иссле­дованиях, а также и в промышлен­ности.

• Волькенштейн М. В., Молеку­лярная оптика, М.—Л., 1951.

С. Г. Пржибельский.

ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ, раз­личие оптич. св-в среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и его поляризации (см. Поляризация света). О. а. проявляется в двойном лучепре­ломлении, дихроизме, изменении эл­липтичности поляризации света и во вращении плоскости поляризации, про­исходящем в оптически активных в-вах. Естественная О. а. кристаллов обусловлена неодинако­востью по разл. направлениям поля сил, связывающих атомы решётки. Ес­тественная оптич. активность в-в, к-рые проявляют её в любом агрегат­ном состоянии, связана с асимметрией строения отд. молекул таких в-в и обусловленным ею различием во вз-ствии этих молекул с излучением разл. поляризаций, а также с особенностями возбуждённых состояний эл-нов и «ионных остовов» в оптически актив­ных кристаллах. Наведённая (и с к у с с т в е н н а я) О. а. возни­кает в средах, от природы оптически изотропных под действием внеш. по­лей, выделяющих в таких средах определ. направление. Это может быть элек­трич. поле (см. Керра эффект), маг­нитное поле (Коттона — Мутона эф­фект, Фарадея эффект), поле упругих сил (см. Фотоупругость), а также поле сил в потоке жидкости.

С.   Г.   Пржибельский.

ОПТИЧЕСКАЯ ДЛИНА ПУТИ меж­ду точками А и В прозрачной среды, расстояние, на к-рое свет (оптическое излучение) распространился бы в ва­кууме за то же время, за какое он про­ходит от А до В в среде. Поскольку скорость света в любой среде меньше его скорости в вакууме, О. д. п. всегда больше реально проходимого светом расстояния (или, в предельном случае вакуума, равна ему). В оптич. системе, состоящей из р однородных сред (траектория луча света в такой систе­ме — ломаная линия), О. д. п. равна сумме S^pl_kn_k, где l_k — расстояние, пройденное светом в k-той среде (k=1, 2, ..., р), n_k — преломления пока­затель этой среды. В среде с плавно меняющимся n (траектория луча в та­кой среде — кривая линия) О. д. п.

есть    ∫^B_An(l)dl,    где   dl — бесконечно

малый элемент траектории луча. По­нятие «О. д. п.» играет большую роль в оптике, особенно в геометрической оптике и кристаллооптике, позволяя сопоставлять пути, проходимые светом в средах, в к-рых скорости его распространения различны. Геом. место то­чек, для к-рых О. д. п., отсчитываемая от одного источника, одинакова, наз. поверхностью световой волны; световые колебания на этой поверхности находятся в одинаковой фазе. О. д. п. луча света между двумя произвольными точками пр-ва пред­метов и пр-ва изображений наз. эйко­налом. См. также Разность хода лу­чей, Ферма принцип.

• Тудоровский А. И., Теория оп­тических приборов, 2 изд., ч. 1, М.—Л., 1948; Л а н д с б е р г Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., М., 1973.

ОПТИЧЕСКАЯ   ИНДИКАТРИСА, см. Индикатриса  в   оптике.

ОПТИЧЕСКАЯ   ЛЕВИТАЦИЯ,   см.   в ст. Световое давление.

ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ, совокуп­ность методов обнаружения и измере­ния координат удалённых объектов, а также распознавания их формы с по­мощью эл.-магн. волн оптич. диапазо­на — от УФ до дальних ИК. Основой О. л. явл. метод измерения расстояний до объекта с помощью оптич. излуче­ния (см. Светодальнометрия). Этот метод был предложен А. А. Лебеде­вым ещё в 1934 и осуществлён в 1936 им же с сотрудниками. Однако созда­ние оптич. локаторов с большой даль­ностью действия, высокими точностью и разрешающей способностью стало возможным только с появлением мощ­ных источников когерентного оптич. излучения — лазеров.

В О. л. используются те же принци­пы определения координат, что и в радиолокации: измерение расстояний из неск. опорных точек или измерение расстояний и пеленга (азимута) из одной точки. Отражённый от объекта луч лазера улавливается зеркалом, фокусируется и направляется на мат­рицу фотоприёмника для определения угл. координат и одновременно на ФЭУ (или др. детектор) для определе­ния дальности объекта. Электрич. сиг­налы с фотоприёмника подаются в следящую систему, управляющую по­ложением передающей и приёмной оптич. систем локатора.

Осн. преимущества оптич. локато­ров перед радиолокаторами — боль­шая точность определения угл. коорди­нат объектов (по максимуму отражён­ного сигнала) и высокая разрешающая способность по дальности. Напр., при использовании лазерного луча с углом расходимости 10' погрешность определения угл. координат объекта составляет <1' (у радиолокаторов 25—30'); при длительности светового импульса 10 нс разрешение по даль­ности может достигать неск. см. Кроме того, оптич. локатор обладает высокой угл. разрешающей способностью, т. е. способностью различать два соседних равноудалённых объекта, обусловлен­ной очень высокой направленностью

495

 

 

излучения. Это даёт возможность ре­шать задачу распознавания формы объ­ектов. О. л. позволяет с высокой точ­ностью (до неск. десятков см) произво­дить картографирование земной по­верхности, поверхности Луны, опре­делять расстояние до облаков, само­лётов, космических, надводных и под­водных объектов, исследовать распре­деление инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере.

Существ. недостаток оптич. локато­ров — затруднит. использование их в сложных метеорол. условиях (дождь, туман и т. п.) для локации объектов на далёких расстояниях.

•Волохатюк В. А., Кочетков В. М,, Красовский Р. Р., Вопросы оптической локации, М., 1971;Курикша А. А., Квантовая оптика и оптическая лока­ция, М., 1973.

И. Ф. Усольцев.

ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА, возбуж­дение квант. системы (атома, молеку­лы и др.) с более низкого уровня энер­гии на более высокий уровень под действием света. См. Квантовая элек­троника, Лазер.

ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ, 1) парамагнитных атомов — упорядо­чение с помощью анизотропного опти­ческого излучения направлений механич. моментов и связанных с ними магн. моментов парамагн. атомов газа. Открыта франц. физиком А. Кастлером в 1953. О. о. явл. частным случаем оптической накачки — перевода в-ва в энергетически неравновесное состоя­ние в процессах поглощения им света. Различают собственно О. о., при к-рой ат. газ приобретает не равный нулю макроскопический магн. момент, и в ы с т р а и в а н и е, характеризую­щееся появлением анизотропного рас­пределения магн. моментов атомов при сохранении нулевого макроскопи­ческого магн. момента газа.

Собственно ориентация достигается при резонансном поглощении или рас­сеянии атомами циркулярно поляризо­ванного света. Процесс ориентации в простейшем случае можно рассматри­вать как следствие сохранения момен­та кол-ва движения (спина) в системе фотон — атом. Поляризованный по правому (левому) кругу фотон (см. Поляризация света) обладает проек­цией механич. момента кол-ва движе­ния, равной +h (-h), и при поглоще­нии атомом фотона последний передаёт ему этот момент. В газе парамагн. атомов это приводит к преимуществ. ориентации механич. моментов эл-нов и, следовательно, магн. моментов ато­мов (см., напр., Магнетон).

Выстраивание осуществляется не­поляризованным или линейно поляри­зованным излучением, для к-рого про­екция спина фотона может с равной вероятностью быть равной +h и -h. Парамагн. атомы, поглотившие такие фотоны, окажутся выстроенными па­раллельно и антипараллельно лучу

света, т. е. появится анизотропия в распределении направлений магн. мо­ментов при нулевом макроскопиче­ском магн. моменте.

О. о. регистрируется по изменению поглощения газом ориентирующего света (по мере ориентации поглощение, как правило, уменьшается, см. Про­светления эффект), а также по возни­кающей оптической анизотропии (ди­хроизму, двойному лучепреломлению, вращению плоскости поляризации). Не­посредственно О. о. осуществлена с парами металлов первых трёх групп элементов таблицы Менделеева, а так­же с атомами инертных газов в мета-стабильных состояниях и нек-рыми ионами. Нек-рые парамагн. атомы, осо­бенности электронного строения к-рых исключают их прямую О. о., могут ориентироваться косвенно — при со­ударениях с другими, уже ориентиро­ванными атомами (спиновый обмен). Возможна также О. о. носителей за­рядов в ПП и примесных парамагн. центров в кристаллах. Воздействие «внутреннего» магн. поля ориентиро­ванных электронных оболочек может приводить к ориентации магн. момен­тов ядер атомов (см. Ориентированные ядра), к-рая сохраняется значительно дольше, чем электронная ориентация атомов. В связи с этим ядерную О. о. используют для создания квантовых гироскопов. Ориентированные атомы применяют для изучения слабых меж-ат. вз-ствий и вз-ствий эл.-магн. полей с атомами. Квантовые магнитометры с О. о. (обычно электронной) позволя­ют регистрировать крайне малые (~10^-8 Э) изменения напряжённости магн. поля в диапазоне от нуля до неск. сотен Э.

• Скроцкий Г. В., Изюмова Т. Г., Оптическая ориентация атомов и ее приме­нения, «УФН», 1961, т. 73, в. 3, с. 423; С о h e n -Т а n n о u d j i С., К a s t l е r А., Optical pumping, «Progress in Optics», 1986, v. 5, p. 1—81.

Е. Б. Александров.

2) О. о. спинов эл-нов проводимо­сти в полупроводниках — возникнове­ние преимущественного направления у спинов эл-нов при освещении полу­проводника циркулярно поляризован­ным светом. При правой поляризации света (по часовой стрелке) спины ори­ентируются в направлении, противо­положном световому лучу, при левой поляризации — вдоль него. О. о. об­наружена франц. физиком Ж. Лампелем и англ. физиком Р. Р. Парсонсом (1968—69) и теоретически объяснена М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем (1971). При генерации носителей цир­кулярно поляризованным светом в результате спин-орбитального взаимо­действия момент импульса фотона передаётся системе электрон — дырка.

Мерой О. о. явл. разность концент­рации эл-нов (дырок) со спинами, на­правленными вдоль луча и навстречу ему, отнесённая к их полной концент­рации. После выключения света эта величина убывает в результате реком­бинации неравновесных носителей и спиновой релаксации внутри каждой

зоны (дырки обычно релаксируют быст­рее, чем эл-ны). О. о. может быть за­регистрирована по поляризации ре-комбинационного излучения. Вз-ствие эл-нов с ат. ядрами в условиях О. о. приводит к появлению яд. намагничен­ности. Т. к. время жизни ориентиро­ванных ядер на много порядков пре­вышает аналогичное время для эл-нов, то легче наблюдать яд. намагничен­ность (методом ядерного магн. резо­нанса), чем намагниченность неравно­весного электронного газа. Магн. по­ле, перпендикулярное световому лу­чу, разрушает О. о. (э ф ф е к т X а н л е). Метод О. о. используется для изучения зонной структуры ПП, вре­мён жизни носителей, механизмов ре­комбинации и спиновой релаксации. • Дьяконов М. И. [и др.], Ориента­ция электронных спинов в полупроводни­ках, «УФН», 1971, т. 105, в. 4.

Э,  М. Эпштейн.

3) О. о. ядер — см. в ст. Ориентиро­ванные ядра.

ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ линзы (вогнутого или выпуклого зеркала), прямая ли­ния, являющаяся осью симметрии пре­ломляющих поверхностей линзы (от­ражающей поверхности зеркала); про­ходит через центры этих поверхностей перпендикулярно к ним. Оптич. по­верхности, обладающие О. о., наз. осесимметричными (см. Зеркало оптическое, Линза). О. о. оптической системы — общая ось симметрии всех входящих в систе­му линз и зеркал.

ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ КРИСТАЛЛА, направление в кристалле, по к-рому луч света распространяется, не испы­тывая двойного лучепреломления. См. Кристаллооптика.

ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ (D), мера непрозрачности слоя в-ва тол­щиной l для световых лучей; характе­ризует ослабление оптического излу­чения в слоях разл. в-в (красителях, светофильтрах, р-рах, газах и т. п.). Для неотражающего слоя О. п. равна: D = lgI₀/I=k_ll, где I — интенсив­ность излучения, прошедшего погло­щающую среду; /о — интенсивность излучения, падающего на поглощаю­щую среду; k_l — поглощения показа­тель среды для излучения с длиной волны l, связанный с уд. показателем поглощения c_l, в Бугера — Ламбер­та — Вера законе соотношением k_l= 2,303 c_l,. О. п. может быть опреде­лена и как логарифм величины, об­ратной пропускания коэффициенту t слоя в-ва: D=lg(1/t). Введение О. п. удобно при вычислениях, т. к. она меняется на неск. единиц, тогда как величина I₀/I может для разл. образ­цов и на разл. участках спектра изме­няться на неск. порядков. О. п. смеси нереагирующих друг с другом в-в равна сумме О. п. отд. компонентов.

Л. Н. Капорский.

ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, передача ин­формации с помощью света. Простей­шие (малоинформативные) виды О. с. использовались с кон. 18 в. (напр., семафорная азбука). С появлением

496

 

 

лазеров возникла возможность перене­сти в оптич. диапазон средства и прин­ципы получения, обработки и пере­дачи информации, разработанные для радиодиапазона. Необходимость пере­дачи всё большего объёма информации и вместе с тем практически полное ис­черпание ёмкости радиодиапазона при­дают проблеме О. с. важное значение. Осн. принципиальные преимущества О. с. по сравнению с радиосвязью — высокая направленность излучения, обеспечивающая повышенную помехо­защищённость и скрытность связи, и большая ширина полосы частот для передачи информации.

С целью введения информации излу­чение оптич. генератора модулируют по требуемому закону (см. Модуляция света). При помощи выходного оптич. узла излучение формируется в мало­расходящийся пучок, достигающий входного оптич. узла, к-рый фокусиру­ет его на фотоприёмник. С фотоприёмника электрич. сигналы поступают в узлы обработки информации. При вы­боре несущей частоты должны учиты­ваться условия распространения оп­тич. излучения в среде передачи, техн. хар-ки лазеров, модуляторов, приёмников оптического излучения. В систе­мах О. с. находят применение два спо­соба приёма сигналов — прямое детек­тирование и гетеродинный приём (см. Детектирование света).

Системы О. с. делятся на о т к р ы т ы е наземные системы и наземные си­стемы, использующие з а к р ы т ы е световодные каналы для связи между АТС, ЭВМ, для внутриобъектовой и междугородной связи.

Работы с открытыми линиями О. с. в приземных слоях атмосферы с ис­пользованием лазеров показали, что надёжность связи сильно зависит от атм. условий, определяющих оптич. видимость на трассе распространения. Это ограничивает применение откры­тых линий О. с. относительно малыми расстояниями (неск. км). Однако от­крытые линии О. с. перспективны как средство связи между Землёй и космо­сом. Напр., с помощью лазерного луча можно передавать информацию на рас­стояние ~10⁸ км со скоростью до 10⁵ бит/с, в то время как микроволн. техника при этих расстояниях обес­печивает скорость передачи только ~10 бит/с. О. с. в космосе возможна на расстояниях до 10¹⁰ км, однако построение косм. линий О. с. техниче­ски весьма сложно.

В земных условиях наиб. перспек­тивны системы О. с., использующие закрытые волоконные световоды с ма­лыми оптич. потерями (затухание сиг­нала ~1 дБ/км в ближней ИК облас­ти). Скорость передачи информации в многомодовых волоконных светово­дах ограничена по сравнению с откры­тыми линиями до 10⁴ бит/с вследствие межмодовой дисперсии, а в одномодовых световодах — дисперсией матери­ала световода. Применение кварцевого стекла, легированного Ge, P, В и др.

элементами, позволило свести почти к нулю дисперсию материала светово­дов в области длин волн 1,26—1,32 мкм и передавать по одномодовым светово­дам и световодам с оптим. профилем показателя преломления (см. Световод) информацию со скоростью 10⁷—10⁸ бит/с на расстоянии ~100 км без применения ретрансляторов.

Волоконно-оптич. линии связи, по­мимо широкой полосы пропускания, обладают и др. преимуществами; они не требуют дефицитных цветных мате­риалов, невосприимчивы к эл.-магн. помехам, имеют малый вес и габариты.

Разработка эфф. световодных струк­тур и технологии изготовления свето­водов большой протяжённости, широ­кополосных высокочувствительных приёмных устройств, долгоживущих (>10⁴ ч) источников излучения (ла­зерные диоды, светодиоды), по-види­мому, сделают О. с. способной конку­рировать со связью по существующим кабельным и релейным магистралям уже в ближайшем десятилетии. Во мн. странах успешно прошли испытания экспериментальных волоконно-оптич. систем связи в телефонной сети. В перс­пективе системы О. с. со световодными линиями по своим информативным возможностям и стоимости на ед. ин­формации могут стать осн. видом магистральной и внутригородской свя­зи.

• Чернышев В. Н., Шереметь­ев А. Г., К о б з е в В. В., Лазеры в систе­мах связи, М., 1966; П р а т т В. К., Лазер­ные системы связи, пер. с англ., М., 1972; Ос­новы волоконно-оптической связи, под ред. М. К. Барноски, пер. с англ., М., 1980; Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 1, М., 1978.

А.  В.  Невский,   М.  Ф.   Стельмах, Е.  М.   Дианов.

ОПТИЧЕСКАЯ СИЛА (Ф), характери­зует преломляющую способность осесимметричных линз и систем таких линз. О. с.— величина, обратная фокусному расстоянию сис­темы: Ф=n'/f'=-n/f, где n' и n — показатель преломления сред, распо­ложенных соотв. за и перед системой; f' и f — заднее и переднее фокусные расстояния системы, отсчитываемые от её главных плоскостей (см. Кардинальные точки оптической системы). Для системы, находящейся в воздухе (n=n'»1), Ф=1/f'. О. с. измеряется в диоптриях (м^-1), она положительна для собирающих систем и отрицательна для рассеивающих. Особенно широко понятием «О. с.» пользуются в очковой оптике (см. так­же Линза, Очки).

ОПТИЧЕСКАЯ ТЕОРЕМА, в кванто­вой теории связывает мнимую часть (Im) амплитуды f(q, ξ) упругого рас­сеяния вперёд (т. е. на угол q=0) с полным сечением σ(ξ) рассеяния ч-цы на силовом центре или на др. ч-це:

Imf(0, ξ)=(p/4 )σ(ξ)

(р, ξ — импульс и энергия налетаю­щей ч-цы в системе центра инерции). Впервые О. т. была сформулирована в физ. оптике и выражала мнимую

часть показателя преломления (опи­сывающую поглощение света) через полное сечение рассеяния света на рас­сеивающих центрах — осцилляторах. В квант. теории О. т. вытекает из уни­тарности условия. С помощью О. т. в методе дисперсионных соотношений входящие в них вещественная (Re) и мнимая части амплитуды рассеяния вперёд выражаются через две непо­средственно измеряемые на опыте хар-ки — дифференциальное (dσ/dW) и полное сечение рассеяния:

В. П. Павлов.

ОПТИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА среды t, безразмерная величина, характери­зующая ослабление оптического излу­чения в среде за счет поглощения и рассеяния света. Для оптически одно­родной среды t=el, где e — объёмный ослабления показатель среды, l — геом. длина пути светового луча в ней.

