В

ВАВИЛОВА ЗАКОН, устанавливает зависимость выхода фотолюминесцен­ции от длины волны возбуждающего света. Согласно В. з., квант. выход фо­толюминесценции постоянен в ши­рокой области длин волн возбуждаю­щего света и резко падает при длинах волн, превышающих ту, при к-рой наблюдается максимум спектра лю­минесценции (антистоксово возбуждение). Связан с квант. природой света, аналогичен закону Эйнштейна о квант. выходе фотохим. реакций. Установлен С. И. Вавило­вым в 1924.

ВАКАНСИОН, квазичастица, описы­вающая движение вакансии в кристалле, способной туннельным образом перемещаться (см. Туннельный эффект, рис.).

Потенциальная энер­гия атома (изобра­жён чёрным круж­ком) вблизи вакант­ного узла х₀. Атом, чтобы попасть в сво­бодный узел решётки, должен пройти через потенц. барьер U (0).

 

ВАКАНСИЯ (от лат. vacans — пусту­ющий, свободный), отсутствие атома или иона в узле кристаллической решётки. В. находятся в термодинамич. равновесии с решёткой, возника­ют и исчезают в результате теплового движения атомов. В. беспорядочно

 

перемещаются в кристалле, обмени­ваясь местами с соседними атомами. Движение В. является гл. причиной диффузии атомов в кристалле. Каждой темп-ре соответствует определ. рав­новесная концентрация В. Кол-во В. в кристаллах металлов вблизи темп-ры плавления — 1 — 2% от числа ато­мов. При комнатной темп-ре у Аl одна В. приходится на 10¹² атомов, а у Ag и Cu — меньше одной В. Не­смотря на малую концентрацию, В. существенно влияют на физ. св-ва кристалла: понижают его плотность, увеличивают электропроводность и т. д.

• См.  при ст.  Дефекты.

ВАКУУМ (от лат. vacuum — пустота), состояние газа при давлении меньше атмосферного. Понятие «В.» приме-

60

 

 

няется к газу в замкнутом или отка­чиваемом сосуде, но нередко распро­страняется и на газ в свободном пр-ве, напр. к космосу. Степень В. опреде­ляют, измеряя величину давления остаточных газов. Физич. характери­стикой В. является соотношение между длиной свободного пробега l молекул газа и размером d, характер­ным для каждого конкретного про­цесса или прибора (расстояние меж­ду стенками вакуумной камеры, диа­метр вакуумного трубопровода, рас­стояние между электродами электро­вакуумного прибора и т. п.). Величина l равна отношению ср. скорости v молекулы к числу z столкновений, испытываемых ею за ед. времени; её можно выразить через радиус моле­кулы r и число молекул n в ед. объёма: l=0,056/r²n.

В зависимости от величины отно­шения l/d различают низкий В. l/d<<1), средний В. (l/d~1) и высо­кий В. (l/d>>1). В обычных вакуум­ных установках и приборах (d»10 см) низкому В. соответствуют давления р>1 мм рт. ст., среднему В.— от 1 до 10^{-3 мм рт. ст. и высокому В.— р<10-3 мм рт. ст. В порах или каналах диам.~}1 мкм высокий В.

соответствует р от десятков до сотен мм рт. ст., а в камерах для имитации косм. пр-ва размером в десятки м граница между средним и высоким В. достигала бы ~10^{-5 мм рт. ст.}

В сверхвысоком В. (р<10^-8мм рт. ст.) не происходит заметного измене­ния св-в поверхности первоначально свободной от адсорбиров. газа, за вре­мя, существенное для данного процес­са. Понятие сверхвысокого В. связано не с величиной отношения l/d, а со временем t, необходимым для образова­ния мономол. слоя газа на поверх­ности тв. тела в В., к-рое обратно пропорц. давлению. При р~-10^{-6 мм рт. ст.} t~1 с. При других давлениях оно может оцениваться по ф-ле: t=10^-6/р, к-рая справедли­ва, если каждая молекула газа, соударяющаяся с поверхностью, остаёт­ся на ней (коэфф. захвата 1). В боль­шинстве случаев, однако, коэффици­ент захвата меньше 1, и т увеличива­ется.

Св-ва газа в низком В. определяют­ся частыми столкновениями между молекулами газа в объёме, сопровож­дающимися обменом энергией. Поэто­му течение газа в низком В. носит вязкостный хар-р, а явления переноса (теплопроводность, внутреннее тре­ние, диффузия) характеризуются плав­ным изменением (или постоянством) градиента переносимой величины. Напр., темп-pa газа в пр-ве между го­рячей и холодной стенками в низком В. изменяется постепенно, и темп-pa газа у стенки близка к темп-ре стенки. При прохождении тока в низком В. определяющую роль играет иониза­ция молекул газа.

В высоком В. поведение газа опре­деляется столкновениями его моле­кул со стенками или другими тв. те­лами; столкновения молекул друг с другом происходят редко и играют второстепенную роль. Движение мо­лекул между тв. поверхностями про­исходит по прямолинейным траекто­риям (мол. режим течения). Явления переноса характеризуются скачком пе­реносимой величины на границе; напр., во всём пр-ве между горячей и холодной стенками примерно полови­на молекул имеет скорость, соответ­ствующую темп-ре холодной стенки, а остальные — ско­рость, соответст­вующую темп-ре горячей стенки, т. е. ср. темп-pa газа во всём пр-ве оди­накова и отлична от темп-ры как го­рячей, так и хо­лодной стенок. Кол-во переноси­мой величины (те­плоты) прямо про­порц. р. Прохо­ждение тока в вы­соком В. возмож­но в результате электронной эмиссии с электродов. Ионизация молекул газа существенна только в тех случаях, когда длина пробега эл-нов становится значительно больше расстояния между электрода­ми. Это достигается при движении заряж. ч-ц по сложным траекториям, напр. в магн. поле, или при их колебат. движении ок. электрода. Св-ва га­за в среднем В. явл. промежуточными.

• Д э ш м а н С., Научные основы вакуум­ной техники, пер. о англ., М., 1964; Г р о ш к о в с к и й Я., Техника высокого вакуума, пер. с польск., М., 1975; Основы вакуумной техники, М., 1975; Тренделенбург Э., Сверхвысокий вакуум, пер. с нем., М., 1966; Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении, под ред. Г. Л. Саксаганского, М., 1976.

А. М. Родин.

ВАКУУМ ФИЗИЧЕСКИЙ, в кванто­вой теории поля — низшее энергетич. состояние квантованных полей, ха­рактеризующееся отсутствием к.-л. ре­альных ч-ц. Все квант. числа В. ф. (импульс, электрич. заряд и др.) равны нулю. Однако возможность вир­туальных процессов в В. ф. приводит

к ряду специфич. эффектов при вз-ствии реальных ч-ц с вакуумом (см. Сдвиг уровней, Квантовая теория по­ля). Понятие «В. ф.» явл. одним из основных в том смысле, что его св-ва определяют св-ва всех остальных сос­тояний, т. к. любое из них может быть получено из вакуумного действием операторов рождения ч-ц. В ряде слу­чаев, напр. при спонтанном наруше­нии симметрии, вакуумное состоя­ние оказывается не единственным (т. е. вырожденным) — существует непре­рывный спектр таких состояний, от­личающихся друг от друга числом т. н. голдстоуновских бозонов.

А. В. Ефремов.

ВАКУУММЕТР (от вакуум и греч. metreo — измеряю), прибор для изме­рения давлений газов ниже атмосфер­ного в диапазоне от 760 до 10^{-13 мм рт. ст. (105}—10^-11 Па). Универс. метода измерений, охватываю­щего весь этот диапазон, не сущест­вует; используются разл. физ. зако­номерности, связанные (прямо или косвенно) с давлением газа. Сущест­вуют В. жидкостные, деформационные, компрессионные, радиометрические, вязкостные, тепловые, ионизацион­ные и др. Каждый из этих типов В. рассчитан на измерение в определ. об­ласти давления (рис. 1).

Рис. 1. Диапазоны измерения давления разл. вакуумметрами (штрихи — предельные дав­ления).

 

Все В. могут быть разделены на две группы: абсолютные и относительные. Абсолютные измеряют непосредст­венно давление р, их показания не за­висят от рода газа. Ниж. предел дав­лений абс. В. 10^{-6 мм рт. ст. (10-4}Па). К ним относятся жидкостные, дефор­мационные и компрессионные В. Относит. В. измеряют величины, зави­сящие от давления; они градуируются по абсолютным образцовым В., их показания зависят от рода газа. К ним относятся тепловые, ионизационные, вязкостные и радиометрические В.

В жидкостных В. [диапазон измерений 760—10^{-2 мм рт. ст. (105}—

61

 

 

Рис. 2.  Схема жидкостного вакуумметра.

 

1 Па)] измеряемое давление или раз­ность давлений уравновешивается дав­лением столба жидкости. В. представ­ляет собой U-образную трубку, за­полненную жидкостью (Hg или ваку­умные масла). В одном из колен труб­ки находится газ при измеряемом дав­лении р, в другом — при известном давлении р_к. Разность давлений в ко­ленах уравновешивается столбом жид­кости высотой h, т. е. (р-р_к)=gr^h, где r — плотность жидкости, a g — ускорение свободного падения. При­меняют В. с открытым и закрытым коленом (рис. 2). В первом случае р_к=р_атм и измеряется разность меж­ду атмосферным и измеряемым дав­лениями. Во втором случае р_к при­равнивается к нулю и измеряется абс. давление газа. Масляные В. более чувствительны, т. к. плотность масла примерно в 15 раз меньше плотности Hg (но масла хорошо растворяют газы).

В деформационном В. дав­ление или разность давлений опреде­ляется по деформации упругого дат­чика (сильфон, мембрана, спиральная трубка). Опорным давлением также служит атмосферное или очень малое давление (меньше измеряемого во много раз).

Компрессионный В.— ма­нометр Мак-Леода, основан на Бойля— Мариотта законе: рv=const. Осн. части прибора (рис. 3): измерит. бал­лон 1 с известным объёмом V; трубка 3, соединяющая прибор с системой, в к-рой измеряется давление; два ка­пилляра одинакового диаметра d, один из к-рых 2 соединён с объёмом V, а другой — с соединит. трубкой 4.

Рис. 3. Схема компрессионного вакуумметра: а — перед измерением; б — измерение по методу линейной шкалы.

 

Сни­зу вводится жидкость (обычно Hg), к-рая отсекает в объёме V₀ газ при измеряемом давлении р и затем сжи­мает его в малом объёме V₁ запаянного капилляра до давления р₁>>р. Дав­ление p₁ определяется по разности уровней h жидкости в капиллярах, а измеряемое давление р — из соот­ношения:

p=(V₁/V₀)p₁»(V₁/V₀)h.

Диапазон измеряемых давлений 10— 10^{-6 мм рт. ст. (103}—10^-3 Па). Ком­прессионный В.— абсолютный, по­грешность его измерения может быть сведена до 1—2%. Он используется в кач-ве образцового для градуировки В. др. типов.

В радиометрическом В. между двумя пластинами в газе, име­ющими разные темп-ры, возникают силы отталкивания (см. Радиометри­ческий эффект). Отклонение пластин пропорц. давлению газа, если расстоя­ние d между ними меньше ср. длины свободного пробега l, молекул газа. Область измерения: 10^-2—10^{-8 мм рт. ст. (1—10-6} Па). Верх. предел определяется давлением, при к-ром l становится сравнима с d; ниж. предел обусловлен соотношением между радиометрич. силой и силой давления на холодную пластину ИК излучения нагретой пластины. Конструктивные разновидности ра­диометрич. В.— манометры, создан­ные дат. физиком М. Кнудсеном и др.

Действие вязкостного В. ос­новано на зависимости вязкости раз­реженного газа от его давления, если l больше или сравнима с размерами датчика (манометрич. преобразова­теля). Существуют два типа вязкост­ных В. В колебательном В. мерой давления газа явл. время затухания свободных колебаний вибратора, обыч­но кварцевой нити, закреплённой с од­ного или двух концов или соединён­ной с мембраной. В В. с вращающим­ся элементом момент силы от быстро вращающегося элемента передаётся через газ к неподвижному элементу, подвешенному на чувствит. подвеске. Угол закручивания последнего явл. мерой давления. В кач-ве рабочих элементов используются диски и коак­сиальные цилиндры. Диапазон изме­ряемых давлений 10^-2—10^-7мм рт. ст. (1—10^-5 Па).

Действие тепловых В. осно­вано на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. В гер­метичном баллоне расположена тон­кая нить, нагреваемая электрич. то­ком. При изменении давления изме­няется теплоотвод от нити. Если под­держивать постоянным ток I накала нити, то изменение давления вызовет изменение её темп-ры Т_н. Можно Т_н поддерживать постоянной, тогда мерой давления служит ток I, подавае­мое на нить напряжение или подводи­мая к ней мощность. Ур-ние теплового баланса В.: I²R=Q_т+Q_и+Q_н, где R — сопротивление нити, Q_T, Q_и, Q_н— теплота, отводимая от нити за счёт теплопроводности газа, излучения ни­ти и нагрева держателей нити. Послед­ние два вида тепловых потерь не за­висят от давления и определяют ниж. предел измерения, когда Q_т стано­вится меньше Q_и+Q_н. Обычно этот предел ~10^-2—10^{-4 мм рт. ст. (1 — 10-2} Па). Верх. предел обусловлен тем, что при больших давлениях в вяз­костном режиме теплопроводность га­за перестаёт зависеть от давления. Зависимость теплопроводности от дав­ления имеет место только в мол. и молекулярно-вязкостном режиме, ког­да l, превышает радиус нагреваемой нити. В режиме пост. темп-ры верх. предел может быть доведён до 50— 100 мм рт. ст. (~10⁴ Па). Различают термопарные В., где темп-pa нити измеряется присоединённой к ней термопарой, и В. сопротивления (Пирани), в к-рых темп-pa нити опреде­ляется по её сопротивлению R.

В ионизационных В. ме­рой давления явл. величина ионного тока. В радиоизотопных В. для иони­зации газа используются a- и b-частицы. Датчик содержит цилиндрич. коллектор ионов, анод и радиоакт. источник (напр., ²³⁸Pu). Ионы, об­разующиеся в результате столкнове­ний a-частиц с молекулами газа, дви­жутся к коллектору под действием напряжения (50—150 В), приложен­ного между анодом и коллектором. Интенсивность потока a-частиц по­стоянна, и ионный ток пропорц. дав­лению: I_и=кр, где к — чувствитель­ность В. Для разных конструкций к лежит в пределах от 10^-6 до 10^-12А/мм рт. ст. Верх. предел измерений огра­ничивается тем, что пробег частиц становится меньше размеров датчика. Для расширения верх. предела до 760 мм рт. ст. (до 10⁵ Па) уменьшают размеры датчика. Ниж. предел изме­рения определяется током, обуслов­ленным попаданием на коллектор час­тиц, выбивающих вторичные эл-ны. Этот предел ~10^-4—10^{-3 мм рт. ст. (10-2}—10^-1 Па).

В электронном иониза­ционном В. ионизация газа осу­ществляется электронным ударом. Эл-ны, эмиттируемые накалённым като­дом (НК), движутся к цилиндрич. аноду А (рис. 4, а) и ионизуют газ. Образовавшиеся ионы собираются на цилиндрич. коллекторе К, имеющем отрицат. потенциал относительно ка­тода (от -25 до -100 В). Ионный ток I_и—Si_lp, где i_l — ток термоэлект­ронной эмиссии (0,05—10 мА), S — уд. чувствительность. Диапазон из­мерения 10^-2—5•10^-8мм рт. ст. (1 — 5•10^-6 Па). Верх. предел связан со сроком службы катода, отклонением от линейной зависимости I_и от р за счёт рекомбинации ионов и эл-нов

62

 

 

Рис. 4. Схемы электрон­ных ионизационных манометрич. преобразователей: НК — катод; К — коллек­тор ионов; А — анод; 9 — экран; М — модулятор; Р — рефлектор; Д — деф­лектор; О — отражатель.

 

и уменьшения l до ве­личины, меньшей тра­ектории эп-нов. Ниж. предел измеряемых давлений связан с фо­тоэлектронным током с коллектора под дей­ствием рентг. излуче­ния, возникающего при электронной бомбардировке анода.

Для измерения сверхвысокого ва­куума применяются спец. конструкции ионизац. В., где этот ток снижен. Наиболее распространён манометр Байярда — Альперта (рис. 4, б), где коллектор расположен по оси цилиндрич. анодной сетки, а катод —. вне этой сетки. При этом на коллектор попадает лишь малая часть рентг. квантов; ниж. предел В. ~10^{-10 мм рт. ст. (10-8} Па).

Модулируя ионный ток с помощью дополнит. модулирующего электро­да — тонкого стержня, расположен­ного между анодом и коллектором (рис. 4, в), удаётся измерять вакуум до 10^{-11 мм рт. ст. (10-9} Па). Подав­ление фонового тока с коллектора электрич. полем дополнит. электрода (супрессора) в сочетании с мо­дуляцией позволяет измерять ещё бо­лее низкие давления.

Существуют В., где коллектор эк­ранирован от рентг. излучения. В экстракторном манометре канад. учё­ного Редхеда (рис. 4, г) ионы из пр-ва ионизации вытягиваются через от­верстия в экране и при помощи полусферич. рефлектора Р (находящегося под потенциалом анода) фокусируются на тонкий проволочный коллектор. В манометре Хельмера (рис. 4, е) ионный поток, выходящий из отвер­стия в экране, отклоняется с по­мощью 90-градусного угл. электро­статического дефлектора Д и направ­ляется к коллектору. В вакуумметре Грошковского тонкий проволочный коллектор расположен напротив от­верстия в торце анодной сетки и за­щищён от рентг. излучения стеклян­ной трубкой (рис. 4, д). Эфф. собира­ние ионов обеспечивается большим отрицат. потенциалом коллектора отно­сительно катода (~350 В). С помощью описанных В. удаётся измерять дав­ления до 10^{-12 мм рт. ст. (10-10} Па) и в отд. случаях до 10^{-13 мм рт. ст. (10-11} Па).

Уменьшение ниж. предела может быть достигнуто увеличением длины пробега эл-нов. Это даёт возможность при малом электронном токе и, сле­довательно, уменьшенном фоновом то­ке обеспечить высокую чувствитель­ность. В орбитронном В. (рис. 4, ж)

увеличение траектории достигается с помощью логарифмич. электрич. поля, создаваемого двумя концентрич. ци­линдрами (внутренний — анод, внеш­ний — коллектор). Эл-ны, эмиттируемые катодом и получившие значит. момент кол-ва движения относительно оси благодаря рефлектору, вращаются без захвата по вытянутым орбитам вокруг анода. Ниж. предел измере­ния: 10^{-12 мм рт. ст. В ионизацион­ном магнетронном В. (манометре Лафферти) удлинение траектории эл-нов}

Рис. 5. Схема магнитных электроразрядных манометрич.  преобразователей.

 

достигается с помощью магн. поля (рис. 4, з). Этим прибором можно из­мерять давления до 10^{-13 мм рт. ст. В магнитном электро­разрядном В. используется за­висимость от давления тока самостоят. разряда, возникающего в разрежен­ном газе в скрещённых магн. и элект­рич. полях. Существует неск. конст­руктивных вариантов прибора. В ма­нометре Пеннинга разрядный проме­жуток образуется двумя параллель­ными пластинами К (катоды) и рас­положенным между ними кольцевым или цилиндрич. анодом А (рис. 5, а).}

Рис. 6. Траек­тории эл-нов в инверсно - магнетронном ваку­умметре.

 

В магнетронном В. (рис. 5, б) и инверсно-магнетронном В. (рис. 5, в) катод и анод — два соосных цилинд­ра. Под действием электрич. Е и магн. Н полей эл-ны движутся таким образом, что их попадание на анод А

может происходить только в резуль­тате столкновений с молекулами газа (рис. 6). Образовавшиеся при этом вторичные эл-ны движутся по анало­гичным траекториям, а ионы, попа­дая на катод К, вызывают на нём ионно-электронную эмиссию. В ре­зультате в разрядном промежутке возникает самостоятельный разряд. Зависимость разрядного тока I от давления определяется ф-лой: I=крⁿ, где к и n — постоянные прибора.

Верх. предел измерения магн. электроразрядных В.~10^-2—10^{-1 мм рт. ст. (1—10-1} Па) ограничен тем, что в цепь высоковольтного питания включено балластное сопротивление (для предотвращения перерастания разряда в дуговой). Оно ограничивает макс. ток величиной I_б£1—2 мА. С ростом давления разрядный ток перестаёт изменяться, когда его ве­личина становится соизмеримой с то­ком I_б. Ниж. предел измерений свя­зан с возможностью зажигания и поддержания тлеющего разряда при низких давлениях, а также с фоновым током, создаваемым за счёт автоэлект­ронной эмиссии с участков катода, расположенных вблизи анода (фон ~10^{-11 мм рт. ст.). При В ~400 Гс и анодном напряжении} U_а~2—3 кВ предельный вакуум составляет 10^-6— 10^-7мм рт. ст. (10^-4—10^-8 Па). Уве­личивая разрядный промежуток, по­вышая U_a до 5—6 кВ и В до 1000 Гс и экранируя катод, можно измерить давление ~10^{-13 мм рт. ст.}

• Л е к к Дж., Измерение давления в ва­куумных системах, пер. с англ., М., 1966; Востров Г. А., Розанов Л. Н., Ва­куумметры, М., 1967; Ничипорович Г. А., Вакуумметры, М., 1977.

Г. А. Ничипорович.

ВАКУУМНАЯ  СПЕКТРОСКОПИЯ,

спектроскопия коротковолновой УФ области и мягкого рентгеновского из­лучения (от 2•10² до 0,4—0,6 нм). В этой, т. н. вакуумной, области спектра воздух обладает сильным поглощением, и для исследования спектров в ней применяют вакуум­ные спектральные приборы, оптич. части и приёмник которых поме­щены в вакуумированную (до 10^{-5 мм рт. ст.) камеру или камеру, напол­ненную инертным газом.}

Спектры, наблюдаемые в b. c., об­условлены электронными квантовыми переходами в одно- и многократно ионизов. атомах, а также в нек-рых молекулах. В b. с. изучают спектры испускания и поглощения для полу­чения информации об уровнях энер­гии ионов и молекул, для система­тики спектров. Методы В. с. исполь­зуют для изучения процессов в высо­котемпературной плазме. Исследова­ние с помощью методов В. с. много­зарядных ионов имеет большое зна­чение для расшифровки спектров звёзд, туманностей и др. космических объектов.

63

 

 

Спектр. приборы и методы b.c. обладают рядом специфич. особеннос­тей. Не существует оптич. материа­лов, прозрачных во всей вакуумной области, поэтому, напр., приборы с призмами и линзами из кристаллов LiF и CaF₂ применяются лишь до длин волн 1,1•10² и 1,25•10² нм. В бо­лее KB области в кач-ве оптич. эле­ментов применяются дифракц. решёт­ки (в т. ч. кристаллы, напр. слюда).

Для фотографирования спектров в В. с. применяют т. н. шумановские фотопластинки с большим содержа­нием бромистого серебра и очень ма­лым содержанием желатины (жела­тина фотоэмульсии обычных пласти­нок обладает сильным поглощением в вакуумной области). Применяют также сенсибилизиров. фотопластин­ки. В кач-ве приёмников в В. с. ис­пользуются и счётчики ионизирующих излучений.

Источником излучения в В. с. обычно служит высоковольтная ва­куумная, или «горячая», искра, полу­чаемая при напряжении св. 5•10⁴ В в искровом промежутке ок. 1 мм.

• См. лит. при ст.   Ультрафиолетовая спек­троскопия.  Рентгеновская  спектроскопия.

ВАКУУМНЫЙ НАСОС, устройство для удаления газов и паров из замк­нутого объёма с целью получения ва­куума. В. н. делятся на проточные, к-рые удаляют газ из откачиваемого объёма наружу, и сорбционные, свя­зывающие газ внутри насоса. Сущест­вуют также спец. имплантационные, палладиевые и каталитич. В. н. для откачки водорода. Осн. параметры В. н.: 1) предель­ное остаточное дав­ление р_ост; 2) бы­строта откачки S — объём газа, откачи­ваемый в ед. вре­мени при определ. впускном давлении

Рис. 1. Области дейст­вия разл. типов ваку­умных насосов: 1 — водокольцевых; 2 — поршневых; 3 — паро-масляных бустерных; 4 — механических бустерных; 5 — диффу­зионных; 6 — сорбционных.

 

3) производительность Q — кол-во газа (помимо паров рабочей жид­кости), удаляемое В. н. в ед. време­ни при определённом p_вп(Q=Sр_вп); 4) наибольшее давление запуска р_зап, при к-ром В. н. может начать рабо­тать; 5) наибольшее выпускное дав­ление p_макс, при к-ром В. н. ещё может осуществлять откачку. В. н. бывают форвакуумные (для создания в системе низкого и среднего вакуума при р_зап=760 мм рт. ст.) и высоко­вакуумные, создающие высокий и

сверхвысокий вакуум, иногда между ними ставят промежуточный (бустерный) В. н. (рис. 1).

По принципу действия проточные В. н. подразделяются на механиче­ские, струйные (эжекторные и паро­струйные), молекулярные (турбомолекулярные) и ионные. Механиче­ские В. н.— форвакуумные, они ос­нованы на всасывании откачиваемого газа при периодич. увеличении объёма рабочей камеры и выталкивании газа на выход при уменьшении этого объё­ма и сжатии газа до давлений, доста­точных для открывания выпускных клапанов.

Рис. 2. Поршневой насос: V₀ — отка­чиваемый объём; П — поршень.

Рис. 3. Враща­тельный водокольцевой насос.

 

Механич. В. н. бывают поршневые (рис. 2) и вращательные. Во вращательных водокольцевых В. н. (рис. 3) вода центробежной си­лой прижимается к стенкам корпуса, образуя водяное кольцо 7 и рабочую камеру 2 (свободную от воды). Газ откачивается в результате изменения объёма рабочей камеры между лопат­ками ротора. Эти насосы могут отка­чивать смесь газа с парами воды, запылённые газы, кислород и др. взрывоопасные газы.

Рис. 4. Многопластинчатый насос.

       

Многопластин­чатые В. н. (рис. 4) также содержат эксцентрично расположенный ротор, в прорези к-рого вставлены пластины, прижимаемые центробежной силой к

внутр. поверхности корпуса. При этом образуются рабочие ячейки с изменяю­щимся объёмом. У наиболее распро­странённых вращат. В. н. (рис. 5) — насосах Геде, внутр. объём заполнен маслом, к-рое служит смазкой и пре­пятствует натеканию воздуха в об­ласть низкого давления за счёт обра­зования плёнки между вращающи­мися и неподвижными частями. Кон­денсация или растворение газов и па-

Рис. 5. Вращательные масляные насосы: а — пластинчато-роторный; б — пластинчато-статорный; в — плунжерный; 1 — ста­тор; 2 — ротор; 3 — разделительная плас­тина; 4 — пружина; 5 — выпускной клапан; 6 — рычаг; 7 — плунжер; 8 — золотник.

 

ров в масле ухудшает параметры В. н. Это предотвращается напуском в рабочую камеру В. н. (после отде­ления её от впускного отверстия) атм. воздуха в таком кол-ве, чтобы к мо­менту выхлопа парц. давление паров не достигало давления насыщения.

Рис. 6. Двухроторный насос    (насос Рутса).

Действие двухроторных В. н. (насоса Рутса) основано на встречном враще­нии двух роторов (рис. 6) (предварит. разрежение 5—1 мм рт. ст.).

В   струйных   В.н. откачивае­мый газ всасывается струёй жидкости

64

 

 

или пара. Различают эжекторные (вихревые) и пароструйные В. н. В эжекторных В. н. газ увлекается турбулентной струёй жидкости (воды) или пара (воды или ртути), истекаю­щей со сверхзвук. скоростью из сопла эжектора (рис. 7) за счёт турбулент­ного перемешивания или вязкостного трения граничных слоев струи и от­качиваемого газа в камере смешения. Парогазовая смесь из камеры смешения поступает в расширяющийся диф­фузор, где скорость потока умень­шается, а статич. давление становится значительно выше, чем давление вса­сывания.

Рис.  7.  Пароструйный насос.

 

В вихревых В. н. исполь­зуется разрежение, развивающееся вдоль оси вихревого потока, созда­ваемого сжатым воздухом или пере­гретым паром.

В пароструйных В. н.— насо­сах Ленгмюра (рис. 8) струя пара 2 (ма­сло, Hg), истекая с большой скоростью

Рис.    8.    Насос Ленгмюра.

из сопла 1, захватывает откачиваемый газ, увлекает его к охлаждаемым стен­кам рабочей камеры 3, где пар кон­денсируется. Конденсат по сливной трубе 4 возвращается в кипятильник 5. Газ, увлекаемый струёй к стенкам

камеры, сжимается и выбрасывается к форвакуумному насосу. Захват газа (в диапазоне р~10^-1—10^{-2 мм рт. ст.) происходит за счёт вязкост­ного трения между поверхностными слоями струи и прилегающими слоями газа; при р<10-3 мм рт. ст.— за счёт диффузии газа в струю и конвективного переноса молекул газа струёй в сторону форвакуума. При этом часть молекул откачиваемого газа, стал­киваясь с движущимися навстречу бо­лее тяжёлыми (рассеянными из струи) молекулами пара, отражается обрат­но. Часть газа, попавшего в струю, оказывается растворённой в конден­сате и вместе с ним попадает в кипя­тильник, откуда затем выносится с па­рами через сопло. Этот процесс огра­ничивает получаемое р}_ост. Для очист­ки конденсата от растворённого в нём газа применяется фракционирование рабочей жидкости внутри насоса. Хар-ки пароструйных В. н. зависят как от св-в рабочей жидкости, так и от массы молекул и откачиваемого газа. В составе остаточных газов, помимо паров Н₂O, СО, СO₂ и О₂, есть мно­жество углеводородных соединений и радикалов с массовым числом до 250 или пары Hg. Применяя в этих В. н. ловушки, удаляют углеводороды и пары Hg, что позволяет получить более низкое p_ост. Пароструйные В. н. делятся на бустерные (вязкост­ное трение и диффузия) и диффузион­ные (молекулярный режим).

В турбомолекулярных В. н. молекулы откачиваемого газа увлекаются быстро вращающимся ро­тором (скорость к-рого сравнима со скоростью теплового движения моле­кул), улавливаются и удаляются из откачиваемого объёма. Перепад дав­ления между входом в насос и выхо­дом из него пропорц. скорости и длине движущейся поверхности, соприка­сающейся с потоком газа, и мол. весу газа. Такой насос напоминает гори­зонтальный (рис. 9) или вертикаль­ный осевой многоступенчатый ком­прессор. Роторные и статорные диски такого насоса имеют радиальные косые прорези, боковые стенки к-рых на­клонены относительно плоскости дис­ка под углом 15—90°, причём прорези роторных дисков зеркальны относи­тельно прорезей статорных дисков. При быстроте вращения ротора 6 600— 90 000 об/мин молекулы газа полу­чают дополнит. скорость и увлекаются в каналы, образуемые прорезями в дисках, в направлении откачки. Осн. остаточный газ — Н₂; есть небольшое кол-во СО, N₂ и СO₂; тяжёлые угле­водородные соединения не обнаружи­ваются.

В сорбционных В.н. газ обычно остаётся внутри В.н. в свя­занном виде на сорбирующих поверх­ностях или в подповерхностных слоях; S пропорц. площади сорбирующей по­верхности; p_ост зависит от процессов десорбции. Сорбц. В. н. подразде­ляются на адсорбционные, сорбционные с термич. распылением (геттерные, сублимационные), сорбционные с нераспыляемым геттером (ленточ­ные), сорбционно-ионные (геттерно-ионные, ГИН), магниторазрядные (насос Пеннинга, ионно-распылительный) и криогенные. Возможны комбинации сорбционных геттерных В. н.

В адсорбционных В.н. связывание газа происходит на по­верхностях пористых материалов (цеолит, реже активный уголь, силикагель) при темп-ре окружающей среды или пониженной (113—77 К).

Исполь­зуются они как самостоятельные с p_ост~10^{-9 мм рт. ст. (10-7} Па) или как форвакуумные насосы с р_ост от 60 до 10^{-4 мм рт. ст. (до 10-2} Па).

В сорбционных испарительных (геттерных) В. н. поглощающая поверх­ность создаётся напылением химически активных металлов (Ва, Ti, Zr, Та, Mo и др.). Образующиеся плёнки по­глощают большинство газов, присут­ствующих в вакуумных системах (O₂, СO, СО₂, пары Н₂O), за счёт образо­вания хим. соединений, хемосорбции (Н₂) и растворения. Инертные газы и углеводороды практически не поглощаются, их удаляют вспомога­тельным пароструйным В. н. или ион­ной откачкой. Но полностью освобо­диться от углеводородов (напр., от СН₄) не удаётся, они синтезируются на поверхности плёнки поглотителя, играющей роль катализатора. Это не позволяет получить р_ост меньше 10^-9—10^{-11 мм рт. ст. Однако при напылении} Ti на охлаждаемые (ниже 77 К) поверхности не только сни­жается кол-во Н₂ и др. газов, но и прекращается образование СН₄, что позволяет получить p_ост~10^-11—10^{-13 мм рт. ст. Такие насосы требуют} p_зап~10^{-4 мм рт. ст. и в сочетании с диффузионным или магниторазрядным В. н. создают сверхвысокий ва­куум при} S до 10⁶ л/с.

В сорбционных нераспыляемых (ленточных) В. н. поглощение осу­ществляется за счёт хемосорбции плёнкой высокопористых сплавов ак­тивных металлов и композитных мате­риалов (напр., Zr+Al), наносимой в виде мелкодисперсного порошка на металлич. и диэлектрич. подложки. Такой геттер обладает интенсивным

65

 

 

диффузионным переносом сорбиров. газов в толщу плёнки, возрастающим с повышением темп-ры. Такие насосы позволяют получить р_ост~10^-11 — 10^{-13 мм рт. ст. при откачке активных тазов при} S_уд до 1 л/с•см².

В сорбционно-ионных В.н. молекулы газа ионизуются при соу­дарении с эл-нами, эмиттированными накалёнными катодами. В В. н. типа ГИН положит. ионы, ускоренные электрич. полем, внедряются в покрываю­щий стенки насоса слой конденсиро­ванного сорбента и «замуровываются» его свежими слоями (рис. 10).

Рис. 10. Геттерно-ионные насосы ГИН; 1 — центр. анод; 2 — прогреваемый анод; 3 — катоды; 4 — прямоканальные испари­тели.

 

В насо­сах типа «Орбитрон» электрич. поле несимметрично относительно корпуса насоса и катода, и эмиттируемые ка­тодом эл-ны движутся по орбитам достаточно долго, что увеличивает вероятность ионизации. Кроме того, часть эл-нов, траектории к-рых про­ходят вблизи центрального титанового стержневого анода, попадает на него, разогревая его до темп-ры, до­статочной для сублимации Ti.

Рис.   11.   Ячейка  Пеннинга.

 

При р<10^{-6 мм рт. ст. испаряется неск. атомов} Ti на одну молекулу откачи­ваемого газа; S достигает 10⁶ л/с. При р>10^{-6 мм рт. ст. скорость ис­парения} Ti недостаточна для обеспе­чения его избытка на поверхности поглощения, и 5 резко падает; р_зап~10^{-4 мм рт. ст.}

В магниторазрядных В. н. рабочим элементом явл. газо­разрядная ячейка — ячейка Пен­нинга, состоящая из «ячеистого» анода (рис. 11), расположенного меж­ду катодными пластинами, покрытыми Ti. Ячейка помещена в магн. поле В~900—3000 Гс, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды высокого напряжения (от 3 до 7 кВ) между ними зажигается разряд, эл-ны движутся по сложным спиралям, что увеличивает вероят­ность ионизации в высоком вакууме (~10^-12—10^{-14 мм рт. ст.). Ускорен­ные электрич. полем ионы бомбарди­руют катоды, вызывая катодное рас­пыление; при этом часть ионов внед­ряется в катоды, а часть — нейтрали­зуется и, обладая достаточной энер­гией, отражается от поверхности ка­тода, попадает на анод и «замуровы­вается» распыляемым материалом ка­тодов. Активные газы откачиваются сорбционным и ионным способами, инертные — ионным, причём часть их «замуровывается» на аноде. Величина разрядного тока в этих насосах пропорц. давлению,} S зависит от числа ячеек (каждую ячейку можно рас-

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВАКУУМНЫХ  НАСОСОВ

сматривать как самостоят. насос с S от 0,25 до 1 л/с).

Действие криогенных (конденса­ционных) В. н. основано на конден­сации и адсорбции паров и газов на поверхностях, охлаждаемых до низ­ких темп-р, когда давление насыщ. паров откачиваемого в-ва ниже дав­ления, к-рое необходимо создать в от­качиваемом объёме. Криогенный В. н, состоит из: криопанели; защитного экрана, охлаждаемого до темп-р, про­межуточных между темп-рой криопанели и стенки корпуса, и служащего для снижения тепловых нагрузок на криопанель от теплового излучения стенок корпуса насоса; системы ох­лаждения. Для откачки газов, не­конденсируемых в насосе, применяют вспомогательный пароструйный насос с ловушкой или сорбционно-ионный насос.

• Дэшман С., Научные основы вакуум­ной техники, пер. с англ., М., 1964; Пау­эр Б. Д., Высоковакуумные откачные уст­ройства, пер. с англ.,М.,1969; Пипко А.И., Основы вакуумной техники, 2 изд., М., 1981; Грошковский Я., Техника высокого вакуума, пер. с польск., М., 1975; III у м с к и й К. П., Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения, 2 изд., М., 1974; Контор Е. И., Геттерные и ионно-геттерные насосы, М., 1977; Василь­ев Г. А., Магниторазрядные насосы, М., 1970; Минайчев В, Е., Вакуумные крионасосы, М., 1976.

Е. И. Контор.

ВАКУУМНЫЙ ПРОБОЙ, процесс воз­никновения самостоятельного разряда при высокой разности потенциалов между электродами, находящимися первоначально в таком вакууме, при к-ром длины пробега ч-ц много больше межэлектродного расстояния, так что объёмная ионизация остаточного газа практически отсутствует. Развитие В. п. может начаться с теплового взрыва естественных (или искусствен­ных) микроостриёв на катоде (см. Взрывная электронная эмиссия) за счёт токов автоэлектронной эмиссии. При этом вблизи катода образуется облако плазмы. Бомбардируемый эл-нами плазмы анод разогревается и поставляет в пр-во пары металла, ионизация к-рых приводит к возник­новению разряда. Если мощность ис­точника тока достаточно велика, то заключит. стадией В. п. явл. вакуум­ная дуга. Развитию В. п. могут спо­собствовать диэлектрич. вкрапления и адсорбиров. плёнки на поверхности электродов.

Л. А. Сена.

ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА, энергетич. об­ласть разрешённых электронных со­стояний в тв. теле; при абс. нуле темп-ры целиком заполнена валент­ными эл-нами (см. Зонная теория). Эл-ны В. з. дают вклад в энергию связи кристалла, его диэлектрическую проницаемость, определяют погло­щение света в кристалле; в электро­проводности и др. процессах переноса эл-ны заполненной В. з. при Т¹0К участия не принимают. Под влиянием теплового движения (Г¹0К), а также внеш. воздействий (освещение, облу­чение эл-нами, введение примесей и т. п.) обычно небольшая часть эл-нов

66

 

 

переходит из В. з. в проводимости зону или на примесные уровни в за­прещённой зоне. В результате в верх. части В. з. появляется нек-рое число незаполненных электронных состоя­ний (дырок), и эл-ны В. з. получают возможность участвовать в электро­проводности.

• См. лит.   при ст. Твёрдое тело.

Э. М. Эпштейн.

ВАЛЕНТНОСТЬ (от лат. valentia — сила), способность атомов элементов к образованию химических связей; ко­личественно характеризуется числом. В. можно рассматривать как способ­ность атома отдавать или присоеди­нять определ. число эл-нов внеш. электронных оболочек (валентных эл-нов). В случае ионной связи В.— это число отданных или присоединённых данным атомом эл-нов; в случае ковалентной связи В. равна числу об­обществлённых электронных пар. Мн. элементы могут иметь различную В. в зависимости от того, в какие соеди­нения они входят. В этом случае часто пользуются термином «степень окисления», или «окислительное чис­ло». Иногда В. явл. понятием услов­ным и не может быть количественно охарактеризована.

• См. лит. при ст. Молекула.

В. Г. Дашевский.

ВАН-ДЕ-ГРААФА   ГЕНЕРАТОР,   см. в ст. Электростатический генератор.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА УРАВНЕНИЕ,

одно из первых уравнений состояния реального газа. Предложено в 1873 голл. физиком Я. Д. Ван-дер-Ваальсом (J. D. van der Waals). Для моля газа, имеющего объём V при темп-ре Т и давлении р, имеет вид:

(p+a/V²)(V-b)=RT,

где R — универсальная газовая по­стоянная, а a и b — эксперим. кон­станты, учитывающие отклонение св-в реального газа от св-в идеального. Так, член a/V² имеет размерность дав­ления и учитывает притяжение моле­кул в результате межмолекулярного взаимодействия, а константа b — по­правка на собств. объём молекул, учитывающая отталкивание молекул на близких расстояниях. При боль­ших V (а также для разреж. газов) константами а и & можно пренебречь и В. у. переходит в ур-ние состояния идеального газа (см. Клапейрона урав­нение).

В. у. явл. приближённым и коли­чественно определяет св-ва реальных газов лишь в области высоких Т и низких р. Однако качественно оно позволяет описывать поведение газа при высоких р, конденсацию газа и критич. состояние.

На рисунке приведены изотермы, рассчитанные по В. у. При низких Т все три корня В. у.— действитель­ные, а выше критич. темп-ры (Т_к) остаётся лишь один действит. корень. Это означает, что при Т>Т_К в-во может находиться только в одном (газообразном) состоянии, а при Т<Т_К — в трёх состояниях (двух стабильных — жидком V_ж и газообраз­ном V_г — и одном нестабильном). Точки прямой ас отвечают равнове­сию жидкости и её насыщ. пара. В ус­ловиях равновесия, напр. в состоя­нии, соответствующем точке b, отно­сит, кол-ва жидкости и пара опреде­ляются отношением отрезков вс/ва («правило моментов»). Равновесию фаз при определ. Т соответствует давле­ние насыщ. пара р_нп и интервал объёмов отV_ж до V_r.

Диаграмма состояния в-ва в координатах р — V: t_1, Т₂, Т₃, Т_к — изотермы, рассчи­танные по ур-нию Ван-дер-Ваальса; К — критич. точка. Линия dKe (спинодаль) очер­чивает область неустойчивых состояний.

 

При более низких р (за областью, где возможно одновре­менное существование газа и жид­кости) изотерма характеризует св-ва газа. Левая, почти вертик. часть изо­термы отражает малую сжимаемость жидкости. Участки ad и еc (и анало­гичные участки др. изотерм) относятся соотв. к перегретой жидкости и пере­охлаждённому пару (метастабильные состояния). Участок de физически неосуществим, т. к. здесь происходит увеличение V при увеличении р. Совокупность точек а, а', а" и с, с', с", . . . определяет кривую, наз. бинодалью, к-рая очерчивает об­ласть совместного существования газа и жидкости. В критич. точке К пара­метры Т_к, р_к и V_к имеют значения, характерные для данного в-ва. Од­нако если в В. у. ввести относит. ве­личины Т/Т_к, р/р_к и V/V_K, то можно получить т. н. приведённое В. у., к-рое явл. универсальным.

ВАН-ДЕР-ВААЛЬСОВЫ СИЛЫ, рас­пространённое назв. сил межмолеку­лярного взаимодействия. ВАР (вольт-ампер реактивный, ВАр), единица СИ реактивной мощности переменного (синусоидального) электрич. тока. 1 ВАр равен реактивной мощности при действующих значениях электрич. напряжения 1 В, силы тока 1 А и при sin j=1 (j — сдвиг фаз между напряжением и током в цепи).

ВАРИАНТНОСТЬ (от лат. varians — изменяющийся), число степеней сво­боды термодинамич. системы, т. е. число независимых физ. переменных (параметров системы), к-рые можно

изменять (варьировать) в определ. пределах, не нарушая фазового равно­весия в системе. См. Гиббса правило фаз.

ВАРИАЦИОННЫЕ ПРИНЦИПЫ МЕ­ХАНИКИ. Принципами механики наз. исходные положения, отражающие столь общие закономерности механич. явлений, что из этих положений как следствия можно получить ур-ния, определяющие движения механич. си­стемы (или условия её равновесия). В механике установлен ряд таких принципов, каждый из к-рых может быть положен в её основу и к-рые подразделяют на невариационные и вариационные.

Невариац. принципы механики не­посредственно устанавливают законо­мерности движения, совершаемого си­стемой под действием приложенных к ней сил. К ним относится, напр., 2-й закон Ньютона, Д'Аламбера прин­цип. Невариац. принципы справед­ливы для любой механич. системы и имеют сравнительно простое матем. выражение. Однако их применение ограничено только рамками механики, поскольку в выражения принципов непосредственно входит такое чисто механич. понятие, как сила. Сущест­венно также, что в большинстве задач механики рассматривается движение несвободных систем, т. е. систем, пере­мещения к-рых ограничены связями (см. Связи механические), напр. все­возможные машины, механизмы, на­земный транспорт, где связями явл. подшипники, шарниры, тросы, по­лотно дороги или рельсы и т. п. Ис­ходя из невариац. принципов при изучении движения несвободной си­стемы эффект действия связей учиты­вают введением нек-рых сил, наз. реакциями связей, величины к-рых заранее неизвестны, поскольку они за­висят от того, чему равны и где при­ложены действующие на систему за­данные (активные) силы, такие, напр., как сила тяжести, упругости пружин, тяги, а также от того, как при этом движется сама система. Поэтому в со­ставленные ур-ния движения войдут дополнит. неизвестные величины — реакции связей, что обычно сущест­венно усложняет решение этих ур-ний.

Преимущество В. п. м. состоит в том, что из них сразу получаются ур-ния движения соответствующей ме­ханич. системы, не содержащие неиз­вестных реакций связей. Достигается это тем, что эффект действия связей учитывается не заменой их неизвест­ными силами (реакциями), а рассмот­рением тех перемещений и движений (или приращений скоростей и ускоре­ний), к-рые точки этой системы могут иметь при наличии данных связей. Напр., если точка М движется по гладкой (идеальной) поверхности, яв­ляющейся для неё связью (рис. 1), то действие этой связи можно учесть,

67

 

 

заменив связь заранее неизвестной по величине реакцией N, направленной в любой момент времени по нормали Mn к поверхности (поскольку по этому направлению связь не даёт перемещаться точке). Но эффект этой же связи можно учесть, установив,

Рис. 1.                                Рис. 2.                          Рис. 3.

 

 

что для точки М в данном случае при любом её по­ложении возможны лишь элементы перемещения, пер­пендикулярные к

нормали Mn (рис. 2); такие пере­мещения наз. возможными переме­щениями. Наконец, эффект той же связи может быть охарактеризован и тем, что при этом движение точки из нек-рого положения А в положение В возможно только по любой кривой АВ, лежащей на поверхности, к-рая явл. связью (рис. 3); такие движения наз. кинематически воз­можными.

Содержание В. п. м. состоит в том, что они устанавливают св-ва (приз­наки), позволяющие отличить истин­ное, т. е. фактически происходящее под действием заданных сил, движе­ние механич. системы от тех или иных кинематически возможных её движе­ний (или же состояние равновесия системы от др. возможных её состоя­ний). Обычно эти св-ва (признаки) состоят в том, что для истинного движения нек-рая физ. величина, за­висящая от хар-к системы, имеет наи­меньшее значение по сравнению с её значениями во всех рассматриваемых кинематически возможных движе­ниях. При этом В. п. м. могут отли­чаться друг от друга видом указан­ной физ. величины и особенностями рассматриваемых кинематически воз­можных движений, а также особен­ностями самих механич. систем, для к-рых эти В. п. м. справедливы. Ис­пользование В. п. м. требует приме­нения методов вариац. исчисления.

По форме В. п. м. разделяют на т. н. дифференциальные, в к-рых устанавливается, чем истинное движение системы отличается от ки­нематически возможных движений в каждый данный момент времени, и интегральные, в к-рых это различие устанавливается для пере­мещений, совершаемых системой за к.-н. конечный промежуток времени. Дифференциальные В. п. м. в рамках механики явл. более общими и справедливы для любых механич. систем. Интегральные В. п. м. в их наиболее употребит. виде справедливы только для консервативных систем. Однако в них, в отличие от дифференциальных В. п. м. и невариац. принципов, вме­сто сил входит такая физ. величина, как энергия, что позволяет распрост­ранить эти В. п. м. и на немеханич. явления. К осн. дифференциальным В. п. м. относятся: возможных пере­мещений принцип, Д'Аламбера — Лагранжа принцип, Гаусса принцип (принцип наименьшего принуждения), а также тесно примыкающий к нему Герца принцип (принцип наименьшей кривизны). К интегральным В. п. м. относятся т. н. принципы наимень­шего (стационарного) действия, раз­ные формы к-рых отличаются друг от друга выбором величины действия и особенностями сравниваемых между собой кинематически возможных дви­жений системы (см. Наименьшего дей­ствия принцип). Применяются В. п. м. как для составления в наиболее про­стой форме ур-ний движения механич. систем, так и для изучения общих св-в этих движений. При соответст­вующем обобщении понятий они ис­пользуются также в механике сплош­ных сред, термодинамике, электроди­намике, квант. механике, теории от­носительности и др.

• Вариационные принципы механики. [Сб. статей], под ред. Л. С. Полака, М., 1959; Бухгольц Н. Н., Основной курс теоре­тической механики, 6 изд., ч. 2, М., 1972; Голдстейн Г., Классическая механика, пер. с англ., 2 изд., М., 1975; Кильчевский Н. А., Курс теоретической механики, 2 изд., т. 2, М., 1977. С. М. Тарг.

ВАРИНЬОНА МНОГОУГОЛЬНИК, то же, что многоугольник верёвочный.

ВАРИНЬОНА ТЕОРЕМА: если система сил F_i имеет равнодействующую В, то момент М₀ (R) равнодействующей относительно любого центра О (или оси z) равен сумме моментов M₀(F_i) составляющих сил относительно того же центра О (или той же оси г). Сфор­мулирована и доказана впервые франц. учёным П. Вариньоном (P. Varignon; 1687). Математически В. т. выра­жается равенствами:

M₀(R)=SM₀(F_i)

или    M_z(R)=SМ_z(F_i).

В. т. пользуются при решении ряда задач механики (особенно статики), сопротивления материалов, теории со­оружений и др.

ВАРМЕТР (от вар и греч. metreo — измеряю), прибор для измерения ре­активной мощности Q в электрич. цепях перем. тока: Q= UIsinj, где U — напряжение, I — сила электрич. тока, j — фазовый угол между сину­соидально изменяющимися током и напряжением. Применяется в осн. в трёхфазных цепях перем. тока про­мышленной частоты (50 Гц). Схема включения В. такая же, как и ватт­метра. Основу В. составляет электроизмерит. механизм, обычно электродинамич. или ферродинамич. системы, и электрич. схема, обеспечивающая

пропорциональность показаний В. ве­личине sinj. Для расширения пре­дела измерений В. применяют изме­рит. трансформаторы тока и напря­жения. В кач-ве В. могут быть ис­пользованы также ваттметры, вклю­чённые по спец. схеме (на рисунке — пример с равномерно нагруженными фазами).

Схема включения варметра W для измерения реактивной мощности в случае равномерно нагруженных фаз: 1 — последовательная цепь; 2 — параллельная цепь; 3 — нагруз­ка.

 

Техн. требования к В. стандартизо­ваны в ГОСТах 22261 — 76 и 8476 — 60.

• Электрические измерения, под ред. Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Справочник по электроизмерительным приборам, 2 изд., Л., 1977.

В. П. Кузнецов.

ВАТТ (Вт, W), единица СИ механич. мощности, а также активной мощ­ности электрич. цепи, мощности теп­лового потока или потока излучения, эквивалентных механич. мощности 1 Вт; названа в честь англ. изобрета­теля Дж. Уатта (J. Watt). 1 Вт равен мощности, при к-рой работа 1 Дж совершается за 1 с; 1 Вт=10⁷ эрг/с=0,102 кгс•м/с=1,36•10^{-3 л. с.}

ВАТТ НА КВАДРАТНЫЙ МЕТР (Вт/м², W/m²), единица СИ поверх­ностной плотности теплового потока; 1 Вт/м² равен поверхностной плот­ности теплового потока 1 Вт, равно­мерно распределённого по поверх­ности площадью 1 м². В ед. Вт/м² измеряют также поверхностную плот­ность потока излучения и соотв. энергетич. светимость и энергетич. освещённость.

ВАТТМЕТР (от ватт и греч. metreo — измеряю), прибор для измерения мощ­ности в электрич. цепях (в цепях перем. тока — для измерения активной мощности Р=UIcosj, где U — напряжение, I — сила электрич. тока, j — фазовый угол между синусои­дально изменяющимися током и на­пряжением). Схема включения В. в цепь показана на рисунке.

Схема включения ваттметра W: 1 — последовательная цепь (неподвижная катушка); 2 — па­раллельная цепь (подвижная катуш­ка); 3 — нагрузка. В электродинамич. ваттметре поворот под­вижной катушки в магн. поле неподвижной катушки пропорц. измеряемой мощности.

 

Для умень-

68

 

 

шения искажающего влияния после­довательная цепь В. должна обладать малым, а параллельная — большим сопротивлением. При измерениях на перем. токе важно также, чтобы со­противление параллельной цепи было чисто активным.

Осн. частью В. явл. электроизмерит. механизм обычно электродинамич. или ферродинамич. системы, реже — индукционной или электро­статической (см. соответств. статьи). Для расширения пределов измере­ний В. используют: на пост. токе — шунты и добавочные сопротивления, на перем. токе — измерит. трансфор­маторы тока и напряжения. Для из­мерения мощности на частотах выше 5 кГц, а также малой мощности (менее 100 мВт) применяют термоэлектрич. и терморезистивные В., В. на ПП элементах, В. с преобразователями Холла, пондеромоторные В., калориметрич. В. Ваттметры с электроизмерит. механизмом характеризуются след. данными: пределы по току — от 10 мА до 10 А, по напряжению — от 15 до 600 В, осн. погрешность в % от верх. предела измерений — до 0,2%. Применение измерит. трансфор­маторов тока и напряжения позволяет измерять мощность до 12 ГВт в электрич. цепях с током до 15 кА и напря­жением до 500 кВ.

Техн. требования к В. стандартизо­ваны в ГОСТах 22261—76, 8476—60 и 1.3605—75.

• Электрические измерения, под ред. Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Электрорадиоизмерения, М., 1976; Справочник по электроиз­мерительным приборам, 2 изд., Л., 1977.

В. П. Кузнецов.

ВАТТ-ЧАС (Вт•ч, W•h), внесистем­ная ед. работы и энергии, широко применяемая в технике. 1 Вт•ч=3600 Дж, 1 киловатт-час=3,6•10⁶ Дж.

ВЕБЕР (Вб, Wb), единица СИ магн. потока и потокосцепления. Назван в честь нем. физика В. Э. Вебера (W. Е. Weber). 1 Вб равен магн. по­току, создаваемому однородным магн. полем при индукции 1 тесла через нормальную к потоку площадку в 1 м². Другое определение: 1 Вб равен магн. потоку, при убывании к-рого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 Ом через поперечное сечение проводника проходит кол-во электричества 1 Кл. 1 Вб=1 Кл•Ом=1 В•с=1 Т•м²=10⁸ максвелл. ВЕБЕРМЕТР (от вебер и греч. metreo — измеряю) (флюксметр), прибор для измерения потока магнитной ин­дукции. См. Флюксметр.

ВЕЙСА ИНДЕКСЫ, см. в ст. Ин­дексы кристаллографические.

ВЕКТОР СОСТОЯНИЯ, то же, что волновая функция.

ВЕКТОРНОГО ТОКА СОХРАНЕНИЕ в слабом взаимодействии, свойство сохранения векторного заряженного тока слабого вз-ствия адронов, вытекающее из сохранения электрич. тока и изотопической инвариантности сильного вз-ствия, (Из-за нарушения изотопич. инвариантности в сла­бом вз-ствии наблюдается небольшое, ~1%, отклонение от закона В. т. с.) Предсказано С. С. Герштейном и Я. Б. Зельдовичем (1955) и незави­симо от них амер. физиками Р. Фейнманом и М. Гелл-Маном (1957). В сла­бом вз-ствии В. т. с. аналогично за­кону сохранения электрич. заряда в эл.-магн. вз-ствии. Благодаря В. т. с. оказываются универсальными константы, характеризующие слабое векторное вз-ствие адронов (слабые векторные «заряды»): эти константы не изменяются (не перенормируются) под действием сильного вз-ствия, так же как не изменяются в результате сильного вз-ствия электрич. заряды адронов (напр., электрич. заряд про­тона в точности равен электрич. за­ряду позитрона, не обладающего силь­ным вз-ствием). Эти следствия В. т. с. были подтверждены в большом числе экспериментов (в b-распаде p-мезона: p⁺®p⁰+e⁺+v_e, в b-распаде ядер, в нейтринных экспериментах и др.). При обобщении В. т. с. на векторные токи с изменением странности стано­вится существенным учёт эффектов нарушения унитарной симметрии, связанных с разностью масс странного (s) и нестранных (и, d) кварков. В. т. с. и аксиального тока частичное сохра­нение используются в формализме т. н. алгебры токов. См. также Киральная симметрия.

• См. лит. при ст. Аксиального тока частич­ное сохранение.

М. Ю. Хлопов.

ВЕКТОРНОЕ ПОЛЕ, поле физиче­ское, к-рое описывается ф-цией, яв­ляющейся в каждой точке пр-ва век­тором (или четырёхмерным вектором). Пример — векторный потенциал в электродинамике. В квант. теории поля квантом В. п. служит ч-ца со спином 1 (напр., фотон, гипотетич. глюоны и промежуточные векторные бозоны). В. п. меняет знак при прост­ранственной инверсии, т. е. ч-цы, соот­ветствующие В. п., имеют отрицат. внутр. чётность (и наз. векторными; к ним относятся фотон, r-, w-, j-мезоны, y- и Y- частицы и др.).

А. В. Ефремов.

ВЕКТОР-ПОТЕНЦИАЛ, см. Потен­циалы электромагнитного поля.

«ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ» ( «ве­ликий синтез») (Grand Unificaion), теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе силь­ного, слабого и эл.-магн. вз-ствий. В основе этих моделей лежат обнару­женная симметрия между лептонами и кварками в единой теории эл.-магн. и слабого вз-ствий (в электрослабом вз-ствии, см. Слабое взаимодействие) и тот факт, что в калибровочных тео­риях поля предсказывается при пере­ходе к малым расстояниям (т. е. к вы­соким энергиям), с одной стороны, увеличение константы электрослабого вз-ствия, а с другой — уменьшение константы сильного вз-ствия (см. Квантовая хромодинамика). Экстра­поляция такой тенденции на сверхвысокие энергии приводит к равенству констант всех трёх вз-ствий при нек-ром энергетич. масштабе l. В моделях «В. о.» предполагается, что при энер­гиях ξ>l глюоны, фотоны, проме­жуточные векторные бозоны W^± и Z⁰ явл. квантами калибровочных по­лей единой калибровочной симметрии «В. о.». Кроме того, объединение леп­тонов и кварков в единые мультиплеты группы симметрии «В. о.» приводит к существованию довольно большого числа смешанных калибровочных по­лей (с той же константой вз-ствия), кванты к-рых обладают одновременно лептонным и «цветовым» зарядами. Величина Л характеризует энергетич. масштаб спонтанного нарушения сим­метрии «В. о.», за счёт к-рого воз­никают массы у ч-ц, описывающих смешанные калибровочные поля. В разных моделях «В. о.» предсказы­вается разл. величина l. В большин­стве моделей l~10¹⁴—10¹⁶ ГэВ (од­нако существуют модели и «раннего» «В. о.» при l~10⁶—10⁸ ГэВ). Такие энергии недостижимы ни на плани­руемых в обозримом будущем уско­рителях, ни в косм. лучах, так что для проверки моделей «В. о.» могут использоваться либо предсказания мо­делей в низкоэнергетич. области, либо их космологич. следствия [по совр. представлениям, на очень ранних ста­диях расширения Вселенной могли достигаться темп-ры (в энергетич. шкале) Т³l].

В рамках «В. о.» однозначно опре­деляется величина параметра sin²q_W (где q_W— т. н. угол Вайнберга) тео­рии электрослабого вз-ствия, харак­теризующего вз-ствие нейтральных слабых токов (см. Нейтральный ток). Этот параметр определяется при ξ>l структурными постоянными группы симметрии «В. о.», а при низких энер­гиях ξ<<l, отвечающих условиям совр. экспериментов, его величина вычисляется с помощью процедуры перенормировки.

В большинстве моделей объедине­ние кварков и лептонов приводит к существованию кварк-лептонных переходов с несохранением барионного заряда. Такие переходы могут вызывать распады протона. Модели «В. о.» предсказывают, что время жизни протона должно составлять 10³⁰ — 10³² лет. Несохранение барионного заряда может иметь также важ­ные космологич. следствия: неравно­весные процессы с нарушениями СР-инвариантности (см. Комбинирован­ная инверсия) и закона сохранения барионного заряда в ранней Вселен­ной могут объяснить наблюдаемую барионную асимметрию Вселенной (т. е. отсутствие заметного кол-ва ан­тибарионов во Вселенной). В моде­лях «В. о.» возникают определ. со­отношения между массами кварков и

69

 

 

лептонов. В рамках моделей «В. о.» может найти естеств. объяснение ма­лая ненулевая масса покоя нейтрино. Неизбежным следствием всех суще­ствующих моделей «В. о.» явл. кван­тование электрич. заряда и существо­вание решений типа магнитных монополей Дирака. При этом масса монополей оказывается очень большой, ~l/Öa (где a — безразмерная кон­станта эл.-магн. вз-ствия), так что они не могут образовываться в совре­менных лаб. или косм. условиях. Космологич. оценки концентрации монополей, образовавшихся в ранней Вселенной, дают величину, значи­тельно превышающую существующие наблюдат. ограничения, что создаёт серьёзную проблему для космологии и моделей «В. о.». Величина А в моде­лях «В. о.» близка к величине т. н. планковской массы m_П~10¹⁹ ГэВ, при к-рой становится необходимым пере­ход к квант. описанию гравитацион­ного взаимодействия. Это позволяет надеяться, что дальнейшее развитие моделей «В. о.» приведёт к объеди­нению всех фундам. вз-ствий, вклю­чая и гравитационное.

• Окунь Л. Б., Современное состояние и перспективы физики высоких энергий, «УФН», 1981, т. 134, в. 1, с. 3.

М. Ю. Хлопов.

ВЕНТУРИ ТРУБКА (расходомер Вентури), устройство для замера расхода или скорости жидкостей и газов в тру­бопроводах. Предложена итал. учё­ным Дж. Вентури (G. Venturi). Пред­ставляет собой сужение на трубопро­воде, где скорость возрастает, а давле­ние соотв. уменьшается. Если через d₁ p₁ v₁ и d₂, р₂, v₂ обозначить диа­метр, давление и скорость соотв. во входном 1 и в самом узком 2 сече­ниях В. т., то

(r — плотность жидкости).

По заданным размерам В. т. и изме­ренной с помощью дифф. манометра разности давлений р₁-p₂ из данного равенства можно определить ср. ско­рость v₁ а следовательно, и расход.

А. Д. Альтшуль.

ВЕРДЕ ПОСТОЯННАЯ (удельное маг­нитное вращение), характеризует магн. вращение плоскости поляризации света в в-ве (см. Фарадея эффект). Названа по имени франц. математика М. Верде (М. Verdet), наиболее полно исследо­вавшего законы магн. вращения. Оп­тически неактивное в-во, помещённое в магн. поле (или имеющее собств. магн. момент), поворачивает плос­кость поляризации света, распростра­няющегося в нём вдоль направления поля. Для немагн. в-ва, помещённого в поле, угол поворота q=VlH (з а к о н Верде), где l — длина пути луча в в-ве в м (или см), Н — напря­жённость магн. поля в А/м (или в Э), V — В. п. в рад/А [или рад/(Э•см)].

В. п. зависит от длины волны света (вращательная диспер­сия), плотности в-ва и слабо — от его темп-ры Т. Для большинства в-в V>0 (правовращающие в-ва), лишь для нек-рых V<0 (левовращающие в-ва, напр. парамагн. соли железа). В последнем случае температурная зави­симость сильнее (V~T^-1). Значения V обычно невелики (0',01—0',02); сравнительно большие значения имеет сероуглерод, нек-рые сорта стекла (F~0',04-0',09).

Магн. вращением обладают все тела, хотя обычно в слабой степени. Осо­бенно велики значения угла враще­ния для ферромагн. металлов. Однако это происходит не за счёт больших значений V; для них вращение растёт пропорц. магн. индукции, а не напря­жённости поля, поэтому в ф-ле, опре­деляющей 6, нужно заменить Н магн. индукцией В.

Наряду с В. п. пользуются величи­ной т. н. молекулярного вращения W= V/r, где r — плот­ность в-ва в моль/м³ (или моль/см³), либо т. н. молекулярной по­стоянной магнитного вращения D = 9nW/(n²+2), где n — показатель преломления в-ва. Для величины D характерно то, что она, подобно удельной рефракции, сохра­няет своё значение при изменениях плотности и агрегатного состояния в-ва и часто обладает св-вом аддитив­ности.

• См. лит. при ст. Фарадея эффект.

ВЕРОЯТНОСТЬ КВАНТОВОГО ПЕРЕ­ХОДА, величина, обратная времени жизни квант. системы по отношению к данному квант. переходу (см. Кван­товый переход).

ВЕРОЯТНОСТЬ ТЕРМОДИНАМИЧЕ­СКАЯ, число способов, к-рыми может быть реализовано данное состояние макроскопич. физ. системы. В термо­динамике состояние физ. системы ха­рактеризуется определ. значениями плотности, давления, темп-ры и др. измеряемых величин. Перечисленные величины определяют состояние сис­темы в целом (её макросостояние). Однако при одной и той же плотно­сти, темп-ре и т. д. ч-цы системы могут находиться в разных местах её объёма и иметь разл. значения энергии или импульса. Каждое состояние физ. си­стемы с определ. распределением её ч-ц по возможным классич. или квант. состояниям наз. микросостоя­нием. В. т. W равна числу микро­состояний, реализующих данное мак­росостояние, из чего следует, что W³1. Её легко вычислить лишь в слу­чае идеальных газов. Для реальных систем В. т. можно оценить по вели­чине статистической суммы,. В. т. свя­зана с энтропией S системы соотно­шением Больцмана: S=klnW. В. т. не явл. вероятностью в матем. смысле (последняя £1); применяется в ста­тистической физике для вычисления св-в системы, находящейся в термодинамич. равновесии (для равновесного состояния В. т. имеет макс. зна­чение). Для расчёта В. т. сущест­венно, считаются ли одинаковые ч-цы системы различимыми или неразличи­мыми. Поэтому классич. механика и квант. механика приводят к разным выражениям для В. т.

ВЕС, численная величина силы тя­жести, действующей на тело, нахо­дящееся вблизи земной поверхности: P=mg, где m — масса тела, g — ус­корение свободного падения (или ус­корение силы тяжести). Поскольку масса тела — величина постоянная, а значение g изменяется на Земле с широтой и высотой над ур. м. (со­ответствующую ф-лу см. в ст. Ускоре­ние свободного падения), то соотв. при этом изменяется и В. тела. Из­меряется В. тела в ед. силы (Н, кгс, дин и др.).

ВЕСЫ, прибор для определения массы тел по действующей на них силе тя­жести. В. иногда наз. также приборы для измерений др. физ. величин, пре­образуемых с этой целью в силу или в момент силы. К таким приборам от­носятся, напр., токовые весы и кру­тильные весы. В научных исследова­ниях применяют аналитич., микроаналитич., пробирные и др. типы точ­ных В. Последовательность действий при определении массы тел на В. рассмотрена в ст. Взвешивание.

В зависимости от назначения В. де­лятся на образцовые (для поверки гирь), лабораторные (в т. ч. аналити­ческие) и общего назначения. По принципу действия В. подразделяются на рычажные, пружинные, крутиль­ные, электротензометрич., гидростатич., гидравлические.