В  неоднородной среде t=∫edl. О. т. слоя среды связана с его прозрач­ностью Т соотношением t=-lnT, a с его регулярной оптической плот­ностью D=- lgТ соотношением D=0,434t. Понятием О. т. пользуются при изучении мутных сред, в теории переноса излучения.

ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕ­СТВА, среды, обладающие естест­венной оптической активностью. О. а. в. подразделяются на два типа. Отно­сящиеся к 1-му из них оптически ак­тивны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — оптически активны только в крист. фазе (кварц, киноварь). У в-в 1-го типа оптич. активность обусловлена асимметричным строени­ем их молекул, 2-го типа — асиммет­ричным строением кристалла, асим­метрией поля сил, связывающих ч-цы в крист. решётке, при одинаковости самих ч-ц. Кристаллы О. а. в. всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально симметрична ре­шётке левого и никакими поворотами и перемещениями не может быть про­странственно совмещена с нею. Оптич. активность правой и левой форм О. а. в. 2-го типа имеет разные знаки (и одинакова по абс. величине при одинаковых внеш. условиях), поэтому их наз. оптическими антиподами (иногда нестрого так на­зывают и кристаллы О. а. в. 1-го ти­па).

Молекулы правого и левого О. а. в. 1-го типа явл. оптическими изомерами: они сами (а не обра­зованные из них кристаллы) представ­ляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как молекулы

497

 

 

оптич. антиподов (О. а. в. 2-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физ. и хим. св-ва чистых оптич. изомеров совершенно одинаковы в отсутствии к.-л. асимметричного агента, реаги­рующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт хим. реакции без участия такого агента — всегда смесь оптич. изомеров в равных кол-вах, т. н. р а ц е м а т. Физ. св-ва рацемата и чистых оптич. изомеров зачастую раз­личны. Напр., темп-pa плавления ра­цемата неск. ниже, чем чистого изоме­ра. Рацемат разделяют на чистые изо­меры либо отбором только левых или только правых кристаллов, либо в хим. реакциях с участием асимметрич­ных агентов — чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически. Последнее свиде­тельствует о наличии асимметричных агентов в биол. процессах и связано со специфическим и не нашедшим пока удовлетворит. объяснения св-вом жи­вой природы строить белки из левых оптич. изомеров аминокислот — 19 из 20 жизненно важных аминокислот оп­тически активны. (Применительно к О. а. в. 1-го типа термины «левый» и «правый» условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно на­правлению вращения плоскости поля­ризации в них, в отличие от этих же терминов для О. а. в. 2-го типа.) Физиол. и биохим. действие оптич. изо­меров часто совершенно различно. Напр., белки, синтезированные ис­кусств. путём из правых аминокислот, не усваиваются организмом; бактерии подвергают брожению лишь один из изомеров, не затрагивая другой; ле­вый никотин в неск. раз ядовитее пра­вого никотина. Удивительный фено­мен преимуществ. роли только одной из форм оптич. изомеров в биол. процессах может иметь фундам. зна­чение для выяснения путей зарожде­ния и эволюции жизни на Земле.

С.   Г.   Пржибельский.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, совокуп­ность оптич. деталей — линз, призм, пластинок, зеркал и т. п., скомбини­рованных между собой определ. об­разом для получения оптич. изобра­жения или для преобразования свето­вого потока, идущего от источника света. О. с. явл. обязательной частью оптич. и оптико-электронных приборов.

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧА­СТОТЫ, квантовые стандарты часто­ты, в к-рых частотным репером служит сверхузкая спектр. линия излучения лазера. В О. с. ч. используются газо­вые лазеры в сочетании с устройством для сравнения с частотой эталона или стандарта частоты радиодиапазона. О. с. ч. способны фиксировать определ. значение частоты w с погрешностью Dw/w~10^-15, в 10² раз меньше по­грешности, достижимой в эталонах частоты СВЧ диапазона (см. Кванто­вые стандарты частоты).

Первые О. с. ч. были лазерами, ста­билизированными по «провалу Лэмба», образующемуся в спектр. линии активного газа (предсказан У. Ю. Лэмбом в 1932, обнаружен А. Джаваном и У. Р. Беннетом в 1933, США). Долго­временная погрешность частоты таких О. с. ч. не спускалась ниже 10^-8 из-за относительно большой плотности и темп-ры генерирующего газа. Возмож­ность наблюдения сверхузких линий в спектрах поглощения позволила за период с 1967 по 1973 снизить погреш­ность до 10^-14. Для получения сверх­узких линий применяются ячейки, на­полненные газом, находящимся при низких давлении и темп-ре. Такая ячейка помещается внутрь оптического резонатора лазера. Под влиянием сто­ячей волны лазера в центре его спектр. линии (форма и ширина к-рой опреде­ляются доплеровским уширением, см. Доплера эффект) возникает пик, ши­рина к-рого зависит только от одно­родной ширины спектральной линии газа, находящегося в поглощающей ячейке (относит. ширина пика ~10^-14).

Ещё более узкие (~10^-15) спектр. линии можно получить методом «пле­нения» ч-ц, ограничивая их движение областями с размерами, меньшими, чем длина световой волны К. Для этого разреженный газ помещают в поле интенсивной трёхмерной стоячей све­товой волны.

Для сравнения частоты с частотой, фиксируемой О. с. ч., необходимы сложные устройства, содержащие «ум­ножители» и «синтезаторы» частоты, перекрывающие область частот от СВЧ до частоты О. с. ч. Такие устройства позволяют измерять частоту вплоть до коротковолновой границы ИК диапа­зона. В будущем О. с. ч., по-видимо­му, станут основой эталонов частоты и откроют путь к созданию единого эталона частоты (времени) и длины.

• Летохов В.  С.,  Проблемы лазерной

спектроскопии, «УФН»,   1976, т.   118,  в.   2, с. 199.

М. Е. Жаботинский.

ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП, см. в ст. Квантовый гироскоп.

ОПТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР, устройство, обеспечивающее пропускание и (или) перекрытие светового потока в тече­ние определённого, заранее заданного времени (выдержки). По назначению О. з. подразделяют на: предохрани­тельные, закрывающие оптич. тракт и препятствующие засветке светочувствит. элементов оптич. системы (прибо­ра); высокоскоростные О. з., обеспе­чивающие прохождение светового по­тока через оптич. систему в течение очень малого, заранее заданного вре­мени; высокоскоростные О. з. периодич. действия, предназначенные для открывания и закрывания оптич. трак­та с большой частотой. По принципу действия О. з. разделяют на механиче­ские (электромеханические), взрывно­го типа, О. з., использующие полное внутреннее отражение, электрооптиче­ские на основе Керра эффекта и Поккельса эффекта, магнитооптические на

основе Фарадея эффекта. Мин. время, в течение к-рого О. з. механич. типа обеспечивает прохождение светового потока или полностью перекрывает его, ограничено инерцией подвижных частей затвора и составляет не менее 10^-4 с. О. з. взрывного типа позволяет открывать (закрывать) оптич. тракт за время 10^-5—10^-6 с. Наибольшее быст­родействие (10^-9—10^-10 с)может быть получено при использовании в кач-ве О. з. Керра ячеек или кристаллов, обладающих эффектом Поккельса. О. з.— составная часть мн. оптич. при­боров, фотоаппаратов, скоростных ки­нокамер. О. з. периодич. действия используются в модуляторах света (см. Модуляция света).

В технике генерирования сверхко­ротких лазерных импульсов для из­менения добротности резонатора при­меняют пассивные О. з., использую­щие элементы (стёкла, р-ры), коэфф. пропускания к-рых резко меняется под действием светового излучения.

• См.   лит.   при  ст.   Модуляция света.

Л.  Н.  Капорский.

ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕ­РАТОР, то же, что лазер.

ОПТИЧЕСКИЙ КОНТАКТ, контакт двух тщательно отполированных по­верхностей тв. тел, сближенных на расстояние, меньшее длины волны све­та (порядка десятков А). О. к. приво­дит к высокопрочному сцеплению тел, обусловленному силами вз-ствия меж­ду молекулами, адсорбированными из воздуха на контактирующих поверх­ностях (в случае О. к. в воздухе). В прочности О. к. существ. роль игра­ет вода, проникающая под действием капиллярных сил в микрошероховато­сти контактного слоя. С возрастанием её кол-ва прочность О. к. на разрыв увеличивается, а сдвиговая — надает. Показатель преломления О. к. зави­сит от показателей преломления при­ведённых в контакт тел и кол-ва воды в слое. Коэфф. отражения О. к. стёкол с равными показателями преломления ~10^-4—10^-7. При слабом неравно­мерном нагревании О. к. легко нару­шается.

Важной разновидностью О. к. явл. глубокий О. к., получающийся при спекании специально обработанных поверхностей. Прочность такого О. к., применяемого для неразъёмного со­единения деталей, сравнима с макроскопич. прочностью контактирующих тел. О. к. применяется для устране­ния отражения и рассеяния света от поверхности раздела сред, а также для получения высокопрочных соеди­нений в оптич. технологии.

• Золотарев В. М. [и др.]. Исследо­вание механизма контактного взаимодейст­вия плоских поверхностей диэлектриков, «ФТТ», 1978, т. 20, № 1, с. 177.

В.   М.  Золотарёв.

ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР,      см. Пирометры.

ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВА­ТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, устройство для преобразования частоты лазерного из­лучения, принцип действия к-рого ос-

498

 

 

нован иа нелинейности поляризации среды в сильном световом поле (см. Нелинейная оптика). Увеличение час­тоты осуществляется с помощью оптич. умножителей частоты и генерато­ров суммарных частот. Процесс удвоения частоты наблюдается в средах с квадратичной нелинейностью. По мере распространения световой волны в та­кой среде вдоль направления фазового синхронизма (см. Па­раметрический генератор света) про­исходит перекачка энергии от волны осн. частоты w в энергию волн 2-й гар­моники 2w. Интенсивности осн. волны и 2-й гармоники зависят от отношения l/l_нл, где l — расстояние, к-рое про­шёл свет в среде, а l_нл — характерная длина, на к-рой происходит перекачка 50% энергии осн. волны во 2-ю гар­монику (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость относительных интенсивностей излучения на осн. частоте w и на частоте 2-й гармоники 2w от отношения I/I_нл

Напр., при преобра­зовании частоты излучения неодимового твердотельного лазера с плотно­стью мощности излучения ~10⁶ Вт/см² в кристалле ниобата лития l_нл=3 см. Наиболее эффективно удвоение частоты осуществляется в О. п. ч. с нелинейным кристаллом, помещённым между зеркалами резонатора лазера

Рис. 2. Схема впутрирезонаторной генера­ции 2-й гармоники (R — коэфф. отражения зеркал, зависящий от частоты).

 

(рис. 2). Кристалл располагают в об­ласти с мин. шириной сфокусирован­ного пучка осн. излучения, т. к. эф­фективность преобразования пропорц. плотности мощности осн. излучения.

Рис. 3. Схема установки для каскадной ге­нерации 5-й гармоники: КДР — нелинейные кристаллы дигидрофосфата калия; Ф₁—Ф₃— узкополосные фильтры.

 

Для умножения частоты использу­ются и генераторы высших гармоник. Однако в большинстве случаев ока­зывается более эффективным исполь­зование неск. каскадов удвоения час­тоты, т. е. последовательное много­кратное удвоение частоты в кристаллах с квадратичной нелинейностью (рис. 3).

В генераторах суммарных частот волны с разл. частотами w₁ и w₂ пре­образуются в квадратично нелинейной среде в волну с частотой w₁+w₂. Генераторы суммарных частот исполь­зуются как источники перестраивае­мого излучения (гл. обр. в УФ диапа­зоне) и для преобразования ИК излу­чения в видимое (преобразование сиг­налов и изображений).

Уменьшение частоты осуществляет­ся с помощью параметрических гене­раторов света, генераторов разност­ных частот и комбинацион­ных лазеров. Параметрич. ге­нераторы — один из наиб. перспектив­ных источников мощного перестраи­ваемого по частоте когерентного из­лучения в диапазоне длин волн l>1 мкм. Если в параметрич. генерато­ре сигнальная волна возникает из шумов, то в генераторе разностных частот волны с частотами w₁ и w₂ пре­образуются на кристалле с квадратич­ной нелинейностью в излучение с час­тотой w₁-w₂. Генераторы разностных частот применяются в ИК диапазоне, они работают как в непрерывном ре­жиме, так и в импульсном с наносекундной и пикосекундной длитель­ностью импульсов.

Другой метод получения перестраи­ваемого излучения в ИК области со­стоит в использовании вынужденного комбинационного рассеяния света. Ши­рина комбинационных резонансов в тв. телах во много раз меньше ширины разрешённых переходов. Поэтому не­смотря на то, что в основе комбинаци­онных лазеров лежат вз-ствия, осно­ванные на кубич. нелинейности, их эффективность достаточно велика.

О.п.ч. позволяют получить когерент­ное эл.-магн. излучение практически во всей области от вакуумного УФ диа­пазона до субмиллиметрового. Так, с помощью умножителей частоты полу­чено излучение с l=53,3 и 38,8 нм, в то время как наименьшая длина вол­ны, полученная путём прямой гене­рации, равна 116 нм. Генераторы раз­ностных частот дают возможность по­лучить когерентное излучение прак­тически во всём ИК диапазоне от l=1 мкм до субмиллиметровых волн.

• Цернике Ф., Мидвинтер Дж., Прикладная нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1978; Справочник по лазерам, пер. с англ., т. 2, М., 1978.

А. В. Андреев.

ОПТИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ, то же, что световой пробой.

ОПТИЧЕСКИЙ РАЗРЯД, то же, что световой пробой.

ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР, устрой­ство, в к-ром могут возбуждаться стоя­чие или бегущие эл.-магн. волны оптич. диапазона. О. р. представляет со­бой совокупность неск. зеркал и явл. открытым резонатором, в отличие от большинства объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ. Для l<0,1 см использование закрытых объёмных резонаторов, имеющих раз­меры порядка l, затруднительно из-за

малости их размеров и больших потерь энергии в станках. Использование же объёмных резонаторов с размерами l>l, также невозможно из-за возбуж­дения в них большого числа собств. колебаний, близких по частоте, в ре­зультате чего резонансные линии пере­крываются, и резонансные св-ва прак­тически исчезают. Однако оказалось, что при удалении части стенок объём­ного резонатора б. ч. его собств. коле­баний сильно затухает и лишь малая часть их (при надлежащей форме ос­тавшихся стенок) затухает слабо. В ре­зультате спектр образовавшегося от­крытого О. р. сильно разрежен.

Простейшим О. р. явл. интерферо­метр Фабри — Перо, состоящий из двух плоских параллельных зеркал. Если допустить, что между этими зер­калами, расположенными на расстоя­нии L друг от друга, нормально к ним распространяется плоская волна, то в результате отражения её от зеркал в пр-ве между ними образуются стоячие волны. Условие резонанса имеет вид: L=ql/2, где q — целое число, наз. продольным индексом колебания (продольные моды). Собств. частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью с/2L (эквидистантный спектр). В дей­ствительности из-за влияния краёв О. р. поле колебаний зависит от попе­речных координат и характеризуется разл. поперечными индексами m и n, определяющими число осцилляции электрич. и магн. полей в поперечных направлениях и распределение токов на поверхности зеркал (рис. 1). Чем больше индексы m и n, тем число ос­цилляции больше и тем выше затуха­ние колебания, обусловленное излучением в пр-во, т. е. в сущности диф­ракцией света на краях зеркал.

Рис. 1. Распределение токов, текущих по поверхности прямоуг. зеркала, для колеба­ний с индексами m=2 и n=1.

 

Резо­нансная кривая плоского О. р. име­ет вид, изображённый на рис. 2. По­скольку коэфф. затухания растёт с увеличением m и n быстрее, чем частотный интервал между соседними ко­лебаниями,

Рис, 2. Резонансная кривая оптич.  резона­тора (схематически).

 

то резонансные кривые, отвечающие большим m и n, перекры­ваются и соответствующие колебания

499

 

 

не проявляются. Коэфф. затухания, вызванного излучением, зависит как от индексов m и n, так и от числа N зон Френеля, видимых на зеркале диа­метром R из центра др. зеркала, нахо­дящегося от первого на расстоянии L: N=R²/2Ll. При N~1 остаётся 1 — 2 колебания, сопутствующие осн. ко­лебанию.

О. р. с плоскими зеркалами чувст­вительны к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их примене­ние. Этого недостатка лишены О. р. со сферич. зеркалами, в к-рых лучи, не­однократно отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят за пределы огибающей поверхности — каустики. По­скольку волн. поле быстро убывает вне каустики при удалении от неё, излучение из сферич. О. р. с каустикой гораздо меньше, чем излучение из пло­ского О. р. Разрежение спектра в этом случае реализуется благодаря тому, что размеры каустики, ограничиваю­щей поле, возрастают с ростом т и п. Для колебаний с большими m и n ка­устика оказывается расположенной вблизи края зеркал или вовсе не фор­мируется, и эти колебания дают большой вклад в излучение. Такие сфе­рич. О. р. наз. устойчивыми, т. к. параксиальный луч при отраже­нии не уходит из приосевой области (рис. 3, а). Устойчивые О. р. применя­ются в газовых лазерах и др.

Иногда используются неустой­чивые О. р., в к-рых внеш. каусти­ка образоваться не может; луч, прохо­дящий вблизи оси резонатора под ма­лым углом к ней, после отражений неограниченно удаляется от оси. На рис. 3, б дана диаграмма устойчивости О. р. при разл. соотношениях между радиусами R₁ и R₂ зеркал и расстоя­нием L между ними. Незаштрихованные области соответствуют наличию каустик, заштрихованные — большо­му затуханию. Точки (на рисунке кружочки), соответствующие резона­торам с плоскими П и концентриче­ским К зеркалами, лежат на границе заштрихованных и незаштрихованных областей; С — софокусное, С' — плос­кое и вогнутое зеркала (половина софокусного резонатора). На границе между устойчивыми и неустойчивыми О. р. расположены софокусные О. р., в к-рых фокусы обоих зеркал (отстоящие на расстоянии R₁/2 и R₂/2 от соответствующего зеркала) совпа­дают, в т. ч. телескопический О. р., состоящий из малого выпуклого и большого вогнутого зеркал. Потери на излучение в неустойчивых О. р. для колебаний высших типов в них значи­тельно больше, чем для осн. колеба­ния. Это позволяет добиться одномодовой генерации лазера и связанной с ней высокой направленностью излу­чения.

Существуют различные дополнит. методы разрежения спектра (с е л е к ц и и  м о д), связанные с измерением профиля краёв зеркал, с применением линз, системы связанных О. р. и др.

Рис. 3. a — образование каустики у резона­тора со сферич. зеркалами; б — диаграмма устойчивости О. р.

 

Селекция продольных мод (имеющих одинаковое поперечное распределение поля) требует применения дисперсион­ных элементов (призм, дифракц. решёток, эталона Фабри — Перо).

Рис. 4. Кольцевые оптич. резонаторы: а, б, в — изотропные; г — анизотропный (1 — газоразрядные трубки, 2 — ячейка Фарадея, 3 — полуволновая пластина).