Наиболее распространены рычаж­ные В., их действие основано на законе равновесия рычага. Точка опо­ры рычага («коромысла» В.) может находиться посередине (равноплечные В.) или быть смещённой относи­тельно середины (неравноплечные и одноплечные В.). Многие рычажные В. представляют собой комбинацию рычагов 1-го и 2-го родов. Опорами рычагов служат обычно призмы и подушки из спец. сталей или тв. кам­ня (агат, корунд). На равноплечных рычажных В. взвешиваемое тело уравновешивается гирями, а нек-рое превышение (обычно на 0,05—0,1%) массы гирь над массой тела (или наобо­рот) компенсируется моментом, созда­ваемым коромыслом (со стрелкой) из-за смещения его центра тяжести относительно первонач. положения (рис. 1). Нагрузка, компенсируемая смещением центра тяжести коромысла, измеряется при помощи отсчётной шкалы. Цена деления s шкалы ры­чажных В. определяется ф-лой: s= k(P₀c/lg), где Р₀ — вес коромысла со стрелкой, с — расстояние между центром тяжести коромысла и осью его вращения, l — длина плеча коро­мысла, g — ускорение свободного па­дения, k — коэфф., зависящий только от разрешающей способности отсчёт-

70

 

 

ного устройства. Цену деления, а сле­довательно и чувствительность В., можно в определённых пределах из­менять (обычно за счёт перемещения спец. грузика, изменяющего расстоя­ние с).

В   ряде  рычажных  лаб.    В.   часть измеряемой нагрузки компенсируется силой эл.-магн. вз-ствия — втягива­нием железного сердечника, соеди­нённого с плечом коромысла, в не­подвижный соленоид. Ток в соле­ноиде регулируется электронным уст­ройством, приводящим В. к равнове­сию. Измеряя ток, определяют про­порциональную ему нагрузку В.

Рис. 1. Схема равноплечных рычажных ве­сов: О — точка опоры коромысла А В; С и р₀ — центр тяжести и вес коромысла со стрелкой; ОС=с — расстояние между точ­кой опоры и центром тяжести коромысла; Р — вес тела; р — перегрузок, уравнове­шиваемый смещением центра тяжести коро­мысла; r — длина стрелки; h — отклонение стрелки.

 

 

Рис. 2. Равноплечные двухчашечные микро-аналитич. весы (предельная нагрузка 20 г): 1 — коромысло; 2 — возд. успокоители; 3 — механизмы наложения встроенных гирь (от 1 до 999 мг); 4 — проекц. шкала отсчёта; 5 — манипулятор, выдвигающий чашку ве­сов в окошко; 6 — перегородка, защищаю­щая коромысло от температурных влияний и возд. потоков; 7 — встроенные гири, име­ющие форму колец.

 

В лаб. практике всё шире приме­няются В. (в особенности аналитиче­ские) со встроенными гирями на часть нагрузки или на полную нагрузку (рис. 2). Принцип действия таких В. был предложен Д. И. Менделеевым. Гири спец. формы подвешиваются к плечу, на к-ром находится чашка для

нагрузки (одноплечные В.), или (реже) на противоположное плечо. В одно-плечных В. (рис. 3) полностью исклю­чается погрешность из-за неравноплечности коромысла.

Совр. лабораторные В. (аналитиче­ские и др.) снабжаются рядом уст­ройств для повышения точности и скорости взвешивания: успокоителями ко­лебаний коромысла (воздушными или магнитными); дверцами, при откры­тии к-рых почти не возникает потоков воздуха; тепловыми экранами; меха­низмами наложения и снятия встроен­ных гирь; автоматически действующи­ми механизмами для подбора встроен­ных гирь при уравновешивании В.

Рис. 3. Схема одноплечных аналитич. весов: 1 — коромысло; 2 — встроенные гири; а — грузоприёмная чашка; 4 — противовес и успокоитель; 5 — источник света; 6 — про­екц. шкала; 7 — объектив; 8 — устройство для коррекции нуля: 9 — экран.

 

Применяются проекц. шкалы, по­зволяющие повысить точность отсчёта по шкале при малых углах отклоне­ния коромысла. Про принципу ры­чажных В. устроено большинство ти­пов метрологич., образцовых, анали­тич., техн., торговых, медицинских и др. В.

В основу действия пружинных и электротензометрич. В. положен Гука закон. Чувствит. элементом в пружинных В. явл. пружина, де­формирующаяся под действием веса тела. Показания В. отсчитывают по шкале, вдоль к-рой перемещается со­единённый с пружиной указатель. При­нимается, что после снятия нагрузки указатель возвращается в нулевое положение, т. е. в пружине под дей­ствием нагрузки не возникает оста­точных деформаций. При помощи пру­жинных В. измеряют не массу, а вес. Однако в большинстве случаев шкала пружинных В. градуируется в ед. массы. Вследствие зависимости ускорения свободного падения от географич. широты и высоты над ур. м., показания пружинных В. зависят от места их нахождения. Кроме того, упругие св-ва пружины зависят от темп-ры и меняются со временем; всё это снижает точность пружинных В.

В крутильных (торсионных) В. чувствит. элементом служит упругая нить или спиральные пружины (рис. 4). Нагрузка опреде­ляется по углу закручивания нити (пружины), к-рый пропорционален со­здаваемому нагрузкой крутильному моменту.

Действие электротензометрических В. основано на преобразовании деформации упругих

Рис. 4. Схема крутильных (торсионных) ве­сов: 1 — спиральные пружины; 2 — рычаг для помещения нагрузки; 3 — магн. успо­коитель; 4 — стрелка; 5 — шкала.

 

элементов (столбиков, пластин, ко­лец), воспринимающих силовое воз­действие нагрузки, в изменение электрич. сопротивления. Преобразовате­лями служат высокочувствительные проволочные тензометры, приклеен­ные к упругим элементам (см. Пьезо­электрический преобразователь). Как правило, электротензометрич. В. при­меняются для взвешивания больших масс. !

Гидростатические В. слу­жат гл. обр. для определения плот­ности тв. тел и жидкостей (см. Гидро­статическое взвешивание).

Гидравлические В. по уст­ройству аналогичны гидравлич. прес­су. Отсчёт показаний производится по манометру, градуированному в ед. массы.

Все типы В. характеризуются: пре­дельной нагрузкой — наибольшей статич. нагрузкой, к-рую могут выдер­живать В. без нарушения их метроло­гич. хар-к; ценой деления — значе­нием массы, соответствующим изме­нению показания на одно деление шкалы; пределом допускаемой по­грешности взвешивания — наиболь­шей допускаемой разностью между результатом одного взвешивания и действит. массой взвешиваемого тела; допускаемой вариацией показаний — наибольшей допускаемой разностью показаний В. при неоднократном взве­шивании одного и того же тела.

• Рудо Н. М., Весы. Теория, устройство, регулировка и проверка, М.— Л., 1957; Маликов Л. М., Смирнова Н. А., Ана­литические электрические весы, в кн.: Энцик­лопедия измерений, контроля и автоматиза­ции, в. 1, М.— Л., 1962; Гаузнер С. И., М и х а и л о в с к и й С. С., О р л о в В. В., Регистрирующие устройства в автоматиче­ских процессах взвешивания, М., 1966; С а р а х о в А. И., Весы в физико-химических исследованиях, М., 1968.

Н. А. Смирнова.

71

 

 

ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (перпетуум-мобиле) (лат. perpetuum mobile, букв.— вечно движущееся), вообра­жаемый двигатель, к-рый, будучи раз пущен в ход, совершал бы работу неограниченно долгое время, не за­имствуя энергию извне (так называе­мый В. д. 1-го рода). Идея В. д. 1-го рода противоречит закону сохранения и превращения энергии (см. Энергии сохранения закон) и неосуществима. Возможность работы такого двигателя неогранич. время означала бы полу­чение энергии из ничего. Первые проекты механич. В. д. относятся к 13 в. (Виллар де Синекур, 1245, Пьер де Марикур, 1269, Франция). К кон. 18 в., вследствие бесплодности мно­говековых попыток осуществления В.д., среди учёных укрепилось убеж­дение в невозможности его создания, и с 1775 Парижская АН отказалась рассматривать проекты В. д. В сер. 19 в. с установлением закона сохра­нения и превращения энергии была доказана принципиальная неосущест­вимость В. д. Среди предложенных моделей В. д. наиб. распространены механические, в к-рых к.-л. массивное тело перемещается по замкнутому пути. На одних его участках (при опускании) тело совершает работу, на других для перемещения тела (подъёма вверх) необходима затрата анергии. Такие механизмы могут со­вершать работу лишь за счёт первонач. запаса кинетич. энергии, сооб­щённого им при пуске; когда этот запас оказывается израсходованным, В. д. останавливается. В более слож­ных проектах В. д. механич. энергия превращается в др. виды энергии (электрич., тепловую и т. п.). Наряду с В. д. 1-го рода рассматривают В. д. 2-го рода — воображаемую периоди­чески действующую машину, к-рая целиком превращала бы в работу теп­лоту, извлекаемую из окружающих тел (океана, атм. воздуха и др.). При этом должна уменьшаться суммарная энтропия среды и В. д., что противо­речит второму началу термодинамики. От В. д. следует отличать «мнимые» В. д.— механизмы, работающие за счёт природных запасов энергии (сол­нечной, внутриатомной и др.). Такие механизмы могут работать очень дол­го, до механич. износа деталей, но считать их В. д. нельзя.

• Планк М., Принцип сохранения энер­гии, пер. с нем., М.— Л., 1938; Кудряв­цев П. С., История физики, т. 2, М., 1956.

ВЕЩЕСТВО, вид материи, обладаю­щей массой покоя. В конечном счёте В. слагается из элем. ч-ц, масса покоя к-рых не равна нулю (в осн. из эл-нов, протонов и нейтронов). В классич. физике В. и поле физическое противо­поставлялись друг другу как два вида материи, у первого из к-рых структура дискретна, а у второго — непрерывна. Квант. физика, внедрившая идею двойственной корпускулярно-волновой природы любого мик­рообъекта (см. Корпускулярно-волновой дуализм), привела к нивелирова­нию этого представления. Выявление тесной взаимосвязи В. и поля при­вело к углублению представлений о структуре материи. На этой основе были строго разграничены понятия В. и материи, отождествлявшиеся в нау­ке на протяжении многих веков.

И. С. Алексеев.

ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ, см. Индуктивность  взаимная.

ВЗАИМНАЯ ИНДУКЦИЯ,   см.   Ин­дукция  взаимная.

ВЗАИМНОСТИ ПРИНЦИП (взаимно­сти теорема), устанавливает пере­крёстную связь между двумя источ­никами и создаваемыми ими полями в местах расположения источников для одной и той же линейной системы (среды). В. п. выполняется для разно­образных систем (механич., электрич., акустич., магнитных и др.), описы­ваемых широким классом линейных дифф. и разностных ур-ний (Лапласа, Гельмгольца, волновым, диффузии, Клейна — Гордона и пр.). Впервые В. п. был сформулирован нем. учё­ным Г. Гельмгольцем (1860), а затем обобщён англ. физиком Дж. У. Рэлеем (1873) и голл. физиком X. Ло­ренцем (1896).

Согласно В. п., если металлич. тело, несущее пост. электрич. заряд Q₁,создаёт на втором изолированном ме­таллич. теле потенциал j₁₂, то, если придать второму телу заряд Q₂, со­здаваемый им потенциал на свобод­ном от заряда первом теле j₂₁ будет равен:

j₂₁=j₁₂Q₂/Q₁. (1)

Для двух электрич. диполей с момен­тами  и создаваемых ими в ди­электрике электрич. полей E₁₂, E₂₁ В. п. выражается соотношением:

Ф-ла (2) справедлива и для полей, гармонически изменяющихся во вре­мени, если только под  и Е подра­зумевать их комплексные амплитуды. В общем случае источников эл.-магн. поля, задаваемых через плотности перем. токов j₁ и j₂, В. п. записы­вается в интегр. форме:

Соотношения (2), (3) несправедливы для гиротропных сред (плазма в магн. поле, ферриты), однако ими можно пользоваться, если источники зада­вать в разных средах, отличающихся направлением внеш. магн. поля.

В. п. позволяет обобщить Кирхгофа закон излучения о связи излучат. и поглощат. способностей на произволь­ные электродинамич. системы. Из В. п. следует, в частности, совпаде­ние диаграмм направленности антен­ны в режимах передачи и приёма. Теорема Шокли — Рамо о токах, наводимых на электродах движущимся зарядом, была первым применением В. п. в электронике. В теории ли­нейных цепей В. п. (при перестановке эдс из одной ветви цепи в другую в первой ветви получается тот же ток, что тёк ранее во второй) помогает расшифровать структуры сложных це­пей разной природы.

• Фурдуев В. В., Теоремы взаимности в механических, акустических и электроме­ханических четырехполюсниках, М.— Л., 1948; Вайнштейн Л. А., Электромаг­нитные волны, М., 1957; М о р с Ф. М., Ф е ш б а х Г., Методы теоретической физи­ки, пер. с англ., т. 1—2, М., 1958—60.

И. Г. Кондратьев, М. А. Миллер.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ в физике, воз­действие тел или ч-ц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга количественно характеризуется си­лой. Более общей хар-кой В. явл. потенц. энергия. Первоначально в фи­зике утвердилось представление о том, что В. между телами может осуществ­ляться непосредственно через пустое пр-во, к-рое не принимает участия в передаче В., передача В. происхо­дит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготе­ния, действующей на Луну. В этом состояла т. н. концепция дально­действия. Эти представления были оставлены как не соответствующие дей­ствительности после открытия и ис­следования эл.-магн. поля. Было до­казано, что В. электрически заряж. тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной заряж. ч-цы приво­дит к изменению сил, действующих на др. ч-цы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая элект­рически заряж. ч-ца создаёт эл.-магн. поле, действующее на др. ч-цы, т. с. В. передаётся через «посредника» — эл.-магн. поле. Скорость распростра­нения эл.-магн. поля равна скорости света в пустоте: »300 000 км/с. Воз­никла новая концепция — концепция близкодействия, к-рая затем была распространена и на любые др. В. Согласно этой концепции, В. между телами осуществляется посредством тех или иных полей (напр., тяготение — посредством гравитац. поля), непре­рывно распределённых в пр-ве.

После появления квант. теории поля представление о В. существенно изме­нилось. Согласно этой теории, любое поле явл. не непрерывным, а имеет дискр. структуру. Вследствие корпускулярно-волнового дуализма, каж­дому полю должны соответствовать определ. ч-цы. Так, заряж. ч-цы не­прерывно испускают и поглощают фо­тоны, к-рые и образуют окружающее их эл.-магн. поле. Эл.-магн. В. в квант. теории поля явл. результа­том обмена ч-ц фотонами — квантами эл.-магн. поля, т. е. фотоны явл. переносчиками этого В. Аналогично др. виды В. возникают в результате обмена ч-ц квантами соответствующих полей (см. Квантовая теория поля).

72

 

 

Несмотря на разнообразие воздей­ствий тел друг на друга (зависящих от В. слагающих их элем. ч-ц), в при­роде, по совр. данным, имеется лишь четыре типа фундам. В. Это (в по­рядке возрастания интенсивности В.): гравитационное В., слабое взаимо­действие, электромагнитное взаимо­действие, сильное взаимодействие. Ин­тенсивности В. определяются кон­стантами связи (в частности, для эл.-магн. В. константой связи явл. электрич. заряд).

Совр. квант. теория эл.-магн. В. превосходно описывает все известные эл.-магн. явления. В 60—70-х гг. в осн. построена единая теория сла­бого и эл.-магн. вз-ствий (т. н. электро­слабое В.) лептонов и кварков. Совр. теорией сильного В. явл. квантовая хромодинамика. Делаются попытки объединения электрослабого и силь­ного В. (т. н. «Великое объединение»), а также включения в единую схему гравитац. В.

• Григорьев В. И., Мякишев Г.Я , Силы в природе, 5 изд., М., 1977. См. также лит. при ст. Поля физические и Квантовая

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА С ЭЛЕКТРОНАМИ ПРОВОДИМО­СТИ, см. Акустоэлектронное взаимо­действие.

ВЗВЕШИВАНИЕ, определение массы тел при помощи весов. Высокая точ­ность при В. достигается учётом всех возможных погрешностей весов, гирь, применяемого метода В., а также по­грешностей, обусловленных влиянием внеш. условий (действием аэростатич., электрич. и магн. сил, колебаниями темп-ры и влажности воздуха и др.).

Пределы допускаемых погрешностей весов разных типов и гирь приведены в ст. Весы и Гири. При В., не требую­щем высокой точности (когда не учи­тывается влияние аэростатич. и др. сил), обычно пользуются методом прямого В.: масса тела прини­мается равной алгебр. сумме масс гирь, уравновешивающих тело, и по­казаний отсчётного устройства весов. В этом случае в результат В. на равно-плечных весах полностью входит по­грешность из-за неравноплечности ко­ромысла. Более высокая точность при прямом В. достигается на одноплечных весах, исключающих эту погреш­ность, т. к. взвешиваемое тело и

уравновешивающие    его    гири    нахо­дятся на одном и том же плече коро­мысла. Для исключения погрешностей из-за неравноплечности коромысла при В. на равноплечных весах применяют т. н.   методы    точного   В.   Метод замещения     (метод   Борда)    за­ключается в том, что после уравновешивания тела тарным грузом   (обрез­ками металла, дробью и т. п.), поме­щённым на другом плече коромысла, тело снимают с весов и на его место помещают гири в таком кол-ве, чтобы привести весы в положение,  близкое к  исходному положению равновесия. Массу взвешиваемого тела определяют по массе гирь и по показанию весов, соответствующему   неуравновешенной гирями   части   массы.   В     методе Д.И. Менделеева на одну из ча­шек помещают гири в кол-ве, соответ­ствующем предельной нагрузке весов, а   на   другую  чашку — тарный  груз, уравновешивающий гири.  Взвешивае­мое  тело  помещают на  чашку с  ги­рями, снимая при этом столько гирь, чтобы   весы   пришли   в   положение, близкое к исходному положению рав­новесия.   Массу   взвешиваемого   тела определяют по   массе   снятых   гирь   и по показанию   весов.   Метод   двой­ного   В.   (метод   Гаусса)   состоит  в повторном прямом В.   после   переста­новки   тела   и   гирь    с    одной  чаш­ки    весов    на    другую.   Масса    тела М=¹/₂(М₁+М₂), где М₁   и М₂ — результаты двух прямых В.

По точности все три метода равно­ценны. Выбор метода зависит от конструкции весов и условий В. При

Хар-ки точности измерений массы в зависимости от её величины и мето­да измерения: 1 — сличения гос. эталона ед. массы (килограмма); 2 — метрологич. исследова­ния; 3 — аналитич. ис­следования высшей точ­ности; 4 — технич. взве­шивания повыш. точно­сти, взвешивания драго­ценных металлов; 5 — торговые и хозяйствен­ные взвешивания; за­штрихованная область — взвешивание на автоматич., крановых и др. технологич. весах и доза­торах.

особо точных В. не только приме­няют методы точного В., но и учиты­вают погрешности гирь. Для упро­щения оценки погрешности, обуслов­ленной влиянием аэростатич. сил, возникающих из-за неравенства объ­ёмов взвешиваемого тела и гирь (см. Архимеда закон), для всех гирь, за исключением эталонных, принимают условную плотность материала, рав­ную 8,0•10³ кг/м³ (независимо от того, из какого материала они из­готовлены). В принципе В. (опреде­ление массы) может быть осуществ­лено на основе любого физ. эффекта, объединяющего силовое или инер­ционное проявление массы с изменением к.-л. физ. величины (электрич. тока, магн. поля, оптич. характерис­тик в-в и т. д.). На рисунке графи­чески показаны достигнутые точности взвешиваний в разл. областях науки, техники и нар. х-ва.

• Рудо Н. М., Лабораторные весы и точ­ное взвешивание, М., 1963; Смирнова Н. А., Единицы измерений массы и веса в Международной системе единиц, М., 1966.

Н. А.Смирнова.

взрыв, очень быстрое выделение энергии в ограниченном объёме, свя­занное с внезапным изменением состоя­ния в-ва и сопровождаемое обычно разбрасыванием окружающей среды. Наиболее характерными явл. В., при к-рых на первом этапе внутренняя химическая (или ядерная) энергия превращается в тепловую. По срав­нению с обычным топливом хим. взрывчатые в-ва (В В) обладают не­большим тепловыделением [~4•10³ кДж/кг (или ~10³ ккал/кг)], но из-за малого времени хим. превращения (~10^-5 с), к-рое происходит без учас­тия кислорода воздуха, в-во не успе­вает разлететься в процессе В. и об­разует газ с высокой темп-рой (2•10³— 4•10³К) и давлением до 10 ГПа (10⁵атм). Расширение газа приводит в движение окружающую среду — возникает взрывная волна, скорость распространения которой вблизи очага В. достигает несколько км/с. Взрывная волна оказывает механи­ческое действие на окружающие объ­екты.

При определ. темп-pax, давлении и др. параметрах конденсиров. ВВ и взрывоопасные газовые смеси могут храниться длит. время — хим. реак­ции в них при этих условиях прак­тически не идут. Однако при неболь­ших изменениях указанных парамет­ров может произойти резкий переход от крайне медленного протекания хим. реакции к её прогрессивному самоускорению (автоускорению), т. е. к возникновению В. или к самовос­пламенению (см. Горение). Наличие таких критич. условий — характер­ная черта хим. ВВ.

Тепловой В. осуществляется в условиях, когда оказывается невоз­можным тепловое равновесие между реагирующим в-вом и окружающей средой. При достаточно больших зна­чениях энергии активации Е (разнос­тях между ср. энергией ч-ц, вступаю­щих в хим. реакцию, и ср. энергией всех ч-ц в реагирующей системе) скорость хим. реакции w быстро воз­растает с увеличением темп-ры Т ВВ по закону Аррениуса: w~zexp(-E/RT), где R — универсаль­ная газовая постоянная, z — предэкспоненц. множитель, значение к-рого зависит от механизма элем. акта реакции. Таким же образом растёт и скорость тепловыделения Q₊ в объёме в-ва V:

Q₊~Vqzexp(-E/RT)

73

 

 

(q — тепловой эффект реакции). Теплоотвод же во внеш. среду Q_- через поверхность S зависит от Т гораздо слабее:

Q_-~l/r(T-T₀)S

(l — коэфф. теплопроводности, r — линейный размер тела, Т₀ — темп-ра среды). Условию теплового равновесия соответствует равенство Q₊=Q_-, т. е. выделяющаяся в ходе реакции теплота должна полностью отводиться через поверхность ВВ. Вследствие силь­ной нелинейно­сти ф-ции тепловыделения Q₊(T)

Рис.  1.   Диаграмма Семёнова.

 

такое равновесие не всегда возможно. На рис. 1 приведены графики скорос­тей тепловыделения Q₊ и теплоотвода Q_- (прямые 1—3) при различных Т₀ (диаграмма Семёнова). При низких Т₀ (подкритич. состояние) графики Q₊ (T) и Q_-(T) пересекаются. Точка их пересечения а соответствует мед­ленному течению реакции при темп-ре Г, мало отличающейся от Т⁽¹⁾₀. При по­вышении Т₀ прямые теплоотвода сме­щаются вправо, и при нек-рой критич. темп-ре Т о прямая 2 касается Q₊(T), точка пересечения отсутст­вует, и, следовательно, тепловое рав­новесие невозможно. Если Т₀>T*₀ (надкритич. состояние), хим. экзотермич. реакция самоускоряется — выде­ление теплоты приводит к повыше­нию Т, что, в свою очередь, увеличи­вает скорость тепловыделения — воз­никает тепловой В.

Условие возникновения теплового В. формулируется в виде неравенства d>d*, где безразмерный параметр d зависит от величин, характеризую­щих хим. реакцию, условия теплоотвода и размеры тела:

а d*— число, определяемое только формой тела (напр., для шара d*=3,32, причём в этом случае r — ра­диус шара). Тепловой В. выражен тем ярче, чем лучше выполняются

неравенства RT₀/E<<1 и cRT²₀(Eq)<<1 (с — теплоёмкость ВВ). Если эти не­равенства выполняются плохо, теп­ловой взрыв вырождается — одно­временно с ростом Т происходит быстрое выгорание исходного в-ва, к-рое смазывает картину В.

Цепной В. осуществляется в та­ких системах, где хим. реакция раз­вивается как разветвлённая цепная

реакция, в процессе к-рой возникают большие концентрации (сравнимые с концентрациями исходных в-в) актив­ных ч-ц — радикалов, ведущих ре­акцию. В простейшем случае скорость изменения концентрации n радикалов описывается ур-нием:

dn/dt=w₀+(f-g)n,

где t — время, w₀ — скорость спон­танного зарождения радикалов, f и g — факторы разветвления и обрыва цепей. От знака j=f-g зависит ход

Рис. 2. Область самовоспламенения стехиометрич. смеси водорода с кислородом (за­штрихована).

цепного процесса. При j<0 концент­рация активных центров n=w₀/|j|, ничтожна из-за малой скорости их зарождения, и реакция практически не идёт. Если j>0, число активных центров лавинообразно (экспонен­циально) растёт. Критич. условие j=0 соответствует возникновению цепного В. Кривая j(Т, р)=0 (р — давление; рис. 2) ограничивает об­ласть самовоспламенения, имеющую обычно вид полуострова. Границы «по­луострова» наз. верхним и нижним пределами цепного В.

Тепловой и цепной режимы проте­кания В. могут осуществляться и при яд. превращениях — реакциях синтеза и деления ядер (см. Ядерный взрыв).

В. могут быть вызваны резкими внеш. воздействиями — ударом, тре­нием, ударной волной, возникшей при В. другого заряда. Причиной В. при ударе, по-видимому, явл. локаль­ный разогрев в-ва. Ударная волна вызывает специфич. вид взрывного превращения, к-рое происходит не одновременно по всему заряду, а распространяется в пр-ве с пост. ско­ростью,— возникает детонация.

К В. относятся также процессы, в к-рых выделяется не внутр. энер­гия в-ва, а энергия внеш. источника. Примерами могут служить В. при ударе тел, движущихся с большими скоростями (падение крупных метео­ритов); В. проволочек металла, испа­ряемых под действием сильного им­пульса электрич. тока; В. в среде, в к-рой сфокусировано мощное лазер­ное излучение (лазерная искра); В. при внезапном освобождении сжатого газа (разрушение стенок газовых бал­лонов) и т. п.

В. используют в геологии, при строи­тельстве плотин, каналов, тоннелей, в военном деле. Действие В. может быть усилено в определ. направлении (см. Кумулятивный эффект).

В научных исследованиях при по­мощи В. достигаются экстремально

высокие значения р, Т и плотностей в-ва r. Его используют для получе­ния магн. полей высокой напряжён­ности, для осуществления фазовых переходов и получения новых в-в (см. Давление высокое).

При эксперим. исследовании взрыв­ных процессов изучаются энерговы­деление разл. в-в, хар-ки взрывных и детонационных волн и распределение в них физ. параметров (р, r, Т, спектр. состава эл.-магн. излучения, скорости хим. реакций). Для изучения В. со­здана спец. аппаратура — высокоско­ростные киносъёмочные аппараты, электронные приборы, позволяющие следить за развитием процессов, про­текающих за чрезвычайно малые про­межутки времени (до 10^-11 с).

• Семенов Н. Н., Цепные реакции, Л., 1934; Франк-Каменецкий Д. А., Диф­фузия и теплопередача в химической кинети­ке, М.— Л., 1947; Физика взрыва, 2 изд., М., 1974; Зельдович Я. Б., Компанеец А. С., Теория детонации, М., 1955; Щелкин К. И., Трошин Я. К., Газодинамика горения, М.,1963; Седов Л. И., Методы подобия и размерности в механике, 9 изд., М., 1981.

Б. В. Новожилов.

ВЗРЫВНАЯ ВОЛНА, порождённое взрывом движение среды. Под воз­действием высокого давления газов, образовавшихся при взрыве, окру­жающая очаг взрыва среда испыты­вает сжатие и приобретает большую скорость. Движение передаётся от одного слоя к другому, так что об­ласть, охваченная В. в., быстро рас­ширяется. Скачкообразное изменение состояния в-ва на фронте В. в., наз. ударной волной, распространяется со сверхзвук. скоростью.

Осн. параметрами, характеризую­щими В. в., являются макс. давление

Взрывная волна в воздухе. Зависимость давления р в нек-рой точке от времени t: р₀ — исходное давление; t — время дейст­вия; p_m — давление на фронте волны.

 

p_m, время действия t и  импульс s=

По   мере    удаления   от места взрыва макс. давление и им­пульс уменьшаются, а время дейст­вия растёт (рис.).

В. в. обладают св-вом подобия. Расстояние r, на к-ром волна имеет заданную интенсивность, связано с энергией взрыва q соотношением

а    макс.   давление   и   импульс имеют  вид:

Хотя ф-ции f и j в большинстве слу­чаев неизвестны, приведённые соот­ношения позволяют методом модели­рования решать мн. задачи о воздейст­вии В. в. на среду.

 

74

 

 

На больших расстояниях от места взрыва В. в. вырождается в звуковую (или упругую в тв. среде) волну.

• См.   лит.   при ст.  Взрыв.

ВЗРЫВНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИС­СИЯ, испускание интенсивного элект­ронного потока, обусловленное пере­ходом в-ва катода (металлич. острия) из конденсиров. фазы в плотную плаз­му в результате разогрева локальных областей катода. Переход металл — плазма инициируется взрывом метал­ла, к-рый чаще всего происходит за счёт разогрева металла током авто­электронной эмиссии большой плот­ности (j'=10⁸—10⁹ А/см²). При этом время до взрыва t в =A/j², где А —коэфф., определяемый теплофиз. св-вами катода. Нач. взрыв и дальней­шая В. э. э. сопровождаются образо­ванием у катода плазмы, к-рая рас­ширяется со скоростью v~10⁶ см/с. Ток В. э. э. при взрыве одиночного

острия      I= 3,7•10^-5U^3/2(vt/(d-vt)),     где U — напряжение между катодом и анодом в процессе В. э. э., d — рас­стояние между ними, t — время. В. э. э. сопровождается уносом ма­териала с катода. Для уменьшения этого эффекта необходимо уменьшать электронный ток. Однако если этот ток становится меньше нек-рой критич. величины, то В. э. э. прекраща­ется. В. э. э. используется в сильно­точных ускорителях эл-нов и импульс­ных источниках рентг. лучей высокой интенсивности.

• Месяц Г. А., Генерирование мощных наносекундных импульсов, М., 1974; Бугаев С. П. [и др.], Взрывная эмиссия элект­ронов, «УФН», 1975, т. 115, в 1, с. 101; Месяц Г. А., Фурсей Г. Н., Взрыв­ная электронная эмиссия начальных стадий вакуумных разрядов, в кн.: Ненакаливае­мые катоды, М., 1974.

Г. А. Месяц.

ВИБРАЦИОННЫЕ СПЕКТРЫ, то же, что  колебательные  спектры.

ВИБРАЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОИЗМЕ­РИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, электро­магнитный преобразователь (резонанс­ного типа) электрич. колебаний в механические. Применяется как со­ставная часть частотомеров и нуль-индикаторов (вибрац. гальванометров в мостовых и компенсац. схемах перем. тока низкой частоты — до 100 Гц). В. э. м. представляет собой элект­ромагнит, поле к-рого воздействует на подвижную часть механизма — сталь­ную пластину, мембрану, нить и т. п. Если удвоенная частота перем. тока, протекающего через обмотку электро­магнита, оказывается равной частоте собств. колебаний подвижной части или близкой к ней, то амплитуда её колебаний резко увеличивается. Час­тотомер на основе В. э. м. представ­ляет собой сочетание электромагнита, возбуждаемого электрич. током, час­тота к-рого измеряется, с набором стальных вибрац. пластинок, частоты собств. колебаний к-рых образуют дискр. ряд с шагом не менее 0,2 Гц. Относит. погрешность измерений та­ких частотомеров ~ 1%.

• Электрические измерения, под ред. А. В. Фремке, Е. М. Душина, 5 изд., Л., 1980; Справочник по электроизмерительным приборам, 2 изд., Л., 1977. В. П. Кузнецов.

ВИГНЕРОВСКАЯ КРИСТАЛЛИЗА­ЦИЯ, образование периодич. про­странств, структуры в электронном газе твёрдого тела. Предсказана амер. физиком Ю. П. Вигнером (Е. P. Wigner) в 1934. В. к. возможна, когда при низких темп-pax энергия кулоновского расталкивания эл-нов пре­восходит их кинетич. энергию. Пред­ставление о В. к. используется при интерпретации фазовых переходов ме­талл — диэлектрик, в теории сильно легиров. полупроводников, при из­учении поверхности тв. тел, а также эл-нов над поверхностью жидкого ге­лия и др.

• См.   лит.  при    ст.  Твёрдое тело.

ВИДЕМАНА ЭФФЕКТ, возникнове­ние деформации кручения у ферромагн. стержня, по к-рому течёт электрич. ток, при помещении стержня в про­дольное магн. поле. Открыт в 1858 нем. физиком Г. Видеманом (G. Wiedemann). В. э.— одно из проявлений магнитострикции в поле, образован­ном сложением продольного магн. поля и кругового магн поля, созда­ваемого электрич. током. Если элект­рич. ток (или магн. поле) явл. пере­менным, то в стержне возбуждаются крутильные колебания. ВИДЕМАНА — ФРАНЦА ЗАКОН утверждает, что отношение коэфф. теплопроводности c к уд. электро­проводности s для металлов при оди­наковой темп-ре постоянно: c/s=const. Установлен в 1853 экспери­ментально нем. физиками Г. Видема­ном и Р. Францем (R. Franz). В 1881 дат. физик Л. Лоренц эксперименталь­но показал, что это отношение пропорц. Т: c/s=LT, где L — число Ло­ренца, одинаковое практически для всех металлов при комнатной и более высоких темп-pax Т. В.— Ф. з. впер­вые был объяснён нем. физиком П. Друде (1902), к-рый рассматривал эл-ны в металле как газ и применил к нему методы кинетич. теории газов (электро- и теплопроводность метал­лов обусловливается в осн. движением свободных эл-нов). В дальнейшем на базе квант. статистики для L было получено выражение:

L =(p³/3)(k/e)²=2,45•10^-8 ВтОм/К²,

где е — заряд эл-на. При комнатной темп-ре наблюдаемые значения L хорошо согласуются (за нек-рым иск­лючением, напр. для Be) с теоретиче­скими. Отклонение эксперим. значе­ний L от теоретических совр. теория объясняет неупругостью столкновений эл-нов проводимости с колебаниями кристаллической решётки.

• См. лит.   при ст.   Металлы.