 

Но они вносят в О. р. большие потери и ис­пользуются только в тех случаях, ког­да усиление активной среды лазера велико (напр., в лазерах на красите­лях). Селекция продольных мод возмо­жна также при введении в О. р. ани­зотропных элементов (кристаллы с двойным лучепреломлением, оптически активные в-ва и др.). Для селекции поперечных мод применяется диафрагмирование пучка внутри О. р. При использовании кольцевых О. р. (рис. 4) осн. проблемой явл. уменьше­ние вз-ствия между встречными вол­нами. Для этого волны «разводят» по частоте с помощью невзаимных анизо­тропных элементов, а их поляризации стараются сделать ортогональными.

• Вайнштейн Л. А., Открытые резо­наторы и открытые волноводы, М., 1966; Ананьев Ю. А., Угловое расхождение излучения твердотельных лазеров, «УФН», 1971, т. 103, в. 4; его же. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазер­ного излучения, М., 1979.

С. А. Элькинд, В. П. Быков.

ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, сеет в широком смысле слова; электромаг­нитные волны, длины к-рых заклю­чены в диапазоне от единиц нм до десятых долей мм (диапазон частот ~3•10¹¹—3•10¹⁷ Гц). К О. и., помимо воспринимаемого человеческим гла­зом видимого излучения, относятся ин­фракрасное излучение и ультрафио­летовое излучение. Физ. св-ва О. и. и методы его исследования характери­зуются значит. степенью общности. В частности, именно в оптич. диапазо­не начинают отчётливо проявляться одновременно и волновые, и корпус­кулярные св-ва эл.-магн. излучения. Волновые св-ва О. и. обусловливают дифракцию светя, интерференцию све­та, поляризацию света и мн. др. яв­ления. В то же время ряд оптич. яв­лений невозможно понять, не привле­кая представления об О. и. как о пото­ке быстрых ч-ц — фотонов. Эта двой­ственность природы О. и. сближает его с др. объектами микромира и нахо­дит общее объяснение в квантовой механике (см. также Корпускулярно-волновой дуализм).

Скорость распространения О. и. в ва­кууме (скорость света) с»3•10¹⁰ см/с. В любой другой среде скорость О. и. меньше. Значение показателя преломления среды, определяемое от­ношением этих скоростей (в вакууме и среде), в общем случае неодинаково для разных длин волн О. п., что при­водит к дисперсии О. и. (см. Дисперсия света).

Различные виды О. и. классифици­руют по след. признакам: по особенно­стям испускания атомами и молекула­ми (тепловое излучение, люминесцен­ция), степени однородности спектр. состава (монохроматическое, немоно­хроматическое), упорядоченности ори­ентации электрич. и магн. векторов (естественное, поляризованное линей­но, по кругу, эллиптически), рассея­ния потока излучения (направленное, диффузное, смешанное) и т. д.

Падающий на поверхность к.-л. тела поток О. и. частично отражается (см. Отражение света), частично проходит через тело и частично поглощается в нём (см. Поглощение света). Погло­щённая часть энергии О. и. преобра­зуется гл. обр. в теплоту, повышая темп-ру тела. Однако возможны и др. виды преобразования энергии О. и.— фотоэффект (фотоэлектронная эмис­сия), фотолюминесценция, фотохим. превращения.

О роли О. и. и оптич. методов ис­следования в науке и технике см. в ст. Оптика.

Ю. С. Черняев.

ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ, см. Изображение оптическое.

ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО, однородное стекло, предназначенное для изготов­ления прозрачных элементов оптич. систем. Осн. требование к О. с.— не­изменность фронта световой волны при её распространении в толще О. с.— удовлетворяется благодаря высокой хим. и физ. однородности О. с. Неод­нородности и пороки О. с.— свили, плавные изменения показателя пре­ломления, пузыри, включения — уст­раняются в процессе производства на

500

 

 

стадии синтеза О. с. или отбором год­ных участков стекла. Хим. неодно­родности устраняются в осн. за счёт механич. размешивания и взаимодиф­фузии компонентов расплава О. с. Механич. напряжения и двулучепрелоление устраняются отжигом заго­товок О. с.

В зависимости от назначения разли­чают бесцветное, цветное и люминесцирующее О. с. Вьгсокопрозрачное бесцветное О. с., нормируемое по показателю преломления, как пра­вило, предназначено для использова­ния в оптич. системах, формирующих изображение. В 80-гг. 20 в. в мировых каталогах приняты три осн. хар-ки О. с.: показатель преломления n_е для зелёной линии ртути (l_е=546,07 нм), ср. дисперсия n_F-n_c, где n_F и n_c — показатели преломления соотв. синей и красной линий кадмия l_f=479,99 нм, l_c=643,85 нм), и коэфф.

Диаграмма Аббе: ЛК — лёгкий крон; ФК — фосфатный крон; К — крон; БК — баритовый крон; ТК — тяжё­лый крон; СТК — сверхтяжёлый крон; ОК — особый крон; КФ — кронфлинт; Ф — флинт и т. п.: ЛФ, ТБФ, ТФ, СТФ, ОФ.

 

дисперсии v_e=(n_e-1)/(n_F-n_c) (коэфф. Аббе). В зависимости от величин этих хар-к О. с. делят на типы. На диаграмме n_e-v_e (т. н. диаграмме Аббе, рис.) представлены эти типы. Каждому О. с. определённых хим. состава и оптич. постоянных присвоена марка, обозначающая тип стекла и номер в пределах этого типа, напр. К8, БК6, СТК19. Советский каталог бесцветного О. с. содержит 120 марок тех типов. Разнообразие типов О. с. позволяет рассчитывать светосильные оптич. системы без аберраций (см. Аберрации оптических систем). Пары О. с. типа К и Ф достаточно для создания объектива-ахромата (см. Ахромат). Соответствующим подбором О. с. даётся полностью устранить хроматич. аберрации и создать объективы-апохроматы (см. Хроматическая аберрация, Апохромат). Цветное О. с., специально

окрашенное, нормируемое по спектру поглощения, используется в оптич. системах для поглощения света в требуемом спектр. диапазоне. Отечеств. каталог цветного О. с. содержит обозначение типа О. с., условно характеризующее  область  его   прозрачности,

и номер, напр. УФС1 (ультрафиолетовое стекло 1). Люминесцирующее О. с. (генерирующее) :явл. твёрдым люминофором и предназначено для использования в кач-ве активной среды твердотельных лазеров. Такие О. с. нормируются по виду

концентрации активатора, времени затухания люминесценции, коэфф. поглощения на определённой длине волны излучения и по степени однородно­сти. Отечеств. промышленность вы­пускает силикатные и фосфатные люминесцирующие стёкла, активирован­ные преим. неодимом, с разл. концен­трациями активатора, разл. величи­нами сечения индуцированного излу­чения, фото- и радиационной стойко­сти и лучевой прочности.

• ГОСТ 3514—76. Стекло оптическое бес­цветное; ГОСТ 9411—75. Стекло оптическое цветное.

М. Н. Толстой, Е. И. Галант.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА, область элект­роники, охватывающая проблему од­новременного использования оптич. и электрич. методов обработки, пере­дачи и хранения информации. О. отли­чается от вакуумной электроники (фо­тоэлементы, фотоэлектронные умно­жители, электронно-лучевые приборы) и ПП электроники (см. Полупровод­никовые приборы) наличием оптиче­ской связи.

Осн. элементы О.: источники света (лазеры, светоизлучающие диоды), оп­тич. среды (активные и пассивные) и фотоприёмники. Различают когерент­ную О. и оптронику. Сущность оптропики состоит в замене элект­рич. связей оптическими. Преобразо­вание сигналов в оптронике осуществ­ляется параметрич. методом. Её ос­новной структурный элемент — о п т р о н — прибор, состоящий из ис­точника и приёмника света, связанных оптически. Оптроны осуществляют усиление и преобра­зование электрич. и оптич. сигналов, пе­реключение, модуля­цию и др.

С  к о г е р е н т н о й  О. связаны новые принципы и методы построения больших систем вычислит. техники, оптич. связи, запоминания и об­работки информации, не имеющих ана­логов в традиционной радиоэлектро­нике.

Величины уд. электро­сопротивлений r и энер­гий активации U_A элект­ропроводности разл. органич. полупроводников и металлов.

Сюда относятся машины с т. н. картинной логикой, сверхбыстродей­ствующие вычислит. системы со ско­ростью обработки информации 10⁹— 10¹¹ операций в 1 с, устройства памяти большой ёмкости (10¹⁰—10¹² бит), ла­зерное телевидение, функциональная когерентная О. (см. Интегральная оптика) и др.

• Свечников С. В., Элементы оптоэлектроники, М., 1971; Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроника. [Сборник], под ред. Э. И. Адировича, Таш., 1972; Георгобиани А. Н., Широкозонные полупроводники А^II и В^IV и перспективы их применения, «УФН», 1974, т. 113, в. 1.

С. В. Свечников.

ОРБИТАЛЬНЫЙ МОМЕНТ, момент импульса микрочастицы, обусловлен­ный её движением в силовом поле, обладающем сферической симметрией. Название «О. м.» связано с нагляд­ным представлением о движении ат. эл-на в сферически симметричном по­ле ядра по определённой замкнутой орбите.

Согласно квант. механике, О. м. m_l квантован, т. е. его величина, а также проекция на произвольно выбранную в пр-ве ось (ось z) могут принимать лишь определённые дискр. значения: M²_l=ћ²l(l+1), M_lz = m_tћ, где l=0, 1, 2,...— орбитальное (азимутальное), а m=-1, l-1, . . . , -l — магнитное квантовые числа. Классификация со­стояний микрочастиц по значениям l играет большую роль в теории атома и ат. ядра, в теории столкновений.

М.   А.   Ельяшевич.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИ­КИ, твёрдые органич. в-ва, к-рые имеют (либо приобретают под влияни­ем внеш. воздействий) электронную или дырочную проводимость и поло­жит. температурный коэфф. электро­проводности (см. Полупроводники). О. п. характеризуются наличием в мо­лекулах системы сопряжённых связей. Подвижные носители заряда в О. п. образуются в результате возбуждения p-электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. Энергия, необходимая для образования носите­лей заряда в О. п., снижается по мере увеличения числа сопряжений в мо­лекуле, и в полимерах может быть

порядка энергии теплового движе­ния.

К О. п. относятся органич. красите­ли, ароматич. соединения, полимеры с сопряжёнными связями, нек-рые природные пигменты (хлорофилл, b-каротин и др.), мол. комплексы с пере­носом заряда, а также ион-радикаль­ные соли. О. п. существуют в виде монокристаллов, поликрист. или аморфных порошков и плёнок. Уд. сопротивление при комнатной темп-ре колеблется от 10¹⁸ Ом•см (нафталин, антрацен) до 10^-2 Ом•см (ион-ради­кальные соли, рис.). У О. п. с низкой электропроводностью наблюдается фо­топроводимость.

О. п. обладают особенностями, к-рые определяются мол. хар-ром их струк-

501

 

туры и слабым межмол. вз-ствием: 1) поглощение света вызывает воз­буждение молекул, к-рое может ми­грировать по кристаллу в виде экситонов (экситоны Френкеля); 2) образова­ние носителей заряда под действием света связано с распадом экситонов (на поверхности кристалла, на струк­турных дефектах и примесных атомах, при вз-ствии экситонов друг с другом), а также с ионизацией высоковозбуж­дённых молекул; 3) зоны проводимо­сти узки (~0,1 эВ), подвижность но­сителей заряда, как правило, мала (~1 см²/В•с); 4) наряду с зонным механизмом электропроводности осу­ществляется прыжковая проводимость. В кристаллах ион-радикальных солей межмол. вз-ствие резко анизотропно, что приводит к высокой анизотропии оптич. и электрич. св-в и позволяет рассматривать такие О. п., как квази­одномерные проводники.

О. п. находят применение в кач-ве светочувствит. материалов в микро­электронике. Исследование О. п. важ­но для понимания процессов преобра­зования и переноса энергии в сложных физ.-хим. системах и в особенности в биол. тканях. С О. п., в частности с ион-радикальными солями, связана перспектива создания сверхпроводни­ков с высокой критической темпера­турой.

• Органические полупроводники, 2 изд., М., 1968; Богуславский Л. И., Ванников А. В., Органические полу­проводники и биополимеры, М., 1968; Гут­ман Ф., Л а й о н с Л., Органические по­лупроводники, пер. с англ., М., 1970.

А.  Д.  Розенштейн,  Е. Л.  Франкевич.

ОРЕОЛ (франц. aureole, от лат. corona aureola — золотой венец), световой фон вокруг изображения источника оптического излучения, наблюдаемый глазом или регистрируемый приёмни­ком света. Причина появления О.— рассеяние света на малые углы в сре­де, через к-рую свет проходит. Величи­на О., его окраска и яркость зависят от размеров ч-ц среды, их физ. приро­ды и оптической толщины среды. Рас­сеяние на малые углы, приводящее к образованию О., особенно сильно в средах, размеры ч-ц к-рых больше дли­ны волны l излучения (э ф ф е к т  М и). Если размеры ч-ц значительно превышают l, интенсивность такого рассеяния не зависит от l и поэтому рассеянный свет уже не характери­зуется насыщенным цветом. Этим объясняется, напр., «белый цвет» О., окружающего солн. диск (смешение лу­чей с разными l даёт белый свет). О. существенно влияет на разрешающую способность фотогр. материалов и лю­минесцентных экранов. Хар-р О. учи­тывается при измерении прозрачности рассеивающих сред; в частности, изме­нение яркости и спектр. распределе­ния света в солн. О. служит критери­ем чистоты и прозрачности атмосферы.

• См. лит. при ст. Мутные среды, Рас­сеяние света.

Л. Н. Капорский.

ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА, сово­купность ат. ядер, спины к-рых на­правлены не хаотически, а преимуще­ственно под определ. углом к выбран­ному направлению. Т. к. со спином ядра связаны дипольный магнитный и квадрупольный электрич. моменты, деформация формы ядра и др. хар-ки (см. Ядро атомное), то О. я. обладают анизотропными св-вами. Эксперимен­тально наблюдая эту анизотропию, можно определить хар-ки ядер и яд. реакций, зависящие от спина.

Для ядер со спином I возможны 2I+1 проекций m спина на выбранное направление (m=-I,-I+1, . . ., +I). Спиновое состояние системы оди­наковых ядер характеризуется рас­пределением вероятностей W_m обна­ружить ядро в состоянии с проекцией спина т. Для полного описания спи­нового состояния системы достаточно знания 2I вероятностей, т. к. S_mW_m=1. Для хаотич. ориентации спинов все значения W_т равновероятны: W_m=1/(2I+1). Для О. я. Ece W_m различ­ны, но в большинстве экспериментов с О. я. важны только два т. н. параметра ориентации f₁ и f₂, связанные с W_m соотношениями:

Параметр f₁, наз. поляризацией, характеризует преимущественную ориентацию спинов по выбранному направлению (f₁>0) или против него (f₁<0), а параметр f₂, наз. в ы с т р о е н н о с т ь ю, характеризует преиму­щественную ориентацию вдоль (f₂>0) или поперёк (f₂<0) выбранной оси (безотносительно к её направлению). Выстроенностью могут обладать толь­ко ядра со спином I³1.

Наиболее распространённые методы получения О. я. основаны на исполь­зовании «упорядочивающего» действия сильных магн. полей на магнитные дипольные моменты ядер. Т. к. магн. моменты ядер малы, тепловое движе­ние легко разрушает эту упорядочен­ность. Поэтому используются очень низкие темп-ры (T<0,1 К). В т. н. динамич. методах О. я. получаются при T>0,1 К при облучении специально подобранных материалов поляризо­ванным эл.-магн. излучением (о п т и ч е с к а я  о р и е н т а ц и я  я д е р).

• Хуцишвили Г. Р., Ориентированные ядра, «УФН», 1954, т. 53, в. 3; Ме­тоды определения основных характеристик атомных ядер и элементарных частиц, пер. с англ., М., 1965; Джеффрис К., Динамическая ориентация ядер, пер. с англ., М., 1965.

В. П. Алфименков, В. И. Лущиков.

ОСВЕЧИВАНИЕ, одна из световых величин, применяемая в фотометрии импульсной, равная интегралу от силы света импульсного источника по вре­мени в пределах рассматриваемого ин­тервала времени. Единица О.— кандела-секунда (к•с). В системе энергетич. величин аналогичная величина наз. энергетическим освечиванием и из­меряется В Дж-ср^-1.

Д. Н. Лазарев.

ОСВЕЩЁННОСТЬ в точке поверхно­сти, отношение светового потока, па­дающего на элемент поверхности, к площади этого элемента. О. Е связана с силой света I точечного источника, удалённого от заданной точки на рас­стояние l, соотношением: E=Icosq/l², где q — угол падения света. .Единицы О.— люкс и фот (1 фот = 10⁴ лк). В системе энергетических фотометрии. величин аналогичная величина наз. энергетической освещённостью или об­лучённостью.

Д. Н. Лазарев.

ОСИ ДЕФОРМАЦИИ главные, см. Деформация механическая.

ОСИ ИНЕРЦИИ главные, три взаимно перпендикулярные оси, проведённые через к.-л. точку тела и обладающие тем св-вом, что если их принять за ко­ординатные оси, то центробежные мо­менты инерции тела относительно этих осей будут равны нулю. Если тв. тело, закреплённое в одной точке, приведено во вращение вокруг оси, к-рая в данной точке явл. главной О. и., то тело при отсутствии внеш. сил будет продолжать вращаться вокруг этой оси, как вокруг неподвижной. Понятие о главных О. и. играет важ­ную роль в динамике тв. тела.

ОСИ НАПРЯЖЕНИЙ главные, см. Напряжение механическое.

ОСЛАБИТЕЛЬ СВЕТА, оптич. устрой­ство, предназначенное для ослабления светового потока или, в общем случае, потока излучения. О. с. изготовляют в виде сеток, диафрагм, рассеивающих пластин, вращающихся дисков с вы­резами, твёрдых, жидких или газооб­разных поглощающих (абсорбцион­ных) светофильтров, интерференцион­ных светофильтров, клиньев фотомет­рических. О. с., не изменяющие отно­сительного спектр. распределения про­ходящего через них света, наз. н е й т р а л ь н ы м и (неселективными), изменяющие — наз. с е л е к т и в н ы м и. Последние служат для исправле­ния спектр, состава или цветности из­лучения, в частности для выделения широких или узких участков спектра или их исключения. О. с. применяют­ся при световых измерениях и в спек­трометрии (напр., для уравнивания интенсивности световых пучков или изменения спектр. чувствительности приёмников), а также в полиграфии, кинофототехнике и т. п.

• Мешков В. В., Основы светотехники, ч. 2, М.—Л., 1961.

Д. Н. Лазарев.

ОСЛАБЛЕНИЯ  ПОКАЗАТЕЛЬ,    экстинкции показатель среды, величина, обратная расстоянию, на к-ром поток излучения, образующего параллель­ный пучок, ослабляется за счёт по­глощения и рассеяния света в среде в 10 раз (десятичный О. п.) или в е раз (натуральный О. п.). О. п.— сумма показателей поглощения и рассеяния среды. О. п. зависит от набора частот n (длин волн l), излучения, а при боль­шой интенсивности потока — и от её величины (см. Нелинейная оптика). Как и показатели поглощения и рас­сеяния, О. п. может быть отнесён к

502

 

объёму среды либо к массе ослабляю­щего в-ва; соотв. говорят об объёмном и массовом О. п. См. также Оптическая толщина,

ОСМОС (от греч. osmos — толчок, дав­ление), диффузия в-ва (обычно раство­рителя) через полупроницаемую мем­брану, разделяющую р-р и чистый растворитель (или два р-ра разной кон­центрации). Перенос молекул раство­рителя обусловлен осмотическим дав­лением. Выравнивание концентраций р-ра по обе стороны мембраны, про­пускающей малые молекулы раство­рителя, но не пропускающей более крупные молекулы растворённого в-ва, возможно лишь при односторонней диффузии растворителя. Поэтому О. всегда идёт от чистого растворителя к раствору (или от разбавл. р-ра к кон­центрированному). Если мембрана проницаема не только для растворите­ля, но и для нек-рых растворённых в-в, может происходить диффузия пос­ледних в р-р (на этом основана, напр., очистка полимеров от низкомол. примесей).

Впервые О. наблюдал в 1748 франц. химик Ж. А. Нолле. О. имеет важное значение в биол. процессах, приме­няется в лаб. технике для исследова­ний хар-к молекул полимеров и т. д.

• См. лит. при ст. Осмотическое давление.

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ (диф­фузное давление), термодинамич. пара­метр, характеризующий стремление р-ра к понижению концентрации при соприкосновении с чистым раствори­телем вследствие встречной диффузии молекул растворителя и растворённого в-ва. Если р-р отделён от растворителя полупроницаемой мембраной, то воз­можна лишь односторонняя диффу­зия — всасывание растворителя через мембрану в р-р (см. Осмос). В этом случае О. д. можно измерить: оно рав­но избыточному давлению, к-рое необ­ходимо приложить со стороны р-ра, чтобы прекратить осмос.

О. д. обусловлено понижением хи­мического потенциала растворителя в присутствии растворённого в-ва. Тен­денция системы к выравниванию хим. потенциалов всех её частей и к пере­ходу в состояние с более низким уров­нем свободной энергии и вызывает осмотич. перенос в-ва. О. д. в идеальных и предельно разбавл. р-рах не зависит от природы растворителя и раство­рённых в-в; при пост. темп-ре оно опре­деляется только числом «кинетич. эле­ментов» (ионов, молекул, ассоциатов или коллоидных ч-ц) в ед. объёма р-ра.

Первые измерения О. д. произвёл нем. ботаник В. Пфеффер (1877), исследуя водные р-ры сахара. Его данные позволили голл. химику Я. X. Вант-Гоффу установить в 1887 зависимость О. д. от концентрации растворённого в-ва, совпадающую по форме с Бойля — Мариотта законом для идеальных газов. Оказалось, что О. д. (p) численно равно давлению, к-рое оказало бы растворённое в-во, если бы оно при данной темп-ре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму р-ра. Для разбавл. р-ров недиссоции­рующих в-в найденная закономер­ность с достаточной точностью описы­вается ур-нием: pV=nRT, где n — число молей растворённого в-ва в объ­ёме V р-ра и R — универсальная газо­вая постоянная. В случае диссоциации молекул в-ва в правую часть ур-ния вводится множитель i>1 — коэффициент Вант-Гоффа; при ассоциации в-ва i<1. О. д. реаль­ного р-ра (p') всегда выше, чем иде­ального (я"), причём отношение p'/p"= g, наз. осмотическим ко­эффициентом, увеличивается с ростом концентрации. Р-ры с одина­ковым О. д. наз. изотоническими или изоосмотическими. Так, разл. кровеза­менители и физиол. р-ры изотоничны относительно внутр. жидкостей орга­низма. Если один р-р в сравнении с другим имеет более высокое О. д., его наз. гипертоническим, а имеющий более низкое О. д.— ги­потоническим.

О. д. измеряют с помощью осмомет­ров. Различают статич. и динамич. методы измерений. Первый основан

Принципиальная схема ос­мометра: А —камера для р-ра: Б — камера для ра­створителя: М — мембра­на. Уровни жидкости в трубках при осмотич. рав­новесии: а и в — в услови­ях равенства внеш. давле­ний в камерах А и Б, когда p_a=p_б, при этом столб жидкости Н уравновешива­ет осмотич. давление; б — в условиях неравенства внеш. давлений, когда p_А-p_Б=p.

 

на измерении избыточного гидростатич. давления по высоте столба жид­кости Н в трубке осмометра (рис.) после установления осмотич. равнове­сия и при равенстве внеш. давлений p_а и p_б в камерах A и Б. Второй метод сводится к измерению скоростей v вса­сывания и выдавливания растворителя из осмотич. ячейки при разл. значени­ях избыточного давления Dp=p_A-р_Б с последующей интерполяцией полу­ченных данных к v=0 при Dp=p. Мн. осмометры позволяют использовать оба метода. В кач-ве мембраны обычно применяют плёнки из целлофана, при­родных и синтетич. полимеров, порис­тые керамич. и стеклянные перего­родки. Осн. приложения осмометрии— определение мол. массы М полимеров по соотношению: p/с=RТ(1/M+Ac), где с — концентрация полимера в р-ре, А — коэфф., зависящий от строения макромолекулы.

О. д. может достигать значит. вели­чины. Напр., 4%-ный р-р сахара при комнатной темп-ре имеет О. д. ок. 0,3 МПа, а 53%-ный — ок. 10 МПа; О. д. морской воды — ок. 0,27 МПа.

•Мелвин-Хьюз Э. А., Физическая химия, пер. с англ., кн. 1—2, М., 1962; Курс физической химии, под ред. Я. И. Ге­расимова, 2 изд., т. 1 — 2, М.—Л., 1969—73.

ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ квантовой системы, состояние атома, молекулы и др. квант. систем с наименьшей воз­можной внутр. энергией. Является устойчивым. Электроны в атоме, на­ходящемся в О. с., наиб. прочно свя­заны с ат. ядром. Из О. с. квант. сис­тема, поглотив квант энергии, может перейти в возбуждённое путём кван­тового перехода. Уровень энергии, соот­ветствующий О. с., также наз. основ­ным.

ОСНОВНОЙ ТОН, тон, к-рый создаёт акустич. система, когда колеблется с наинизшей возможной для неё часто­той. Высота О. т. определяется часто­той основного собственного колебания системы, а следовательно, самой при­родой этой системы. Термин «О. т.» применяют также для обозначения составляющей с наинизшей частотой при разложении сложного периодич. колебания в ряд по синусоидальным компонентам.

ОСНОВНЫЕ И НЕОСНОВНЫЕ НО­СИТЕЛИ заряда в полупроводниках, электроны проводимости в полупровод­никах n-типа и дырки в полупровод­никах р-типа. В невырожденном собст­венном ПП равновесные концентрации эл-нов n и дырок р равны: n=р=n_iºÖ(N_cN_v)exp(-ξ_g/2kT), где N_c и N_v — эфф. плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне, ξ_g — ширина запрещённой зоны. Ве­личина n_i зависит только от темп-ры Т и давления. В примесных ПП n и p связаны соотношением: np=n²_i. Т. о., при увеличении равновесной концент­рации основных носителей (напр., при легировании ПП соответствующей при­месью) концентрация неосновных но­сителей убывает и наоборот. В нерав­новесных условиях (напр., при осве­щении ПП) может увеличиваться кон­центрация как основных, так и неос­новных носителей. Основные носители определяют тип проводимости ПП (электронный или дырочный). В равно­весных условиях концентрация неос­новных носителей обычно мала (<<n_i). Внеш. воздействиями (освещением, об­лучением быстрыми ч-цами, инжекцией носителей заряда и т. п.) её можно увеличить во много раз. На этом ос­нована работа большинства полупро­водниковых приборов. Концентрацию основных носителей определяют, из­меряя электропроводность и коэфф. Холла (см. Холла эффект), а также магнитооптич. методами. Концентра­цию неосновных носителей определя­ют, измеряя ток через электронно-дырочный переход и др. • См. лит. при ст. Полупроводники.

Э.   М.   Эпштейн.

ОСНОВНЫЕ ЦВЕТА, три цвета, оптич. сложением (смешением) к-рых в определ. кол-вах можно получить цвет, на глаз совершенно неотличимый от любого данного цвета. Ограничиваю­щим условием для О. ц. явл. их линей-

503

 

 

ная независимость, т. е. ни один из них не может быть представлен в виде суммы к.-л. кол-в двух других. Набор О. ц. образует трёхмерную колориметрич. систему. Число возможных систем О. ц. бесконечно. См. ст. Коло­риметрия.

ОСЦИЛЛОГРАФ ЭЛЕКТРОМЕХАНИ­ЧЕСКИЙ, прибор для регистрации изменяющихся электрич. токов, на­пряжений или мощности, в к-ром в кач-ве чувствит. элемента использу­ется спец. гальванометр. О. э. приме­няют также для регистрации неэлектрич. величин, предварительно пре­образованных измерит. преобразова­телем (датчиком) в электрич. сигнал.

Наиболее распространён с в е т о л у ч е в о й О. э., осн. частями к-рого явл.: осциллографич. зеркальный гальванометр, оптич. система, ленто­протяжный механизм, устройство для визуального наблюдения регистрируе­мых сигналов, отметчик времени. Луч света от источника поступает через оп­тич. систему на зеркальце, прикреп­лённое к подвижной части гальвано­метра. Одна часть отражённого зер­кальцем луча поступает на систему развёртки (вращающийся зеркальный барабан) и затем фокусируется для визуального наблюдения на матовом экране. Другая часть отражённого луча через фокусирующее устройство поступает на равномерно движущийся светочувствит. материал. При проте­кании тока через гальванометр его подвижная часть поворачивается, что приводит к поперечному (к направле­нию движения светочувствит. матери­ала) отклонению отражённого луча, пропорциональному регистрируемой величине. В результате регистрирует­ся изменение физ. величины во вре­мени. Как правило, О. э.— многока­нальный прибор, позволяющий одно­временно регистрировать несколько (до 60) перем. физ. величин.

Для регистрации токов и напряже­ний используют гальванометры магнитоэлектрич. системы — петлевые или рамочные. Петлевые гальванометры (в зазоре пост. магнита один виток, обтекаемый током) имеют относитель­но низкую чувствительность (постоян­ная по току 0,2•10^-4—60•10^-4 А•м/мм) и широкий диапазон рабочих частот (до 15 кГц). Рамочные гальванометры (в зазоре пост. магнита рамка из неск. витков, обтекаемых током) обладают высокой чувствительностью (постоян­ная по току 0,2•10^-7—80•10^-4А•м/мм), но относительно узким диапазоном ра­бочих частот (до 5 кГц). Для регистра­ции электрич. мощности применяют ферродинамич. гальванометры. По­грешность измерений у О. э. не регла­ментируется, и они требуют индиви­дуальной градуировки перед каждым применением или после смены галь­ванометров. Требования к О. э. стан­дартизованы в ГОСТе 9829—81.

НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

• Основы электроизмерительной техники, М., 1972; Справочник по электроизмеритель­ным приборам, 2 изд., Л., 1977.

В. П.  Кузнецов.

ОСЦИЛЛОГРАФ ЭЛЕКТРОННО-ЛУ­ЧЕВОЙ, прибор для наблюдения функциональной связи между двумя или более величинами (электрически­ми или преобразованными в электри­ческие), характеризующими к.-л. физ. процесс. Сигналы параметра и функ­ции подают на взаимно перпендику­лярные отклоняющие пластины элек­тронно-лучевой трубки и наблюдают, измеряют и фотографируют графич. изображение зависимости на экране трубки (осциллограмму). При иссле­довании временной зависимости ис­следуемый сигнал А поступает на вход усилителя вертикального отклонения (рис.).

Горизонтальное перемещение луча создаётся генератором развёртки.

Для одновременного исследования двух или более сигналов используются многолучевые О. э., а также многока­нальные электронные коммутаторы, встраиваемые в тракт вертикального отклонения. Электронный коммутатор обеспечивает получение изображения неск. сигналов на однолучевой трубке при последоват. подключении источ­ников этих сигналов к тракту верти­кального отклонения.

О. э. делятся на универсальные, за­поминающие, стробоскопические, ско-

ростные и специальные (см. табл.), Универсальные О. э. постро­ены по схеме рисунка. Запомина­ющие О. э. имеют электронно-луче­вую трубку с накоплением заряда. Они сохраняют изображение сигнала длительное время и удобны для иссле­дования однократных и редко повто­ряющихся процессов. Скорость записи достигает неск. тысяч км/с. Время воспроизведения записанного изобра­жения 1 — 30 мин. Запоминающие О. э., как правило, обладают св-вом сохра­нять изображение при выключении осциллографа и последующем его включении.

В стробоскопических О.э. используется принцип последоват. стробирования мгновенных значений сигнала для преобразования (сжатия) его спектра; при каждом повторении сигнала отбирается мгновенное значе­ние сигнала в одной точке. К приходу след. сигнала точка отбора переме­щается по сигналу и т. д. Стробоско­пические О. э. наиболее широкопо­лосны и позволяют исследовать пе­риодические сигналы длительностью 10^-11 с.

Скоростные О.э. имеют труб­ки с вертикально отклоняющей систе­мой типа «бегущей волны». Они ха­рактеризуются широкополосностью и большой скоростью записи, не имеют усилителя в тракте вертикального от­клонения и, в отличие от стробоско­пических, позволяют исследовать не только периодические, но и однократ­ные быстропротекающие процессы. С п е ц и а л ь н ы е О. э. служат для исследования телевизионных или вы­соковольтных сигналов и т. п.

ОСЦИЛЛЯТОР (от лат. oscillo -качаюсь), физическая система, совер­шающая колебания. Термином «О.» пользуются для любой системы, если описывающие её величины периодически меняются со временем.

К л а с с и ч е с к и й  О.— механич. система, совершающая колебания около положения устойчивого равно­весия (напр., маятник, груз на пружи­не). В положении равновесия потенц. энергия U системы имеет минимум. Если отклонения х от этого положения малы, то в разложении U(х) по степе­ням х можно принять U(x) = kx²/2 (k — постоянный коэфф.); при этом квазиупругая сила F=-dU/dx=-kx.

504

 

 

Такие О. наз. г а р м о н и ч е с к и м и, их движение описывается линейным ур-нием mx=-kx, решение к-рого имеет вид: х=Аsin(wt+j), где m — масса О., w=Ök/m — частота, А — амплитуда колебаний, j — нач. фаза, t — время. Полная энергия гармонич. О, ξ=mw²А²/2 — это сумма периоди­чески меняющихся в противофазе кинетич. (Т) и потенц. энергий, ξ=T+U не зависит от времени. Когда отклонение х нельзя считать малым, в разложении U(x) необходим учёт членов более высокого порядка — ур-ние движения становится нелиней­ным, а О. наз. а н г а р м о н и ч е с к и м.

Понятие О. применяется также к немеханич. колебат. системам. В частности, колебательный контур явл. алектрич. О. Колебания напряжённостей электрич. и магн. полей в плос­кой эл.-магн. волне также можно описывать с помощью понятия О.

Квантовый О. В квант. меха­нике задача о линейном (с одной сте­пенью свободы) гармонич. О. решается с помощью Шрёдингера уравнения (с U=kx²/2). Решение существует лишь для дискр. набора значений энергии ξ_n=ћÖ(k/m(n+¹/₂)), n=0, 1, 2, ... Важной особенностью энергетич. спек­тра О. явл. то, что уровни энергии ξ_n расположены на равных расстояниях. Т. к. отбора правила разрешают в данном случае переходы только между соседними уровнями, то, хотя квант. О. имеет набор собств. частот w_n=ξ_n/ћ, излучение его происходит на одной частоте w, совпадающей с клас­сической: w=Ö(k/m). В отличие от классич. О. наименьшее возможное значение энергии (при n=0) квант. О. равно не нулю, а ћw/2 (нулевая энергия).

Понятие О. играет важную роль в теории тв. тела, эл.-магн. излучения, колебат. спектров молекул.

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика. Электродинамика, М., 1969 (Крат­кий курс теоретической физики, кн. 1); их же, Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоре­тическая физика, т. 2); их же, Квантовая механика, 3 изд., М., 1974 (Теоретическая физика, т. 3).

В. П. Павлов.

ОСЬ ВРАЩЕНИЯ мгновенная, у твёр­дого тела, имеющего неподвижную точ­ку (напр., у гироскопа), проходящая через эту точку ось, поворотом вокруг к-рой тело перемещается из данного положения в положение к нему беско­нечно близкое. Мгновенная О. в. не­прерывно изменяет своё направление в пр-ве. См. Вращательное движение.

ОСЬ ЛЁГКОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ, направление в ферро- или ферримагн. образце, вдоль к-рого работа намагни­чивания образца до насыщения, про­изводимая внеш. магн. полем, мини­мальна. Если внеш. поле на образец не действует, то намагниченность в каждом домене образца направлена вдоль О. л. н. (см. Ферромагнетизм). В ферромагн. монокристаллах О. л. н. совпадают с гл. кристаллографич. осями (напр., в Fe с тетрагональными типа [100], в Ni с тригональными [111], в Со с гексагональной [0001], см. Кристал­лы). При наложении на ферромагн. монокристалл внеш. напряжений (сжатие, растяжение) направления О. л. н. могут измениться, а в поликрист. образце образоваться новые оси. Наличие О. л. н.— следствие магнитной анизотропии ферромагне­тиков.

• Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, е. 776 — 78.

ОСЬ НЕЙТРАЛЬНАЯ в сопротивле­нии материалов, линия в поперечном сечении изгибаемой балки (см. Изгиб бруса), в точках к-рой норм. напряже­ния равны нулю. О. н. делит сечение

на две части, в одной из к-рых норм. напряжения явл. растягивающими, а в другой — сжимающи­ми. Если ab (рис.) — ли­ния, через к-рую прохо­дит плоскость действия поперечных сил, явл. одной из гл. центр. осей инерции изображённого на рисунке поперечного сечения, то О. н. mn будет второй гл. центр. осью. Если помимо поперечных сил на брус действует растягивающая (сжимающая) сила, О. н. смещается. Геом. место всех О. н. образует нейтр. слой балки.

ОТБОРА ПРАВИЛА, правила, опре­деляющие возможные квантовые пере­ходы для атомов, молекул, ат. ядер, взаимодействующих элем. ч-ц и др. О. п. устанавливают, какие переходы разрешены (вероятность перехода ве­лика) и какие запрещены строго (ве­роятность перехода равна нулю) или приближённо (вероятность перехода мала); соотв. О. п. разделяют на стро­гие и приближённые. При хар-ке со­стояний системы с помощью квантовых чисел О. п. определяют возможные из­менения этих чисел при переходе рас­сматриваемого типа.

О. п. связаны с симметрией квант. систем, т. е. с неизменностью (инва­риантностью) их св-в при определ. преобразованиях, в частности коорди­нат и времени, и с соответствующими сохранения законами. Переходы с на­рушением строгих законов сохранения энергии, импульса (для реальных пе­реходов), момента импульса, электрич. заряда и т. д. замкнутой системы аб­солютно исключаются.