ВИДЕОИМПУЛЬС, см. в ст. Импульс­ный  сигнал.

ВИДИМОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (видимый свет, свет), область спектра эл.-магн. колебаний, непосредственно воспринимаемая человеческим глазом. Харак­теризуется длинами волн в диапазоне от 400 до 760 нм. См. Свет (в узком смысле).

ВИДИМОЙ РЕЧИ ПРИБОР, прибор для наблюдения и регистрации изоб­ражений, показывающих изменение во времени спектра сложных звуков, в т. ч. звуков речи. Осн. идея В. р. п.— представление звуков речи в виде плоскостной картины в прямоуг. ко­ординатах время — частота. Интен­сивность каждой частотной состав­ляющей сложного звука в данный мо­мент времени отображается плотно­стью почернения чувствит. слоя фото­материала, электрохим. бумаги или яркостью свечения люминофора.

В. р. п. регистрирующего типа при­меняются при спектр. анализе неста­ционарных (изменяющихся во вре­мени) звуков. Состоят они из записы­вающей и воспроизводящей части А и анализирующей части В (рис.).

Схема прибора видимой речи регистрирую­щего типа: 1 — микрофон; 2 — магнитофон; 3, 4 и 5 — записывающая, воспроизводя­щая и стирающая головки; 6 — полосовой фильтр; 7 — записывающее устройство; 8 — барабан.

 

Звук записывают в течение определ. отрезка времени (неск. с) на магнито­фон, а затем его многократно воспро­изводят. С помощью полосового фильт­ра анализирующей части поочерёдно выделяют все частотные составляю­щие этого звука и подают на записы­вающее устройство, где на бланке из фотоматериала или электрохим. бу­маги получают почернение, тем боль­шее, чем сильнее в сигнале выражены частоты, соответствующие данной по­лосе пропускания фильтра. При каж­дом обороте барабана на бланке об­разуется «строка» с изменяющимся почернением, соответствующим изме­нению во времени спектр. интенсив­ности звука в этой полосе. Воспроиз­водя анализируемый звук большое число раз и меняя каждый раз час­тоту пропускания фильтра, получают совокупность последоват. строк, даю­щих картину изменения спектра во времени, по частоте и уровню интен­сивности.

В. р. п., в к-ром изображение по­лучается на слое люминофора, при­меняется в эксперим. лингвистике и в педагогич. практике при изучении иностр. языков, при обучении глухо­немых и исправлении недостатков речи. Этот прибор работает в реаль­ном масштабе времени, т. к. для

75

 

 

анализа в нём используют комплект параллельно включённых полосовых фильтров, охватывающих весь ана­лизируемый частотный диапазон.

• Беранек, Л., Акустические измерения, пер. с англ., М., 1952.

ВИДНОСТЬ (устар.), то же, что спектральная световая эффективность.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗВУКОВЫХ ПО­ЛЕЙ, методы получения видимой кар­тины распределения величин, харак­теризующих звуковое поле. В. з. п. применяется для изучения звук. по­лей сложной формы, для целей де­фектоскопии и медицинской диагно­стики, а также для визуализации акустич. изображений предметов, к-рые получены либо с помощью акустич. фокусирующих систем (звук. оптика), либо с помощью голографии акусти­ческой. Простейший пример В. з. п.— Хладни фигуры.

Методы В. з. п. можно разбить на три группы: 1) методы, использую­щие основные, линейные хар-ки звук. поля — звуковое давление, колебатель­ные смещения частиц, перем. плот­ность среды; 2) методы, основанные на квадратичных эффектах — на дефор­мации водной поверхности под дейст­вием пондеромоторных сил акустич. поля, акустических течениях, эффек­те диска Рэлея', 3) методы, использую­щие вторичные эффекты, возникаю­щие при распространении звук. волн достаточной интенсивности в жидко­сти: тепловые эффекты, ускорение про­цессов диффузии, воздействие УЗ на фотослой, дегазация жидкости, аку­стич. кавитация.

В методах первой группы для полу­чения картины распределения звук. давления самый распространённый приём — сканирование исследуемого поля миниатюрным приёмником зву­ка, напряжение на выходе к-рого модулирует яркость перемещаемого синхронно с ним точечного источника света. Этот метод обычно используют в диапазоне частот до 100 кГц. Более современный вариант подобного ме­тода В. з. п., используемый в диапа­зоне частот от 100 кГц до неск. десят­ков МГц, осуществляется в электронно-акустич. преобразователях: рас­пределение звук. давления преобра­зуется с помощью пьезоэлектрич. плас­тинки в соответствующее распределе­ние электрич. потенциала на её по­верхности, к-рое считывается элект­ронным лучом и преобразуется с по­мощью электроннолучевого осцилло­графа (кинескопа) в видимое изобра­жение звук. поля.

Изменение плотности среды в звук. поле приводит к изменению показа­теля преломления для световых лу­чей; оно может быть выявлено чисто оптич. приёмами, как, напр., теневым методом, методом фазового контраста, дифракцией света на ультразвуке, методом акустич. голографии и др.

Среди методов второй группы наи­большее распространение получил ме­тод поверхностного рельефа, основан­ный на св-ве свободной поверхности жидкости вспучиваться под действием падающего на неё изнутри жидкости звук. пучка. Получающийся рельеф хорошо виден при косом освещении. Для реализации метода диска Рэлея в смеси воды и ксилола образуют взвесь мельчайших чешуек лёгкого металла (напр., алюминия). В отсут­ствии звука эти чешуйки ориентиро­ваны беспорядочно, образуя при осве­щении матово-серую поверхность, а под действием звук. волны часть из них принимает определ. ориентацию, в результате чего на сером фоне по­является видимое изображение звук. поля.

В третьей группе методов следует отметить тепловое воздействие УЗ и его способность ускорять процессы диффузии. Для реализации теплового метода в исследуемое поле помещают тонкий экран из хорошо поглощаю­щего звук материала. Неравномерный нагрев экрана под действием УЗ может быть визуализирован разл. спо­собами: применением термочувствит. красок и жидких кристаллов, нанесён­ных тонким слоем на поглощающий экран; использованием электронно-оптич. преобразователей, чувствитель­ных к ИК излучению; возбужде­нием или гашением люминесценции и пр.

На способности УЗ ускорять про­цессы диффузии основаны фотодиффуз. методы. Предварительно засве­ченная фотобумага погружается в раз­бавленный р-р проявителя; в местах, на к-рые действовал УЗ, диффузия проявителя в желатину сильно уско­ряется и бумага быстро чернеет. •Бергман Л., Ультразвук и его при­менение в науке и технике, пер. с нем., 2 изд., М., 1957, гл. 3, § 4, гл. 6, § 4; Розенберг Л. Д., Визуализация ультразвуко­вых изображений, «Вестник АН СССР», 1958, № 3, с. 33; Э л ь п и н е р И. Е., Ультра­звук. Физ.-химич. и биол. действие, М.,1963.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ   ИЗОБРАЖЕНИЙ, методы преобразования двухмерного распределения нек-рого параметра физ. поля невидимого для человече­ского глаза излучения предмета (ИК, УФ, рентгеновского, УЗ и др.) в видимое (чёрно-белое или цветное) изображение. При этом яркость или цвет элемента видимого изображения соответствует определ. величине пара­метра невидимого изображения, напр, давлению УЗ поля (см. Визуализация звуковых полей), энергетич. освещён­ности для ИК и УФ диапазонов и др. В ряде случаев возможна В. и. не только по распределению интенсив­ности, но и по распределению фазы (см. Фазовый контраст) или поляри­зации (см. о поляризац. микроскопе в ст. Микроскоп). В зависимости от диапазона невидимого излучения и его действия на приёмники оптиче­ского излучения существует неск. ме­тодов В. и.

Для излучений в рентг., УФ и ближ­ней ИК (до 1,3 мкм) области спектра применим фотографический метод, основанный на фотохим. дейст­вии излучения на приёмник (фотоплас­тинки, фотоплёнки и др. виды фото­слоев). В УФ и рентг. областях ис­пользуются также люминесцент­ные экраны (иногда в комби­нации с электронно-оптич. усилите­лем яркости изображения), телевиз. трубки.

В ближней ИК области широко применяется также фотоэлект­рический метод В. и., основан­ный на изменении фотопроводимости приёмника при ИК облучении. При­борами, использующими этот метод В. и., явл. электронно-оптические пре­образователи. В более длинноволно­вой ИК области (до 14 мкм) исполь­зуются системы тепловидения, основанные на температурной зависимости св-в чувствит. элемента системы, нагревающегося при погло­щении ИК излучения. В кач-ве температурно-чувствит. материалов ис­пользуются крист. люминофоры (лю­минесцентные экраны с тепловым ту­шением люминесценции под действием ИК излучения и даже СВЧ диапазона), тонкие плёнки полупроводников и пироэлектриков, магнитные тонкие плён­ки, холестерические жидкие крис­таллы и др. (см. Тепловидение).

Развиваются методы В. и., осно­ванные на параметрич. преобразова­нии частоты ИК излучения в нелиней­ных кристаллах при накачке лазер­ным излучением в видимое излучение (см. также Голография).

Совр. тепловизоры со сканирова­нием позволяют производить без к.-л. подсветки В. и. объектов, темп-ра к-рых на 0,1—0,2 °С превышает фоно­вую (обычно комнатную). Нескани­рующие методы В. и. при чувстви­тельности 10^-4—10^-6 Вт/см² и раз­решении до 10—20 штрихов/мм нашли применение в ИК голографии, дефек­тоскопии и лазерных исследованиях.

• Ллойд Дж., Системы тепловидения, пер. с англ., М., 1978; К о з е л к и н В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, 2 изд., М., 1974.

В. Н. Синцов.

ВИЛЛАРИ ЭФФЕКТ (магнитоупругий эффект), влияние механич. де­формаций (растяжения, кручения, из­гиба и т. д.) на намагниченность фер­ромагнетика. Открыт в 1865 итал. фи­зиком Э. Влллари (Е. Villari). При постоянном упругом напряжении, на­ложенном на ферромагн. образец, из­менение (прирост) намагничен­ности образца с ростом магн. поля сначала увеличивается, затем про­ходит через максимум (точка В и л л а р и) и в пределе убывает до нуля. В. э. обратен магнитострикции. Ферромагнетики (напр., Ni), к-рые при намагничивании сокращаются в размерах (обладают отрицат. магнитострикцией), при растяжении уменьшают свою намагниченность (отрицат. В. э.). Наоборот, растяже­ние ферромагнетиков с положит. маг-

76

 

 

нитострикцией, напр. стержня из сплава Ni (65%)—Fe (35%), приводит к увеличению их намагниченности (положит. В. э.). При сжатии знак В. э. меняется на обратный. В. э. в областях смещения и вращения (см. Намагничивание} объясняется тем, что при действии механич. напряжений изменяется доменная структура фер­ромагнетика — векторы намагничен­ности J_s доменов меняют свою ориен­тацию без изменения абс. величины J_s. Эти явления, как и магнитострикция в области техн. намагничивания, определяются магн. силами вз-ствия атомов в решётке (преобладанием магнитоупругой энергии над энергией магн. анизотропии кристалла). В. э. применяется для создания магн. ма­териалов с особыми св-вами методом механич. деформации.

•  См.   лит.   при   ст.   Магнитострикция.

Р. 3. Левитин.

ВИЛЬСОНА КАМЕРА, прибор для наблюдения следов (треков) заряж. ч-ц. Основан на конденсации пересыщенного пара на ионах, об­разующихся вдоль траектории заряж. ч-цы. Ч-цы могут либо испускаться источником, помещённым внутри ка­меры, либо попадать в неё извне. Треки фотографируются неск. фото­аппаратами для получения стереоскопич. изображения. Природу и св-ва ч-цы можно установить по величине её пробега и импульсу, измеряемому по искривлению траекторий ч-ц в магн. поле, в к-рое помещена В. к. (рис.). В. к. сыграла важную роль в истории яд. физики. Изобретённая англ. физиком Ч. Вильсоном (Ch. Wil­son) в 1912 (Ноб. пр. 1927), она на протяжении неск. десятилетий была единств. трековым детектором для регистрации яд. излучений. В 50— 60 гг. она утратила значение, уступив место пузырьковым, камерам и искровым камерам.

 

• Вильсон Дж., Камера Вильсона, пер. с англ., М., 1954; Дас Гупта Н., Гош С., Камера Вильсона и ее применения в физике, пер. с англ., М., 1947. См. также лит. при ст. Детекторы.

ВИНА ЗАКОН ИЗЛУЧЕНИЯ, закон распределения энергии в спектре рав­новесного излучения в зависимости от абс. темп-ры Т. Открыт нем. физиком В. Вином (W. Wien), к-рый в 1893

вывел ф-лу для общего вида распре­деления энергии в спектре равновес­ного излучения (названную впослед­ствии формулой Вина):

где u_v — спектр. плотность энергии излучения, приходящаяся на единич­ный интервал частот v, a f — нек-рая ф-ция от v/T. В 1896 Вин получил зависимость u_v от v и Т в явном виде:

(С₁ и C₂ — постоянные коэффициенты). В. з. и. представляет собой предель­ный случай Планка закона излучения для больших v (малых длин волн l=c/v).

ВИНА ЗАКОН СМЕЩЕНИЯ, закон, утверждающий, что длина волны l,_макс, на к-рую приходится максимум энер­гии в спектре равновесного излуче­ния, обратно пропорциональна абс. темп-ре T излучающего тела: l_максT=b (b — постоянная Вина). В. з. с. яв­ляется следствием формулы Вина (см. Вина закон излучения). Впервые по­лучен нем. физиком В. Вином в 1893 из термодинамич. соображений.

ВИНТОВОЕ ДВИЖЕНИЕ, движение тв. тела, слагающееся из прямолиней­ного поступат. движения со скоростью v и вращения с угл. скоростью со вокруг оси aa₁ параллельной направ­лению скорости v (рис.).

Когда па-правление оси аа₁ остаётся неизмен­ным, тело, совершающее В. д., в ме­ханике наз. винтом, а ось аа₁ — осью винта. Винт наз. правым, когда у и со направлены так, как показано на рисунке, и левым, если направ­ление v или со изменить на противо­положное. Расстояние, проходимое за один оборот любой точкой тела, лежащей на оси винта, наз. шагом h винта, а величина p=v/w — параметром винта. Скорость v_M и ускорение w_m любой точки М винта, отстоящей от оси на расстоянии r, численно равны:

где w — ускорение поступат. движе­ния тела вдоль оси аа₁, e — угл. уско­рение вращения вокруг этой оси.

Если у и со постоянны, В. д. наз. равномерным. В этом случае шаг винта h=2pv/w=2pp также постоя­нен, а любая точка винта, не лежа­щая на его оси, описывает винтовую линию.

Любое сложное движение свобод­ного тв. тела слагается в общем слу­чае из серии элем. или мгнов. В. д. При этом ось В. д., наз. мгновен­ной винтовой осью, непре­рывно изменяет своё направление в пр-ве и в самом движущемся теле.

С. М. Тарг.

ВИНЬЕТИРОВАНИЕ (от франц. vi­gnette — заставка), частичное затене­ние пучка лучей, проходящего через оптич. систему, обусловленное его ограничением диафрагмами системы. В. приводит к уменьшению освещён­ности изображения, даваемого систе­мой, при переходе от центра к краю поля зрения. Степень понижения ос­вещённости изображения в результате В. характеризуется коэфф. виньетирования, к-рый равен отношению те­лесных углов (или площадей попереч­ных сечений) двух проходящих через систему пучков световых лучей — наклонного и осевого, идущих от равноудалённых от системы точек. Коэфф. В. обычно выражается в %.В. полностью отсутствует только при совпадении плоскости входного люка (см. Поле зрения) с плоскостью объекта (соотв. плоскости выходного люка с плоскостью изображения); при этом изображение резко ограничено. В зеркальных и зеркально-линзовых системах возможно В., вызванное наличием 2-го отражат. элемента, пре­пятствующего распространению центр. лучей пучка.

В. играет существ. роль в фотообъ­ективах. Обычно оно не превышает 30—40%, но в широкоугольных объек­тивах может достигать 50—60%, в ре­зультате чего фотопластинка или фото­плёнка оказывается недоэкспонированной на краях. С возможностью В. необходимо считаться в спектральном, анализе, напр. в случае, когда должна быть обеспечена равномерная по всей высоте освещённость изображения щели спектрографа.

ВИРИАЛА ТЕОРЕМА (нем. Virial, от лат. vires, мн. ч. от vis — сила), соотношение, связывающее ср. кинетич. энергию ξ_k системы ч-ц, дви­жущихся в конечной области пр-ва, с действующими в ней силами:

где r_i— радиус-вектор i-той ч-цы, f_i — сила, действующая на неё; черта сверху означает усреднение по доста­точно большому промежутку времени.

Сумма

в и р и а л о м

Клаузиуса (нем. учёный Р. Клаузиус в 1870 доказал В. т. для классич. системы матер. точек). Если силы V характеризуются потенциалом U (r) (силовое поле потенциально), то вместо (*) имеем:

77

 

 

Для систем с U~1/r (взаимодейст­вующие по закону Кулона заряж. ч-цы или ч-цы в поле тяготения) ξ_к= -U/2. Отсюда следует, напр., что для косм. тела (звёзды и др.) его гравитац. энергия U_G отрицательна и по абс. значению вдвое больше кинетич. энергии поступат. теплового дви­жения ч-ц в-ва (энергия вращат. движения молекул, энергия колеба­ний атомов в молекулах и др. виды энергии внутримол. и внутриат. дви­жения в это соотношение не входят). Полная энергия такой системы ξ=ξ_k+U_G=-ξ_k, т.е. сообщение звезде энергии уменьшает энергию теплового движения её ч-ц (пони­жает темп-ру), а излучение энергии звездой приводит к увеличению кинетич. энергии ч-ц и увеличению темп-ры звезды (сжимаясь, звезда разогре­вается) .

Для равновесной системы, обладаю­щей, кроме кинетич. энергии молекул ξ_k, кинетич. энергией турбулент­ного движения ξ_T и магн. энергией ξ_м, В. т. записывается в виде:

2(ξ_k+ξ_T) + U_G + ξ_M = 0.

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика, 3 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 1); 3 е л ь д о в и ч Я. Б., Н о в и к о в И. Д., Теория тяготения и эволю­ция звезд, М., 1971.

ВИРТУАЛЬНЫЕ    ПЕРЕМЕЩЕНИЯ,

то же, что возможные перемещения.

ВИРТУАЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ в кван­товой теории, переходы физ. микроси­стемы из одного состояния в другое, связанные с рождением и уничтоже­нием виртуальных частиц. ВИРТУАЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ в квантовой теории, короткоживущие промежуточные состояния микросисте­мы, в к-рых нарушается обычная связь между энергией, импульсом и массой системы (см. Виртуальные частицы). В. с. обычно возникают при столкно­вениях микрочастиц. Напр., столкно­вение нейтронов ' с протонами в су­щественной мере происходит путём образования и быстрого распада дей­трона в В. с.

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ в кван­товой теории, частицы, к-рые имеют такие же квант. числа (спин, электрич. и барионный заряды и др.), что и соответствующие реальные ч-цы, но для к-рых не выполняется обычная (справедливая для реальных ч-ц) связь между энергией (ξ), импульсом (р) и массой (m) ч-цы: ξ²¹р²с²+m²c⁴. Воз­можность такого нарушения вытекает из квант. неопределённостей соотноше­ния между энергией и временем и мо­жет происходить лишь на малом про­межутке времени (что препятствует эксперим. регистрации В. ч.); поэтому В. ч. существуют только в промежу­точных (имеющих малую длитель­ность) состояниях и не могут быть зарегистрированы. Особая роль В. ч. состоит в том, что они явл. переносчиками вз-ствия. Напр., два эл-на взаи­модействуют друг с другом путём испускания одним эл-ном и погло­щения другим виртуального фотона. Адроны при высоких энергиях в осн. взаимодействуют друг с другом путём обмена комплексом В. ч., наз. р е д ж е о н о м (см. Редже полюсов метод). Каждый из этих последоват. актов (поглощения и испускания) невоз­можен без нарушения связи между импульсом и энергией.

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

А. В. Ефремов.

ВИСКОЗИМЕТР (от позднелат. viscosus — вязкий и греч. metreo — изме­ряю), прибор для определения вяз­кости. Наиболее распространены В. капиллярные, ротационные, с дви­жущимся шариком, ультразвуковые. Определение вязкости капил­лярными В. основано на Пуазёйля законе и состоит в измерении времени протекания известного кол-ва жид­кости или газа через узкие трубки круглого сечения (капилляры) при заданном перепа­де давления (рис.). В ротационных В. исследуемая вязкая среда находится в за­зоре между двумя соосными телами (ци­линдры, конусы, сферы,

Стеклянный капиллярный вискозиметр: 1 — измерит. резервуар; 2 — капилляр; 3 — приёмный сосуд; M₁ и М₂ — метки, служащие для измерения времени ис­течения жидкости из изме­рит. резервуара.

 

их сочетание), причём одно из тел (ро­тор) вращается, а другое неподвижно. Вязкость определяется по крутящему моменту при заданной угл. скорости или по угл. скорости при заданном крутящем моменте. Действие В. с движущимся шариком в трубке с исследуемой жидкостью осно­вано на Стокса законе; вязкость оп­ределяется по скорости прохождения падающим шариком промежутков между метками на трубке В.

Действие ультразвуковых В. основано на измерении скорости за­тухания колебаний пластинки из магнитострикц. материала, погружённой в исследуемую среду. Колебания воз­буждаются короткими (~10—30 мкс) импульсами тока в катушке, на­мотанной на пластинку. При коле­баниях пластинки в этой же катушке наводится эдс, пропорц. скорости пла­стинки, колебания к-рой затухают тем быстрее, чем больше вязкость среды. При уменьшении эдс до нек-рого по­рогового значения в катушку посту­пает новый возбуждающий импульс. Вязкость среды определяют по час­тоте следования импульсов.

Помимо В., позволяющих выразить результаты измерений в единицах

динамич. или кинематич. вязкости, существуют В. для измерения вяз­кости жидкостей в условных едини­цах (напр., с). Такой В. представляет собой сосуд с калиброванной сточной трубкой; вязкость оценивается по вре­мени истечения определ. объёма жид­кости.

•Измерения в промышленности, пер. с нем., ., 1980.

ВИСКОЗИМЕТРИЯ, раздел измерит. физики и техники, посвящённый из­учению и разработке методов измере­ния вязкости. Разнообразие методов и конструкций приборов для измере­ния вязкости — вискозиметров — об­условлено широким диапазоном зна­чений вязкости (от 10^-5 Н•с/м² у га­зов до 10¹² Н•с/м² у нек-рых полиме­ров), а также необходимостью изме­рять вязкость в условиях низких и высоких темп-р и давлений (напр., вязкость сжиженных газов, расплав­ленных металлов, водяного пара при высоких давлениях). Наиболее рас­пространены методы В., основанные на Пуазёйля законе, Стокса законе, на изучении затухания периодич. ко­лебаний пластины, помещённой в ис­следуемую среду, и др.

Особую группу образуют методы измерения вязкости в малых объ­ёмах среды (микровязкость). Они осно­ваны на наблюдении броуновского движения, подвижности ионов, диф­фузии ч-ц.

• Барр Г., Вискозиметрия, пер. с англ., Л.— М., 1938; Тарг С. М., Основные за­дачи теории ламинарных течений, М., 1951; Ф у к с Г. И., Вязкость и пластичность неф­тепродуктов, М., 1951; Голубев И. Ф., Вязкость газов и газовых смесей, М., 1959. См. также лит. при ст. Вискозиметр.

ВИХРЕВОЕ ДВИЖЕНИЕ, движение жидкости или газа, при к-ром их ма­лые элементы (ч-цы) перемещаются не только поступательно, но и вращаются около нек-рой мгновенной оси.

Подавляющее большинство течений жидкости и газа, к-рые происходят в природе или осуществляются в тех­нике, представляет собой В. д. Напр., при движении воды в трубе имеет место В. д. как в случае ламинарного течения, так и в случае турбулент­ного течения. Вращение элем. объ­ёмов обусловлено здесь тем, что на стенке из-за прилипания жидкости скорость её равна нулю, а при удале­нии от стенки быстро возрастает, так что скорости соседних слоев значи­тельно отличаются друг от друга. В ре­зультате тормозящего действия одного слоя и ускоряющего действия дру­гого возникает вращение ч-ц, т. е. имеет место В. д. Примерами В. д. явл. также: вихри воздуха в атмосфе­ре, к-рые часто принимают огромные размеры и образуют смерчи и циклоны; водяные вихри, к-рые образуются сзади устоев моста; воронки в воде реки и т. п.

Количественно В. д. можно оха­рактеризовать вектором w угл. ско­рости вращения ч-ц, к-рый зависит от координат точки в потоке и от вре­мени. Вектор и наз. вихрем среды

78

 

 

в данной точке; если w=0 в нек-рой области течения, то в этой области течение безвихревое. Вращающиеся среды могут образовывать вихревые трубки или отд. слои. Вихревая труб­ка не может иметь внутри жидкости ни начала, ни конца; она или может быть замкнутой (вихревое кольцо), или должна иметь начало и конец на границах жидкости (напр., на поверх­ности обтекаемого тела; на поверх­ности сосуда, внутри к-рого заклю­чена жидкость; на поверхности зем­ли — в случае смерчей; на поверхности воды или на дне реки — в случае вих­рей в текущей воде и т. п.).

В движущейся среде, лишённой вязкости (идеальная жидкость), вих­ри не могли бы самопроизвольно по­явиться, а будучи созданы, не могли бы затухать. В средах с малой вязко­стью (вода, воздух) В. д. возникает в тех областях течения, где вязкость всего сильнее проявляется: в слое вблизи обтекаемого тела, в т. н. по­граничном слое, заполненном сильно завихрённой средой. Вихри погранич­ного слоя сбегают с поверхности об­текаемого тела и создают за этим те­лом след в форме тех или иных обра­зований (вихревых слоев или вихре­вых дорожек). Вихри, возникающие при движении тела в среде, опреде­ляют значит. часть подъёмной силы и силы лобового сопротивления, дей­ствующих на него. Поэтому изучение В. д. имеет большое значение для расчёта и конструирования крыльев самолётов, возд. винтов, лопаток тур­бин и т. д.

• Прандтль Л., Гидроаэромеханика, пер. с нем., 2 изд., М., 1951; Фабри­кант Н. Я., Аэродинамика. Общий курс, М., 1964.

ВИХРЕВЫЕ ТОКИ (токи Фуко), замк­нутые электрич. токи в массивном проводнике, возникающие при изме­нении пронизывающего его магн. по­тока. В. т. явл. индукционными то­ками (см. Электромагнитная индук­ция), они образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магн. поля, в к-ром оно нахо­дится (рис. 1),

 

 

Рис. 1. Вихревые то­ки (пунктирные ли­нии) в сердечнике ка­тушки, включённой в цепь перем. тока I; указанное направле­ние вихревых токов соответствует момен­ту увеличения магн. индукции В, создава­емой в сердечнике то­ком.

 

либо в результате дви­жения тела в магн. поле, приводя­щего к изменению магн. потока через тело или к.-л. его часть. В. т. замы­каются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные кон­туры. Согласно Ленца правилу, магн. поле В. т. направлено так, чтобы противодействовать изменению магн. потока, индуцирующему эти В. т.

В. т.   приводят   к   неравномерному распределению   магн.   потока   по   сечению магнитопровода. Это объяс­няется тем, что в центре сечения магнитопровода напряжённость магн. поля В. т., направленная навстречу осн. магн. потоку, имеет наибольшее значение. В результате такого «вы­теснения» поля при высоких частотах поток проходит лишь в тонком поверх­ностном слое сердечника. Это явление наз. магнитным скин-эффектом (аналогично электрич. скин-эффекту).

В соответствии с Джоуля — Ленца законом, В. т. нагревают проводники, в к-рых они возникли, что приводит к потерям энергии. Для их умень­шения и снижения эффекта «вытеснения» магн. поля магнитопроводы из­готовляют не из сплошного куска, а из изолированных друг от друга отд. пластин, заменяют ферромагн. материалы магнитодиэлектриками и др.

 

Рис. 2. Возникновение электрич. скин-эф­фекта в проводнике с перем. током (Т указы­вает направление тока в нек-рый момент времени).

 

В. т. возникают и в самом провод­нике, по к-рому течёт перем. ток, что приводит к неравномерному распре­делению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в про­воднике индукционные В. т. направ­лены у поверхности проводника по первичному току, а у оси провод­ника — навстречу току (рис. 2). В ре­зультате внутри проводника ток уменьшится, а у поверхности увели­чится. Токи высокой частоты практи­чески текут в тонком поверхностном слое, внутри же проводника тока нет. Это явление наз. электриче­ским скин-эффектом.

Вз-ствие В. т. с осн. магн. потоком приводит в движение проводящее тело. Это явление используется в измерит. технике, в машинах перем. тока и т. д.

ВИЦИНАЛЬ (от лат. vicinus — сосед­ний, близкий), побочная грань крис­талла, слабо отклонённая от к.-л. из осн. граней кристалла на малый (£5°) угол. Поверхность В. представ­ляет собой лестницу из ступеней вы­сотой порядка долей или единиц пара­метров элементарной ячейки крис­талла, чередующихся с террасами, образованными участками осн. гра­ни. На каждой грани кристалла в про­цессе его роста может возникать по 2, 3, 4, 6 (в зависимости от точечной группы симметрии кристалла) В., наклонённых в разные стороны, но симметрически связанных и образую­щих пологие пирамидальные холмики. На одной грани может быть неск. вицинальных холмиков роста (рис.). Наклон В. роста определяется усло­виями кристаллизации. При раство­рении кристаллов образуются вицинальные ямки. Иногда В. обнаруживаются на поверхности скола.

 

ВЛАСОВА УРАВНЕНИЕ, кинетич. ур-ние (типа кинетического уравнения Больцмана) для бесстолкновительноц плазмы. См. Плазма.

ВМОРОЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, см. Магнитная гидродина­мика.

ВНЕСИСТЕМНЫЕ ЕДИНИЦЫ, еди­ницы физ. величин, не входящие ни в одну из существующих систем еди­ниц. В. е. можно разделить на неза­висимые (определяемые без помощи других единиц, напр. градус Цельсия, бел) и произвольно выбранные, но выражаемые нек-рым числом других единиц (напр., атмосфера, лошадиная сила, световой год, парсек).

ВНЕШНЕЕ ТРЕНИЕ, см. Трение внешнее.

ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ в твёрдых телах, свойство твёрдых тел необра­тимо превращать в теплоту механич. энергию, сообщённую телу в процессе его деформирования. В. т. связана с двумя разл. группами явлений — неупругостью и пластич. деформацией. Неупругость представляет собой отклонение от св-в упругости при деформировании тела в условиях, когда остаточные деформации практи­чески отсутствуют. При деформиро­вании с конечной скоростью в теле возникает отклонение от теплового равновесия. Напр., при изгибе равно­мерно нагретой тонкой пластинки, материал к-рой расширяется при на­гревании, растянутые волокна охла­дятся, сжатые — нагреются, вследст­вие чего возникает поперечный пере­пад темп-ры, т. е. упругое деформи­рование вызовет нарушение теплового равновесия. Последующее выравни­вание темп-ры путём теплопровод-

79

 

 

ности представляет собой процесс, сопровождаемый необратимым пере­ходом части упругой энергии в теп­лоту (т. н. релаксац. процесс — см. Релаксация). Этим объясняется на­блюдаемое на опыте затухание сво­бодных изгибных колебаний пластин­ки — т. н. термоупругий эф­фект.

При упругом деформировании спла­ва с равномерным распределением ато­мов разл. компонентов может про­изойти перераспределение атомов в в-ве, связанное с различием их разме­ров. Восстановление равновесного распределения атомов путём диффузии также представляет собой релаксац. процесс. Проявлениями неупругих, или релаксационных, св-в, кроме упо­мянутых, явл. упругое последействие в чистых металлах и сплавах, упру­гий гистерезис и др.

Деформация, возникающая в упру­гом теле, зависит не только от при­ложенных к нему внешних механич. сил, но и от темп-ры тела, его хим. состава, внешних магн. и электрич. полей (магнито- и электрострикция), величины зерна, его крист. структуры и т. д. Это приводит к многообразию релаксац. явлений, каждое из к-рых вносит свой вклад в В. т. Если в теле одновременно происходит неск. ре­лаксац. процессов, каждый из к-рых можно характеризовать своим време­нем релаксации t_i то совокупность всех времён релаксации отдельных ре­лаксац. процессов образует т.н. релак­сац. спектр этого материала, характе­ризующий его при данных условиях; каждое структурное изменение в об­разце меняет релаксац. спектр.

Величину В. т. измеряют по зату­ханию свободных колебаний (продоль­ных, поперечных, крутильных, изгиб­ных), по резонансной кривой для вы­нужденных колебаний, по относит. рассеянию упругой энергии за один период колебаний. В. т. явл. источни­ком сведений о процессах, возникаю­щих в тв. телах, в частности в чистых металлах и сплавах, подвергнутых разл. механич. и тепловым обработ­кам.

В. т. при пластической деформации. Если силы, дей­ствующие на тв. тело, превосходят предел упругости и возникает пластич. течение, то можно говорить о квазивязком сопротивлении течению (по аналогии с вязкой жидкостью), со­провождающимся превращением ме­ханич. энергии в теплоту. Механизм В. т. при пластич. деформации су­щественно отличается от механизма В. т. при неупругости (см. Пластич­ность, Ползучесть материалов). Раз­личие в механизмах рассеяния энер­гии определяет разницу в значениях вязкости, отличающихся на 5—7 по­рядков (вязкость пластич. течения, достигающая величины 10¹³—10¹⁵ Па•с.

всегда значительно выше вязкости, вычисляемой из упругих колебаний и равной 10⁷—10⁸ Па•с). По мере роста амплитуды упругих колебаний всё большую роль начинают играть плас­тич. сдвиги, и величина вязкости рас­тёт, приближаясь к значениям вяз­кости пластич. течения.

ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ в жидкостях и газах, то же, что вязкость.

ВНУТРЕННЯЯ ЧЕТНОСТЬ (Р), одна из хар-к (квант. чисел) элем. ч-цы, определяющая поведение её волновой функции y при пространственной ин­версии (зеркальном отражении), т. е. при замене координат х®-х, y®-у, z®-z. Если при таком отражении y не меняет знака, В. ч. ч-цы положи­тельна (Р=+1), если меняет — отри­цательна (Р=-1). Для бозонов В. ч. ч-цы и античастицы одинаковы, для фермионов произведение В. ч. ч-цы и античастицы равно -1. См. также Чётность.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ, энергия физ. системы, зависящая от её внутр. состояния. В. э. включает энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т. д.) и энергию вз-ствия этих ч-ц. Кинетич. энергия движения системы как целого и её потенц. энергия во внеш. силовых полях в В. э. не входят. В термодинамике и её приложениях представляет инте­рес не само значение В. э. системы, а её изменение при изменении состоя­ния системы. Поэтому обычно при­нимают во внимание только те со­ставляющие В. э., к-рые изменяются в рассматриваемых процессах изме­нения состояния в-ва. , Понятие «В. э.» ввёл в 1851 англ. учёный У. Томсон (лорд Кельвин), определив изменение В. э. (DU) физ. системы в к.-н. процессе как алгебр. сумму количеств теплоты Q, к-рыми система обменивается в ходе процесса с окружающей средой, и работы А, совершённой системой или произведён­ной над ней:

DU=Q+A. (*)

Принято считать работу положитель­ной, если она производится системой над внеш. телами, а кол-во теплоты положительным, если оно передаётся системе. Ур-ние (*) выражает первое начало термодинамики — закон со­хранения энергии в применении к про­цессам, в к-рых происходит передача теплоты. Согласно закону сохранения энергии, В. э. явл. однозначной ф-цией состояния физ. системы, т. е. одно­значной ф-цией независимых перемен­ных, определяющих это состояние, напр. темп-ры Т и объёма V (или дав­ления р). Однозначность В. э. при­водит к тому, что, хотя каждая из величин Q и А зависит от хар-ра про­цесса, переводящего систему из со­стояния с В. э. U₁ в состояние с энер­гией U₂, изменение DU определяется лишь значениями В. э. в нач. и кон. состояниях: DU=U₂-U₁. Для любого замкнутого процесса, возвра­щающего систему в первонач. состо­яние (U₂=U₁), изменение В. э. равно нулю и Q=A (см. Круговой процесс). Изменение В. э. системы в адиабати­ческом процессе (т. е. при Q=0) равно работе, производимой над системой или произведённой системой: DU=A _ад. В случае простейшей физ. системы с малым межмол. вз-ствием — идеаль­ного газа — изменение В. э. сводится к изменению кинетич. энергии молекул:

DU=Мс_VDТ,

где М — масса газа, c_V — уд. тепло­ёмкость при пост. объёме. . Поэтому DU для идеального газа опреде­ляется только изменением темп-ры Т (закон Джоуля). В физ. системах, ч-цы к-рых взаимодействуют между собой (реальные газы, жидкости, тв. тела), В. э. включает также энергию межмол. и внутримол. вз-ствий. В. э. таких систем зависит как от темп-ры, так и от давления (объёма).

Экспериментально может быть из­мерено только изменение В. э. в к.-л. физ. процессе, то есть В. э. опреде­ляется с точностью до пост, слагае­мого. Методы статистической физики позволяют в принципе теоретически рассчитать В. э. физ. системы, но так­же лишь с точностью до пост. слагае­мого, зависящего от выбранного нуля отсчёта.

В области низких темп-р при Т®0 В. э. конденсированных систем (жид­ких и тв. тел) приближается к определ. пост. значению U₀ (см. Третье на­чало термодинамики). Значение U₀ мо­жет быть принято за начало отсчёта В. э.

В. э. явл. термодинамич. потенциа­лом (как ф-ция энтропии S и объёма V), дифференцированием U по S и V можно определить ряд других пара­метров системы.

• См. лит. при ст. Потенциалы термоди­намические.

А. А. Лопаткин.

ВНУТРИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ ПО­ЛЕ, электрич. поле, существующее внутри кристаллов вследствие того, что на коротких (порядка межатом­ных) расстояниях поля, создаваемые положит. и отрицат. зарядами, не скомпенсированы. Реже В. п. назы­ваются также существующие внутри нек-рых кристаллов магн. поля. Для расчётов электрич. В. п. часто поль­зуются приближением точечных за­рядов и диполей — ионы и молекулы, обладающие дипольным моментом, рассматриваются как точечные заря­ды или электрич. диполи, находящи­еся в узлах крист. решётки. В. п. мо­гут достигать напряжённости 10⁸ В/см и более. Симметрия В. п. определяется гл. обр. симметрией кристалла. Ве­личина и симметрия В. п. в данной точке кристалла зависит от деформа­ций, от наличия примесей, дефектов и от поляризации кристалла. В. п. непрерывно колеблется в небольших пределах относительно своего ср. зна­чения благодаря колебаниям кристал-

80

 

 

лической решётки. Экспериментально электрич. В. п. исследуются опти­ческими и радиоспектроскопическими методами.

Значительные магн. поля возни­кают в кристаллах, содержащих парамагн. атомы. Они создают магн. поле, убывающее обратно пропорц. кубу расстояния от них (магн. ди­поли). Напр., магн. момент атомов переходных элементов создаёт в ок­ружающем пр-ве (на расстояниях по­рядка межатомных) магн. поля, до­стигающие напряжённости магн. поля тысяч и даже десятков тысяч Э. Осо­бый интерес представляют поля, со­здаваемые эл-нами на «собственном» ат. ядре, к-рые исследуются мето­дами, основанными на ядерном магн. резонансе и Мёссбауэра эффекте.

• Бальхаузен К., Введение в теорию поля лигандов, пер. с англ., М., 1964. См. также лит. при ст. Ядерный магнитный ре­зонанс и Мёссбауэра эффект.

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ, тип связи, промежуточный между ковалентной химической связью и невалентным межат. вз-ствием и осуществляющийся с участием атома водорода, располо­женного либо между молекулами, либо между атомами внутри моле­кулы. Примером межмолекулярной В. с. явл. связь между молекулами

воды:

внутри-    и

межмолекулярные В. с. типа N—Н•••О часто встречаются в бпополимерах — белках, нуклеиновых кислотах и пр. В. с. объясняется тем, что эл-н атома водорода слабо связан с прото­ном и легко смещается к электроотрицат. атому, напр. к ближайшему атому кислорода или азота. В резуль­тате протон почти «оголяется», и со­здаются условия для сближения ато­мов О•••О или N•••O. См. также Межатомное взаимодействие.

В. Г. Дашевский.

ВОДОРОДНЫЙ ТЕРМОМЕТР,  см. Газовый термометр.

ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ (протон-про­тонный цикл), последовательность термоядерных реакций в звёздах, при­водящая к превращению водорода в ге­лий без участия катализаторов. В. ц.— осн. источник энергии норм. одно­родных звёзд, в частности Солнца. Последовательность реакций В. ц. приведена в табл. 2 ст. Термоядерные реакции.

ВОДОРОДОПОДОБНЫЕ АТОМЫ, атом Н и ионы, состоящие из ядра и одного эл-на (Не⁺ , Li²⁺ , Ве³⁺ , . . .). Обладают сходными оптич. св-вами (см. Атом). В физике полупроводников В. а. наз. примесные атомы, у к-рых валентность на единицу больше или меньше, чем у атомов осн. в-ва полу­проводника.

ВОЗБУЖДЕНИЕ атома или молекулы, переход атома или молекулы из ос­новного состояния в состояние с боль­шей энергией (на один из вышележа­щих уровней энергии). В. происходит при столкновениях ч-ц (см. Столкно­вения атомные) или при вз-ствии ч-цы

с квантами эл.-магн. излучения (как правило, в тех случаях, когда энергия, получаемая ею в акте вз-ствия, недостаточна для её ионизации). Вся­кое состояние атома или молекулы, кроме основного, наз. возбуждённым состоянием; каждое из них характе­ризуется определ. кол-вом энергии (энергией В.), к-рое ч-ца получает при переходе из основного в данное возбуждённое состояние. Если послед­нее не явл. метастабильным состо­янием, то после очень кратковрем. пребывания в нём (для атомов~10^-8 с) ч-ца самопроизвольно переходит в основное или др. состояние с мень­шей энергией. Ср. время существо­вания возбуждённого состояния наз. временем жизни ч-цы на уровне энер­гии. Атомы и молекулы в возбуждён­ных состояниях обычно значительно более химически активны, чем в ос­новном состоянии.

ВОЗБУЖДЁННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ, увеличение электропроводности ди­электриков и полупроводников при ос­вещении (см. Фотопроводимость) или при электронной бомбардировке их поверхности (электронно-возбужденная проводимость). В. п. обусловлена генерацией элект­ронно-дырочных пар.

ВОЗБУЖДЁННОЕ СОСТОЯНИЕ кван­товой системы, состояние атома, мо­лекулы и др. квант. систем с энергией выше минимальной из дискр. ряда возможных для этой системы энергий. Возбуждёнными наз. все состояния, кроме основного состояния (состояния с мин. энергией). Для перехода сис­темы в В. с. её необходимо возбудить — сообщить ей энергию (см., напр., Возбуждение). В. с. обладают, как правило, конечными временами жиз­ни. Уровни энергии, соответствующие В. с., также наз. возбуждёнными.

ВОЗГОНКА (сублимация), переход в-ва из тв. состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. ВОЗДУХ, смесь газов, из к-рых состо­ит атмосфера Земли (азот — 78,08%, кислород — 20,95%, инертные газы и водород — 0,94%, СO₂—0,03%, в небольших кол-вах O₃, CO, NH₃, CH₄, SO₂ и др.). Средняя мол. м.— ок. 29 атомных ед. При 0°С давление В. на ур. м. 101 325 Па (1 ат, или 760 мм рт. ст.). В этих, т. н. нормальных, условиях масса 1 л В. рав­на 1,2928 г; темп-pa кипения жидкого В. при норм. давлении — ок. 83 К. Показатель преломления 1,00029, диэлектрич. проницаемость 1,000059. Критич. темп-pa В.-140,7°С, критич. давление 3,7 МН/м².

Для большинства расчётов В. можно считать идеальным газом (отклонения св-в В. от св-в идеального газа ха­рактеризуется коэфф. сжимаемости, к-рый при 0°С равен 1,00060). Тепло­ёмкость, вязкость и теплопроводность В. в значит. степени зависят от давле­ния и темп-ры.

ВОЗДУШНЫЙ ТЕРМОМЕТР, см. Газовый термометр.

ВОЗМОЖНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ (вир­туальные перемещения), элементарные (бесконечно малые) перемещения, к-рые точки механич. системы могут совершать из занимаемого ими в дан­ный момент времени положения, не нарушая наложенных на систему свя­зей (см. Связи механические). В. п.— понятия чисто геометрические, не за­висящие от действующих сил; они определяются только видом наложен­ных на систему связей и вводятся как хар-ки этих связей, показывающие, какие перемещения при наложенных связях остаются для системы возмож­ными. Напр., если связью для точки явл. к.-н. поверх­ность и точка нахо­дится на ней в дан­ный момент в по­ложении М (рис.),

то В. п. точки в этот момент будут элем. отрезки (векторы) длиной ds, направленные по касатель­ной к поверхности в точке М. Переме­щение по любому другому направле­нию не будет В. п., т. к. при этом нарушится связь (точка не останется на поверхности). Понятие «В. п.» от­носится и к покоящейся и к движу­щейся точке. Если связь со временем не изменяется, то истинное элем. перемещение ds движущейся точки из положения М совпадает с одним из В. п.

Понятием «В. п.» пользуются для определения условий равновесия и ур-ний движения механич. системы (см. Возможных перемещений принцип, Д'Аламбера — Лагранжа принцип), а также при нахождении числа степе­ней свободы системы.

С. М. Тарг.

ВОЗМОЖНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПРИНЦИП, один из вариационных принципов механики, устанавливаю­щий общее условие равновесия меха­нич. системы. Согласно В. п. п., для равновесия механич. системы с иде­альными связями (см. Связи механи­ческие) необходимо и достаточно, чтобы сумма работ dA_i всех приложенных к системе активных сил на любом возможном перемещении системы была равна нулю. Математически В. п. п. выражается ур-нием:

SdA_iºSF_ids_icosa_i=0,         (*)

где f_i — действующие активные силы, 6s; — величины возможных переме­щений точек приложения этих сил, a_i — углы между направлениями сил и возможных перемещений. Для сис­тем с неск. степенями свободы ур-ние (*) может составляться для каждого независимого перемещения в отдель­ности. В. п. п. позволяет найти ус­ловия равновесия системы с идеаль­ными связями, не вводя неизвестных реакций связей, что существенно уп­рощает решение и расширяет класс разрешимых задач. О применении метода, аналогичного даваемому

 

81

 

 

В. п. п.  к  решению  задач динамики,

см. Д'Аламбера — Лагранжа прин­цип.

С. М. Тарг.

ВОЗМУЩЕНИЙ ТЕОРИЯ, метод приб­лижённого решения ур-ний, содержа­щих к.-л. малые параметры; в ур-ннях, описывающих физ. системы, В. т. ис­пользуется в тех случаях, когда нек­рое воздействие на эту систему (воз­мущение) может считаться малым.

Метод В. т. состоит в том, что сна­чала находится более простое реше­ние для «невозмущённой» системы, а затем с помощью этого решения вы­числяются поправки, вносимые воз­мущением. «Подправленное» решение можно использовать для нахождения след. поправки и т. д. Таким обра­зом, В. т. сводится к последователь­ному, поэтапному уточнению решения (отсюда другое назв. В. т.— метод последовательных при­ближений). Решение получается в виде ряда по степеням нек-рой без­размерной величины, характеризую­щей возмущение. Когда возмущение действительно мало, каждый после­дующий член данного ряда много меньше предыдущего, и поэтому можно ограничиться лишь первыми членами ряда (первыми поправками).

Исторически В. т. первоначально применялась в небесной механике для приближённого решения трёх тел задачи. Здесь роль невозмущённой за­дачи играет кеплерова задача для двух тел. Возмущение, вызываемое движением третьего тела, считается малым и описывается малыми чле­нами ур-ний движения.

В. т. явл. одним из важных мето­дов решения осн. ур-ния квант. ме­ханики — Шрёдингера уравнения и применяется во всех случаях, когда вз-ствие можно разбить на две части: основную, почти полностью опреде­ляющую состояние системы, и отно­сительно менее существенную (воз­мущение), приводящую лишь к незначит. изменению этого состояния. Напр., решая задачу об атоме водо­рода, помещённом во внеш. электрич. поле (Штарка эффект), напряжён­ность к-рого много меньше напряжён­ности кулоновского поля ядра (в пре­делах атома), сначала пренебрегают воздействием внеш. поля, т. е. нахо­дят волн. ф-ции, уровни энергии и др. физ. величины для невозмущёиного атома, затем, используя «невозму­щённые» волн. ф-ции, находят поправ­ки к уровням, обусловленные воздейст­вием внеш. поля. Иногда эту процеду­ру последоват. уточнения приходится проделывать неск. раз, подсчитывая поправки всё более высокого по­рядка.

Особое значение приобрела В. т. в квант. теории эл.-магн. поля (квант. электродинамике) для вычисления амплитуд разл. процессов. Способы точного решения ур-ний квант. теории

полей неизвестны. В то же время вы­числения по В. т. приводят в квант. электродинамике к результатам, пре­красно согласующимся с опытом.

В кач-ве примера рассмотрим задачу о вз-ствии электрон-позитронного по­ля с эл.-магн. полем. Само это вз-ст­вие будем считать малым возмуще­нием. В нулевом приближении, т. е. когда возмущение (вз-ствие полей) считается равным нулю, ч-цы, соот­ветствующие этим полям (эл-ны и позитроны, фотоны), явл. свободными; иными словами, всё выглядит так, как если бы электрич. заряды эл-нов и позитронов обратились в нуль (вз-ствие отсутствует). Первое при­ближение наглядно соответствует сле­дующему: все ч-цы движутся как свободные до нек-рой точки, в к-рой происходит их встреча и где в ре­зультате вз-ствия начальные ч-цы ис­чезают, а вместо них появляются но­вые ч-цы, к-рые от момента своего возникновения также движутся как свободные. Т. о., первое приближе­ние учитывает лишь один акт вз-ствия, точнее, один акт вызванных вз-ствием превращений ч-ц. В следующих — во втором, третьем и т. д. приближениях учитывается соотв. два, три и т. д. акта вз-ствия.

Описание вз-ствия эл-нов, позит­ронов и фотонов по В. т. можно изоб­разить графически (такие графики

наз. Фейнмана диаграммами). Напр., если свободный эл-н изображать сплошной, а фотон — волнистой ли­ниями, то в первом приближении (в первом порядке по В. т.) испуска­ние и поглощение фотона эл-ном да­ются графиками, изображёнными на рис. 1 и 2. (Реальные процессы такого типа запрещены, т. к. в них не вы­полняются одновременно законы со­хранения энергии и импульса.) Про­цесс рассеяния фотонов на эл-нах — Комптон эффект — связан минимум с двумя актами вз-ствия: актом ис­пускания и актом поглощения фото-

на эл-ном. Поэтому самый низкий порядок В. т., описывающий такой процесс, второй. Соответствующие гра­фики на рис. 3 и 4 отличаются лишь временной последовательностью ак­тов испускания и поглощения. График на рис. 3, напр., расшифровывается так: в нач. момент присутствует один эл-н и один фотон (причём каждая из ч-ц имеет определённые импульс, энергию, спин); в момент времени t₁ фотон поглощается эл-ном, и эл-н

переходит в новое состояние (или: исчезают обе нач. ч-цы, и возникает новая ч-ца — эл-н в отличном от начального, промежуточном, состоя­нии); в момент t₂ этот эл-н испускает новый (рассеянный) фотон и сам пере­ходит в кон. состояние (или: промежу­точный эл-н поглощается, а вместо него возникают кон. эл-н и новый фо­тон). Т. к. промежуточный эл-н су­ществует кон. время t₂-t₁, то появ­ляется квант. неопределённость энер­гии Dξ~h/(t₂-t₁) (см. Неопределён­ностей соотношение), к-рая и сни­мает запрет на соответствующий каж­дой из «вершин» графика (точек, в к-рых осуществляется вз-ствие ч-ц) акт испускания или поглощения фо­тона.

При вычислении амплитуды про­цесса, отвечающего к.-л. графику, по всем t₁ и t₂>t₁ производится интег­рирование; это отражает тот факт, что вз-ствие с одинаковой вероятно­стью может произойти в любой мо­мент времени. Учёт каждого акта вз-ствия даёт вклад в амплитуду, пропорциональный электрич. заряду е. Поэтому разложение по В. т. можно назвать разложением по заряду. Ве­роятность процесса (равная квадрату модуля амплитуды процесса), к-рому отвечает график с n вершинами, пропорц. величине aⁿ, где a=е²/hc»¹/₁₃₇—постоянная тонкой структуры. Малость величины а по сравнению с единицей обычно рассматривается как аргумент, позволяющий отбрасывать высшие приближения В. т.

В. т. приводит к появлению беско­нечно больших значений для нек-рых физ. величин; для устранения этих бесконечностей в квант. электроди­намике разработан метод перенорми­ровок. Вопрос о суммировании всех членов ряда, даваемых В. т., остаётся пока   открытым.

В. И. Григорьев.

ВОЛНОВАЯ МЕХАНИКА, то  же, что квантовая механика.

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА, раздел физ. оптики, изучающий совокупность яв­лений, в к-рых проявляется волн. природа света. Представления о волн. хар-ре распространения света восхо­дят к основополагающим работам голл. учёного 2-й пол. 17 в. X. Гюй­генса. Существ. развитие В. о. полу­чила в исследованиях Т. Юнга (Ве­ликобритания), О. Френеля, Д. Араго (Франция) и др., когда были прове­дены принципиальные опыты, по­зволившие не только наблюдать, но и объяснить явления интерференции света, дифракции света, измерить длину волны, установить поперечность световых колебаний и выявить другие особенности распространения световых волн. Но для согласования поперечности световых волн с осн. идеей В. о. о распространении упру­гих колебаний в изотропной среде пришлось наделить эту среду (миро­вой эфир) рядом трудносогласуемых между собой требований. Гл. часть этих затруднений была разрешена

82

 

 

в кон. 19 в. англ. физиком Дж. Мак­свеллом при анализе ур-ний, связы­вающих быстропеременные электрич. и магн. поля. В работах Максвелла была создана новая В. о.— эл.-магн. теория света, с помощью к-рой ока­залось совсем простым объяснение целого ряда явлений, напр. поляриза­ции света и количеств. соотношений при переходе света из одного прозрач­ного диэлектрика в другой (см. Фре­неля формулы). Применение эл.-магн. теории в разл. задачах В. о. показало согласие с экспериментом. Так, напр., было предсказано явление светового давления, существование к-рого было доказано П. Н. Лебедевым (1899). Дополнение эл.-магн. теории света модельными представлениями элект­ронной теории (см. Лоренца — Мак­свелла уравнения) позволило просто объяснить зависимость показателя преломления от длины волны (диспер­сию света) и др. эффекты.

Дальнейшее расширение границ В. о. произошло в результате приме­нения идей спец. теории относительности (см. Относительности теория), эксперим. обоснование к-рой было связано с тонкими оптич. опытами, в к-рых осн. роль играла относит. скорость источника и приёмника света (см. Майкелъсона опыт). Развитие этих представлений позволило исклю­чить из рассмотрения мировой эфир не только как среду, в к-рой распрост­раняются эл.-магн. волны, но и как абстрактную систему отсчёта.

Однако анализ опытных данных по равновесному тепловому излучению и фотоэффекту показал, что В. о. имеет определ. границы приложения. Рас­пределение энергии в спектре тепло­вого излучения удалось объяснить нем. физику М. Планку (1900), к-рый пришёл к заключению, что элемен­тарная колебат. система излучает и поглощает энергию не непрерывно, а порциями — квантами. Развитие А. Эйнштейном теории квантов при­вело к созданию физики фотонов — новой корпускулярной оптики, к-рая, дополняя эл.-магн. теорию света, пол­ностью соответствует общепризнан­ным представлениям о дуализме света.

Н. И. Калитеевский.

ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ в квантовой механике (амплитуда вероятности, век­тор состояния), величина, полностью описывающая состояние микрообъек­та (эл-на, протона, атома, молекулы) и вообще любой квант. системы.

Описание состояния микрообъекта с помощью В. ф. имеет статистиче­ский, т. е. вероятностный, хар-р: квад­рат В. ф. даёт значение вероятностей тех величин, от к-рых зависит В. ф. Напр., если задана зависимость В. ф. y ч-цы от её координат х, у, z и вре­мени t, то квадрат модуля В. ф. |y(x, у, z, t)|² определяет вероятность нахождения ч-цы в момент времени t в точке с координатами х, у, z. По­скольку вероятность определяется квадратом y, В. ф. называют также амплитудой вероятности. Исторически назв. «В. ф.» возникло из-за того, что ур-ние, определяющее эту ф-цию (Шрёдингера уравнение), похоже на ур-ние, описывающее волн. процессы. В. ф. описывает не только распреде­ление вероятностей нахождения мик­рообъекта в пр-ве, но и позволяет получать максимально полную, сов­местимую с принципами квант. меха­ники информацию о любых физ. величинах, характеризующих эти микрообъекты.

Для В. ф. справедлив суперпозиции принцип: если система может нахо­диться в разл. состояниях, описывае­мых В. ф. y₁, y₂, ... и т. д., то воз­можно и состояние с В. ф., равной сумме (и вообще любой линейной ком­бинации) этих В. ф. Сложение В. ф. (амплитуд вероятностей), а не вероят­ностей (квадратов В. ф.) принципи­ально отличает квант. теорию от лю­бой классич. статистич. теории, в к-рой для независимых событий спра­ведлива теорема сложения ве­роятностей.

Для системы из мн. одинаковых (тождественных) микрочастиц сущест­венны св-ва симметрии В. ф., опреде­ляющие статистику всего ансамбля ч-ц (см. Квантовая механика).

При описании объектов, являю­щихся частью (подсистемой) нек-рой большой системы — термостата, вмес­то В. ф., к-рая здесь не может быть введена, следует пользоваться матри­цей плотности (см. также Смешанное состояние).

В. И. Григорьев.

ВОЛНОВОД, устройство или канал в неоднородной среде, вдоль к-рого могут распространяться направлен­ные волны. Различают экранирован­ные В., образованные зеркально от­ражающими стенками (металлич. ра­диоволноводы и мн. типы акустич. волноводов), а также системы, в к-рых поперечная локализация волн обус­ловлена полным внутренним отраже­нием. Последние могут иметь как рез­кие (в масштабе длины волны Я) гра­ницы (диэлектрич. радиоволноводы, световоды), так и границы с плавными переходами к однородной среде (напр., ионосферный В., подводные звуковые каналы). Особенность В.— существо­вание в них дискретного (при не очень сильном поглощении) набора нормаль­ных волн (мод), распространяющихся со своими фазовыми и групповыми скоростями. Каждая мода характери­зуется предельной частотой, наз. кри­тической. Мода может распростра­няться и переносить вдоль В. поток энергии только при частотах, превы­шающих критич. частоту (см. Радио­волноводы). В нек-рых практически важных случаях (многопроводные ли­нии передачи, полые акустич. В.) возможно существование мод, не имеющих критич. частот.

• См. лит. при ст. Радиоволноводы, Нор­мальные волны.

М. А. Миллер.

ВОЛНОВОД АКУСТИЧЕСКИЙ, уча­сток среды, ограниченный в одном или двух направлениях стенками или др. средами, в результате чего устра­няется или уменьшается расхождение волн в стороны, так что распростра­нение звука вдоль участка происхо­дит с ослаблением меньшим, чем в неограниченной однородной среде. Искусственные В. а.— обычно трубы, ограниченные звуконепроницаемыми стенками (напр., вентиляц. каналы, туннели). Естественные В. а.— обыч­но слои среды. Напр., для низких частот звука океан представляет собой волновод в виде слоя воды, ограничен­ного с одной стороны грунтом, а с другой — свободной поверхностью воды. В. а. может быть образован слоистой неоднородностью среды в вертик. направлении (напр., подвод­ный звук. канал в океане): волны, пересекающие слой, в к-ром скорость звука имеет мин. значение, под ма­лыми углами, заворачивают к нему обратно в результате рефракции в смежных слоях с большей скоростью звука, как бы отражаясь от этих слоев (см. Гидроакустика). В отличие от труб, в к-рых звук может распрост­раняться только вдоль одной прямой (оси трубы), звук в слое может также распространяться в виде цилиндри­чески расходящейся волны.

Любое звук. поле внутри В. а. может быть представлено в виде супер­позиции нормальных волн. В простей­шем случае двухмерного распростра­нения звука в однородном слое или в трубе прямоуг. сечения норм. волна представляет собой гармоническую волну, бегущую вдоль В. а. и стоя­чую в поперечном направлении. При данной частоте в В. а. (как и в радио­волноводе) может существовать беско­нечный дискр. набор норм. волн, различающихся фазовой скоростью и числом узловых линий звук. поля в поперечном направлении: каждой норм. волне приписывают номер, рав­ный числу этих узлов. Для каждой норм. волны i имеется своя частота, наз. критической w_кр, к-рая растёт с увеличением номера волны. Ниже этой частоты норм. волна не распрост­раняется, а превращается в синфаз­ное колебание с амплитудой, меняю­щейся вдоль волновода по экспонен­циальному закону. Исключение пред­ставляют В. а. с абсолютно жёсткими или упругими стенками: в них нуле­вая норм. волна, критич. частота к-рой w_кр=0. может бежать при любой частоте.

При трёхмерном распространении звука в трубе также может существо­вать бесконечный дискр. набор норм. волн. Они отличаются от норм. волн при двухмерном распространении тем, что у них стоячая волна в поперечном сечении имеет не одно, а два семейства узловых линий. В трубе прямоуг. сечения узловые линии параллельны одной и другой паре противополож-

83

 

ных стенок: в круглой трубе узловые линии — концентрич. окружности и диаметры. Каждая норм. волна при трёхмерном распространении получает двойной номер, указывающий числа узловых линий одного и другого се­мейства. Эти норм. волны также имеют свои критич. частоты, ниже к-рых, как и в двухмерном случае, распространение прекращается.

В В. а. любую гармонич. волну можно представить в виде суперпози­ции норм. волн разных номеров той же частоты. При заданной частоте рас­пространяется только конечное число норм. волн низших номеров. Поэтому структура распределения звук. поля поперёк волновода, соответствующая высоким номерам норм. волн, вдоль волновода не передаётся. Норм. волны характеризуются значит. дисперсией скорости. В В. а. фазовая скорость норм. волн нулевого номера всегда больше, а групповая скорость — мень­ше, чем скорость звука с в неогранич. среде; с увеличением частоты первая убывает, а вторая растёт, и обе стре­мятся асимптотически к с. Исключе­ние составляет нулевая норм. волна в В. а. с абсолютно жёсткими стен­ками; в этом случае — это обычная бездисперсная плоская волна, бегу­щая без изменений при любой форме профиля, как в неогранич. среде.

В искусств. В. а. со слоисто не­однородной средой и в естеств. В. а. также могут существовать бесконеч­ные дискр. наборы норм. волн с ана­логичными св-вами. Напр., при сло­истой неоднородности среды, запол­няющей волновод, стоячая волна в поперечном направлении уже не будет синусоидальной, но норм. волны по-прежнему можно нумеровать по числу узловых линий в поперечном сечении. Дисперс. св-ва естеств. В. а. обычно существенно отличаются от дисперс. св-в однородных волноводов.

Твёрдые В. а. обычно ограничены свободными границами (стержни, пластины). Норм. волны в твёрдых В. а. образованы либо только сдвиговыми волнами горизонт. поляризации, либо совместно распространяющимися про­дольными и сдвиговыми волнами вертик. поляризации, преобразующимися друг в друга при отражениях на гра­ницах. В УЗ технологии твёрдым В. а. наз. также всякое устройство (стержни, концентраторы) для пере­дачи колебат. энергии на нек-рое рас­стояние от источника или для введе­ния колебат. энергии в к.-л. среду.

• Р ж е в к и н С. Н., Курс лекций по теории звука, М., 1960, гл. 6; Исакович М. А., Общая акустика, М., 1973.

М. А. Исакович.

ВОЛНОВОД ОПТИЧЕСКИЙ,    то же, что   световод.

ВОЛНОВОДНАЯ АНТЕННА, отрезок радиоволноеода с излучающим откры­тым концом. В. а. имеет широкую диаграмму направленности, широкополосна. В. а.— основные элементы антенных решёток сантиметрового диапазона.

• См. лит. при ст. Антенна.

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ в аку­стике, в газообразной или жидкой среде — отношение звукового давления р в бегущей плоской волне к коле­бательной скорости v ч-ц среды. В. с. не зависит от формы волны и выражается ф-лой: p/v=rc, где r — плотность среды, с — скорость звука. В. с. представляет собой уд. импеданс среды для плоских волн (см. Импе­данс акустический).

В. с.— важнейшая хар-ка среды, определяющая условия отражения и преломления волн на её границе. При норм. падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред коэфф. отражения определяется только отношением В. с. этих сред; если В. с. сред равны, то волна проходит границу без отражения. Понятием b.с. можно пользоваться и для тв. тела (для продольных и поперечных упругих волн в неограниченном тв. теле и для продольных волн в стерж­не), определяя В. с., как отношение соответствующего механич. напряже­ния, взятого с обратным знаком, к колебат. скорости ч-ц среды.

К. А. Наугольных.

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ в гид­роаэромеханике. 1) b.c. в газо­вой динамике — аэродинамиче­ское сопротивление, возникающее, ког­да скорость газа относительно тела превышает скорость распространения в газе слабых (звуковых) возмущений (т. е. при сверхзвуковом течении). В. с.— результат затрат энергии на образование ударных волн. Оно в не­сколько раз превышает сопротивле­ние, связанное с трением и образова­нием вихрей, и зависит от формы тела, угла атаки и Маха числа M=v!c. Коэфф. В. с. резко увеличивается при приближении скорости тела v к ско­рости звука с в среде, иначе говоря, при приближении числа М к единице он проходит через максимум при не­больших сверхзвук. скоростях (волн. кризис), а затем постепенно умень­шается (см. Аэродинамические коэф­фициенты).

2) В. с. в тяжёлой жидкос­ти — одна из составляющих сил со­противления жидкости движению тел. В. с. возникает при движении тела вблизи свободной поверхности жид­кости или поверхностей раздела жид­костей с разл. плотностью. Оно обус­ловлено образованием волн на по­верхности жидкости, создаваемых дви­жущимся телом, к-рое при этом со­вершает работу по преодолению реак­ции жидкости: эта реакция и пред­ставляет собой силу В. с. Величина В. с. зависит от формы тела, глубины его погружения под свободную по­верхность, скорости движения, а так­же от глубины и ширины фарватера, где происходит движение. Волнообразование при движении тела зависит

от Фруда числа Fr= v²/gl (v—скорость поступат. движения тела, l — его длина, g — ускорение силы тяжести), к-рое явл. критерием подобия при моделировании движений, и В. с. гео­метрически подобных тел. Если для тела (судна) и его модели числа ft равны, то получается геом. подобие картин волнообразования, а также и равенство безразмерных коэфф. их

В. с.      с_в=R_в/(rv²S/2),   где   R_в — сила

В. с., r — плотность жидкости, S— площадь смоченной поверхности тела. Для определения В. с. в обоих случаях пользуются как теоретиче­скими, так и эксперим. методами.

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ли­ний передачи, отношение напряжения к току в любой точке линии, по к-рой распространяются волны. В. с. играет роль сопротивления, к-рое оказывает линия бегущей волне напряжения и тока. При отсутствии потерь, когда линия может передавать в нагрузку практически всю энергию от генера­тора (см. Линии передачи), В. с. Z_B двухпроводной линии равно: Z_B= ÖLIC Ом, где L и С — индуктив­ность и ёмкость ед. длины линии. Применяемые на практике линии пере­дачи (двухпроводные, коаксиальные) имеют В. с. ~10—10² Ом. Нагрузку линии подбирают равной В.с. (или близкой к нему), что обеспечивает наибольший коэфф. бегущей волны, с увеличением к-рого растёт кпд ли­нии.

Иногда понятие b.с. переносят на произвольное распределение электрич, и магн. полей в свободном пр-ве, в частности на отношение их ампли­туд в распространяющихся эл.-магн. волнах. Однако обычно для этого пользуются термином импеданс харак­теристический.

ВОЛНОВОЕ УРАВНЕНИЕ в механике, линейное однородное дифф. ур-ние в частных производных, описывающее распространение волн в среде; имеет вид:

где t — время, х, у, z — пространст­венные декартовы координаты, W= W(х, у, z, t) — ф-ция, характери­зующая возмущение среды в точке с координатами х, у, z в момент вре­мени t, с — параметр с размерностью скорости, [ — оператор Д'Аламбера (даламбертиан), D — оператор Лап­ласа (лапласиан).