Для излучат. квант. переходов между стационарными состояниями атомов и молекул очень важны стро­гие О. п. для квант. чисел J и m_J, определяющих возможные значения полного момента импульса М и его проекции М_z [M²=ћ²J/(J+1), M_z=ћm_J]. Эти правила связаны с равно­правием в пр-ве всех направлений (для любой точки — сферич. симмет­рия) и всех направлений, перпендику­лярных выделенной оси z (аксиальная симметрия), и соответствуют сохране­нию момента импульса и его проекции на ось z. Из законов сохранения полного момента импульса и его проекции для системы, состоящей из микрочас­тиц и из испускаемых, поглощаемых и рассеиваемых фотонов, следует, что при квант. переходе J и m_J могут изменяться в случае электрич. и магн. дипольных излучений (см. Излучение) лишь на 0, ±1, а в случае электрич. квадрупольного излучения (а также в случае комбинационного рассеяния света) на 0, ±1, ±2.

Другое важное О. п. связано с за­коном сохранения полной чётности для изолированной квант. системы (этот закон нарушается лишь слабым взаимодействием). Квант. состояния атомов, всегда имеющих центр сим­метрии, а также тех молекул и кри­сталлов, к-рые имеют такой центр, делятся на чётные и нечётные по отношению к пространств. инверсии (отражению в центре симметрии, т. е. к преобразованию координат х®-х, у®-y, z®-z); в этих случаях спра­ведлив т. н. альтернативный запрет для излучательных квант. переходов: для электрического дипольного излу­чения запрещены переходы между со­стояниями одинаковой чётности (т, е. между чётными или между нечётными состояниями), а для дипольного маг­нитного и квадрупольного электриче­ского излучений (и для комбинац. рассеяния) — переходы между состоя­ниями разл. чётности (т. е. между чёт­ными и нечётными состояниями). В силу этого запрета можно наблюдать, в частности в ат. спектрах астр. объек­тов, линии, соответствующие магн. дипольным и электрич. квадрупольным переходам, обладающим очень малой вероятностью по сравнению с дипольными электрич. переходами (т. н. запрещённые линии).

Наряду с точными О. п. по J и m_J существенны приближённые О. п. при дипольном излучении атомов для квант. чисел, определяющих величины орбитальных и спиновых моментов эл-нов и проекций этих моментов. Напр., для атома с одним внеш. эл-ном орбитальное (азимутальное) квант. число l, определяющее величину ор­бит, момента эл-на M_l [M²_l=ћ²l(l+1)], может изменяться на ±1 (Dl=0 не­возможно, т. к. состояния с одинако­выми l имеют одинаковую чётность: они чётные при чётном l и нечётные при нечётном I). Для сложных ато­мов квант, число L, определяющее пол­ный орбит. момент всех эл-нов, подчи­нено приближённому О. п. DL = 0, ±1, а квант. число S, определяющее полный спиновый момент всех эл-нов (и мультиплетность c=2S+1),— приближённому О. п. DS=0, справед­ливому, если не учитывать спин-орбитальное взаимодействие. Учёт этого вз-ствия нарушает последнее О. п., и появляются т. н. интеркомбинац. переходы, вероятности к-рых

505

 

 

тем больше, чем больше ат. номер эле­мента.

Для молекул имеются специфич. О. п. для электронных, колебат. и вращат. молекулярных спектров, опре­деляемые симметрией равновесных конфигураций молекул, а для кристал­лов — О. п. для их электронных и колебат. спектров, определяемые сим­метрией крист. решётки (см. Спект­роскопия кристаллов).

В физике элем. ч-ц, кроме общих законов сохранения энергии, импуль­са, момента импульса, имеются допол­нит. законы сохранения, связанные с симметриями фундам. вз-ствий ч-ц — сильного, эл.-магн. и слабого. Про­цессы превращений элем. ч-ц подчи­няются строгим законам сохранения электрич. заряда Q, барионного заряда В и лептонного заряда L, к-рым соответствуют строгие О. п.: DQ=DB=DL=0 (это означает, что при достигнутой точности измерений нару­шения этих О. п. не обнаружены). Существуют также приближённые О. п. Из изотопической инвариантно­сти сильного вз-ствия следует О. п. по полному изотопич. спину I, DI=0; это О. п. нарушается эл.-магн. и сла­бым вз-ствиями. Для сильного и эл.-магн. вз-ствий справедливо О. п. по странности S(DS=0), «очарованию» С(DC=0), «красоте» b(Db=0). Сла­бое взаимодействие протекает с нару­шением этих О. п. Имеются и др. О. п. (см. Элементарные частицы).

М.   А.   Ельяшевич.

ОТВЕРДЕВАНИЕ, фазовый переход в-ва из жидкого состояния в кристал­лическое (твёрдое); то же, что кристал­лизация.

ОТВЕРДЕВАНИЯ ПРИНЦИП, поло­жение статики, согласно к-рому со­стояние равновесия изменяемой механич. системы не нарушается при отвер­девании системы. К изменяемым от­носятся любые системы материальных точек, системы тв. тел, соединённых шарнирами, стержнями или нитями, и системы ч-ц деформируемой среды — деформируемого тв. тела, жидкости или газа. О. п. устанавливает, что если изменяемая система находится в равновесии, то ото состояние равно­весия не может быть нарушено присое­динением дополнит. связей между точ­ками и телами системы. На основании О. п. в число необходимых (но недо­статочных) условий равновесия изме­няемой или деформируемой системы, находящейся под действием данных сил, входят все условия равновесия абсолютно тв. тела, находящегося под действием тех же сил. Следовательно, при составлении необходимых усло­вий равновесия любую изменяемую си­стему можно рассматривать как абсо­лютно тв. тело. Этим пользуются в инженерной практике при изучении равновесия изменяемых систем.

С.   М.   Тарг.

ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ, термоди­намические системы, к-рые обмени­ваются с окружающей средой в-вом, а также энергией и импульсом. К наи­более важному типу О. с. относятся хим. системы, в к-рых непрерывно протекают хим. реакции (извне посту­пают реагирующие в-ва, а продукты реакций отводятся). Биол. системы, живые организмы можно также рас­сматривать как открытые хим. систе­мы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на ос­нове законов термодинамики нерав­новесных процессов, физ. и хим. кине­тики.

Св-ва О. с. описываются наиб. про­сто вблизи состояния термодинамич. равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамич. равновесия мало, то неравновесное состояние можно оха­рактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: темп-рой, хим. по­тенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от коор­динат и времени). Степень неупорядо­ченности таких О. с., как и системы в равновесном состоянии, характери­зуется энтропией. Энтропия О. с. в неравновесном (локально-неравновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии (см. Локальное термодинамическое равновесие).

Отклонения термодинамич. пара­метров от их равновесных значений (т е р м о д и н а м и ч е с к и е  с и л ы) вызывают в системе потоки энер­гии и в-ва (см. Переноса явления). Процессы переноса приводят к росту энтропии системы (производству энт­ропии).

Согласно второму началу термо­динамики, в замкнутой изолирован­ной системе энтропия, возрастая, стре­мится к своему равновесному макс. значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой си­стемы в О. с. возможны стационарные состояния с пост. энтропией при пост. производстве энтропии, к-рая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние характери­зуется постоянством скоростей хим. реакций и переноса реагирующих в-в и энергии. При таком «проточном рав­новесии» производство энтропии в О. с. минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состоя­ние играет в термодинамике О. с. та­кую же роль, какую играет термо­динамич. равновесие для изолирован­ных систем в термодинамике равновес­ных процессов. Энтропия О. с. в этом состоянии хотя и удерживается по­стоянной (производство энтропии ком­пенсируется её отводом), но это ста­ционарное значение энтропии не соответствует её максимуму (в отли­чие от замкнутой изолированной си­стемы).

Наиболее интересные св-ва О. с. выявляются при нелинейных процессах, когда в О. с. возможно осуществ­ление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае ста­ционарных) состояний, далёких от состояния термодинамич. равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упо­рядоченностью (структурой), к-рую наз. д и с с и п а т и в н о й, т. к. её существование требует непрерывного обмена в-вом и энергией с окружаю­щей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность образования структур исследуются на основе ур-ний хим. кинетики: баланса скоро­стей хим. реакций в системе со скоро­стями подачи реагирующих в-в и от­вода продуктов реакций. Накопление в О. с. активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколеба­тельному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необхо­димо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь; уско­рение реакции под воздействием либо её продукта (хим. автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому как в колебат. контуре с положит. обратной связью возни­кают устойчивые саморегулирую­щиеся незатухающие колебания (авто­колебания), в хим. О. с. с положи­тельной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся хим. реакции. Автокаталитич. реакции могут привести к неустойчивости хим. процессов в однородной среде и к появлению у О. с. стационарных состояний с упорядоченным в пр-ве неоднородным распределением кон­центраций. В О. с. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного хар-ра. Теория О. с. пред­ставляет особый интерес для понима­ния физико-хим. процессов, лежащих в основе жизни, т. к. живой организм— это устойчивая саморегулирующая О. с., обладающая высокой организа­цией как на молекулярном, так и на макроскопич. уровне. Подход к живым системам, как к О. с., в к-рых проте­кают нелинейные хим. реакции, созда­ёт новые возможности для исследова­ния процессов мол. самоорганизации на ранних этапах появления жизни.

Теория О. с.— одно из направле­ний общей теории систем, к к-рым от­носятся, напр., рассматриваемые в кибернетике системы переработки ин­формации, транспортные узлы, си­стемы энергоснабжения и др. Подоб­ные системы хотя и не явл. термоди­намическими, но описываются систе­мой ур-ний баланса, в общем случае нелинейных и сходных с аналогич­ными ур-ниями для физико-хим. и биол. О. с. Для всех подобных систем существуют общие проблемы регули­рования и оптим. функционирования.

• Зубарев Д. Н., Неравновесная ста­тистическая термодинамика, М., 1971; Франк-Каменецкий Д. А., Диф­фузия и теплопередача в химической кине­тике, 2 изд., М., 1967; Гленсдорф П.,

506

 

 

Пригожий И., Термодинамическая тео­рия структуры, устойчивости и флуктуации, пер. с англ., М., 1973; Шредингер Э., Что такое жизнь? С точки зрения физика, пер. с англ., 2 изд., М., 1972; П а с ы н с к и й А. Г., Биофизическая химия, М., 1963; Волькенштейн М. В., Биоло­гия и физика, «УФН», 1973, т. 109, в. 3; П р и г о ж и н И., Н и к о л и с Ж., Био­логический порядок, структура и неустой­чивости, пер. с англ., там же; Э й г е н М., Самоорганизация материи и эволюция био­логических макромолекул, пер. с англ., М., 1973; Хакен Г., Синергетика, пер. с англ., М., 1980.

Д. Н. Зубарев.

ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР, колеба­тельная система, образованная сово­купностью зеркал, в к-рой могут под­держиваться слабо затухающие эл.-магн. колебания с длиной волны l во много раз меньшей, чем размеры зер­кал и расстояния между ними. Первые О. р. в виде двух плоских параллель­ных зеркал предложил в 1958 А. М. Прохоров, а затем амер. учё­ные Р. Дикке, А. Л. Шавлов и Ч. Таунс. По сравнению с замкнутыми объ­ёмными резонаторами тех же разме­ров О. р. имеет более редкий спектр собств. частот. В нём легко удаётся реализовать дополнит. разрежение спектра введением спец. селектирую­щих элементов или подбором формы зеркал. О. р. применяется в кач-ве высокодобротной .резонансной систе­мы в приборах оптического, миллимет­рового и субмиллиметрового диапазо­нов длин волн. См. Оптический резо­натор, Квазиоптика.

 ОТНОСИТЕЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕ­СКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ионизи­рующего излучения, отношение погло­щённой дозы D₀ «образцового» излуче­ния, вызывающего определённый биол. эффект, к поглощённой дозе D данного вида излучения, вызывающего тот же эффект: h=D₀/D. За образцовое обыч­но принимается рентгеновское излу­чение с энергией фотона ξ=200 кэВ (для него h=1). Т. к. зависимость т) от ξ слабая, то с точностью 10—20% можно считать h=1 для любого эл.-магн. излучения с ξ³10—20 кэВ. О. б. э. сложным образом зависит от вида излучения, его энергии, биол. эффекта, а также от условий облуче­ния и наблюдения, напр. от времен­ного режима облучения и времени наб­людения, темп-ры и парциального дав­ления кислорода. Поэтому О. б. э. определена только для конкретных радиобиологических экспериментов. Прибл. диапазон возможных значе­ний О. б. э.— 0,1—20.

• См. лит.   при ст. Дозиметрия.

Г. В.  Радзиевский.

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ, движение точки (или тела) по отноше­нию к подвижной системе отсчёта, к-рая перемещается определ. образом относительно нек-рой другой, основ­ной системы отсчёта, условно наз. не­подвижной. Скорость точки в О. д. наз. относительной скоростью v_от, а ускорение — относит. ускорением w_от. Движение всех точек подвижной системы относительно неподвижной наз. в этом случае переносным дви­жением, а скорость и ускорение той

точки подвижной системы, с к-рой в данный момент времени совпадает движущаяся точка,— переносной ско­ростью v_пер и переносным ускорением w_пер. Наконец, движение точки (тела) по отношению к неподвижной системе отсчёта наз. сложным или абсолют­ным, а скорость и ускорение этого движения — абс. скоростью v_a и абс. ускорением w_а. Напр., если с парохо­дом связать подвижную систему от­счёта, а с берегом — неподвижную, то для шарика, катящегося по палубе парохода, движение по отношению к палубе будет О. д., а по отношению к берегу — абсолютным. Соответственно скорость и ускорение шарика в первом движении будут v_от и w_от, а во вто­ром — v_a и w_а. Движение же всего парохода по отношению к берегу будет для шарика переносным движением, а скорость и ускорение той точки палу­бы, к-рой в данный момент времени касается шарик, будут v_пер и w_пер (шарик рассматривается как точка). Зависимость между соответствующими скоростями и ускорениями даётся в классич. механике равенствами:

v_a =v_от+v_пер;

w_а =w_от + w_пер +w_кор, (1) где w_кор — Кориолиса ускорение. Ф-лами (1) широко пользуются в кинематике при изучении движения точек и тел.

В динамике О. д. наз. движение по отношению к неинерциальной системе отсчёта, для к-рой законы механики Ньютона несправедливы. Чтобы ур-ния О. д. материальной точки сохранили тот же вид, что и в инерциальной си­стеме отсчёта, надо к силе F вз-ствия точки с др. телами присоединить т. н. переносную силу инерции J_пер=-mw_eпер и Кориолиса силу инерции J_кор=-mw_кop, где,  m — масса точки. Тогда

mw_от=F+J_пер+J_кор. (2)

При О. д. системы материальных то­чек аналогичные ур-ния составляются для всех точек системы. Этими ур-ниями или следствиями из них пользуют­ся для изучения О. д. под действием сил разл. механич. устройств (в ча­стности, гироскопов), устанавливае­мых на подвижных основаниях (на кораблях, самолётах, ракетах), а также для изучения движения тел по отношению к Земле в случаях, когда требуется учесть её суточное вращение.

• См. лит. при ст. Кинематика и Ди­намика.

С. М. Тарг.

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОТВЕРСТИЕ, от­ношение диаметра действующего от­верстия объектива к его фокусному расстоянию. Квадрат О. о. определяет освещённость в плоскости изображе­ния и наз. геом. светосилой объектива.

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ПРИНЦИП, фундаментальный физ. закон, соглас­но к-рому любой процесс протекает одинаково в изолированной матери­альной системе, находящейся в со­стоянии покоя, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Со­стояние движения или покоя опреде­ляется здесь по отношению к произ­вольно выбранной инерциальной си­стеме отсчёта (и. с. о.); физически эти состояния равноправны. Экви­валентная формулировка О. п.: зако­ны физики имеют одинаковую форму во всех и. с. о. Постулат о независи­мости скорости света в вакууме от движения источника и О. п. легли в основу специальной (частной) теории относительности Эйнштейна (см. Отно­сительности теория).

И. Ю. Кобзарев

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ, фи­зическая теория, рассматривающая пространственно-временные законо­мерности, справедливые для любых физ. процессов. Универсальность пространственно-временных св-в, рас­сматриваемых О. т., позволяет гово­рить о них просто как о .св-вах про­странства-времени. Наиболее общая теория пространства-времени наз. общей теорией относи­тельности (ОТО) или теорией тяготения, т. к. согласно этой теории св-ва пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. В излагаемой ниже частной теории отно­сительности, основы к-рой бы­ли даны А. Эйнштейном в 1905, изу­чаются св-ва пространства-времени, справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготе­ния. Т. о., логически частная О. т. есть частный случай ОТО; исторически построение ОТО было завершено Эйн­штейном позже (в 1915), после чего и появился термин «частная О. т.». В рус. литературе последняя наз. так­же специальной О.т. (что соответствует букв. переводу нем. сло­ва speziell —.специальный, частный) или просто О. т.

Основные черты О. т. Явления, опи­сываемые О. т., наз. релятивист­скими (от лат. relativus — относи­тельный) и проявляются при скоро­стях движения тел, близких к скорости света в вакууме с=2,99792458(1,2)X 10¹⁰ см/с. При таких скоростях (их принято называть релятивист­скими) зависимость энергии ξ тела от его скорости v описывается уже не ф-лой классич. механики ξ_кин = mv²/2, а релятив. ф-лой

ξ=mc²/Ö(1-v²/с² ). (1) Масса т, входящая в эту ф-лу, наз. также массой покоя тела. Из (1) видно, что энергия тела стремится к бесконечности при v ®с, поэтому, если m¹0, скорость тела всегда меньше с, хотя при ξ>>mс² она может стать сколь угодно близкой к ней. Это наблюдается, напр., в опытах на ускорителях заряж. ч-ц, в к-рых ч-цам сообщаются энергии, много большие mc², и они поэтому движутся со ско-

507

 

 

ростью, практически равной с. Со скоростью света всегда движутся ч-цы, масса покоя к-рых равна нулю (фо­тоны, возможно, нейтрино). Скорость с явл. предельной скоро­стью передачи любых вэ-ствий и сигналов из одной точки пр-ва в дру­гую.

Существование предельной скорости означает необходимость глубокого изменения обычных пространственно-временных представлений, основанных на повседневном опыте. Рассмотрим след. мысленный опыт. В вагоне, движущемся со скоростью v относи­тельно полотна железной дороги, посылается световой сигнал в направ­лении движения. Скорость сигнала для наблюдателя в вагоне равна с. Если бы длины и промежутки време­ни, измеряемые любым наблюдателем, были одинаковы, то выполнялся бы закон сложения скоростей классич. механики, и для наблюдателя, стоящего у железнодорожного полотна, ско­рость сигнала была бы равна c+v, т. е. больше предельной. Противоре­чие устраняется тем, что для наблю­дателя, относительно к-рого физ. си­стема движется со скоростью v, все процессы в этой системе замедляются в 1/Ö(1-v²/c²) раз (это явление наз. замедлением времени), а продольные (вдоль движения) разме­ры тел во столько же раз сокращаются, и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются неодновре­менными для другого, движущегося относительно первого (т. н. о т н о с и т е л ь н о с т ь  о д н о в р е м е н н о с т и). Учёт этих эффектов при­водит к закону сложения скоростей, при к-ром предельная скорость оди­накова для всех наблюдателей (см. ниже).