Частными видами В. у. (1) явл. двухмерное и одномерное В. у.; по­следнее совпадает с ур-нием колеба­ний идеально упругой струны:

решение к-рого может быть представ­лено в виде двух волн, перемещаю­щихся в пр-ве со скоростью с:

84

 

 

W=f₁(x+ct)+ f₂(x-ct). (3)

Каждая из этих волн и составляет моду, распространяющуюся только в одном направлении (±х) и удовлетво­ряющую В. у. 1-го порядка (ур-нию волны):

В. у. (1) допускает разделение пере­менных по координатам и времени: W=W₁(x,y,z)j(t). При гармонич. зависимости от времени, выражен­ной с помощью комплексной записи j=е^iwt, где (w=kc, k — волн. число (см. Комплексная амплитуда). В. у. превращается в ур-ние Гельмгольца:

DW+k²W =0, (5)

к-рое в двухмерном случае даёт ур-ние мембраны, а в одномерном — ур-ние осциллятора.

В. у. наз. неоднородным, если в его правой части стоит заданная ф-ция координат и времени, т. е.

W=f(x, y, z, t). (6)

В отличие от однородного В. у. не­однородное В. у., помимо собств. ре­шений — нормальных волн, сущест­вующих независимо от источника, имеет и вынужденное решение, описы­вающее движения (колебания, волны и др.), возбуждённые источниками.

В. у. описывает почти все разно­видности малых колебаний в распре­делённых механич. системах (продоль­ные звук. колебания в газе, жидкости, тв. теле, поперечные колебания в стру­нах, на поверхности воды и др.). В. у. удовлетворяют компоненты век­торов эл.-магн. поля и потенциалов, и поэтому многие явления эл.-магн. поля (от квазистатических до опти­ки) описываются с его помощью.

Среди нелинейных обобщений В. у. наиболее известны нелинейное ур-ние Клейна — Гордона:

W = m²W+F(W) (7)

(т — масса ч-цы), к-рое при F ®0 вы­рождается в Клейна — Гордона — Фока уравнение, и нелинейное ур-ние Гельм­гольца:

DW + k²W=F(│W│²)W.         (8)

Нелинейные В. у. позволяют описать такие явления, как вз-ствие монохроматич. волн, возникновение и эво­люцию ударных волн и солитонов, самофокусировку. В квантовой ме­ханике В. у. иногда наз. Шрёдингера уравнение.

• Уизем Дж., Линейные и нелинейные волны, пер. с англ., М., 1977.

М. А. Миллер, Е. И. Якубович.

ВОЛНОВОЕ ЧИСЛО, модуль волно­вого вектора; связан с круговой час­тотой (о, фазовой скоростью волны v_ф и её пространств. периодом (дли­ной волны l) соотношением: k=2p/l=w/v_ф. В оптике и спектроскопии В. ч. часто наз. величину, обратную длине волны: k=1/l.

ВОЛНОВОЙ ВЕКТОР, вектор k, на­правление к-рого совпадает с направ­лением распространения бегущей вол­ны. Модуль В. в. наз. волн. числом. Групповая скорость и поток энергии волны направлены вдоль k, вообще говоря, только в изотропных средах. В случае квазиплоских и квазимоно-хроматич. волн В. в., определяемый как градиент фазы, явл. медленно меняющейся ф-цией координат и вре­мени.

В квант. механике состояние сво­бодной ч-цы характеризуется определ. значением В. в. k, связанного с им­пульсом р частицы соотношением де Бройля:

p=hk

(см. Корпускулярно-волновой дуализм).

М. А.  Миллер.

ВОЛНОВОЙ ПАКЕТ, распространя­ющееся волн. поле, занимающее в каждый момент времени огранич. об­ласть пр-ва. Возникновение В. п. воз­можно у волн любой природы (зву­ковых, эл.-магн. и т. п.). Такой волн. «всплеск» в нек-рой области пр-ва может быть разложен на сумму пло­ских монохроматич. волн (распрост­раняющихся в близких направлениях), частоты к-рых лежат в определ. пре­делах. Однако чаще термином «В. п.» пользуются в квант. механике.

В квант. механике каждому состоя­нию ч-цы с определ. значениями им­пульса и энергии соответствует пло­ская монохроматич. волна де Бройля, занимающая всё пр-во. Координата ч-цы с точно определённым импуль­сом полностью неопределённа — ч-ца с равной вероятностью может быть обнаружена в любом месте пр-ва, по­скольку эта вероятность пропорц. квадрату амплитуды волны де Брой­ля. Это отвечает неопределённостей соотношению, утверждающему, что чем определённее импульс ч-цы, тем менее определённа её координата. Если же ч-ца локализована в нек-рой огранич. области пр-ва, то её импульс уже не явл. точно определённой вели­чиной — имеется нек-рый разброс воз­можных его значений.

 

 

 

 

 

Расплывание волн. пакета о течением вре­мени t. В нач. момент времени ч-ца описы­вается волн. пакетом y₀, в момент t — волн. пакетом y_t; |y₀|² и |y_t|² определяют вероят­ности нахождения ч-цы в нек-рой точке х; v — скорость центра пакета, совпадающая с мехаиич. скоростью ч-цы. Площади, ограничен­ные кривыми и осью абсцисс, одинаковы и дают полную вероятность нахождения ч-цы в пр-ве в данный момент времени.

 

Состояние та­кой ч-цы представится суммой (точ­нее, интегралом, т. к. импульс свобод­ной ч-цы изменяется непрерывно) монохроматич. волн с частотами, со­ответствующими интервалу возмож­ных значений импульса. Наложение (суперпозиция) группы таких волн,

имеющих почти одинаковое направле­ние распространения, но слегка отли­чающихся по частотам, и образует В. п. В квант. механике это означает, что вероятность нахождения ч-цы в области, занимаемой В. п., велика, а вне этой области практически равна нулю. Оказывается, что скорость В. п. свободной ч-цы (точнее, его центра) совпадает с механической скоростью ч-цы.

В. п. описывает движущуюся ч-цу, локализованную в каждый данный момент времени в нек-рой огранич. области координат, то есть В. п. явл. волновой функцией такой ч-цы.

С течением времени В. п. свободной ч-цы становится шире, «расплывается» (рис.) вследствие того, что составляю­щие пакет монохроматич. волны с раз­ными частотами распространяются даже в пустоте с разл. скоростями. «Расплывание» В. п. соответствует уве­личению области возможной локали­зации ч-цы.

Если ч-ца не свободна, а находится вблизи нек-рого центра притяжения (напр., эл-н в кулоновском поле про­тона в атоме водорода), то такой связ. ч-це будут соответствовать стоячие волны, сохраняющие стабильность. Форма В. п. при этом остаётся неиз­менной, что отвечает стационарному

состояния системы.

В.  И.  Григорьев.

ВОЛНОВОЙ ФРОНТ, поверхность, на всех точках к-рой волна имеет в дан­ный момент времени одинаковую фазу. Распространение волны происходит в направлении нормали к В. ф. и может рассматриваться как движение В. ф. через среду. В изотропной среде излучение точечного источника имеет сферич. В. ф.

ВОЛНЫ, изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Наиболее важные и часто встречаю­щиеся виды В.— упругие волны, вол­ны на поверхности жидкости и элект­ромагнитные волны. Частными слу­чаями упругих В. являются звук. и сейсмич. волны, а электромагнит­ных — радиоволны, свет, рентг. лучи и др. Осн. св-во всех В., независимо от их природы, состоит в том, что в В. осуществляется перенос энер­гии без переноса в-ва (последний мо­жет иметь место лишь как побочное явление). Волн. процессы встречаются почти во всех областях физ. явлений, поэтому их изучение имеет большое значение.

В. могут различаться по тому, как возмущения ориентированы относи­тельно направления их распростране­ния. Так, напр., звуковая В. рас­пространяется в газе в том же на­правлении, в каком происходит сме­щение ч-ц газа (рис. 1, а); при рас­пространении В. вдоль струны сме­щение точек струны происходит в на­правлении, перпендикулярном струне

85

 

 

(рис. 1, б). В. первого типа наз. про­дольными, а второго — поперечными. В жидкостях и газах упругие силы возникают только при сжатии и не возникают при сдвиге, поэтому упру­гие деформации в жидкостях и газах

Рис. 1.a — продольная волна; б — попереч­ная волна.

 

могут распространяться только в виде продольных В. («волны сжатия»). В тв. телах, в к-рых упругие силы воз­никают также при сдвиге, упругие деформации могут распространяться не только в виде продольных В., но и в виде поперечных («волны сдвига»). В тв. телах огранич. размера (напр., в стержнях, пластинках) картина рас­пространения В. более сложна: здесь возникают ещё и др. типы В., являю­щиеся комбинацией первых двух осн. типов.

В эл.-магн. В. направления электрич. и магн. полей почти всегда (за исключением случаев анизотропных сред и распространения в несвободном пр-ве) перпендикулярны направле­нию распространения В., поэтому эл.-магн. В. в свободном пр-ве по­перечны.

Общие характеристики и свойства волн. В. могут иметь разл. форму. Одиночной В., или импульсом, наз. сравнительно короткое возму­щение, не имеющее регулярного хар-ра (рис. 2, а). Ограниченный ряд по­вторяющихся возмущений наз, ц у г о м В. Обычно понятие цуга отно­сят к отрезку синусоиды (рис. 2, б). Особое значение в теории В. имеет

Рис. 2. а — одиночная волна; б — цуг волн; в — бесконечная синусоидальная волна.

 

представление о гармонич. В., т. е. бесконечной синусоидальной В., в к-рой все изменения состояния среды происходят по закону синуса или косинуса (рис. 2, в), поскольку та­кие В. могли бы распространяться в однородной среде (если амплитуда их невелика)  без искажения формы (о В. большой амплитуды см. ниже). Основными хар-ками гармонич. В. являются длина В. l — расстоя­ние между двумя максимумами или минимумами возмущения и период В. Т — время, за к-рое совершается один полный цикл колебания. Длина В. l связана с периодом Т соотноше­нием lс=Т, где с — скорость рас­пространения В. Это соотношение справедливо для гармонич. В. любой природы. Вместо периода Т нередко пользуются частотой f, равной числу периодов в ед. времени: f=1/T, при этом lf=с. В теории В. пользуются также понятием волнового векторa k, по абс. величине k=2pl= 2pf/с, т. е. равен числу длин В. на отрезке 2я и ориентирован в на­правлении распространения В.

В гармонич. В. изменение колеб­лющейся величины W во времени описывается в каждой точке ф-лой: W=Asin2pt/T (где t — время), т. е. эта величина совершает гармонические колебания. В положении равновесия величина W принимается равной ну­лю. А — амплитуда В., т. е. зна­чение, к-рое эта величина принимает при наибольших отклонениях. В лю­бой другой точке, расположенной на расстоянии r от первой в направлении распространения В., изменение W со временем происходит по такому же закону, но с опозданием на время . t₁=r/c, что можно записать в виде:

Выражение j=(2p/T)(t-t₁) наз. фазой

В. Разность фаз в двух точках r₁,  и r₂   равна:

В точках, отстоящих друг от друга на целое число l, разность фаз сос­тавляет чётное число л, т. е. коле­бания в этих точках протекают в оди­наковой фазе — синфазно. Наоборот, в точках, отстоящих друг от друга на нечётное число полуволн, т. е для к-рых r₂-r₁=(2N-1)l/2, где N= 1,  2,   . . .,  разность фаз равна не­чётному числу л, т. е. j₂-j₁=(2N-1)p. Колебания в таких точках про­исходят в противофазе: в то время как отклонение в одной равно А, в другой оно равно — А, а наоборот. Распространение В. всегда связано с переносом энергии, к-рый можно количественно характеризовать век­тором плотности потока энергии I. Этот вектор для упругих В. наз. век­тором Умова (по имени рус. учёного Н. А. Умова, к-рый ввёл это понятие), для электромагнитных — Пойнтинга вектором. Направление вектора I сов­падает с направлением переноса энер­гии, а его абс. величина равна энер­гии, переносимой В. за ед. времени

через единичную площадку, распо­ложенную перпендикулярно к нему. При малых отклонениях от положе­ния равновесия I=КА², где К — коэфф. пропорциональности, завися­щий от природы В. и св-в среды, в к-рой В. распространяется.

Важной хар-кой В. явл. вид по­верхностей равных фаз, т. е. таких поверхностей, в любой точке к-рых в данный момент времени фазы одина­ковы. Форма поверхности равной фазы зависит от условий возникновения и распространения В. В простейшем слу­чае такими поверхностями явл. плос­кости, перпендикулярные направле­нию распространения В.; такая В. наз. п л о с к о й. В., у к-рых поверх­ностями равных фаз явл. сферы и цилиндры, наз. соответственно сфе­рическими и цилиндри­ческими. Поверхности равных фаз наз. также фронтами В. В случае оди­ночной В. фронтом наз. передний край В., непосредственно граничащий с невозмущённой средой.

Волны и лучи. Линия, направление к-рой в каждой точке совпадает с на­правлением потока энергии в В., наз. лучом. В изотропной среде это направление совпадает с направле­нием нормали к фронту В. Плоской В. соответствует параллельный пучок прямолинейных лучей, сферической — радиально расходящийся пучок и т. д, При нек-рых условиях сложный рас­чёт распространения В. можно заме­нить более простым расчётом формы лучей. Этим пользуются в геометриче­ской акустике и геометрической оп­тике. Такой упрощённый подход при­меним, когда длина В. достаточно мала по сравнению с нек-рыми ха­рактерными размерами, напр. разме­рами препятствий, лежащих на пути

Рис. 3.  Интерференция волн на поверхности воды,   возбуждаемых  в  двух  разл.   точках.

 

распространения В., поперечными размерами фронта В., расстояниями до точки, в к-рой сходятся В., и т. п. Интерференция волн. При приходе в данную точку среды двух В. их действие складывается. Особо важ­ное значение имеет наложение т. н.

86

 

 

когерентных В. В случае когерент­ности В. имеет место явление, наз. интерференцией: в точках, куда обе В. приходят в фазе, они усиливают друг друга; в точках же, куда они попадают в противофазе, ослабляют.

Рис. 4. Стоячая волна, возникшая в резуль­тате интерференции падающей и отражён­ной от препятствия А А волны: в точке а — узел колебания, в точках b — пучности.

 

В результате получается характер­ная интерференц. картина (рис. 3). См. также Интерференция волн, Ин­терференция света.

Один из важных и часто встречаю­щихся случаев — интерференция пря­мой и обратной В. (рис. 4), рас­пространяющихся в противополож­ных направлениях, к-рая приводит к образованию т. н. стоячих волн.

Дифракция. При падении В. на не­прозрачное для неё тело или на эк­ран позади тела образуется теневое пр-во (рис. 5, а и 6, слева).

 

Рис.5. Схема обра­зования тени при падении волны: а — на непрозрачное те­ло; б — на отвер­стие в непрозрачном экране (d — размер тела или отверстия).

 

Однако границы тени не резки, а размыты, причём размытость увеличивается при удалении от тела. Это явление оги­бания тела В. наз. дифракцией. На расстояниях от тела, существенно больших, чем d²/l, где d — его попе­речный размер, тень практически полностью смазана.

Рис. 6. Дифракц. картина при падении света: слева — на круглый экран; справа — на круглое отверстие.

 

Чем больше размеры тела, тем большее пр-во занимает тень. Тела, размеры к-рых малы по сравнению с длиной В., вообще не создают тени, они рассеивают падаю­щую на них В. во всех направлениях. Изменение амплитуды В. при пере­ходе из «освещённой» области в об­ласть тени происходит по сложному закону с чередующимися уменьше­нием и увеличением амплитуды (рис.

6, слева    и    7),   что  обусловлено  ин­терференцией В., огибающих тело.

Дифракция имеет место также при прохождении В. через отверстие (рис. 5, б и 6, справа), где она также выражается в проникновении В. в область тени и в нек-ром изменении хар-ра В. в освещённой области: чем мень­ше диаметр отверстия по сравнению с длиной В., тем шире область, в к-рую проникает В.

Рис. 7. Вверху — дифракция света от края экрана (виден сложный переход от света к тени); внизу — кривая, характеризующая освещённость пр-ва между светом и тенью (край экрана соответствует началу коорди­нат).

 

См. Дифракция волн, Дифракция света.

Поляризация волн заключается в нарушении симметрии распределения возмущений (напр., смещений и ско­ростей в упругих В. или напряжённостей электрич. и магн. полей в эл.- магн. В.) относительно направления распространения поперечной В. В про­дольной В., в к-рой возмущения всег­да направлены вдоль направления рас­пространения В., явления поляриза­ции возникнуть не могут.

 

 

Рис. 8. а — линейно поляризованная волна; б — волна, поляризованная по кругу (E — вектор, изображающий распространяющееся возмущение).

 

Если колебания возмущения E про­исходят всё время в каком-то одном направлении (рис. 8, а), то имеет место простейший случай линейно поляризованной или плоско поляри­зованной В. Возможны и другие, более сложные типы поляризации. Напр., если конец вектора E, изоб­ражающего возмущение, описывает эллипс или окружность в плоскости колебаний (рис. 8, б), то имеет место эллиптическая или круговая поляри­зация. Скорость распространения по­перечных В. может зависеть от их поляризации. Поляризация может воз­никнуть: из-за отсутствия симметрии в возбуждающем В. излучателе, при распространении В. в анизотропной среде, при преломлении и отражении В. на границе двух сред. См. также Поляризация света.

Отражение и преломление волн. При падении на плоскую границу раздела двух разных сред плоская В. час­тично отражается, частично проходит в другую среду, оставаясь плоской,

 

 

Рис. 9. а — схема отражения и пре­ломления плоской волны (l₁ — длина падающей и отра­жённой волн, l_г — длина преломлён­ной волны); б— схе­ма хода лучей (стрелки), соответст­вующих падающей, отражённой и пре­ломлённой волнам.

 

но меняет при этом своё направле­ние распространения (преломляется) (рис. 9, а). Углы, образуемые направ­лениями падающей и преломлённой В. (рис. 9, б) с перпендикуляром к границе раздела сред, наз. соотв. углом падения a, углом отражения a₁ и углом преломления a₂. Согласно закону отражения, угол падения ра­вен углу отражения, т. е. a=a₁, a согласно закону преломления, синус угла падения относится к синусу угла преломления, как скорость В. в первой среде к её скорости во второй среде, т. е. sina/sina₂=с₁/с₂=n, где n — показатель преломления.

Смесь В. с разл. поляризациями, распространяющихся в одном и том же направлении, разделится, попадая в среду, в к-рой скорость распростра­нения зависит от состояния поляриза­ции: В., поляризованные различно, пойдут по разным направлениям (см. Двойное лучепреломление). Во многих случаях скорость распространения за­висит также от частоты колебаний

87

 

(т. е. имеет место дисперсия); в этих случаях смесь В. с разл. частотами при преломлении разделится. При от­ражении расходящейся (сферич. или цилиндрической) В. под малыми уг­лами к плоской границе раздела двух сред возникают нек-рые особенности. Так, напр., когда скорость с₂ в ниж. среде больше, чем с₁ в верх. среде, кроме обычной отражённой В., к-рой соответствует луч ОАР, возникает т. н. боковая В. Соответствующий ей луч OSDP часть своего пути (отре­зок SD) проходит в среде, от к-рой

Рис. 10. Схема обра­зования боковой вол­ны.

 

происходит отражение (рис. 10). Иног­да, особенно в сейсмологии, боковая В. наз. головной.

Форма волны. В процессе распро­странения В. её форма претерпевает изменения. Хар-р изменений сущест­венно зависит от первонач. формы В. Лишь бесконечная синусоидальная (гармоническая) В. (за исключением В. очень большой интенсивности) со­храняет свою форму неизменной при распространении, если при этом она не испытывает заметного поглощения. Но всякую В. (любой формы) можно представить как сумму бесконечных гармонич. В. разных частот (гармо­ник). Напр., одиночный импульс мож­но представить как бесконечную сум­му наложенных друг на друга гармо­нич. В. Если среда, в к-рой рас­пространяются В., линейна, т. е. её св-ва не меняются под действием воз­мущений, создаваемых В., то все эф­фекты, вызываемые негармонич. В., могут быть определены как сумма эффектов, создаваемых в отдельности каждой из её гармонич. составляю­щих (т. н. суперпозиции принцип).

В реальных средах нередко скорости распространения гармонич. В. зави­сят от частоты В. (т. н. дисперсия В.). Поэтому негармонич. В., состоящая из совокупности гармоник, в процессе распространения меняет свою форму, т. к. соотношение между фазами со­ставляющих её гармонич. В. меняется. Искажение формы В. может происхо­дить и при дифракции и рассеянии негармонич. В., т. к. оба эти процесса зависят от длины В., и поэтому для гармонич. В. разной длины дифрак­ция и рассеяние будут различны. При наличии дисперсии форма нега­рмонических В. может изменяться также в результате её преломления. Иногда может искажаться и форма гармонических В. Это происходит в тех случаях, когда амплитуда рас­пространяющейся В. достаточно ве­лика, так что уже нельзя пренебрегать изменениями св-в среды под её воздействием, т. е. когда сказывают­ся нелинейные св-ва среды. В не­линейной среде существенно изме­няются и др. законы распростра­нения В., в частности возникает но­вый тип уединённых волн — соли-тоны, изменяются законы отражения и преломления (см. Нелинейная оп­тика).

Фазовая и групповая скорости. Вве­дённая выше скорость В. наз. фазо­вой скоростью, это скорость, с к-рой перемещается к.-н. определ. фаза бес­конечной синусоидальной (монохрома­тической) В. (напр., фаза, соответст­вующая гребню или впадине). Фазо­вая скорость В. входит, в частности, в ф-лу закона преломления. Однако на практике имеют дело не с монохроматич. В., для к-рых только и имеет смысл понятие фазовой ско­рости, а с огранич. цугами В. Любая огранич. В. может быть представлена в виде наложения большого (точнее, бесконечно большого) числа монохроматич. В. разл. частот. Если фазо­вые скорости В. всех частот одина­ковы, то с этой же скоростью рас­пространяется и вся совокупность, или группа, В. Если же эти скорости неодинаковы, то имеет место диспер­сия, и вопрос о скорости распростра­нения В. усложняется. Если огра­ниченная В. состоит из В., частоты к-рых мало отличаются друг от дру­га, то эта В. (т. н. волновой пакет) распространяется с определ. скоро­стью, наз. групповой скоростью: и=с-ldc/dl,. С групповой же скоростью происходит перенос энергии В.

Эффект Доплера. При движении ис­точника или наблюдателя происходит изменение частоты В. Наблюдатель, движущийся по направлению к источ­нику В. (любого вида), воспринимает несколько повышенную частоту по сравнению с неподвижным наблюда­телем, между тем как наблюдатель, удаляющийся от источника В., вос­принимает пониженную частоту. Ана­логичное явление (качественно) имеет место также, когда наблюдатель не­подвижен, а источник В. движется. См. также Доплера эффект.

Излучение и распространение волн. Для излучения В. необходимо произ­вести в среде нек-рое возмущение за счёт внеш. источника энергии. Ра­бота, совершаемая этим источником, за вычетом нек-рых потерь превра­щается в энергию излучаемых В. Так, напр., мембрана телефона или диафрагма громкоговорителя, полу­чая энергию от электроакустического преобразователя, излучает звуковые В. Излучение В. производится всегда источниками огранич. размеров, в ре­зультате чего возникает «расходя­щаяся» В.

Несмотря на разную природу В., закономерности, к-рыми определяется их распространение, имеют между собой много общего. Так, упругие В. в однородных жидкостях (газах)

или эл.-магн. В. в свободном пр-ве, возникающие в к.-л. малой области («точке») и распространяющиеся без поглощения в окружающем пр-ве, описываются одним и тем же волно­вым уравнением.

• Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Крауфорд Ф., Волны, пер. с англ., М., 1974 (Берклеевский курс физики, т. 3); Пирс Дж., Почти все о волнах, пер. с англ., М., 1976; Уизем Дж., Линейные и нелинейные волны, пер. с англ., М., 1977; Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П., Теория волн, М., 1979.

Л. М. Бреховских.

ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ, волны, свя­занные с любой микрочастицей и отражающие их квант. природу.

В 1924 франц. физик Л. де Бройль (L. de Broglie) высказал гипотезу о том, что установленный ранее для фотонов корпускулярно-волновой дуа­лизм (заключающийся в том, что фо­тоны обладают и св-вами ч-ц, корпус­кул, и волн. св-вами) присущ всем ч-цам — эл-нам, протонам, атомам и т. д., причём количеств. соотношения между воли. и корпускулярными св-вами ч-ц те же, что для фотонов. Т. о., если ч-ца имеет энергию ξ и им­пульс, абс. значение к-рого равно р, то с ней связана волна, частота к-рой v=ξ/h и длина l=h/p. Эти волны и получили назв. В. де Б.

Для ч-ц не очень высокой энергии (v<<c) l=h/mv, где т и v — масса и скорость ч-цы. Следовательно, длина В. де Б. тем меньше, чем больше масса ч-цы и её скорость. Напр., ч-це с массой в 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует В. де Б. с l»10^-18 А, что лежит за преде­лами доступной наблюдению области. Поэтому волн. св-ва несущественны в механике макроскопич. тел. Для эл-нов же с энергиями от 1 эВ до 10 000 эВ длины В. де Б. лежат в пределах от ~10 Å до 0,1 Å, т. е. в интервале длин волн рентг. излучения. Поэтому волн. св-ва эл-нов должны проя­виться, напр., при их рассеянии на тех же кристаллах, на к-рых наблю­дается дифракция рентгеновских лу­чей.

Первое эксперим. подтверждение ги­потезы де Бройля было получено в 1927 в опытах амер. физиков К. Дэвиссона п Л. Джермера. Пучок эл-нов ускорялся в электрич. поле с раз­ностью потенциалов 100—150 В (энер­гия таких эл-нов 100—150 эВ, что соответствует l»1 Å) и падал на кристалл никеля, играющий роль пространств. дифракц. решётки. Было установлено, что эл-ны дифрагируют на кристалле, причём именно так, как должно быть для волн, длина к-рых определяется соотношением де Брой­ля. Волн. св-ва эл-нов, нейтронов и др. ч-ц, а также атомов и молекул теперь не только надёжно доказаны прямыми опытами, но и широко ис­пользуются в установках с высокой разрешающей способностью, так что можно говорить об инженерном ис-

88

 

 

пользовании В. де Б. (см. Дифракция микрочастиц).

Подтверждённая на опыте идея де Бройля о двойств. природе микро­частиц — корпускулярно-волн. дуализ­ме — принципиально изменила пред­ставления об облике микромира. По­скольку всем микрообъектам (по тра­диции за ними сохраняется термин «ч-цы») присущи и корпускулярные и волновые св-ва, то, очевидно, любую из этих «ч-ц» нельзя считать ни ч-цей, ни волной в классич. понимании. Возникла потребность в такой тео­рии, в к-рой волн. и корпускулярные св-ва материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно допол­няющие друг друга. В основу такой теории — волновой, или квантовой, механики и легла концепция де Брой­ля. Ото отражается даже в назв. волновая функция для величины, описывающей в этой теории состоя­ние системы. Квадрат модуля волн. ф-цин определяет вероятность состоя­ния системы, и поэтому о В. де Б. часто говорят как о волнах ве­роятности (точнее, амплитуд ве­роятности). Для свободной ч-цы с точ­но заданным импульсом, движущейся вдоль оси х, волн. ф-ция имеет вид:

где h= h/2p (t — время). В этом слу­чае |y|²=const, т.е. вероятность об­наружить ч-цу во всех точках оди­накова.

• См.   лит.  при    ст.   Квантовая   механика.

В. И. Григорьев.

ВОЛНЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИД­КОСТИ, волны, возникающие и рас­пространяющиеся по свободной по­верхности жидкости или по поверх­ности раздела двух несмешивающихся жидкостей. В. на п. ж. образуются под влиянием внеш. воздействия, в результате к-рого поверхность жид­кости выводится из состояния рав­новесия. При этом возникают силы, восстанавливающие равновесие: силы поверхностного натяжения и силы тя­жести. В зависимости от природы вос­станавливающих сил В. на п. ж. под­разделяются на капиллярные волны, если преобладают силы поверхност­ного натяжения, и гравитационные, если преобладают силы тяжести. В случае, когда совместно действуют силы тяжести и силы поверхностного натяжения, волны наз. гравитационно-капиллярными. Влияние сил поверх­ностного натяжения наиб. сущест­венно при малых длинах волн, сил тяжести — при больших.

Скорость с распространения В. на п. ж. зависит от длины волны Я. При возрастании длины волны ско­рость распространения гравитацион­но-капиллярных волн сначала убы­вает до нек-рого мин. значения c₁=

(s — поверхностное натяжение, g — ускорение свободного падения, r — плотность жидкости). Значению c₁ соответствует длина волны l₁=2pÖs/gp. При l>l₁ скорость рас­пространения зависит преим. от сил тяжести, а при l<l₁ — от сил по­верхностного натяжения. Для по­верхности раздела воды и воздуха l₁=l,72 см.,

Причины возникновения гравитац. волн: притяжение жидкости Солнцем и Луной, движение тел вблизи или по поверхности воды (корабельные волны), действие на поверхности жид­кости системы импульсивных давле­ний (напр., местное возвышение уров­ня при подводном взрыве). Наиболее распространены в природе ветровые волны.

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, раздел оп­тики, в к-ром рассматривается пере­дача света и изображения по светово­дам и волноводам оптич. диапазона, в частности по многожильным свето­водам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла в 50-х гг. 20 в.

В волоконно-оптич. деталях све­товые сигналы передаются с одной поверхности (торца световода) на другую (выходную) как совокупность

Поэлементная передача изображения воло­конной деталью: 1 — изображение, поданное на входной торец; 2 — светопроводящая жи­ла; 3 — изолирующая прослойка; 4 — моза­ичное изображение, переданное на выход­ной торец.

 

элементов изображения, каждый из к-рых передаётся по своей световедущей жиле (рис.). В волоконных де­талях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила к-рого (сердцевина) окружена стеклом-обо­лочкой из др. стекла с меньшим пока­зателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи, падающие под соот­ветствующими углами, претерпевают полное внутр. отражение и распрост­раняются по световедущей жиле. Не­смотря на множество таких отражений, потери в световодах обусловлены гл. обр. поглощением света в массе стек­ла жилы. При изготовлении светово­дов из особо чистых материалов уда­ётся снизить ослабление светового сигнала до неск. десятков и даже единиц дБ/км. Диаметр световедущих жил в деталях разл. назначений лежит в области от нескольких мкм до нескольких мм. Распространение света по световодам, диаметр к-рых велик по сравнению с длиной волны, происходит по законам геометриче­ской оптики; по более тонким волок­нам (порядка длины волны) распрост­раняются лишь отд. типы волн или их совокупности, что рассматри­вается в рамках волновой оптики.

Для передачи  изображения в  В. о. применяются   жёсткие   многожильные

световоды и жгуты с регулярной ук­ладкой волокон. Кач-во передачи изображения определяется диаметром световедущих жил, их общим числом и совершенством изготовления. Лю­бые дефекты световодов портят изоб­ражение. Обычно разрешающая спо­собность волоконных жгутов состав­ляет 10—50 лин./мм, а в жёстких многожильных световодах и спечённых из них деталей — до 100 лин./мм.

Изображение на входной торец жгу­та проецируется с помощью объек­тива. Выходной торец рассматри­вается через окуляр. Для увеличения или уменьшения действит. изображе­ния применяются фоконы — пучки во­локон с плавно увеличивающимся или уменьшающимся диаметром. Они кон­центрируют на выходном узком торце световой поток, падающий на широ­кий торец. При этом на выходе воз­растают освещённость и наклон лу­чей. Повышение концентрации свето­вой энергии возможно до тех пор, пока числовая апертура конуса лу­чей на выходе не достигнет числовой апертуры световода (её обычная ве­личина 0,4—1). Это ограничивает со­отношение входного и выходного ра­диусов фокона, к-рое практически не превосходит пяти. Широкое распрост­ранение получили также пластины, вырезанные поперёк из плотно спе­чённых волокон. Они служат фрон­тальными стёклами кинескопов и пе­реносят изображение на их внеш. поверхность, что позволяет контактно его фотографировать. При этом до плёнки доходит осн. часть света, из­лучаемого люминофором, и освещён­ность на ней создаётся в десятки раз большая, чем при съёмке фотоаппара­том с объективом.

Световоды и др. волоконно-оптич. детали применяют в технике, медици­не и во многих др. отраслях научных исследований. Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные све­товоды и жгуты из волокон диам. 15—50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутр. по­лостей носоглотки, желудка, брон­хов и т. д. В таких приборах свет от электрич. лампы собирается конден­сором на входном торце световода или жгута и по нему подаётся в ос­вещаемую полость. Использование жгута с регулярной укладкой стек­лянных волокон (гибкий эндо­скоп) позволяет видеть изображе­ние стенок внутр. полостей, диагно­стировать заболевания и с помощью гибких инструментов выполнять про­стейшие хирургич. операции без вскрытия полости. Световоды с задан­ным переплетением применяют в ско­ростной киносъёмке, для регистра­ции треков яд. ч-ц, как преобразова­тели сканирования в фототелеграфировании и телевизионной измерит. технике, как преобразователи кода

89

 

 

и как шифровальные устройства. Со­зданы активные (лазерные) в о л о к н а, работающие как квант. уси­лители и квант. генераторы света, предназначенные для быстродейст­вующих вычислит. машин и выпол­нения ф-ций логич. элементов, ячеек памяти и др. Особо прозрачные тон­кие волоконные световоды с затуха­нием в неск. дБ/км применяются как кабели телефонной и телевизионной связи как в пределах объекта (здание, корабль и т. п.), так и на расстоянии от него в десятки км. Волоконная связь отличается помехозащищён­ностью, малым весом линий передачи, позволяет сэкономить дорогостоящую медь и обеспечивает развязку электрич. цепей.

Волоконные детали изготовляются из особо чистых материалов. Из расплавов подходящих марок стёкол вытягиваются световод и волокно. Предложен новый оптич. материал — кристалловолокно, выращиваемое из расплава. Световодами в кристалло-волокне явл. нитевидные кристаллы, а прослойками — добавки, вводимые в расплав.

• К а п а н и Н.С., Волоконная оптика, пер. с англ., М., 1969; Вейнберг В. Б., С а т т а р о в Д. К., Оптика световодов, 2 изд., Л., 1977; Кучикян Л. М., Физическая оптика волоконных световодов, М., 1979; Саттаров Д. К., Волоконная оптика, Л., 1973; Тидекен Р., Волоконная оп­тика и ее применение, пер. с англ., М., 1975. См. также лит. при ст. Световоды.

В. Б. Вейнберг.

ВОЛЬТ (В, V), единица СИ электрич. напряжения, электродвижущей силы (эдс), разности электрич. потенциа­лов. Названа в честь итал. учёного А. Вольты (A. Volta). 1 В — элект­рич. напряжение, вызывающее в электрич. цепи пост. ток силой 1 А при затрачиваемой мощности 1 Вт. В то же время 1 В равен потенциалу точки электрич. поля, находясь в к-рой заряд в 1 Кл обладает потенц. энергией 1 Дж. 1 В = 10⁸/с ед. СГСЭ=¹/₃₀₀ ед. СГСЭ=10⁸ ед. СГСМ, здесь с — числовое значение скорости света в вакууме, выраженное в см/с (»3•10¹⁰).

ВОЛЬТ НА МЕТР (В/м, V/m), едини­ца СИ напряжённости электрич. поля. 1 В/м — напряжённость однородного электрич. поля, при к-рой между точ­ками, находящимися на расстоянии 1 м вдоль линии напряжённости поля, создаётся разность потенциалов 1 В. 1 B/M=¹/₃•10^-4 ед. СГСЭ=10⁶ ед. СГСМ.

ВОЛЬТ-АМПЕР (В•A, V•A), единица полной мощности электрич. тока, т. е. мощности, определяемой произведе­нием действующего значения силы тока в электрич. цепи на напряжение на её зажимах. Различают также активную мощность (ед. СИ — ватт) и реактивную мощность (ед.— вар).

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИ­СТИКА, зависимость тока от приложенного к элементу электрич. цепи напряжения или зависимость падения напряжения на элементе электрич. цепи от протекающего через него тока. Если сопротивление элемента не за­висит от тока, то В.-а. х.—прямая ли­ния, проходящая через начало коор­динат. В.-а. х. нелинейных элементов электрич. цепи (электровакуумные, газоразрядные и твёрдотельные при­боры) имеют нелинейные участки и разнообразную форму (N-образные В.-а. х., S-образные и т. п.).

ВОЛЬТМЕТР (от вольт и греч. metreo — измеряю), прибор для измере­ния напряжения в электрич. цепях. В. включается параллельно участку цепи, на к-ром измеряется напряже­ние. Для уменьшения влияния вклю­чённого В. на режим цепи он должен обладать большим входным сопротив­лением.

Осн. частью простейших В. явл. электроизмерит. механизм (магнитоэлектрич., эл.-магн., электродинамич., ферродинамич., электростатический — см. соответствующие статьи). В. для измерения малых напряжений пред­ставляет собой сочетание измери­тельного усилителя с электроизмерит. механизмом, воспринимающим вы­ходной сигнал усилителя. Для изме­рения больших напряжений в В. встраивают добавочные сопротивления или делители напряжения либо ис­пользуют В. совместно с указанными устройствами или измерит. трансфор­матором напряжения. Широкое рас­пространение получили цифровые В. (см. Цифровой электроизмерительный прибор). Для измерений в цепях перем. тока на высоких и сверхвысоких час­тотах широко применяют В., в к-рых перед электроизмерит. механизмом включён преобразователь перем. тока в постоянный (см. Выпрямительный электроизмерительный прибор, Термо­электрический измерительный при­бор). В. с электроизмерит. механиз­мами без внеш. добавочных устройств характеризуются след. данными: верх. предел измерений — от 0,3 мВ до 300 кВ, осн. погрешность в % от верх. предела измерений — 0,1—2,5%, час­тотный диапазон — от десятых долей Гц до 20 МГц. Цифровые В. (в осн. пост. тока): верх, предел измерений— от 100 мкВ до 2 кВ, основная погреш­ность— 0,02—0,5%. Электронные В. с усилителями и преобразователями позволяют измерять напряжения до 10^-9 В в диапазоне частот до сотен МГц, В. с трансформаторами напря­жения и высоковольтными делите­лями — до 1 MB.

Техн. требования к В. стандарти­зованы в ГОСТах 22261—76, 8711—78 и 9781—78.

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

В. П. Кузнецов.

ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЭФФИЦИ­ЕНТ в теории удара, величина, за­висящая от физ. св-в соударяющихся тел и определяющая, какая доля начальной относит. скорости этих тел восстанавливается к концу удара. В. к. характеризует потери механич. энергии соударяющихся тел вследствие появления в них остаточных дефор­маций и их нагревания. См. также Удар.

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ твёр­дого тела, 1) В. д. вокруг ос и— движение тв. тела, при к-ром к.-л. две его точки А и В остаются всё время неподвижными (рис.).

Прямая АВ, проходящая через эти точки, наз. осью вращения; все точки тела при В. д. описы­вают окружности в плоскостях, пер­пендикулярных к оси вращения и с центрами, лежа­щими на этой оси. Тело, совершаю­щее В. д., имеет одну степень сво­боды, и его положение определяется углом j меж­ду проведёнными через ось вращения неподвижной полуплоскостью н полу­плоскостью, жёстко связанной с те­лом и вращающейся вместе с ним.

 

Осн. кинематич. хар-ки В. д. тела — его угл. скорость w и угл. ускоре­ние e. Для любой точки тела, отстоя­щей от оси на расстоянии h, её линейная скорость v=hw, касательное ускорение w_t = he, нормальное уско­рение w_n=hw² и полное ускорение w=hÖ(e²+w⁴).

Осн. динамич. хар-ками В. д. тела явл. его кинетич. момент относи­тельно оси вращения K_z=I_zw (см. Момент количества движения) и ки­нетич. энергия T=¹/₂I_zw², где I_z — момент инерции тела относительно оси вращения z. Закон вращения определяется из основного ур-ния: I_гe=М_z, где М_z — вращающий момент.

2) В. д. вокруг точки (или сферич. движение) — движение тв. тела, при к-ром какая-то одна его точка О остаётся неподвижной, а все другие точки движутся по поверх­ностям сфер, имеющих центр в точ­ке О. При таком В. д. тела любое его элем. перемещение представляет со­бой элем. поворот вокруг нек-рой оси, проходящей через точку О и наз. мгновенной осью вращения. Со временем эта ось, в отличие от неподвижной, непрерывно изме­няет своё направление. В результате В. д. тела слагается из серии элем. поворотов вокруг непрерывно меняю­щих своё направление мгновенных осей. Пример такого В. д. тела — движение гироскопа.

С. М. Тарг.

ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ (ро­тационные спектры), молекулярные спектры, обусловленные вращением молекулы как целого. Состоят из отдельных спектр. линий; наблю­даются в поглощении в далёкой ИК области и микроволн. диапазоне, а также в спектрах комбинационного

90

 

 

рассеяния света. Подробнее см. в ст. Молекулярные спектры.

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ, мера внеш. воздействия, изменяющего угл. ско­рость вращающегося тела. В. м. ра­вен алгебр. сумме моментов всех действующих на вращающееся тело сил относительно осп вращения (см. Момент силы, Вращательное движе­ние). В. м. связан с угл. ускорением тела e равенством: M_вp=Ie, где I — момент инерции тела относительно оси вращения.

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИ­ЗАЦИИ света, поворот плоскости по­ляризации линейно поляризованного света при его прохождении через в-во (см. Поляризация света). Наиболее простое модельное объяснение явле­ния В. п. п. состоит в следующем. Линейно поляризованный пучок света можно представить как результат сло­жения (сумму) двух пучков, рас­пространяющихся в одном направле­нии и поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения. Если два та­ких пучка распространяются в в-ве с разл. скоростями (т. е. если прелом­ления показатели в-ва для них неоди­наковы), то это приводит к повороту плоскости поляризации суммарного пучка. В. п. п. может быть обуслов­лено либо особенностями внутр. струк­туры в-ва (см. Оптическая активность), либо вз-ствием в-ва с внеш. магн. полем (см. Фарадея эффект). Как правило, В. п. п. происходит в оптически изо­тропных средах о пространственной дисперсией (кубич. кристаллы, жид­кости, р-ры и газы). Измеряя В. п. п. и его зависимость от длины волны света (т. н. вращатель­ную дисперсию), исследуют особенности строения в-ва и опреде­ляют концентрации оптически актив­ных веществ в р-рах. В. п. п. исполь­зуют в ряде оптич. приборов (оптич. модуляторы, затворы, вентили, квант. гироскопы и др.).

ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЕ. Отсчёт вре­мени связан с периодич. процессами. Система исчисления времени, приме­няемая в повседневной жизни, осно­вана на солн. сутках, а соответствую­щая ед. времени — секунда сол­нечного времени определя­ется как 1/86400 ср. солн. суток (в году содержится 365,2422 ср. солн. су­ток). Длительность истинных солн. суток меняется в течение года вслед­ствие неравномерности орбит. движе­ния Земли и наклона земной оси к плоскости орбиты; эти изменения до­стигают 50 с.

По междунар. соглашению, земная поверхность разделена на 24 часовых пояса, в каждом из к-рых ведётся единый отсчёт времени, отличающийся на 1 ч от времени в соседнем поясе. Отсчёт долгот, а следовательно, и осн. отсчёт времени, ведётся от ме­ридиана, проходящего через Грин­вичскую обсерваторию (Великобри­тания). Единое время, отсчитываемое

внутри данного часового пояса, наз. гражданским временем, а время нулевого часового пояса (гринвичское время) наз. всемир­ным временем. Москва и Ле­нинград находятся во 2-м часовом поясе, самые восточные части нашей страны лежат в 12-м часовом поясе. Для рационального использования светлого времени суток во многих странах (в СССР с 1981) часы на лето переводятся вперёд («летнее время»). Кроме того, в СССР с 1930 часы по всей территории страны сдвинуты на 1 ч вперёд относительно времени дан­ного часового пояса (декретное время). Декретное московское вре­мя опережает гринвичское время на 3 ч.

Значительные видимые размеры Солнца и большой поток света и теп­лоты, излучаемый им, делают отсчёт времени по нему неудобным и неточ­ным. Поэтому астр. измерение времени вплоть до сер. 20 в. велось на основе наблюдений видимого движения звёзд, обусловленного суточным вращением Земли. Длительность звёздных суток (промежутка времени между двумя последоват. прохождениями звезды че­рез плоскость меридиана) не содержит вариаций, связанных с неравномер­ностью орбит. движения Земли и с наклоном земной оси к плоскости орбиты. Тем не менее оказалось не­удобным введение звёздных суток для практич. счёта времени. Звёздные сут­ки приблизительно на 4 мин меньше солн. суток. (Это различие обуслов­лено тем, что за время каждого обо­рота Земли вокруг оси Солнце пере­мещается по небосводу прибл. на ¹/₃₆₅ оборота в направлении враще­ния Земли.) Отношение между ср. солнечными и звёздными сутками оп­ределено с чрезвычайно высокой точ­ностью.

Измерение меньших промежутков времени осуществляется с помощью астр. часов. Их ход определяется маятником (вес 10—12 кг), колеблю­щимся на спец. подвесе (длиной ок. 1 м) в вакууме. Для достижения высокой точности (относит. погреш­ность 10^-8) маятник максимально за­щищён от вибраций, внеш. воздейст­вий, изменений темп-ры, а его коле­бания поддерживаются эл.-магн. уст­ройством.

Большую точность отсчёта времени обеспечивают кварцевые часы, ход к-рых определяется колебаниями пла­стин из высококачественного крист. кварца. Суточная относит. погреш­ность таких часов не превышает 10^-11, а ошибка, накапливающаяся в течение года, не превышает 10^-9 с. Кварцевые часы позволили устано­вить неравномерность суточного вра­щения Земли. Сравнение длительности звёздных суток с показаниями многих независимых кварцевых часов по­казало, что длительность звёздных суток может изменяться на величину 10^-8 от их ср. величины. Океанские

приливы и деформации земной коры, вызываемые притяжением Солнца и Луны, постепенно замедляют суточное вращение Земли, так что сутки уд­линяются в ср. на 0,001 с за столе­тие. Наблюдаются и др. периодич, изменения скорости вращения Земли, вызванные притяжением Солнца и Луны, наклоном земной осп к плос­кости её орбиты, сплющенностью Зем­ли у полюсов. На эти регулярные ва­риации налагаются хаотич. изменения, вызванные мощными возмущениями атмосферы, связанными с солн. актив­ностью, тектонич. процессами и др. В результате длительность истинных звёздных суток непостоянна. Более регулярным процессом явл. обращение Земли вокруг Солнца, период к-рого весьма постоянен, а его возмущения под влиянием др. планет малы. В 1960 Генеральная конференция по мерам и весам определила секунду как 1/31556925,9747 часть длитель­ности тропич. года (эфемеридная секунда).

Макроскопич. тела принципиально не могут служить абс. хранителем времени. Причина — неустранимые и неконтролируемые изменения систем, состоящих из огромного числа атомов. Изменение упругости подвеса маят­ника или упругости кварцевой пла­стины (рекристаллизация), возник­новение микротрещин, разрушение по­верхностных слоев и др. неизбежно ве­дут к изменению периода колебания маятника или пластины. Освободить­ся от таких медленных, но неизбежных изменений, можно лишь обратившись к ат. системам, состоящим из сравни­тельно небольшого числа ч-ц. Измене­ния числа ч-ц или их состояния ведут к резкому квант. изменению св-в системы и могут быть сразу замечены. Атом или молекула избирательно по­глощает или излучает эл.-магн. волны определённых частот (см. Спектро­скопия). Эти частоты отличаются не­превзойдённым постоянством, т. к. зависят от строения атома или мо­лекулы.

Развитие радиоспектроскопии и квантовой электроники привело к соз­данию двух типов ат. эталонов частоты и времени — цезиевого эталона и во­дородного генератора, позволяющих измерять и воспроизводить секунду с относит. погрешностью 10^-13 (см. Квантовые стандарты частоты, Кван­товые часы). Взаимные сравнения цезиевых и водородных стандартов час­тоты разл. конструкций показали рас­хождение в 3•10^-13. Генеральная кон­ференция по мерам и весам приняла в 1967 новую ед. времени — атом­ную секунду, определив её как 9192631770,0 периодов эл.-магн. колебаний, соответствующих определ. квант. переходу атома ¹³⁷Cs. Нуль после запятой означает, что эта вели­чина, полученная из сравнений с эфе-

91

 

 

меридной секундой, принята за опре­деление и не подлежит дальнейшему уточнению (если последующие астр. наблюдения этого потребуют, то долж­на быть уточнена величина эфемеридной секунды). Частота, фиксируемая водородным генератором, определена из сравнений с цезиевым эталоном с погрешностью 30•10^-12 и равна 1420405751,7860±0,0046 Гц.

Создание оптических стандартов частоты позволит объединить в одном физ. процессе эталоны времени и дли­ны. Период эл.-магн. колебаний, соот­ветствующий избранной спектр. ли­нии, станет основой эталона времени, а длина волны этой спектр. линии — основой эталона длины. Однако соз­дание любого нового эталона времени должно послужить лишь уточнению измерит. процедуры, но не должно из­менять значения секунды, определён­ной при помощи цезиевого эталона.

Совр. состояние науки требует из­мерения отрезков времени от 10^-12 с до 10¹⁰ лет. Этот огромный диапазон не может быть реализован в единой ме­тодике и аппаратуре. Пока не сущест­вует методов для точного измерения сверхкоротких импульсов, генерируе­мых нек-рыми лазерами. Процессы, длительность к-рых превосходит доли нс, могут изучаться при помощи скоростных электроннолучевых осцилло­графов. Несколько более медленные процессы фиксируются при помощи хронографов. Измерение длительности геол. и астрофиз. процессов основано на изучении явлений, связанных с распадом и синтезом ат. ядер. Возраст горных пород определяется по изме­рению относительного содержания в них продуктов радиоакт. распада. Воз­раст археол. объектов определяется по относит. содержанию радиоакт. изотопа углерода ¹³С или по намагни­ченности обожжённых глиняных че­репков, соответствующей величине магн. поля Земли в месте и в момент обжига. Возраст звёзд определяется по относит. содержанию гелия и водо­рода в их атмосфере, а возраст Мета­галактики характеризуется величиной красного смещения в спектрах наиб. удалённых астр. объектов. Новейшие данные о возрасте Метагалактики по­лучены из наблюдения реликтового излучения.

• Б а к у л и н П. И., Блинов Н. С., Служба точного времени,. 2 изд., М., 1977; Константинов А. И..Ф л е е р А. Г., Время, М., 1971; Время и частота. Сб. статей, под ред. Дж. Д ж е с п е р с е н а, М., 1973; Ильин В. Г., Сажин В. В., Новый Государственный эталон времени и частоты, СССР, «Природа», 1977, № 8. См. также лит. при ст. Квантовые стандарты частоты.

 М. Е. Жаботинский.

ВРЕМЕННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, см.  Прочности  предел.

ВРЕМЯ,   см.   Пространство и  время.

ВРЕМЯ   ЖИЗНИ, 1) средняя продол­жительность t существования возбуж­дённых   состояний   молекул,   атомов,

ядер атомных, заканчивающаяся спон­танным (самопроизвольным) их пере­ходом в менее возбуждённое или в осн. состояние; т — важная хар-ка состояний или уровней энергии ч-ц (В. ж. на уровне).

2) Ср. продолжительность жизни нестабильных (радиоактивных) ат. ядер и элем. ч-ц, связанная с их пери­одом полураспада T_1/2 и с постоянной распада l, соотношением:

t = T_1/2/ln2=1/l

(т изменяется в широких пределах, напр. для ²³⁸U t=4,49•10⁹ лет, для свободного нейтрона 12,8 мин, для ²¹²Ро 3•10^-7 с, для p°-мезона 10^-16 с).

3) Ср. продолжительность жизни квазичастиц в тв. теле и в жидком ге­лии, в частности неравновесных эл-нов проводимости и дырок в полупровод­никах, определяемая процессами ре­комбинации электронов и дырок. Она зависит от природы кристалла, от темп-ры, хар-ра и концентрации при­месей и колеблется в пределах 10^-2— 10^-8 с.

ВРЕМЯ-ПРОЛЁТНЫЙ МАСС-СПЕКТ­РОМЕТР, динамич. масс-спектро­метр, в к-ром для разделения ионов по величине отношения массы к за­ряду используется различие во вре­мени пролёта ионами определ. рас­стояния. Отличаются быстродействи­ем — скорость измерений до 10⁵ масс-спектров в 1 с; широко используются при изучении быстропротекающих про­цессов.

ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ ЗАКОН (Ньютона закон тяготения), см. в ст. Тяготение.

ВСТРЕЧНЫХ ПУЧКОВ СИСТЕМЫ, установки, в к-рых осуществляется столкновение встречных пучков заряж. ч-ц (элем. ч-ц и ионов), ускорен­ных электрич. полем до высоких энер­гий (см. Ускорители). В таких уста­новках исследуются вз-ствия ч-ц и рождение новых ч-ц при максимально доступных в лаб. условиях эфф. энер­гиях столкновения. Наибольшее рас­пространение получили устройства со встречными электрон-электронны­ми (е^-е^-), электрон-позитронными (е^-е⁺) и протон-протонными (рр) пуч­ками.

В обычных ускорителях вз-ствие ч-ц изучается при столкновениях пуч­ка ускоренных до высокой энергии ч-ц с ч-цами неподвижной мишени. При этом вследствие закона сохранения полного импульса соударяющпхся ч-ц б. ч. энергии налетающей ч-цы расхо­дуется на сообщение кинетич. энергии ч-цам — продуктам реакции, и лишь небольшая её часть «включается» в энергию вз-ствия ч-ц в системе их центра инерции, к-рая может идти, напр., на рождение новых ч-ц. При столкновении двух ч-ц одинаковой массы m₀, одна из к-рых покоится в лаб. системе отсчёта, а другая движет­ся с релятивистской (близкой к скоро­сти света с) скоростью, энергия в системе центра инерции ξ_ци=Ö2ξ₀ξ, где ξ₀=m₀c² — энергия покоя ч-цы, а £ — энергия налетающей ч-цы в лаб. системе отсчёта. Чем больше ξ, тем меньшая её доля определяет энер­гию вз-ствия ч-ц. Если же сталкива­ются ч-цы с равными по величине и противоположно направленными им­пульсами, т. е. их суммарный импульс равен 0, то лаб. система отсчёта совпа­дает с системой центра инерции ч-ц н эфф. энергия столкновения равна сум­ме энергий сталкивающихся ч-ц; для ч-ц с одинаковыми массами (и энергией

ξ₁)   ξ_ци=2ξ₁.

Особенно велико преимущество изу­чения процессов вз-ствия на встречных пучках для лёгких ч-ц — эл-нов и по­зитронов, для к-рых ξ₀=0,5 МэВ. Напр., для соударяющихся во встреч­ных пучках эл-нов с энергией 1 ГэВ ξ_ци=2 ГэВ; такая же эфф. энергия столкновения при одном неподвижном эл-не потребовала бы энергии налетаю­щего эл-на ξ=ξ²_ци/2ξ₀»4000 ГэВ. Для встречных пучков протонов (ξ₀»1 ГэВ), напр, с энергией ξ=70 ГэВ (энергия протонов Серпуховского ус­корителя 76 ГэВ), ξ_ци=140 ГэВ, тогда как при столкновении с поко­ящимся протоном эфф. энергия столк­новения 140 ГэВ была бы достигнута лишь при энергии налетающего про­тона в лаб. системе ξ=10000 ГэВ. Т. о., в области сверхвысоких энергий с В. п. с. не могут конкурировать обыч­ные ускорители с неподвижной ми­шенью.

Недостаток В. п. с.— малая интен­сивность пучков (число ч-ц в пучках) по сравнению с плотностью ч-ц в не­подвижной мишени. Для увеличения интенсивности до процесса соударения производится накапливание заряж. ч-ц в спец. накопит. кольцах, так что­бы токи циркулирующих ч-ц были не менее десятков А. Однако и при таких токах интенсивность пучков вторич­ных ч-ц высоких энергий (p^- и К-мезонов, нейтрино и др.), образующихся при соударениях, на неск. порядков меньше, чем интенсивность пучков тех же ч-ц от обычных ускорителей. Кроме того, в В. п. с., по сравнению с традиц. ускорителями, получается про­игрыш в энергии вторичных ч-ц, т. к. энергия вторичной ч-цы не может превышать энергию сталкивающихся первичных ч-ц. Поэтому В. п. с. не могут заменить традиц. ускорители, а лишь дополняют их.

В накопит. кольца — кольцевые ва­куумные камеры, помещённые в магн. поле, ускоренные заряж. ч-цы посту­пают из обычного ускорителя. Магн. поле создаётся, как правило, секторными магнитами, разделёнными пря­молинейными промежутками (без магн.. поля) для областей пересечения пучков (и для размещения ускорит. устройства). В. п. с. содержит один или два накопит. кольца в зависимо­сти от того, различны (напр., е^-е⁺, рр^, где р^ — антипротон) или одинаковы

92

 

 

(напр., е^-е^-, рр) знаки электрич. заря­дов сталкивающихся ч-ц. Предварит. ускорение пучков (до инжекции в накопит. кольца) производится в син­хротронах или синхрофазотронах, а также в линейных ускорителях. Воз­можно и дополнит. ускорение ч-ц в накопит. кольцах после инжекции. Однако независимо от того, произво­дится ли дополнит. ускорение, каждый накопит. комплекс со встречными пуч­ками обязательно включает ускоряю­щую систему для компенсации потерь энергии заряж. ч-ц на синхротронное излучение (для пучков е^-е^- и е^-е⁺ ) и ионизацию остаточного газа в каме­ре. Второе назначение системы уско­рения — фиксация азимутальных раз­меров пучка (число сгустков ч-ц равно кратности частоты ускоряющей систе­мы по отношению к частоте обраще­ния ч-ц). Типичные схемы электрон-позитронного и протон-протонного накопит. комплекса приведены на рис. 1 и 2.

Осн. хар-ка системы со встречными пучками — величина,    к-рая    определяет число событий (N) исследуемого типа в ед. времени; она наз. свети­мостью установки (L).

КРУПНЕЙШИЕ   УСТАНОВКИ СО  ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ И ИХ ПАРАМЕТРЫ

Рис. 1. Схема установки со встречными электрон-позитронными пучками. Пучок уско­ренных в синхротроне С электронов (е^-) выводится по каналу 1 и попадает на ми­шень М, в к-рой рождаются позитроны (е⁺). В течение нек-рого времени позитроны на­капливаются в накопит. кольце НК, после чего включаются поворотные магниты ПМ, с помощью к-рых электронный пучок из С направляется по каналу 2 в НК навстречу позитронам, и происходит столкновение пуч­ков е⁺е^- (КЛ — фокусирующие магн. квадрупольные линзы).

Рис. 2. а — схема расположения синхрофа­зотрона (СФ) и двух пересекающихся на­копит. колец НК, в к-рых происходят про­тон-протонные столкновения (ЦЕРН): 1—8— места пересечения колец; стрелки указывают направление движения протонов; K₁ К₂ — каналы для ввода протонов .в НК (в бустере производится предварит. ускорение прото­нов; в НК протоны дополнительно ускоря­ются до 31,4 ГэВ); б — деталь пересечения пучков протонов между сечениями АА' (1 — элементы структуры магнита, фокусирую­щего пучки протонов).

 

Если изу­чается вз-ствие с сечением а, то N=Ls. В наиболее простом случае, ког­да угол встречи пучков равен нулю, L=R(N₁N₂/S)w/2p, где N₁,N₂— полные числа ч-ц в каждом пучке, заполняющем кольца, S — площадь поперечного сечения, общая для обоих пучков, w — круговая частота обра­щения ч-ц по замкнутой орбите, R — коэфф. использования установки, рав­ный отношению длины промежутков встречи пучков к периметру орбиты. В более общем случае R зависит от области перекрытия пучков, т. е. от углов пересечения и относит. размеров пучков. Для эфф. изучения, процессов вз-ствия с сечением s=10^-26—10^-32 см² величина светимости должна состав­лять 10²⁸—10³² см^-2 с^-1. Это дости­гается накоплением циркулирующего тока пучков заряж. ч-ц и уменьшением поперечного сечения пучков при помо­щи спец. магн. фокусировки в прямо­линейных промежутках, а также ис­пользованием методов электронного (стохастического) охлаждения с целью уменьшения поперечной компоненты импульса сталкивающихся пучков. Ме­тод электронного охлаждения был предложен в 1966 Г. И. Будкером для тяжёлых ч-ц (протонов и антипротонов), у к-рых из-за практич. отсутст­вия еинхротронного излучениями не про­исходит автоматич. затухания поперечных колебаний ч-ц в пучке. Метод основан на эффекте передачи тепловой энергии пучка тяжёлых ч-ц сопутству­ющему (пущенному . параллельно) электронному пучку с более низкой темп-рой. Эксперим. подтверждение этого эффекта было впервые получено в Институте ядерной физики Сибирско­го отделения АН СССР (1974).

• Для того чтобы обеспечить непре­рывный физ. эксперимент с мало ме­няющейся светимостью установки, не­обходимо большое время жизни на­копленных пучков ч-ц. Время жизни пучка (время, в течение к-рого интен­сивность пучка уменьшается в е раз)

зависит от ряда эффектов. Гл. из них— однократное и многократное рассея­ние ускоренных ч-ц на атомах остаточ­ного газа в камере накопителя, а для эл-нов и позитронов — синхротронное излучение и квант. флуктуации; суще­ственную роль может также играть эф­фект взаимного рассеяния эл-нов (по­зитронов) пучка. Эксперим. критерий времени жизни пучка — относит. ве­личина потери интенсивности пучков в % за 1 ч; для лучших действующих установок она составляет десятые доли % в час (для протонной установки в ЦЕРНе — 0,1% в 1 ч при токе 22 А). Такая большая величина времени жиз­ни пучков достигается при помощи сверхвысокого вакуума в камерах на­копителей пучков (10^{-11 мм рт. ст. в камере и 10-12 мм рт. ст. в зонах встречи пучков). Необходимый эле­мент ускорителя со встречными е-}е⁺-пучками — электрон-позитронный кон­вертор (металлич. мишень М толщиной ок. 1 радиац. длины; на рис. 1 — на прямом пучке), в к-рой эл-ны рож­дают тормозные g-кванты, а те в свою очередь — пары электрон — позитрон. Отношение числа позитронов, захва­ченных в накопитель, к числу эл-нов, выведенных из синхротрона (коэфф: конверсии), при энергии электронного пучка в сотни МэВ может достигать величины 10^-4 для позитронного пучка с энергией, примерно вдвое меньшей энергии эл-нов.

Для схемы протон-протонных столк­новений (рис. 2), реализуемой на базе двух магн. структур с сильной фокуси­ровкой, характерно наличие многих точек встречи пучков, что позволяет одновременно проводить неск. физ. экспериментов.

Типичные параметры наиб. крупных В. п. с. приведены в таблице. :.Историческая справка. Разработка и сооружение .эксперим. установок для исследований на встреч­ных пучках ч-ц были начаты в 1956 в СССР и за рубежом по предложению

93

 

 

амер. физика Д. У. Керста. В течение 1956—66 преимущество в реализации встречных пучков было отдано лёгким стабильным ч-цам — эл-нам и позитро­нам (предложение о реализации уско­рителей со встречными электрон-позитронными пучками принадлежит Г. И. Будкеру), для к-рых ультрарелятив. скорости достигаются при энергиях в сотни МэВ. В связи с запуском в  1959— 1960 высокоэнергичных ускорителей протонов в ЦЕРНе на 28 ГэВ и в США на 33 ГэВ открылись возможности для создания накопит. колец на встречных рр-пучках. В 1971 в ЦЕРНе были за­пущены два накопит. кольца для встречных рр-пучков с энергией 31,4 Гэв. Успешная эксплуатация этой установки при циркулирующих токах протонов 22—25 А стимулировала дальнейшее развитие проектных работ по рр-, рр^:- и ре^--накопительным уста­новкам высоких энергий.

• Будкер Г. И., Ускорители и встреч­ные пучки, в кн.: Труды VII Международ­ной конференции по ускорителям заряженных частиц высоких энергий, т. 1, Ер., 1970, с. 33; Встречные пучки. Шестое Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных час­тиц (Дубна, 1978), Дубна, 1978, с. 13; X Меж­дународная конференция по ускорителям заряженных частиц высоких энергий (Протвино, 1977), т. 1, Серпухов, 1977, с. 17—29, 30—40.

В. П. Дмитриевский.

ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИС­СИЯ, испускание эл-нов (вторичных) тв. и жидкими телами (эмиттерами) при их бомбардировке эл-нами (пер­вичными). При толщине эмиттера, меньшей пробега первичных эл-нов, вторичные эл-ны эмиттнруются как со стороны бомбардируемой поверхности (В. э. э. «на отражение»), так ц с её обратной стороны (В. э. э. «на про­стрел»). Вторичные эл-ны имеют не­прерывный энергетич. спектр от 0 до энергии ξ_п первичных эл-нов (рис. 1). Они состоят из упруго (ξ=ξ_п) и неупруго (условно ξ³50 эВ) отра­жённых первичных и истинно вторич­ных эл-нов (ξ£50 эВ) — эл-нов в-ва, получивших от первичных эл-нов энер­гию, достаточную для выхода в ваку­ум. Их наиболее вероятная энергия — 2—4 эВ для металлов и порядка 1 эВ для диэлектриков. Тонкая структура энергетич. спектра эл-нов обусловлена характеристич. потерями эл-нов на возбуждение атомов в-ва (см. Характе­ристические спектры) и Оже эффектом и позволяет судить о хим. составе и электронном состоянии атомов поверх­ностного слоя тв. тела.

Количественно В. э. э. характеризу­ется коэффициентом В. э. э. о, равным:

где i₁ — ток, создаваемый первичными эл-нами, i₂ — всеми вторичными, d — ноэфф. истинной В. э. э., h и r — коэфф. неупругого и упругого отражения эл-нов. Если ξ_п<100эВ, то s=d+r,

Рис. 1. Распределение вторичных эл-нов по энергиям: 1 — упруго отражённые эл-ны; 2 — неупруго отражённые эл-ны; 3 — ис­тинно вторичные эл-ны; 4 — пики характе­ристич. потерь; 5 — Оже-электроны; ξ_п — энергия первичных эл-нов.

 

а при ξ_п>100—200 эВ s=d+h). Коэфф. s, d, h, r зависят не только от энергии, но и от угла падения первич­ных эл-нов, природы и структуры в-ва, состояния поверхности, темп-ры. Для монокристаллов эти зависимости об­ладают тонкой структурой, обуслов­ленной дифракцией электронов (см. Дифракция микрочастиц), когерентно рассеянных разл. плоскостями кри­сталла.

Истинно вторичные эл-ны эмиттируются из приповерхностного слоя толщиной Я. В металлах, где в резуль­тате вз-ствия с эл-нами проводимости

Рис. 2. Зависимость коэфф. s и h от энергии первичных эл-нов: вверху — для металлов; внизу — для диэлектриков и ПП.

 

первичные эл-ны быстро теряют энер­гию, l и s малы (l~30 Å, s~0,4—1,8, рис. 2). В диэлектриках с широкой запрещённой зоной и малым сродством к электрону c эл-ны, возбуждённые в зону проводимости, могут терять энер­гию в осн. лишь на возбуждение

колебаний кристаллической решётки. Эти потери невелики, поэтому диэлект­рики обладают большими значениями l(300—1200 Å) и s(20—40) при ξ_п порядка неск. сотен В. Из диэлектрич. слоев изготавливают эфф. эмиттеры вторичных эл-нов. В ПП эмиттерах вторичных эл-нов с отрицат. электрон­ным сродством (c<0) даже те эл-ны, к-рые движутся к поверхности с очень малыми энергиями (~kT), также мо­гут выйти в вакуум. Поэтому такие эмиттеры обладают ещё большими зна­чениями l и s (рис. 2). Создание в диэлектрике, особенно в пористых слоях, сильного электрич. поля (10⁵— 10⁶ В/см) приводит к росту s до 50— 100 (В. э. э., усиленная полем).

• Бронштейн И. М., Фрайман Б. С., Вторичная электронная эмиссия, М., 1969; Шульман А. Р., Фридрихов С. А., Вторично-эмиссионные мето­ды исследования твердого тела, М., 1977; Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966.

И. М. Бронштейн.