Характерное для О. т. явление за­медления времени наблюдается при распадах нестабильных элем. ч-ц косм. лучей или получаемых с помощью ус­корителей высоких энергий. Такие ч-цы движутся со скоростями, близ­кими к с, и, с точки зрения земного наблюдателя, их времена жизни, а следовательно, и проходимые ими от рождения до распада расстояния уве­личиваются в тысячи и десятки тысяч раз.

Из релятив. ф-лы для энергии сле­дует, что при малых скоростях (v<< с) энергия . тела равна: ξ=mc²+mv²/2. Второй член справа есть обычная кинетич. энергия, первый же член пока­зывает, что покоящееся тело обладает запасом энергии ξ₀=mc², наз. э н е р г и е й  п о к о я (т. н. принцип экви­валентности энергии и массы, или принцип эквивалентности Эйнштей­на). В яд. реакциях и процессах превращений элем. ч-ц значит. часть энергии покоя может переходить в кинетич. энергию ч-ц. Так, источником энергии, излучаемой Солнцем, явл. превращение четырёх протонов в ядро гелия; масса ядра гелия меньше массы четырёх протонов на 5•10^{-26 г, поэто­му при каждом таком превращении выделяется 4,5}•10^-5 эрг энергии, уно­симой излучением. За счёт излучения Солнце теряет в 1 с 4•10⁹кг своей массы.

О. т. подтверждена обширной со­вокупностью фактов и лежит в основе всех совр. теорий, рассматривающих явления при релятив. скоростях.

Принцип относительности и другие принципы инвариантности. Возникно­вение частной О. т. В основе О. т. ле­жит принцип относитель­ности, согласно к-рому в физ. системе, приведённой в состояние сво­бодного равномерного и прямолиней­ного движения относительно системы, условно наз. «покоящейся», для наб­людателя, движущегося вместе с си­стемой, все процессы происходят в точности так же, как в покоящейся си­стеме. Этот факт формулируют в виде утверждения об инвариантности законов природы относительно пре­образований движения. Термин «принцип относительности» связан с тем, что если преобразованию движения подвергнуть систему дви­жущихся тел, то все относитель­ные движения этих тел оста­нутся неизменными.

Наряду с принципом относитель­ности из опыта известны и др. прин­ципы инвариантности, или симметрии, законов природы. Любой физ. процесс происходит точно так же, 1) если осу­ществить его в любой др. точке пр-ва; эта симметрия выражает равноправие всех точек пр-ва, однородность пр-ва;

2) если систему, в к-рой происходит процесс, повернуть на произвольный угол; эта симметрия выражает равно­правие всех направлений в пр-ве, изотропию пр-ва; 3) если повторить процесс через нек-рый произвольный промежуток времени; эта симметрия выражает однородность времени.

Т. о., имеет место инвариантность законов природы по отношению к четырём типам преобразований: 1) пере­носу в пр-ве, 2) вращению в пр-ве,

3) сдвигу во времени, 4) преобразо­ванию движения. Симметрии 1—4 вы­полняются точно только в изолиро­ванной от внеш. воздействий системе, т. е. если можно пренебречь воздей­ствием на систему внеш. факторов; для реальных систем они справедливы лишь приближённо.

Изучение св-в преобразований 1, 2 составляет предмет евклидовой гео­метрии трёхмерного пр-ва, если рас­сматривать её как физ. теорию, описы­вающую св-ва физ. объектов (при этом под переносом следует понимать пре­образование параллельного переноса).

При скоростях тел v, сравнимых с с, обнаруживается тесная связь и матем. аналогия между преобразованиями 1, 3 и 2, 4. Это даёт основание гово­рить об О. т., в к-рой все преобразования 1—4 следует рассматривать сов­местно, как о геометрии пространства-времени. Содержанием О. т. явл. рас­смотрение св-в преобразований 1—4 и следствий из соответствующих прин­ципов инвариантности. Математически О. т. явл. обобщением геометрии Ев­клида — геометрией четырёхмерного Минковского пространства-времени.

Принцип относительности был изве­стен (и справедлив) в классич. механи­ке, но св-ва преобразований движения при v<< с и при v ~ с различны; при v<<с релятив. эффекты исчезают и преобразования движения переходят в преобразования Галилея, справедли­вые для классич. механики (см. Гали­лея принцип относительности).

Осн. понятие О. т.— точечное событие, т.е. нечто, происходя­щее в данной точке пр-ва в данный момент времени (напр., выстрел, рас­пад элем. ч-цы). Это понятие явл. абстракцией — реальные события всег­да имеют нек-рую протяжённость в пр-ве и во времени и могут рассматри­ваться как точечные только прибли­жённо. Любой физ. процесс есть после­довательность событий (С): C₁, C₂, . . ., С_n, . . . Справедливость сим­метрии 1—4 означает, что наряду с последовательностью (С) законы при­роды допускают существование бес­конечного числа др. последователь­ностей (С), к-рые получаются из (С) соответствующим преобразованием и различаются положением событий в пр-ве и времени, но имеют одинаковую с (С) внутр. структуру. Напр., в слу­чае симметрии 4 можно наглядно опи­сать процесс (С) как происходящий в стоящем на земле самолёте, а процесс (С) как такой же процесс, происходя­щий в самолёте, летящем с пост. скоростью (относительно земли); разл. скоростям и направлениям дви­жения соответствуют разл. последова­тельности (С). Преобразования, пере­водящие одну последовательность со­бытий в другую, наз. активными (в отличие от  п а с с и в н ы х  преобразований, к-рые связывают коор­динаты одного и того же события в двух системах координат; см. ниже). Совокупность всех возможных пре­образований (1—4) с матем. точки зрения должны составлять группу; она наз. группой Пуанкаре. Преобразования группы Пуанкаре но­сят универс. хар-р: они действуют одинаково на события любого типа. Это позволяет считать, что они описы­вают св-ва пространства-времени, а не св-ва конкретных процессов. Преоб­разования Пуанкаре могут быть опи­саны разл. способами (так же, как можно описывать разл. способами движения в трёхмерном пр-ве); наиб. простое описание получается при ис­пользовании инерциальных систем отсчёта (и. с. о.) и связанных с ними часов. Роль и. с. о. в О. т. такая же, как роль прямоугольных декартовых координат в геометрии Евклида.

508

 

 

Осознание универс. справедливости принципа относительности для любых физ. явлений — результат сложного историч. развития. В 19 в. считалось, что принцип относительности спра­ведлив только в механике, но неспра­ведлив в оптике и в электродинамике, т. к. представлялось очевидным, что эл.-магн. волны (в т. ч. свет) — это волны в особой среде — эфире, за­полняющем всё пр-во и определяющем привилегированную систему отсчёта, покоящуюся относительно эфира, в к-рой только и справедливы законы оптики и ур-ния электродинамики. Казалось очевидным, что в системе тел, движущейся относительно эфира, оптич. и эл.-магн. явления будут происходить иначе, чем в неподвиж­ной, но все попытки обнаружить яв­ление такого рода, предпринимавшие­ся в 19 в. и в нач. 20 в., потерпели неудачу. Объяснение неудач искали, начиная с франц. физика О. Ж. Фре­неля, в динамике: используя конкрет­ные динамич. законы, сформулиро­ванные в системе покоя эфира, пока­зывали, что в данной системе тел эффекты, связанные с движением от­носительно эфира, компенсируются. Эта программа нашла известное за­вершение в работах голл. физика X. Лоренца и франц. математика А. Пуанкаре (1904—05), где было показано, что если принять лоренцовский вариант электродинамики эл-нов и предложенную Пуанкаре модель :эл-на, сжимаемого пост. давлением эфира, то компенсация будет точной и принцип относительности, понимаемый как невозможность обнаружения дви­жения относительно эфира, выполня­ется. В 1905 в работе Пуанкаре были исследованы групповые св-ва преоб­разований движения и преобразований вращения с точки зрения наблюдате­ля, покоящегося относительно эфира. Переход к совр. точке зрения, соглас­но к-рой в абсолютно пустом пр-ве нельзя определить покоящуюся систе­му отсчёта и все связанные преобразо­ваниями движения и . с. о. равно­правны, был сделан Эйнштейном в 1905. В его работе была развита последоват. теория измерений времени и координат в и. с. о. и обнаружен от­носит. хар-р релятив. замедления времени и сокращения масштабов. Матем. аппарат теории в полной форме был развит нем. учёным Г. Минковским в 1908.

Инерциальные системы отсчёта. С той степенью точности, с какой св-ва данной области пространства-времени описываются частной О. т., можно ввести и. с. о., в к-рых описание пространственно-временных законо­мерностей О. т. принимает особенно простую форму. Под системой отсчёта в этом случае можно подразумевать жёсткую систему тв. тел (или её мыс­ленное продолжение), по отношению к к-рой определяются положения собы­тий, траектории тел и световых лучей. Любая система отсчета, движущаяся

относительно данной и. с. о. равномер­но и прямолинейно, без вращения, также будет инерциальной, а система отсчёта, вращающаяся или движу­щаяся ускоренно, уже не будет и. с. о. Таким образом, и. с. о. образуют выделенный класс систем отсчёта. В и. с. о. справедлив закон инерции, т. е. свободная ч-ца движется в и. с. о. прямолинейно и (при принятой синх­ронизации часов, см. ниже) равно­мерно. Требование выполнения закона инерции может быть принято как определение и. с. о. Первый закон Ньютона может рассматриваться при этом как утверждение о существовании таких систем отсчёта. Все и. с. о. равноправны, это равноправие явл. непосредств. выражением принципа относительности.

В области пространства-времени, в к-рой справедлива частная О. т., можно пользоваться и неинерц. систе­мами отсчёта (так же, как можно пользоваться криволинейными коор­динатами в геометрии Евклида), но при этом описание св-в пространства-времени оказывается более сложным.

В данной и. с. о. необходимо опре­делить способ измерения времени и координат. В и. с. о. трёхмерная пространств. геометрия — евклидова, если прямые определить, напр., как траектории световых лучей, а расстоя­ния измерять тв. масштабами. Поэтому в данной и. с. о. можно ввести декар­товы прямоуг. координаты х, у, z. Для определения времени t события удобно представить, что в той точке, где оно произошло, находятся часы, покоящиеся в данной и. с. о. Если события происходят в разных точках А, В, то для сравнения их времён нуж­но синхронизировать часы в А и В, т. е. определить, что означает, что часы в А и В показывают одинаковое время. Обычное определение таково: пусть в момент t_а по часам из А посылается сигнал в В, а в момент его прибытия в В посылается такой же сигнал из В в А ', если сигнал пришёл в Л в момент t'_а , то принимается, что сигнал пришёл в 5 в момент t_B=(t_A+t'_A)/2, и соотв. устанавливаются часы в В. При таком определении времена распространения сигнала из А в В и из В в А одинаковы и рав­ны (t'_а-t_a)/2. Сигналами могут слу­жить световые вспышки, звук. сигна­лы (если среда, в к-рой они распро­страняются, покоится по отношению к данной системе отсчёта), выстрелы из двух одинаковых орудий, установлен­ных в А и В, и т. д., требуется лишь, чтобы условия передачи сигнала из А в A в и из В в А были одинаковыми. Целесообразность такого определения времени связана с тем, что в любой и. с. о. отсутствует к.-л. физически выделенное направление; описанная процедура синхронизации часов сим­метрична относительно А и В и по­этому не вносит анизотропии в способ описания. Отсутствие выделенного

направления проявляется в том, что синхронизация любыми сигналами приводит к одному и тому же резуль­тату; к такому же результату приводит медленный (с v<<с) перенос часов из А в В. При практич. измерениях времён и координат используются многочисленные косвенные методы при условии, что они дают тот же результат, что и описанные выше про­цедуры. В любой другой и. с. о. коор­динаты и время измеряются с помощью таких же масштабов и часов, синхро­низируемых таким же способом. За­ранее не очевидно, что времена, опре­делённые таким методом в двух разл. и. с. о., будут одними и теми же, и они действительно оказываются раз­личными. После того как синхрони­зация произведена, могут измеряться скорости ч-ц и сигналов в данной и. с. о., в частности скорость распро­странения световых сигналов. Ско­рость света в любой и. с. о. всегда равна с.

Преобразования Лоренца. Рассмот­ренные активные преобразования не­посредственно связаны с пассивными преобразованиями, описывающими связь между координатами и временем данного события в двух разл. и. с. о. В силу принципа относительности без­различно, сообщить ли телу скорость V по отношению к данной и. с. о. L или перейти к системе отсчёта L', движущейся со скоростью V относи­тельно L,— закон преобразования координат и времени должен быть од­ним и тем же.

В силу справедливости симметрии 1—4 преобразования, связывающие координаты и времена события х, у, z, t и x', у', z', t', измеренные в двух и. с. о. L и L', должны быть линей­ными. Из симметрии 1—4 и требова­ния, чтобы преобразования состав­ляли группу, можно получить вид этих преобразований. Если система отсчёта L' движется относительно L со скоростью V, то при надлежащем выборе осей координат и начал отсчё­та времени в L и L' (оси х и х' на­правлены по V, оси у и y', z и z' соотв. параллельны, начала коорди­нат О и О' совпадают при t=0 и часы в L' установлены так, что при t=0 часы в О' показывают время t'=0) преобразования координат и времени имеют вид:

где с — параметр преобразования, имеющий смысл предельной скорости движения (равной скорости света в вакууме). Этот параметр может быть определён из любого эффекта О. т. (напр., из замедления времени распа­да быстрого p-мезона). Справедли­вость кинематики и динамики, осно-

509

 

 

ванных на преобразованиях (2), подтверждена неисчислимой совокуп­ностью эксперим. фактов.

Преобразования Лоренца (2) вместе с преобразованиями вращения во­круг начала координат образуют г р у п п у  Л о р е н ц а; добавление к ней сдвигов во времени t' =t+a и в пр-ве х'=х+b (где a, b — произволь­ные постоянные размерности времени и длины) даёт группу Пуанкаре.

Т. к. законы природы должны иметь одинаковую форму во всех и. с. о., они должны сохранять свой вид при преобразованиях Лоренца. Это тре­бование наз. принципом (постулатом) р е л я т и в и с т с к о й  и н в а р и а н т н о с т и, или л о р е н ц-и н в а р и а н т н о с т и (лоренц-ковариантности), законов природы.

Из преобразований Лоренца выте­кает релятив. закон сложения ско­ростей. Если ч-ца или сигнал движет­ся в L по оси х со скоростью v, то в момент t x=vt и в системе L' скорость ч-цы v' = x'lt' равна:

Из этой ф-лы видна осн. черта реля­тив. кинематики — независимость ско­рости света от движения источника. Действительно, если скорость света, испущенного покоящимся в нек-рой и. с. о. L источником, есть с, v=c, то из (3) получим, что в и. с. о. L' скорость света v' также равна с. Т. к. направление оси произвольно, то от­сюда следует независимость скорости света от движения источника. Это св-во скорости света однозначно опре­деляет вид преобразований Лоренца: постулировав независимость скорости света от движения источника, одно­родность пр-ва и времени и изотропию пр-ва, можно вывести преобразования Лоренца.

Из преобразований Лоренца легко получить осн. эффекты О. т.: относи­тельность одновременности, замедле­ние времени, сокращение продольных размеров движущихся тел. Действи­тельно, события 1, 2, одновременные в одной и. с. о. L, t₁=t₂, оказываются неодновременными в другой и. с. о. L', t'₂-t'₁=(x₁-x₂)V!c²Ö(1-V²/c²)¹0. Далее, когда часы, покоящиеся в L в точке x=0, показывают время t, то время t' по часам в L', пространст­венно совпадающим с часами в L в этот момент времени, есть

т. е., с точки зрения наблюдателя в L', часы в L отстают. В силу принци­па относительности, с точки зрения наблюдателя в L', все процессы в L замедлены в такое же число раз.

Легко получить также, что раз­меры l всех тел, покоящихся в L, оказываются при измерении в L' сокращёнными в 1/Ö(1-V²/c²)раз в на­правлении V:

В частности, продольный диаметр сфе­ры, движущейся со скоростью v относительно L, при измерении в L' будет в 1/Ö(1-v²/c²) раз короче, чем попереч­ный. (Заметим, что это сокращение не обнаружилось бы на мгновенной фо­тографии сферы: из-за разл. запазды­вания световых сигналов, приходящих от разных точек сферы, её видимая форма остаётся прежней.)

Для и. с. о. пространственно-вре­менные эффекты, определяемые пре­образованиями Лоренца, относитель­ны: с точки зрения наблюдателя в L, замедляются все процессы и сокраща­ются все продольные масштабы в L'. .Однако это утверждение несправедли­во, если хотя бы одна из систем отсчё­та неинерциальна. Если, напр., ча­сы 1 перемещаются относительно L из А в В со скоростью v, а потом из В в А со скоростью -v, то часы 1 от­станут по сравнению с часами 2, по­коящимися в A, в 1/Ö(1-v²/c²) раз; это можно обнаружить прямым срав­нением, так что эффект абсолютен. Он должен иметь место для любого процесса; напр., близнец, совершив­ший путешествие со скоростью v, вернётся в 1/Ö(1-v²/с²) раз более мо­лодым, чем его брат, остававшийся неподвижным в и. с. о. Это явление, получившее назв. парадокса близне­цов, в действительности не содержит парадокса: система отсчёта, связан­ная с часами 1, не явл. инерциаль­ной, т. е. эти часы испытывают уско­рение при повороте в В по отношению к инерц. системе; поэтому часы 1 и 2 н е р а в н о п р а в н ы.

При малых скоростях v преобразо­вания Лоренца переходят в преобра­зования Галилея х'=х-vt, y'=y, z' = z, t'=t, к-рые описывают связь между картинами разл. наблюдате­лей, известную из повседневного опы­та: размеры предметов и длительность процессов одинаковы для всех наблю­дателей.

Преобразования Пуанкаре остав­ляют инвариантной величину, наз. интервалом s_AB между событиями А и В, к-рый определяется соотно­шением:

Математически инвариантность s ана­логична инвариантности расстояния при преобразованиях движения в евк­лидовой геометрии. Величины ct, x, у, z можно рассматривать как четыре координаты события в четырёхмерном пространстве-времени Минковского: x⁰=ct. x^l=x, x²=y, x³=z,

к-рые явл. компонентами четырёх­мерного вектора.

С матем. точки зрения частная О. т. есть геометрия пространства-времени Минковского. (Если вместо х⁰ ввести мнимую координату x⁴=ix⁰=ict, то произвольное преобразование Пуан­каре можно записать в виде, полностью аналогичном ф-ле, описывающей вра­щения и сдвиги в трёхмерном пр-ве.) Вследствие того, что квадраты разно­стей временных и пространств. коор­динат входят в (6) с разными знаками, знак s² может быть различным, гео­метрия такого пр-ва отличается от евклидовой и наз. п с е в д о е в к л и д о в о й.

Законы сохранения в О. т. и реляти­вистская механика. В О. т., так же как в классич. механике, для замкнутой физ. системы сохраняется импульс р и энергия ξ. Трёхмерный вектор импульса вместе с энергией образует четырёхмерный вектор энергии-им­пульса с компонентами ξ/с, р. При преобразованиях Лоренца остаётся инвариантной величина

где т — масса покоя ч-цы. Из требо­ваний лоренц-инвариантиости сле­дует, что зависимость энергии и им­пульса от скорости имеет вид:

Энергия и импульс ч-цы связаны соот­ношением p=ξv/c². Оно справедливо также для ч-цы с нулевой массой по­коя; тогда v=c и р=ξ/с.

Обсуждалась возможность сущест­вования объектов, движущихся со скоростью, большей скорости света в вакууме (т. н. тахионов). Формально это не противоречит лоренц-пнварнантности, но приводит к серьёзный затруднениям с выполнением принци­па причинности.

Масса покоя т не явл. сохраняю­щейся величиной. В частности, в про­цессах распадов и превращений элем. ч-ц сумма энергий и импульсов ч-ц сохраняется, а сумма масс покоя ме­няется. Так, в процессе аннигиляции позитрона и эл-на в два фотона, е⁺+е^-®2g, сумма масс покоя изменяет­ся на 2m_е (m_е — масса покоя эл-на).

В системе отсчёта, в к-рой тело по­коится (такая система отсчёта наз. с о б с т в е н н о й), его энергия (энер­гия покоя) есть ξ₀=mс². Если тело, оставаясь в покое, изменяет своё со­стояние, получая энергию в виде излучения или тепла, то из релятив. закона сохранения энергии следует, что полученная телом энергия Dξ связана с увеличением его массы покоя соотношением Dξ=Dmс². Величина ξ₀=mс² определяет макс. величину энергии, к-рая может быть «извле­чена» из данного тела в системе от­счёта, в к-рой оно покоится.

Для   движущегося   тела    величина

510

 

 

определяет его кинетич. энергию. При v<<с (9) переходит в нерелятив. выражение ξ_кин=mv²/2, при этом импульс p=mv. Из определения ξ_кин следует, что для любого процесса в изолированной системе выполняется равенство:

D(Sξ_кин) = -с²D(Sm).      (10)

согласно к-рому увеличение кинетич. энергии пропорц. уменьшению суммы масс покоя. Это соотношение широко используется в яд. физике; оно позво­ляет предсказывать энерговыделение в яд. реакциях, если известны массы покоя участвующих в них ч-ц. Воз­можность протекания процессов, в к-рых происходит превращение энер­гии покоя в кинетич. энергию ч-ц, огра­ничена др. законами сохранения (напр., законом сохранения барионного заря­да, запрещающим процесс превраще­ния протона в позитрон и g-квант). Иногда вводят массу, определяемую как

m_движ=m/Ö(1-v²/c²)            (11)

При этом связь между импульсом и скоростью приобретает тот же вид, что и в ньютоновской механике: р=m_движv. Так определ. масса отли­чается от энергии тела лишь множи­телем 1/с². (В теор. физике часто выби­рают ед. измерения, полагая с=1, тогда ξ=m.)

Осн. ур-ния релятив. механики име­ют такой же вид, как и второй закон Ньютона и ур-ние энергии, только вместо нерелятив. выражений для энергии и импульса используются выражения (8):

где F — сила, действующая на тело. Для заряж. ч-цы, движущейся в эл.-магн. поле, F есть Лоренца, сила.

О. т. и эксперимент. Предположения о точечных событиях (означающее локальность вз-ствий), о справедли­вости принципа относительности, од­нородности времени и однородности и изотропии пр-ва с неизбежностью при­водят к О. т. При этом абстрактно до­пустим предельный случай, соответ­ствующий с=¥, однако такая воз­можность исключается эксперимен­том: доказано, что предельная ско­рость с есть скорость света в вакууме.

Каковы границы применимости О. т.? Отклонения от пространственно-вре­менной геометрии О. т., связанные с гравитацией, наблюдаемы и рассчи­тываются в ОТО; никаких других ограничений применимости О. т. не обнаружено, хотя неоднократно вы­сказывались предположения, что на очень малых расстояниях (напр., ~10^{-17 см) понятие точечного собы­тия, а следовательно, и О. т. могут оказаться неприменимыми (см. Кван­тование пространства-времени). Совр.}

квант. теории фундам. вз-ствий (эл.-магн., слабого, сильного) целиком основаны на геометрии пространства-времени частной О. т. Из этих теорий с наиб. высокой точностью проверена квант. электродинамика лептонов, применимость к-рой установлена до расстояний 10^{-16 см. Отсюда следу­ет, что по крайней мере до этих рас­стояний действует геометрия частной О. т. Неоднократно повторялись с вы­сокой точностью классич. опыты, использовавшиеся для обоснования О. т. в первые десятилетия её суще­ствования (Майкельсона опыт и др.). Такого рода опыты сейчас представ­ляют в основном историч. интерес, т. к. осн. массив подтверждений ОТО составляют данные, относящиеся к вз-ствиям релятив. элем. ч-ц, где спра­ведливость кинематики частной О. т. проверена на обширном материале.}

• Принцип относительности, [М.—Л., 1935]; Эйнштейн А., Собр. науч. трудов, [т.] 1—4, М., 1965—67; Паули В., Теория от­носительности, пер. с нем., М.—Л., 1947; Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Тео­рия поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); Т е й л о р Э. Ф., У и л е р Дж. А., Физика пространства-времени, пер. с англ., 2 изд., М., 1971.

И. Ю. Кобзарев.

ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ, величина, характеризующая способ­ность поверхности тела или границы раздела двух сред отражать падаю­щий на неё поток эл.-магн. излучения. Количеств. хар-ка О. с.— отражения коэффициент. О. с. зависит от угла падения и поляризации падающего излучения. Зависимость О. с. поверх­ности от длины волны излучения в области видимого света воспринима­ется глазом человека как окраска от­ражающей поверхности. См. Отраже­ние света.

ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ПРИЗМЫ, одна из групп призм оптических; характе­ризуются тем, что вошедшее в призму оптическое излучение (свет) испытывает внутри неё отражение от одной или последовательно от неск. ограничиваю­щих её плоских полированных поверх­ностей (граней). Как и мн. другие оптич. призмы, О. п. часто не явл. призмами в строго геом. смысле. От спектральных призм О. п. отлича­ются тем, что пространственно не разделяют проходящее излучение по его частотам (т. е. не вызывают дис­персии света); от поляризационных призм — отсутствием двойного луче­преломления (О. п. изготовляются б. ч. из оптически изотропных материалов). Луч света, падающий из окружающей среды на грань О. п. под нек-рым уг­лом к ней, выходит обратно в среду из той же или другой грани под таким же углом (при этом исходное направ­ление луча может измениться на угол w¹0; рис.). Отражение от граней О. п. в большинстве случаев явл. полным внутренним отражением; если угол падения луча на к.-л. грань меньше предельного, на эту грань снаружи наносится плёнка зер­кально отражающего покрытия (се-

ребро, алюминий). Введение в пучок лучей О. п. оптически эквивалентно постановке на его пути плоскопараллельной пластинки с толщиной, равной расстоянию, проходимому лучами в материале призмы; при наклонном падении лучей на призму оно вызывает такое же поперечное смещение пучка и те же аберрации.

Наиболее распространённые отражат. приз­мы; w — угол отклонения луча; стрелки, перпендикулярные лучам, указывают ориен­тацию исходного изображения и изображе­ния, преобразованного призмой.

 

Последние существенны лишь при работе с О. п. в сходящихся и расхо­дящихся пучках лучей; если же О. п. расположена в параллельном пучке, её аберрации практически не сказы­ваются на кач-ве изображения.

О. п. для видимого света изготов­ляются из оптич. стекла; для ИК излучения — из прозрачных для него спец. сортов стекла, из кремния, гер­мания, флюорита, фтористого лития, йодистого цезия и др.; для УФ из­лучения — из кварца, флюорита, фто­ристого лития и др. Осн. типы О. п. изображены на рисунке.

О. п. используют для изменения направления пучка света, уменьше­ния длины оптич. системы и преобразо­вания изображения — его поворота на 180° или получения зеркального отоб­ражения (см. Оборачивающая система). Ход лучей в главном сечении О. п. под­чиняется т. н. правилу обора­чивания: О. п. с чётным числом отражающих граней даёт прямое изоб­ражение (ромб, пентапризма), с не­чётным — зеркальное или перевёр­нутое (прямоуг. О. п., призма Дове). Это правило неприменимо, если отра­жения лучей происходят в разных сечениях; напр., в прямоуг. О. п. с крышей получают прямое изображе­ние. (Любая О. п. может быть пре-

511

 

 

вращена в О. п. с крышей, если заме­нить одну из её отражающих граней двумя, угол между к-рыми составля­ет 90°. Назначение крышеобразных О. п.— обеспечить поворот изобра­жения справа налево и наоборот.) Для одновременного выполнения неск. функций (изменение длины системы, направления лучей, оборачивание изображения) применяют сложные комбинации из неск. О. п., напр. си­стемы Порро I и II рода.

ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН, переизлучение волн препятствиями с изменением направления их распространения (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут быть непрозрачные тела, в к-рых волны данной природы распространяться не могут, неоднородности среды (как резкие, так и плавные). Обычно на границе раздела сред одновременно с О. в. происходит преломление волн. При падении плоской монохроматич. волны на плоскую границу разде­ла двух однородных сред с разными св-вами происходит зеркальное О. в. Амплитуды, фазы и направления рас­пространения отражённой и прелом­лённой (прошедшей) волн определя­ются на основе согласования волн. полей по разные стороны от границы в соответствии с граничными усло­виями. Требование непрерывности

Отражение и преломление волны на плоской границе раздела двух сред с разл. показате­лями преломления (n₂>n₁): а — лучевая кар­тина; б — проекции волн. векторов падаю­щей, отражённой и преломлённой волн на границу.

 

фазы приводит к универсальному за­кону — тангенциальные (параллель­ные границе) составляющие волновых векторов падающей, отражённой и

преломлённой волн k^║_п =k^║_отр=k^║_пр=k_║ должны быть равны (рис., б). В случае изотропных неподвижных сред норм. составляющие k^{(^)}_отр=-k^{(^)}_п и допустима лучевая трактовка закона О. в.: 1) падающий и отражён­ный лучи лежат в одной нормальной к границе плоскости, 2) угол отраже­ния q_отр (между лучом и нормалью) равен углу падения q_п (рис., а).

Интенсивность отражённой волны характеризуется отражения коэффи­циентом R, к-рый существенно за­висит от природы волн, св-в обеих сред, поляризации волн и угла q_п. Для расчёта R необходимо удовлетво­рить специфическим для волн данной природы граничным условиям. Напр., в случае эл.-магн. волн граничные условия требуют, чтобы на границе тангенциальные составляющие напряжённостей электрич. и магн. полей были равны (см. Френеля формулы). В акустике граничные условия тре­буют, чтобы на границе раздела были равны давления в обеих средах и норм. составляющие скорости ч-ц среды. В этом случае

где n=n₂/n₁=с₁/с₂ — относит. пока­затель преломления, m=r₂/r₁ — отно­шение плотностей сред.

При n<1 и углах падения, боль­ших критического q*(sinq*=n), имеет место полное внутреннее отражение волн.

Идеальными отражающими экра­нами явл. зеркала — предельный слу­чай границы раздела сред, когда n®¥ (абсолютно жёсткие стенки в акустике, идеально проводящие по­верхности в электродинамике) или n®0 (абсолютно податливые или идеальные магн. стенки). И в том и в другом случае R®1.

Как отражённая, так и преломлён­ная волны явл., вообще говоря, ре­зультатом интерференции переизлу­чённых в толще обеих сред волн. За­коны зеркального О. в. могут быть обобщены и приближённо сформулиро­ваны для участка границы, если вы­полняются условия применимости геометрической оптики и размеры неровностей границы много меньше длины волны l. Если размеры неров­ностей сравнимы с l, то при хаотич. расположении неровностей (шерохо­ватая граница) имеет место диффузное рассеяние волн, а при периодическом, кроме отражённой в зеркальном на­правлении волны, возникают побоч­ные волны, направление распростра­нения к-рых зависит от l.

О. в. движущихся объектов проис­ходит со смещением частоты (см. Доплера эффект), угол отражения при этом не равен углу падения. В средах с непрерывно меняющимися св-вами О. в. наблюдается, если характерные масштабы неоднородностей L£l. В плавно неоднородных средах L>>l О. в. мало, однако рефракция в них может привести к явлениям, сходным с О. в., напр. зеркальный мираж в пу­стыне (см. Рефракция звука, Рефрак­ция света). В нелинейных средах вол­ны большой интенсивности сами индуцируют неоднородности, при рассеянии на к-рых (вынужденное рас­сеяние) может возникать, напр., специфич. О. в. с обращением волнового

фронта (см. Обращённый волновой фронт).

О. в. лежит в основе многих при­родных явлений (эхо, миражи, звук. каналы в океане, радиоканалы в ионосфере и др.), техн. устройств и систем (волноводы, резонаторы, гид­ролокация и радиолокация). В нек-рых случаях О. в. приводит к вредным последствиям: повышению уровня шу­мов, гиперреверберации в залах, сле­пящим бликам, искажению телевизи­онных изображений. Для борьбы с паразитным О. в. применяются погло­щающие покрытия, согласующие эле­менты (в волноводной технике), чет­вертьволновые плёнки («голубая опти­ка»), плавные в масштабе длины вол­ны переходные слои и др.

В общем случае О. в. не может рассматриваться изолированно от явлений прохождения волн: преломле­ния, поглощения, рассеяния, дифрак­ции волн и преобразования в волны другой физ. природы или в волны с др. пространственной структурой. См. также Отражение света.

• См.  лит.  при ст.  Волны.

М. А. Миллер, Г. В. Пермитин.

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА, явление, за­ключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой вз-ствие света с в-вом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раз­дела обратно в первую среду. При этом по крайней мере первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучения. Несамосве­тящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей.

Пространств. распределение интен­сивности отражённого света опреде­ляется отношением размеров неров­ностей поверхности (границы раздела) к длине волны l падающего излуче­ния. Если неровности малы по срав­нению с l, имеет место правильное, или зеркальное, О. с. Когда размеры неровностей соизмеримы с l или превышают её (шероховатые поверх­ности, матовые поверхности) и распо­ложение неровностей беспорядочно, О. с. диффузно. Возможно также смешанное О. с., при к-ром часть падающего излучения отражается зер­кально, а часть — диффузно. Если же неровности с размерами ~l и более расположены регулярно, распределе­ние отражённого света имеет особый хар-р, близкий к наблюдаемому при О. с. от дифракционной решётки. О. с. тесно связано с явлениями прелом­ления света (при полной или неполной прозрачности отражающей среды) и поглощения света (при её неполной прозрачности или непрозрачности).

Зеркальное О. с. отличает определ. связь положений падающего и отра­жённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражаю­щей поверхности; 2) угол отражения y равен углу падения j (рис. 1).

512

 

 

Интенсивность отражённого света (характеризуемая отражения коэффи­циентом) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения преломления показате­лей n₂ и n₁ второй и первой сред. Для отражающей среды — диэлектрика

Рис. 1. Зеркальное от­ражение света: N — нор­маль к отражающей по­верхности (границе раз­дела); j — угол падения; y —угол отражения (j=y); Е_p , R_p , E_s, r_s— компоненты амплитуд электрич. вектора падающей и отражённой волн. Стрелками показаны выбранные положительные на­правления амплитуд колебаний.

 

эту зависимость количественно выра­жают Френеля формулы. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэф­фициента отражения не зависит от поляризации падающего пучка и ра­вен (n₂-n₁)²/(n₂+n₁)²; в очень важ­ном частном случае нормального паде­ния из воздуха или стекла на границу их раздела (n_возд ~ 1,0; n_ст=1,5) он составляет »4%.

Хар-р поляризации отражённого света меняется с изменением j и различен для компонент падающего света, поляризованных параллельно

Рис. 2. Зависимость от угла падения j ко­эффициентов отражения r_p и r_s составляю­щих падающей волны, поляризованных со­отв. параллельно и перпендикулярно плос­кости падения. Кривые 1 относятся к слу­чаю n₂/n₁=1,52 (верхняя шкала j), кривые 2—к случаю n_a/n₁=9 (нижняя шкала j).

 

(p-компонента) и перпендикулярно (s-компонента) плоскости падения (рис. 2). При углах j, равных т. н. углу Брюстера (см. Брюстера закон), отражённый свет становится полно­стью поляризованным перпендикуляр­но плоскости падения (р-составляющая падающего света полностью пре­ломляется в отражающую среду). Эту особенность зеркального О. с. ис­пользуют в ряде поляризационных приборов. При j, больших, чем угол Брюстера, коэфф. отражения от ди­электриков растёт с увеличением j, стремясь в пределе к единице, неза­висимо от поляризации падающего света. При зеркальном О. с., как следует из ф-л Френеля, фаза отражён­ного света в общем случае скачкооб­разно изменяется. Если j=0 (свет падает нормально к границе раздела), то при n₂>n₁ фаза отражённой вол­ны сдвигается на p, при n₂< n₁ — остаётся неизменной. Сдвиг фазы в случае j¹0 может быть различен для р- и s-составляющих падающего света в зависимости от того, больше или меньше j угла Брюстера, а также от соотношения n₂ и n₁. О. с. от по­верхности оптически менее плотной среды (n₂<n₁) при sinj³n₂/n₁ явл. полным внутренним отражением, при к-ром вся энергия падающего пуч­ка лучей возвращается в первую среду. Зеркальное О. с. от поверхностей силь­но отражающих сред (напр., металлов) описывается ф-лами, подобными ф-лам Френеля, с тем (весьма существенным) изменением, что n₂ становится к о м п л е к с н о й, величиной, мнимая часть к-рой характеризует поглощение па­дающего света. Поглощение в отра­жающей среде приводит к отсутствию угла Брюстера и более высоким, чем у диэлектриков, значениям коэфф. отражения — даже при норм. падении он может превышать 90% (именно этим объясняется широкое применение глад­ких металлич. и металлизированных поверхностей в зеркалах).

Отличаются и поляризационные хар-ки отражённых от поглощающей среды световых волн. Хар-р поляриза­ции отражённого света настолько чув­ствителен к параметрам отражающей среды, что на этом явлении основаны мн. оптич. методы исследования ме­таллов (см. Металлооптика).

Диффузное О. с.— его рассеивание неровной поверхностью второй среды по всем возможным направлениям. Пространств. распределение отражён­ного потока излучения и его интенсив­ность различны в разных конкретных случаях и определяются соотноше­нием между l и размерами неровно­стей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, св-вами отражающей среды. Прост­ранств. распределение диффузно от­ражённого света приближённо описы­вается Ламберта законом. Диффузное О. с. наблюдается также от сред, внутр. структура к-рых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в первую среду. И поглощение и рас­сеяние света во второй среде могут сильно зависеть от l. Результатом этого явл. изменение  с п е к т р а л ь н о г о  состава диффузно отражён­ного света, что (при освещении белым светом) визуально воспринимается как окраска тел.

• Ландсберг Г, С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; К и з е л ь В. А., Отраже­ние света, М., 1973. Н. А. Войшвилло.

ОТРАЖЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ, от­ношение потока излучения, отражён­ного телом, к упавшему на него пото­ку излучения. Иногда (напр., для

радиоволн) пользуются понятием амплитудного О. к.— отно­шения амплитуд отражённой и падаю­щей волн. В общем случае О. к. есть сумма коэфф. зеркального от­ражения и диффузного от­ражения (см. Отражение света).

ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИ­АЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, свой­ство нек-рых элементов электрич. цепей, выражающееся в уменьшении падения напряжения V на них при увеличении протекающего тока I (или наоборот). О. д. с. характеризуется величиной R=(DV/DI)<0. Элемент с О. д. с. не потребляет электрич. энергию, а отдаёт её в цепь, т. е. явл. активным элементом. Это происходит за счёт входящего в его состав к.-л. источника, пополняющего запас энер­гии цепи.

О. д.с. может осуществляться лишь в нек-рой области значений токов и напряжений, за пределами которой (DV/DI>0.

О. д. с. указывает на наличие пада­ющего участка АВ на вольт-ам­перной хар-ке элемента (рис.). Природа О. д. с. у разл. активных

элементов (туннельный диод, Ганна диод и др.) разнообразна. Если абс. ве­личина О. д. с. элемента меньше суммы положит. сопротивлений остальных элементов цепи, то его роль сводится к частичной компенсации потерь в цепи. Если же О. д. с. превышает эту сумму, то это означает, что состоя­ние электрической цепи неустойчи­во и возможен её переход в др. со­стояние устойчивого равновесия или возникновение в ней колебаний.

В. В. Мигулин.

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, одноосные кристаллы, в к-рых скорость распространения обыкновенного луча света меньше, чем скорость распро­странения необыкновенного луча (см. Двойное лучепреломление). В кристал­лографии О. к. наз. также жидкие включения в кристаллах, имеющие ту же форму, что и сам кристалл.

ОТРЫВНОЕ ТЕЧЕНИЕ, течение, в к-ром поток газа или жидкости, обтекающий тело, отрывается от его поверхности с образованием вихревой зоны. При дозвук. течении типичным случаем явл. возникновение О. т. у поверхности тела с образующими кри­волинейной формы (рис. 1), напр. у профиля крыла, сферы. Необходимое условие возникновения О. т.— нали­чие на поверхности тела вязкого пограничного слоя и повышение давле­ния в направлении течения. В преде­лах толщины 8 пограничного слоя ско­рость течения убывает от значения v₀ (скорость внеш. потока) на внеш. границе слоя до v=0 на поверхности

513

 

 

Рис. 1. Схема образования отрывного те­чения при обтекании дозвук. потоком тела с образующими криволинейной формы.

Рис.  2. а — плавное обтекание крыла;  б — обтекание крыла с отрывом потока.

Рис. 3. Отрывное течение при сверхзвук. об­текании цилиндра с остриём.

 

тела, а давление остаётся таким же, как во внеш. потоке. Поэтому в непосредств. близости от поверхности тела, где скорость ч-ц близка к нулю, их кинетич. энергия оказывается не­достаточной для преодоления повы­шающегося давления. В результате эта скорость становится равной нулю, а затем меняет направление на обрат­ное. Возникновение возвратного те­чения приводит к значит. утолщению пограничного слоя и отрыву потока от стенки.

Образование областей О. т. суще­ственно влияет на аэродинамические (или гидродинамические) хар-ки тел. Напр., аэродинамическое сопротивле­ние шара, движущегося с дозвук. скоростью, в осн. определяется О. т.

на поверхности задней полусферы. Турбулизация ламинарного погра­ничного слоя уменьшает зону О. т. и в неск. раз уменьшает силу аэродинамич. сопротивления шара.

На верхней поверхности крыла са­молёта при нек-ром угле атаки также возникает О. т. (рис. 2), область к-рого с увеличением угла атаки возрастает. При этом подъёмная сила крыла сначала перестаёт увеличивать­ся, а затем начинает уменьшаться.

При сверхзвук. скоростях течения возникают ударные волны, в к-рых давление резко возрастает. В случае, когда ударная волна образуется на поверхности с вязким пограничным слоем, возникает О. т. (рис. 3). При сверхзвук. течениях образование О. т. существенно влияет не только на аэродинамич. хар-ки тела, но и на его теп­ловой режим.

В большинстве случаев возникнове­ние О. т. нежелательно. Для его предотвращения применяют отсос по­граничного слоя, вдувание в погра­ничный слой газа с повышенной кине­тич. энергией и уменьшение роста давления в направлении течения пу­тём соответствующего подбора формы поверхности обтекаемого тела. Од­нако при сверхзвук. скоростях тече­ния образование О. т. может оказать­ся и полезным. Напр., игла, помещён­ная перед затупленным телом (рис. 3), вызывая О. т., способствует умень­шению аэродинамич. сопротивления.

• Лойцянский Л Г., Механика жидкости и газа, 5 изд., М., 1978; Ч ж е н П., Отрывные течения, пер. с англ., т. 1, М., 1972.

М. Я. Юделович.

ОТСЧЁТНОЕ УСТРОЙСТВО измери­тельного прибора (аналогового или цифрового), часть прибора, предназна­ченная для отсчитывания его показа­ний. О. у. аналогового прибора обыч­но состоит из шкалы и указателя. По типу указателя О. у. подразделяются на стрелочные и световые. В стрелоч­ных О. у. стрелка своим концом перемещается относительно отметок шкалы. Конец стрелки может быть копьевидным или выполненным в виде ножа или натянутой нити (рис. 1). В последних двух случаях шкалы снабжаются зеркалом для устране­ния погрешности отсчёта, вызванной параллаксом. В световых О. у. роль стрелки выполняет световой луч, отражённый от зеркала, скреплённого с подвижной частью прибора (рис. 2). Световое О. у. позволяет устранить погрешность от параллакса и повысить чувствительность прибора за счёт увеличения длины указателя и удвое­ния угла его поворота.

О. у. цифрового прибора позволяет получить показание непосредственно в цифровой форме. При этом погрешно­сти отсчёта, характерные для О. у. со стрелочным показателем, исключа­ются. Для создания изображений цифр применяются цифровые индикаторы разл. конструкции (рис. 3): механи­ческие, электромеханические, свето­вые и др.

К. П. Широков.

Рис. 1. Схемы стрелочных отсчётных уст­ройств (а — щитовой прибор, б — перенос­ный прибор): 1 — шкала; 2 — основание шкалы (пластина); 3 — копьевидная стрел­ка; 4 — зеркало; 5 — ножевидная стрелка; 6 — изображение стрелки в зеркале (изоб­ражение при отсчёте показаний должно быть совмещено со стрелкой).

Рис. 2. Световое отсчётное устройство: 1 — источник света; 2 — оптич. устройство, со­держащее указатель 3, имеющий вид нити или стрелки; 4 — зеркало, укреплённое на подвижной части измерит. механизма; 5 — шкала с проектируемым на неё изображением нити.

Рис. 3. Отсчётные устройства цифровых приборов: а — механич. устройство, т. н. механич. счётчик оборотов (состоящий из неск. барабанов 1, связь между которыми осуществляется через трибки 2); б — меха­нич. отсчётное устройство приборов сравне­ния (мостов, компенсаторов) с ручным уравновешиванием (1 — лимб с цифрами и рукояткой 3; 2 — крышка с окнами, в к-рых появляются цифры); в — цифровое отсчёт­ное устройство с рассредоточенными цифро­выми индикаторами (лампами накаливания); г — устройство с сосредоточенными индика­торами (цифры всех разрядов расположены в один ряд); 9 — набор элементов (светящих­ся точек или полос), создающих изображе­ние цифр.

 

«ОЧАРОВАНИЕ»    (С,  чарм,   шарм),

аддитивное квант. число, характери­зующее адроны или кварки. Ч-цы с ненулевым значением «О.» наз. «очарованными» частицами. В кварковой модели адронов «О.» равно разности между числами «очарованных» квар­ков (с) и антикварков (с). «О.» сохра­няется в сильном и эл.-магн. вз-ствиях; в распадах «очарованных» адро­нов, происходящих за счёт слабого вз-ствия, «О.» меняется на единицу. «ОЧАРОВАННЫЕ» ЧАСТИЦЫ, се­мейство адронов, обладающих квант. числом «очарование». Св-ва «О.» ч. легко

514

 

 

понять, если предположить существо­вание нового, «очарованного» кварка — с-кварка (с — от первой буквы англ. слова charm — очарование) с электрич. зарядом +²/₃ е. Тогда «очаро­вание» равно разности между числами с-кварков н антикварков (с^~), из к-рых построен адрон. Кварк с — тяжёлый, это проявляется в том, что «О.» ч. значительно тяжелее p- и К-мезонов, «построенных» из «неочарованных» кварков-антикварков. Для самых лёгких «очарованных» мезонов уста­новлены обозначения D и F. Их кварковая структура следующая: D⁰=(cu^~), D⁺=(cd^~), F⁺=(cs^~), D^~0=(c^~u), D^-=(c^~d), F^-=(c^~s), где u, d и s(u^~, d^~ и s^~) — соотв. нуклонные и странный кварки (анти­кварки). Символы D, F относятся к псевдоскалярным частицам. Для век­торных «очарованных» мезонов при­няты символы D* и F*. Значения масс этих мезонов таковы:

m(D⁰)=1863,3(9)   МэВ,

m(D*⁰)=2006,0(l,5)  МэВ,

m(D⁺)=1868,4(9)    МэВ,

m(D*⁺)=2008,6(l,0)   МэВ,

m(F)=2039(2)   МэВ,

m(F*)=2140(60)   МэВ,

m(D⁺)-m(D*⁰)=5,0(8)   МэВ,

m(D*⁺)-m(D*⁰}= 2,6(1,8) МэВ.

«О.» ч. распадаются на обычные адроны только за счёт слабого вз-ствия (т. н. слабый распад), поэтому D- и F-мезоны стабильны относительно сильного и эл.-магн. вз-ствий. Воз­буждённые «очарованные» мезоны рас­падаются быстро — за счёт сильного или эл.-магн. вз-ствия, сохраняющих «очарование». Нек-рые из наблюдав­шихся распадов «очарованных» мезо­нов: D®К+p-мезоны, D ®m+v_m+Х, f®h+x, D*®D+p, D*®d+g (X — совокупность осталь­ных частиц распада). Время жиз­ни мезонов (т) равно:

t(D^±)»8•10^-13 с,

t(D⁰)»4•10^-13 с,

t(F)»3•10^-13с.

Наиболее полная информация об «очарованных» мезонах получена в опытах по аннигиляции пары е⁺е^-в адроны, проведённых на встречных электрон-позитронных пучках. В этой реакции был, в частности, открыт y-мезон (см. Мезоны со скрытым «оча­рованием») с массой 3,768 ГэВ, к-рый распадается на пару DD^~. Поскольку сечение рождения таких мезонов при резонансной энергии велико, они слу­жат «фабрикой» D-мезонов.

Рождение «О.» ч. в реакциях с про­тонной или яд. мишенью изучено значительно хуже. Так, напр., не известны соответствующие сечения, но они могут быть ~10^-28 см² при нач. энергиях протонов 400 ГэВ. Однако первое, правда косвенное, указание на существование «О.» ч. было полу­чено при изучении вз-ствий мюонных нейтрино с нуклонами мишени; в 1974 на ускорителе в Батейвии (США)

были наблюдены т. н. димюонные события:

v_m+N®m+m+X,

когда в конечном состоянии наблюда­ют два мюона, а остальные ч-цы (X) не идентифицируются. Димюонные события естественно интерпретировать как рождение «О.» ч., напр. v_m+N®m+D+X,

с последующим слабым лептонным (сопровождающимся испусканием лептонов) распадом D-мезона. Пря­мое свидетельство в пользу существо­вания «О.» ч. было получено в 1976— 1977 в опытах по аннигиляции е⁺ е^-.

Со времени открытия «О.» ч. их свой­ства интенсивно изучаются. Установ­лены массы «очарованных» мезонов и барионов, измерены их полные вре­мена жизни и относительные вероят­ности различных каналов распада. Измерены сечения рождения «О.» ч. в столкновениях адронов, к-рые ока­зались значительно больше ожидае­мых. Свойства «очарованных» барионов изучены хуже, чем «очарованных» ме­зонов. Между тем их спектр должен быть обширным. Должны существо­вать, напр., такие интересные экзоти­ческие объекты, как барион (ссс) с «очарованием» 3; его ожидаемая масса около 5 ГэВ.

Открытие «О.» ч. явилось триумфом теории, в особенности кварковой мо­дели элем. ч-ц, к-рая предсказала существование новых ч-ц задолго до их эксперим. обнаружения. Условно развитие теор. представлений об «О.» ч. можно разбить на три этапа. В 60-х гг. существование «О.» ч. обсуждалось как возможное, но не обязат. расширение семейства изве­стных кварков u, d, s, с (?). В 1972 в работе амер. физиков Ш. Глэшоу, Дж. Илиопулоса, итал. физика Л. Майани было показано, что долж­ны существовать относительно лёг­кие — с массой порядка неск. ГэВ — «О.» ч. с вполне определ. св-вами сла­бых распадов, связанными с тем, что «очарованные» кварки должны распа­даться в осн. на странные кварки (s). Наконец, уверенность в существо­вании «О.» ч. и чёткие представления об их св-вах возникли после открытия в 1974 J/y-мезонов, к-рые были ин­терпретированы как связ. состояние «очарованных» кварка и антикварка (см. Мезоны со скрытым «очарова­нием»). Все имеющиеся эксперим. наблюдения укладываются в теор. схему. В частности, в распадах D-ме­зонов действительно образуются стран­ные ч-цы — К-мезоны. В распаде F-мезона, в составе к-рого уже есть s-кварк, обнаружены h-мезоны, волн. ф-ция к-рых содержит значит. при­месь состояния ss^~.

«О.» ч. (как и мезоны со скрытым «очарованием») — важный объект для проверки совр. теории сильного вз-ствия — квантовой хромодинамики. В частности, благодаря большой массе с-кварка их описание в большин­стве случаев проще, чем «обычных» ч-ц (содержащих только «лёгкие» u-, d-, s-кварки).

В то время как существование «оча­рованного» кварка необходимо для теории, дальнейшее расширение «се­мейства» кварков в рамках сложив­шихся представлений не явл. обяза­тельным. Однако в 1977 выяснилось, что «очарованный» кварк не самый тя­жёлый (см. Ипсилон-частицы).

Классификация кварков, понима­ние их спектра — одна из гл. проблем теории элем. ч-ц. Открытие «О.» ч. явилось очень важным эксперим. фак­том, подтвердившим существование целого спектра кварков.

• Вайсергберг А. О., Определение вре­мени жизни очарованных частиц, «Природа», 1981, № 4.

В. И. Захаров.

ОЧКИ, самый распространённый оптич. прибор для улучшения зрения при оптич. несовершенствах глаз (кор­ригирующие О.) или для защиты глаз от разл. воздействий (защитные О.).

Человеческий глаз представляет со­бой естественную сложную и совер­шенную оптич. систему. Его способ­ность фокусировать на сетчатке изоб­ражения не только удалённых, но и близких предметов наз. аккомодацией глаза. Если без аккомодации изобра­жения удалённых предметов фокуси­руются на сетчатке, глаз наз. эмметропическим (нормальным), если перед ней — миопическим (близоруким), а в случае расположения изображения за сетчаткой — гиперметропическим (дальнозорким). Дальнозоркий глаз можно скорригировать с помощью положительной (собирающей) сферич. линзы, а близорукий — рассеивающей (отрицательной) линзы.

Оптическая сила корригирующих линз зависит от степени отклонения глаза от нормального и выражается в диоптриях (м^-1).

Лучи, параллельные оптич. оси, могут вообще не собираться в точку на сетчатке глаза, а образовывать в двух плоскостях два отрезка прямой, перпендикулярных друг другу (астигматизм). Астигматич. глаз может быть исправлен цилиндрич. линзой определ. силы и с определ. направлением образующей цилинд­ра по отношению к глазу. Часто астиг­матизм сочетается с близорукостью или дальнозоркостью, и тогда для кор­рекции применяют  с ф е р о т о р и ч е с к и е  линзы (одна поверхность линзы сферическая, другая торическая) с двойной кривизной — радиусы кривизны в двух взаимно перпендику­лярных направлениях должны быть различными.

С возрастом падает способность ак­комодации и возникает необходимость в разных О. для чёткого различения близких и удалённых предметов. Такие О. можно совместить в одной оправе с

515

 

 

помощью линз, нижняя часть к-рых имеет одну оптич. силу, а верхняя — другую. Такие О. наз. б и ф о к а л ь н ы м и.

Для уменьшения разл. аберраций в очках применяются только специально рассчитанные менисковые линзы. Стёкла О. должны быть правильно расположены перед глазами на определ. расстоянии от роговицы и на расстоянии друг от друга, соответст­вующем расстоянию между зрачка­ми. Очки т. н. спец. назначения при­меняются при тяжёлых комбиниро­ванных нарушениях зрения: приз­матические О.— для исправ­ления косоглазия, телескопи­ческие (устроенные как неболь­шой бинокль) — при резком снижении остроты зрения. Разновидностью О. можно считать контактные линзы.

Защитные О. предохраняют глаза от механич. и хим. поврежде­ний, а также от вредного воздействия

чрезмерно яркого или неблагоприят­ного по спектр. составу света, (при сварке и выплавке металлов, работе с лазерами и др. мощными источника­ми света и т. п.).

О. для защиты от воздействия излу­чений выполняются в виде светофильт­ров, нейтральных или селективных.

А.   В.  Луизов,

ОЧКИ ПОЛЯРОИДНЫЕ, очки с од­ним или двумя слоями поляроида. Очки с двумя слоями поляроида при­меняются как затемняющие свето­фильтры переменной плотности: сбоку очков выступает рычажок, с помощью к-рого можно два поляроида одновре­менно поворачивать относительно двух других, неподвижных. При параллель­ных поляроидах пропускание очков ~40%, при скрещённых оно стано­вится минимальным (~0,01%).

Очки с одним слоем поляроида применяются либо для разделения изображений, либо для уменьшения

яркости бликов отражённого света. В первом случае плоскости поляри­зации обоих фильтров устанавливают взаимно перпендикулярно, чтобы в каждый глаз попадал свет только одной плоскости поляризации. Такие очки применялись в системе стереоки­но, в к-рой два кадра стереопары посылались на экран в поляризован­ном свете: плоскость поляризации каждого кадра соответствовала плос­кости поляризации поляроида, через к-рый свет должен был пройти в соот­ветствующий глаз. Во втором случае поляроидные фильтры имеют одинако­вые направления плоскостей поляри­зации и не пропускают свет, поляри­зованный в перпендикулярной пло­скости. Свет, отражённый под углом от диэлектрич. среды, в значит. сте­пени поляризован. О. п. позволяют сильно ослабить этот отражённый свет, что даёт возможность, напр., загля­нуть. в глубь воды.

А. В. Луизов.