ВТОРИЧНОЕ КВАНТОВАНИЕ, ме­тод описания квант. систем, состоящих из большого числа тождеств. ч-ц, в к-ром роль независимых переменных волн. ф-ции играют числа заполнения — числа ч-ц в индивидуальных состоя­ниях отд. ч-цы. Развит в 1927 англ. физиком П. Дираком для бозонов и в 1928 распространён амер. физиком Ю. П. Вигнером и нем. физиком П. Иорданом на фермионы. В. к. осуще­ствляется введением операторов, уве­личивающих и уменьшающих число ч-ц в данном состоянии на единицу (они наз. операторами рождения и уничтожения ч-цы). Матем. св-ва этих операторов задаются перестановочны­ми соотношениями, вид к-рых опреде­ляется спином ч-ц, т. е. типом квант. статистики, к-рой подчиняются ч-цы. При таком описании волн. ф-ция сама становится оператором.

Метод В. к. необходим в релятив. теории (в квант. теории поля), описы­вающей системы с изменяющимся чис­лом ч-ц. Ф-ции поля (напр., электро­магнитного) рассматриваются как опе­раторы, действие к-рых отражает рож­дение и поглощение квантов поля; вид перестановочных соотношений для опе­раторов зависит от спина этих квантов. Подробнее см. Квантовал теория поля.

А. В. Ефремов.

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИ­КИ, один из осн. законов термоди­намики; устанавливает необратимость макроскопич. процессов, протекающих с конечной скоростью: процессы, свя­занные с теплообменом при конечной разности темп-р, с трением, с диффу­зией, с выделением джоулевой теплоты и др., текущими с конечной скоростью, необратимы, т. е. могут само­произвольно протекать только в одном направлении.

Исторически В. н. т. возникло из анализа работы тепловых машин (франц. учёный С. Карно, 1824). Су­ществует неск. эквивалентных форму­лировок В. н. т. Само название «В. н. т.» и исторически первая его формули-

94

 

 

ровка (1850) принадлежат нем. учёно­му   Р. Клаузиусу:    невозможен   про­цесс,  при  к-ром  теплота  переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым. При этом самопроиз­вольный переход не следует понимать в узком смысле: невозможен не только непосредств. переход, его невозможно осуществить и при помощи машин или приборов без того, чтобы в природе не произошли ещё к.-л. изменения (механич., тепловые и т. д.). Иными слова­ми,   невозможно    провести    процесс, единственным следствием к-рого был бы переход теплоты от хо­лодного тела к нагретому. Если бы (в нарушение положения Клаузиуса) та­кой процесс оказался реально осущест­вимым, то можно было бы, разделив один тепловой резервуар на две части и переводя  теплоту  из   одной  части в другую,   получить  два   резервуара с разл. темп-рами. Это позволило бы многократно осуществить с этими ре­зервуарами   Карно   цикл   и   получить механич. работу при помощи периоди­чески действующей (т.е. в конце каж­дого цикла возвращающейся к исход­ному    состоянию)    машины    за    счёт внутренней энергии одного теплового резервуара. Поскольку это невозмож­но, в природе невозможны процессы, единств.    следствием    к-рых было бы совершение механич. работы, произве­дённой в результате охлаждения теп­лового     резервуара      (формулировка англ.  физика У. Томсона, 1851).  Об­ратно, если бы можно было получить механич. работу за счёт внутр. энер­гии   одного  теплового   резервуара   (в противоречии с В. н. т., по Томсону), то можно было бы нарушить и поло­жение   Клаузиуса.   Механич.   работу, полученную за счёт теплоты от более холодного резервуара, можно было бы использовать   для   нагревания   более тёплого   резервуара   (напр.,   трением) и тем самым осуществить переход теп­лоты от холодного тела к нагретому без  изменения состояния к.-л.   иных тел.

В реальных тепловых двигателях процесс превращения теплоты в рабо­ту обязательно сопряжён с передачей определ. кол-ва теплоты внеш. среде. В результате тепловой резервуар дви­гателя охлаждается, а более холодная внеш. среда нагревается, что находит­ся в согласии с В. н. т. Нарушение В. н. т. означало бы возможность соз­дания т. н. вечного двигателя 2-го рода, совершающего работу за счёт внутр. энергии теплового резервуара и не из­меняющего термодинамич. состояния окружающих тел. Следовательно, В. н. т. можно формулировать и как невозможность создания веч­ного двигателя 2-го рода (нем. физик В. Оствальд, 1888). -Г. А. Зисман. В совр. термодинамике В. н. т. фор­мулируется как закон возрастания энтропии S. Согласно этому закону, в замкнутой макроскопич. системе эн­тропия при любом реальном процессе либо возрастает, либо остаётся неизменной, т. е. изменение энтропии dS³0 (равенство имеет место для об­ратимых процессов). В состоянии рав­новесия энтропия замкнутой системы достигает максимума и никакие макро­скопич. процессы в такой системе, со­гласно В. н. т., невозможны. Приве­дённые в начале статьи формулировки В. н. т. представляют собой частные выражения общего закона возрастания энтропии.

Для незамкнутой системы направ­ление возможных процессов, а также условия равновесия могут быть выве­дены из закона возрастания энтропии, применённого к составной замкнутой системе, получаемой путём присоеди­нения всех тел, участвующих в про­цессе. Это приводит в общем случае необратимых процессов к неравенствам:

где dQ — переданное системе кол-во теплоты, dА — совершённая над ней работа, dU — изменение её внутр. энергии; знак равенства относится к обратимым процессам.

Важные следствия даёт применение В. н. т. к системам, находящимся в фиксированных внеш. условиях. Напр., для систем с фиксированной темп-рой и объёмом неравенство (1) приобретает вид: F£0, где F=U-TS— свободная энергия системы (Гельмгольца анергия). Т. о., в этих условиях направление реальных процессов оп­ределяется убыванием F, а состояние равновесия — минимумом этой вели­чины (см. Потенциалы термодинами­ческие).

В. н. т., несмотря на свою общность, не имеет абс. хар-ра, и отклонения от него (флуктуации) явл. вполне зако­номерными. Примерами флуктуац. процессов могут служить: броуновское движение ч-ц, равновесное тепловое излучение нагретых тел (в т.ч. радио­шумы), возникновение зародышей но­вой фазы при фазовых превращени­ях, самопроизвольные флуктуации темп-ры и давления в равновесной системе и т. д.

Статистическая физика, построен­ная на анализе микроскопич. меха­низма явлений, происходящих в мак­роскопич. телах, и выяснившая физ. сущность энтропии, позволила понять природу В. н. т., определить пределы его применимости и устранить кажу­щееся противоречие между механич. обратимостью любого, сколь угодно сложного, микроскопич. процесса и термодинамич. необратимостью про­цессов в макротелах. Как показывает статистич. термодинамика (австр. фи­зик Л. Больцман, амер. физик Дж. У. Гиббс), энтропия системы связана со статистическим весом Р макроско­пич. состояния: S=klnP. Статистич. вес Р пропорц. числу разл. микроско­пич. реализаций данного состояния макроскопич. системы (напр., разл. распределений значений координат и

импульсов молекул газа, отвечающих определ. значениям энергии, давления и др. термодинамич. параметров газа). Для замкнутой системы вероятность термодинамическая W данного макро­состояния пропорц. его статистич. весу и определяется энтропией системы:

W ~ exp (S/k), или S~klnW.    (2)

Т. о., закон возрастания энтропии имеет статистически-вероятностный хар-р и выражает пост. тенденцию сис­темы к переходу в более вероятное со­стояние. Максимально вероятным явл. состояние равновесия; за достаточно большой промежуток времени любая замкнутая система достигает этого со­стояния.

Энтропия — величина аддитив­ная, она пропорц. числу ч-ц в систе­ме. Поэтому для систем с большим чис­лом ч-ц даже самое ничтожное относит. изменение энтропии, приходящейся на одну ч-цу, существенно меняет её абс. величину; изменение же энтропии, стоящей в показателе экспоненты в ур-нии (2), приводит к изменению вероятности W данного макросостоя­ния в огромное число раз. Именно этот факт явл. причиной того, что для системы с большим числом ч-ц следст­вия В. н. т. практически имеют не ве­роятностный, а достоверный хар-р. Крайне маловероятные процессы, со­провождающиеся сколько-нибудь за­метными уменьшениями энтропии, тре­буют столь огромных времён ожида­ния, что их реализация практически невозможна. В то же время малые ча­сти системы, содержащие небольшое число ч-ц, испытывают непрерывные флуктуации, сопровождающиеся лишь небольшим абс. изменением энтропии. Ср. значения частоты и величины этих флуктуации явл. таким же достовер­ным следствием статистич. термодина­мики, как и само В. н. т.

Буквальное применение В. н. т. к Вселенной как целому привело Клау­зиуса к неправомерному выводу о не­избежности «тепловой смерти» Все­ленной. И. М. Лифшиц.

• П л а н к М., Введение в теоретическую физику, ч. 5, М.— Л., 1935; Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 3 изд., ч. 1, М., 1976; Смолуховский М., Границы справедливости второго начала термодинамики, пер. с нем., «УФН», 1967, т. 93, в. 4, с. 724.

ВТОРОЙ ЗВУК, слабозатухающие температурные волны, распространяю­щиеся в сверхтекучем жидком гелии (Не II) наряду с обычными звук. вол­нами (см. Сверхтекучесть). Экспери­ментально В. з. был обнаружен В. П. Пешковым (1944). При распро­странении обычного звука в в-ве про­исходят колебания давления и плот­ности. Согласно двухкомпонентной мо­дели сверхтекучего гелия Л. Д. Лан­дау, норм. и сверхтекучая компоненты при обычных звук. колебаниях ведут себя как единое целое, однако при В. з.

95

 

 

они движутся различно — в местах сгущения норм. компоненты происхо­дит разрежение сверхтекучей, и на­оборот (колебаний плотности в в-ве не наблюдается). Относительные колеба­ния сверхтекучей и норм. компо­нент проявляются в колебаниях темп-ры, т. к. лишь норм. компонента (газ возбуждений) участвует в переносе теплоты. Следовательно, скорость В. з. можно рассматривать как скорость звука в газе возбуждений (см. Кванто­вая жидкость). Вблизи абс. нуля темп-ры скорость с₂ В. з. и скорость с обычного звука связаны соотношением с₂=с/Ö3. В точке фазового перехода Не II в Не I (в l-точке) с₂ обращается в нуль. Излучение В. з. производит­ся нагревателем с колеблющейся темп-рой, а обнаружение В. з.—чувствит. термометром.

ВЫНОСЛИВОСТИ ПРЕДЕЛ, наи­большая величина периодически ме­няющегося напряжения в материале при циклич. воздействии нагрузки, к-рое не приводит к разрушению мате­риала при сколь угодно большом числе циклов. См. Усталость материалов.

ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (вы­нужденное испускание, индуцирован­ное излучение), испускание эл.-магн. излучения квант. системами под дейст­вием внешнего (вынуждающего) излу­чения; при В. и. частота, фаза, поля­ризация и направление распростране­ния испущенной эл.-магн. волны пол­ностью совпадают с соответствующими хар-ками внеш. волны. В. и. принци­пиально отличается от спонтанного излучения, происходящего без внеш. воздействий. Существование В. и. бы­ло постулировано А. Эйнштейном в 1916 при теор. анализе процессов теп­лового излучения с позиций квант. тео­рии и затем подтверждено эксперимен­тально.

В. и.— процесс, обратный погло­щению: вероятности процессов В. и. и поглощения, определяемые Эйн­штейна коэффициентами, равны, а испускаемый фотон ничем не отличает­ся от вынуждающего, поэтому В. и. иногда наз. отрицат. поглощением. В обычных условиях поглощение пре­обладает над В. и. Однако если в в-ве имеется инверсия населённостей к.-л. двух уровней энергии, то при воздейст­вии на него излучения с частотой, сов­падающей с частотой квант. перехода между этими уровнями, В. и. преоб­ладает над поглощением и его интен­сивность может значительно превы­шать интенсивность спонтанного из­лучения, что используется в квантовой электропике.

ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕ­ТА, рассеяние света в в-ве, обуслов­ленное изменением движения входя­щих в его состав микрочастиц (эл-нов, атомов, молекул) под влиянием падаю­щей световой волны очень большой ин­тенсивности и самого рассеянного из-

лучения. Различают: вынужденное комбинационное рассеяние, происхо­дящее при наличии либо внутримол. колебаний атомов, либо вращений мо­лекул, либо движений эл-нов внутри атомов; вынужденное рассеяние Ман­дельштама — Бриллюэна, в к-ром уча­ствуют упругие колебания среды (т. е. звук. или гиперзвук. волны); вынуж­денное рассеяние света на поляритонах (связанных колебаниях молекул и эл.-магн. поля) и т. д. Наблюдается В. р. с. в тв. телах, жидкостях, газах, плазме.

Если интенсивность падающего све­та мала, в в-ве происходит спонтанное рассеяние света, обусловленное изме­нением движения микрочастиц в-ва под влиянием только поля падающей волны (см. Комбинационное рассеяние света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяние). Интенсивность рассеянно­го излучения в 1 см³ в этом случае составляет лишь 10^-8—10^-6 от интен­сивности падающего света. При очень большой интенсивности падающего света проявляются нелинейные св-ва среды (см. Нелинейная оптика). На её микрочастицы действуют силы не толь­ко с частотой w падающего излучения и с частотой w' рассеянного излучения, но также сила, действующая на раз­ностной частоте Dw, равной частоте собств. колебаний микрочастиц, что приводит к резонансному возбуждению этих колебаний. Напр., рассмотрим вынужденное комбинаци­онное рассеяние с участием внутримол. колебаний атомов. Под влиянием суммарного электрич. поля падающего и рассеянного излучений молекула поляризуется, у неё появ­ляется электрич. дипольный момент, пропорциональный суммарной напря­жённости электрич. поля падающей и рассеянной волны. Потенц. энергия ат. ядер при этом изменяется на ве­личину, пропорциональную произве­дению дипольного момента на квадрат напряжённости суммарного электрич. поля. Вследствие этого внеш. сила, действующая на ядра, содержит ком­поненту с разностной частотой Dw, что вызывает резонансное возбужде­ние колебаний атомов. Это приводит к увеличению интенсивности рассеян­ного излучения, что вновь усиливает колебания микрочастиц, и т. д. Таким образом, сам рассеянный свет стиму­лирует (вынуждает) дальнейший про­цесс рассеяния. Именно поэтому такое рассеяние наз. вынужденным (стиму­лированным). Интенсивность В. р. с. может быть порядка интенсивности па­дающего света. (О В. р. с. Мандель­штама — Бриллюэна см. в ст. Ман­дельштама — Бриллюэна рассеяние.)

Если при В. р. с. рассеянное излу­чение выходит из рассеивающего объ­ёма без отражений от его границ, то рассеянный свет, как и в случае спон­танного рассеяния, явл. н е к о г е р е н т н ы м (см. Когерентность).

Если рассеивающее тело помещено внутрь оптического резонатора, то в

результате многократных отражений от зеркал формируется когерентное излучение на частоте рассеяния w'. Это достигается лишь при значениях интенсивности падающего света, пре­вышающих нек-рое пороговое значе­ние. Направленность рассеянного из­лучения в этом случае определяется конфигурацией резонатора. Т. к. при В. р. с. интенсивности падающего и рассеянного излучений велики (10⁶— 10⁹ Вт/см²), то в в-ве одновременно с В. р. с. могут возникать и др. нели­нейные эффекты. Примером явл. па­раметрические процессы (см. Пара­метрический генератор света), проис­ходящие при В. р. с. в свободном пр-ве и приводящие к появлению из­лучения с целым набором новых час­тот w_n=w+nDw, где n=1, ±2, +3, ... Компоненты с n³1 наз. антистоксовы­ми, а с n£-2 — высшими стоксовыми компонентами.

В. р. с. используется для преобра­зования интенсивного излучения лазе­ра в излучение с большой яркостью и др. хар-ками, для возбуждения в в-ве интенсивного гиперзвука и др. видов движения микрочастиц, для изучения микроструктуры в-ва.

• Луговой В. Н., Введение в теорию вынужденного комбинационного рассеяния, М., 1968; С т а р у н о в В. С., Ф а б е л и н с к и й И. Л., Вынужденное рассеяние Ман­дельштама — Бриллюэна и вынужденное эн­тропийное (температурное) рассеяние света, «УФН», 1969, т. 98,в. 3; 3 е л ь д о в и ч Б. Я., Собельман II. И., Вынужденное рас­сеяние света, обусловленное поглощением, там же, 1970, т. 101, в. 1, с. 3.

В. Н. Луговой.

ВЫНУЖДЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ, ко­лебания, возникающие в к.-л. системе под действием периодич. внеш. силы (напр., колебания мембраны телефона под действием перем. магн. поля, ко­лебания механич. конструкции под действием перем. нагрузки). Хар-р В. к. определяется как внеш. силой, так и св-вами самой системы. В начале действия пернодич. внеш. силы хар-р

График установления вынужденных колеба­ний.

В. к. изменяется со временем, и лишь по прошествии нек-рого времени в системе устанавливаются В. к. с пе­риодом, равным периоду внеш. силы (установившиеся В. к.). В частности, в линейных колебат. системах при включении внеш. силы, частота к-рой близка к частоте собств. колебаний системы, в ней одновременно возни­кают собственные (свободные) колеба­ния и В. к., причём амплитуды этих колебаний в нач. момент равны, а фа­зы противоположны (рис.). После по­степенного затухания собств. колеба­ний в системе остаются только устано­вившиеся В. к. Таким образом, уста-

96

 

 

новленис В. к. в колебат. системе про­исходит тем быстрее, чем больше затухание собств. колебаний в этой системе.

Амплитуда В. к. определяется ам­плитудой действующей силы и затуха­нием в системе. Если затухание мало, то амплитуда В. к. существенно зави­сит от соотношения между частотой действующей силы и частотой собств. колебаний системы. При приближении частоты внеш. силы к собств. частоте системы амплитуда В. к. резко воз­растает — наступает резонанс. В не­линейных системах разделение на соб­ственные и В. к. возможно не всегда.

• Хайкин С. Э., Физические основы ме­ханики, М., 1962; Пейн Г., Физика коле­баний и волн, пер. с англ., М., 1979.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР, служит для измерений напряжения, силы то­ка, отношения токов, частоты, фазы, мощности в электрич. цепях перем. тока. Наиболее распространены на основе В. э. п. амперметры и вольт­метры. Схема включения В. э. п. оп­ределяется видом измеряемой вели­чины.

В. э. п. состоит из выпрямителя то­ка и магнитоэлектрического измери­тельного механизма, к-рым измеряется ср. значение выпрямленного тока либо отношение ср. значений выпрямлен­ных токов. Выпрямляющими элемен­тами обычно служат германиевые или кремниевые диоды, включенные по одно- или двухполупериодной схеме.

Схема выпрями­тельного электроизмерит. прибора: Д — диоды; ИМ — измерит. механизм.

 

На рисунке изображена упрощённая схема В. э. п. для измерения силы пе­рем. тока. Нач. участок шкалы В. э. п. (10—15%) неравномерен. Показания В. э. п. пропорц. среднему по модулю значению напряжения или силы тока, хотя шкалу В. э. п. обычно градуиру­ют в действующих значениях напря­жения или силы перем. тока синусо­идальной формы. Поэтому В. э. п. предназначены для измерения токов и напряжений синусоидальной формы. Как правило, В. э. п.— универсаль­ные многопредельные измерит. уст­ройства высокой чувствительности, по­зволяющие выполнять измерения как в цепях постоянного, так и перем. тока в широком диапазоне частот. Верх. предел измерений обычно составляет: по току от 0,3 мА до 6 А, по напряже­нию от 0,3 В до 600 В, по частоте до 20 кГц. Осн. погрешность в % от верх. предела измерений 1,0—2,5%. При­менение в В. э. п. полупроводниковых усилителей с частотной компенсацией позволяет довести диапазон измерений по перем. току до 30 мкА, по напря­жению до 75 мВ, частотный диапазон до 40 кГц.

Техн. требования к В. э. п. стандар­тизованы в ГОСТе 22261—76.

• Электрические измерения, под ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина, 5 изд., Л., 1980; Справочник по электроизмерительным приборам, 2 изд., Л., 1977.

В. П. Кузнецов.

ВЫРОЖДЕНИЕ в квантовой механике, заключается в том, что нек-рая физ. величина L, характеризующая дан­ную систему (атом, молекулу и т. п.), имеет одинаковое значение для разл. состояний системы. Число таких разл. состояний, к-рым отвечает одно и то же значение L, наз. кратностью вырождения данной величины.

В квант. механике важнейшим слу­чаем явл. В. уровней энергии системы, когда система имеет определ. значение энергии, но при этом может находиться в нескольких разл. состояниях. Напр., для свободной ч-цы существует бесконечнократное В. энергии: энергия частицы определяется лишь числен­ным значением импульса, направле­ние же импульса может быть любым (т. е. может быть выбрано бесконечным числом способов). В данном примере •явственно проявляется связь между В. и физ. симметрией системы; здесь эта симметрия есть равноправие всех направлений в пр-ве.

При движении ч-цы во внеш. поле В. существенно связано со структурой этого поля, с тем, какими св-вами сим­метрии оно обладает. Если поле сфе­рически симметрично, т. е. если в нём сохраняется равноправие направле­ний, то направления орбит. момента кол-ва движения, магн. момента и спина ч-цы (напр., эл-на в атоме) не могут влиять на значение энергии ч-цы (атома). Следовательно, и здесь сущест­вует В. уровней энергии. Однако если поместить такую систему в магн. поле Н, то направление магн. момента m начинает сказываться на значении её энергии; совпадавшие прежде значения энергии разл. состояний (с разными направлениями m) оказываются теперь различными: вследствие вз-ствия магн. момента ч-цы с магн. полем ч-ца полу­чает дополнит. энергию m_HН, значение к-рой зависит от взаимной ориентации магн. момента и поля (m_H — проекция m на направление поля H, к-рая в квант. механике может принимать лишь дискр. ряд значений). Происхо­дит «расщепление» уровней энергии, т. е. снятие В., полное или частичное (когда кратность В. лишь уменьшает­ся), в зависимости от конкретных условий. Такое расщепление уровней энергии (атомов, молекул, кристал­лов) в магн. поле наз. Зеемана эффек­том. Расщепление уровней бывает и во внеш. электрич. поле (Штарка эффект).

Т. о., снятие В. обусловлено «вклю­чением» подходящих вз-ствий. Т. к. наличие В. говорит о существовании в системе нек-рых симметрии, то сня­тие В. происходит при таком измене­нии физ. условий, в к-рых находится система, когда порядок этих симмет­рии понижается. В приведённом выше примере система первоначально обладала сферич. симметрией (в ней не было выделенных направлений); вклю­чение внешнего пост. магн. поля вы­делило направление — направление поля, симметрия системы понизилась и стала аксиальной, т. е. симметрией относительно оси, направленной вдоль поля.

При «выключении» вз-ствия, напро­тив, повышается симметрия системы и появляется В. Это важно для классификации элементарных частиц. Напр., если пренебречь эл.-магн. и слабым вз-ствиями («выключить» их), то св-ва нейтрона и протона ока­зываются одинаковыми и их можно рассматривать как два разл. (зарядо­вых, т. е. отличающихся лишь элект­рич. зарядом) состояния одной ч-цы — нуклона. Состояние нуклона в этом случае двукратно вырождено.

• См. лит. при ст. Квантовая механuкa, Атом.

В. И. Григорьев, В. Д. Кукин.

ВЫРОЖДЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРА, тем­пература, ниже к-рой начинают про­являться квант. св-ва газа, обуслов­ленные тождественностью ого ч-ц (см. Вырожденный газ). Для бозе-газа В. т. определяется как темп-pa, ниже к-рой происходит Возе — Эйнштейна кон­денсация — переход нек-рой доли ч-ц в состояние с нулевым импульсом. Для идеального бозе-газа В. т. (в Кельвинах)

где N — полное число ч-ц газа, V — объём, т — масса ч-цы, g=2J+1, J — спин ч-цы. Для ⁴Не Т₀~3К.

Для ферми-газа В. т. не связана с фазовым переходом, она равна макс. энергии ч-ц при абс. нуле темп-ры (ферми энергии), выраженной в кельвинах, т. е. делённой на k. Для иде­ального ферми-газа В. т. (в Кельвинах)

При В. т. почти все низшие энергетич. уровни ферми-газа оказываются заполненными. Для эл-нов проводи­мости в металлах T₀~10⁴ К.

ВЫРОЖДЕННЫЙ ГАЗ, газ, св-ва к-рого отличаются от св-в классиче­ского идеального газа вследствие вза­имного квантовомеханич. влияния ч-ц газа, обусловленного неразличимо­стью одинаковых ч-ц в квантовой механике (см. Тождественности прин­цип). В результате такого влияния за­полнение ч-цами возможных уровней энергии зависит от наличия на данном уровне др. ч-ц. Поэтому зависимость теплоёмкости и давления В. г. от темп-ры Т иная, чем у идеального классич. газа; по-другому выражаются энтропия, термодинамич. потенциалы и др. параметры.

Вырождение газа, наступающее при понижении его темп-ры до нек-рого значения, наз. вырождения температу-

97

 

 

рой. Полное вырождение соответствует абс. нулю темп-ры. Влияние тождест­венности ч-ц сказывается тем сущест­веннее, чем меньше ср. расстояние г между ч-цами по сравнению с длиной волны де Бройля ч-ц l=h/mv, где m — масса ч-цы, v — её скорость. При r~=l наступает вырождение (классич. механика применима к тепловому дви­жению ч-ц газа лишь при условии r>>l). Поскольку ср. скорость ч-ц газа связана с темп-рой (чем больше скорость, тем выше темп-pa), темп-ра вырождения T₀ тем выше, чем меньше масса ч-ц газа и чем больше его плот­ность (меньше r). Поэтому темп-ра вырождения особенно велика (Т₀~10⁴ К) для электронного газа в ме­таллах: масса эл-нов мала (~10^{-27 г), а их плотность в металлах очень вели­ка (~1022}—10²³ см^-3). Электронный газ в металлах вырожден при всех темп-pax, при к-рых металл остаётся в тв. состоянии. Для обычных ат. и мол. газов Т₀ близка к абс. нулю, так что такие газы в температурной обла­сти своего существования (до темп-ры сжижения) практически всегда обла­дают св-вами классич. газа.

Поскольку хар-р квант. влияния тождеств. ч-ц друг на друга различен для ч-ц с целым (бозоны) и полуцелым (фермионы) спином, то поведение газа из фермионов (ферми-газа) и из бо­зонов (бозе-газа) также различно при вырождении. У ферми-газа (напр., электронного газа в металлах) при полном вырождении (при T=0 К) заполнены все нижние энергетич. уровни вплоть до нек-рого макси­мального, наз. уровнем Ф е р м и, а все последующие остаются пус­тыми. При повышении темп-ры лишь малая доля эл-нов, находящихся на уровнях, близких к уровню Ферми, переходит на пустые уровни с большей энергией, освобождая уровни ниже фермиевского.

При вырождении бозе-газа ч-ц с отличной от нуля массой (атомов, мо­лекул) нек-рая доля ч-ц N_ξ=0 сис­темы переходит в состояние с нулевым импульсом, а следовательно, и с ну­левой энергией:

N_ξ=0= N[1-(T/Т₀)^3/2]

где N — полное число ч-ц. Это яв­ление наз. Базе — Эйнштейна кон­денсацией. Энтропия бозе-газа S=1,28 N(T/T_U)^3/2 и теплоёмкость C_V=l,92 N(T/T₀)^3/2 стремятся к нулю при Т ®0, а его давление р= 21mт^3//2h-3 не зависит от объёма, т. е. бозе-газ сходен с насыщенным паром. Это объясняется тем, что ч-цы конденсата находятся в основном энертетич. состоянии (с энергией ξ=0), не обладают импульсом и не вносят вклада в давление. Газ из бозонов ну­левой массы (напр., газ фотонов) всегда вырожден, и классич. статистика к нему неприменима. Однако Возе — Эйнштейна конденсации в нём не про­исходит, т. к. не существует фотонов с нулевым импульсом (фотоны всегда движутся со скоростью света). При T=0 фотонный газ перестаёт сущест­вовать.

• Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Статистическая физика, 3 изд., ч. 1, М., 1976; Р у м е р Ю. Б., Р ы в к и н М. Ш., Термодинамика, статистическая физика и ки­нетика, 2 изд., М., 1977.

Г. Я. Мякишев.

ВЫРОЖДЕННЫЙ ПОЛУПРОВОД­НИК, полупроводник с большой кон­центрацией подвижных носителей за­ряда (эл-нов проводимости и дырок). Носители заряда в В. п. подчиняются Ферми — Дирака статистике, уро­вень Ферми лежит в зоне проводимости или в валентной зоне. В обычном (не­вырожденном) ПП, где концентрации носителей невелики и они подчиняются Больцмана статистике, уровень Фер­ми расположен в запрещённой зоне. В условиях сильной инжекции носи­телей возможно одновременное вырож­дение и эл-нов и дырок. Уровень Ферми при этом расщепляется на два квази­уровня, один из к-рых может лежать в зоне проводимости, другой в валент­ной зоне.

Э. М. Эпштейн.

ВЫСОКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, 1) темп-ры Г, превышающие комнатную темп-ру (~300 К). Нагрев металлич. проводников электрич. током позво­ляет достигнуть неск. тыс. Кельвинов (К), нагрев в пламени — примерно 5000 К, электрич. разряды в газах — от десятков тыс. до миллионов К, нагрев лазерным лучом — до неск. млн. К, темп-pa в зоне термояд. реак­ций может составлять ~10⁷—10⁸ К. В момент образования нейтронных звёзд темп-pa в их недрах может до­стигать ~10¹¹ К, а на нач. стадиях развития Вселенной в-во могло иметь ещё большую темп-ру.

2) Темп-ры, превосходящие нек-рую характеристич. темп-ру, при дости­жении к-рой происходит качеств. из­менение свойств в-в. Так, Дебая тем­пература 0д определяет для каждого в-ва температурную границу, выше к-рой не сказываются квант. эффекты (в этом случае В. т. Т>>q_Д). Темпера­тура плавления разграничивает обла­сти твёрдого и жидкого состояний в-в. Критическая температура определяет верх. границу сосуществования пара и жидкости. В кач-ве характеристич. темп-р можно также указать темп-ры, при к-рых начинается диссоциация молекул (T~10³ К), ионизация атомов

(Т~10⁴ К)   и т. д.

Э. И. Асиновский.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ,

линейный ускоритель заряж. ч-ц, в к-ром используется электрич. поле, неизменное или слабо меняющееся по величине в течение всего времени ус­корения заряж. ч-цы. Осн. преимуще­ство В. у. перед др. типами ускорите­лей — возможность получения высо­кой стабильности энергии ч-ц, уско­ряемых в постоянном и однородном электрич. поле (легко достигается от-

носит. стабильность энергии ~10^-4, а у отдельных В. у. ~10^-5—10^-6). Осн. элементы В. у.— высоковольт­ный генератор, источник заряж. ч-ц и ускоряющая система (рис. 1). Энер­гия ч-ц, получаемых с помощью В. у., равна: ξ=eZU, где е — заряд эл-на, Z — число элем. зарядов в заряде ус­коряемой ч-цы, U — напряжение вы­соковольтного генератора. Используя перезарядку ч-ц, можно при том же макс. напряжении высоковольтного

Рис. 1. Схема вы­соковольтного уско­рителя: Г — высо­ковольтный гене­ратор: И — источ­ник заряж. ч-ц; У — ускоряющая система; Тр. —тра­ектория ч-цы.

 

генератора получить ч-цы с энергией, в неск. раз превышающей энергию в обычных В. у. (см. Перезарядный уско­ритель).

Для получения постоянного уско­ряющего напряжения обычно исполь­зуются электростатические генерато­ры и каскадные генераторы. Источни­ком высокого напряжения В. у. может служить также высоковольтный транс­форматор, питаемый синусоидальным напряжением. Ускоряющая система трансформаторных В. у. имеет уст­ройство, обеспечивающее прохожде­ние тока лишь в те моменты, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора имеет нужную по­лярность и близко к максимуму. Им­пульсные В. у. питаются от импульс­ных трансформаторов разл. типов, а также от ёмкостных генераторов им­пульсного напряжения. В них большое число конденсаторов заряжается па­раллельно от общего источника, а за­тем при помощи разрядников осущест­вляется их переключение на последо­вательное, на нагрузке возникает им­пульс напряжения с амплитудой до неск. MB. Такие В. у. применяются в осн. в сильноточных ускорителях.

Линейные размеры В. у. определя­ются требуемым напряжением (разме­ром высоковольтного генератора) и электрической прочностью изоляции генератора и ускоряющей системы. Ввиду малой электрич. прочности воздуха при атм. давлении В. у. на большую энергию размещаются в ка­мерах, заполненных изолирующим га­зом (фреон, SF₆ и др.) при повышен­ном давлении. Импульсные В. у. раз­мещают в камерах с жидким диэлек­триком (трансформаторным маслом или дистиллированной водой). Для повышения рабочего градиента напря-

98

 

 

ження в высоковольтной изоляции большие изоляц. промежутки В. у. разделяют на ряд малых отрезков при помощи металлич. электродов с задан­ным распределением потенциала (сек­ционированные конструкции).

Источником электронов в В. у. обычно служит термоэлектронный катод в сочетании с системой элект­родов, формирующей электронный пучок. В большинстве ионных источни­ков заряж. ч-цы образуются внутри камеры, наполненной газом или пара­ми в-ва при давлении 0,075—0,75 мм рт. ст., содержащими атомы данного элемента.

Рис. 2. Схема ВЧ ис­точника ионов: К — разрядная камера; О — обмотка колебат. контура ВЧ генерато­ра; Из — изоляционная вставка; И — основание ионного источ­ника; От — отверстие для выхода ионов; В — вытягивающий электрод.

 

Первичная ионизация про­исходит под действием электрич. раз­рядов в газе: высокочастотного (ВЧ источники, рис. 2), дугового разряда в неоднородном электрич. и магн. полях (дугоплазматрон) и т. д. Ионы, образующиеся в области разряда, из­влекаются оттуда электрич. полем с помощью вытягивающего электрода и попадают в ускоряющую систему. Положит. ионы получают из центр. части области разряда, где их кон­центрация выше, а отрицательные — с периферии этой области.

Ускоряющая система В. у. (уско­рит. трубка) одновременно явл. частью его вакуумной системы, давление в к-рой не должно превышать 7,5 мм рт. ст. У большинства В. у. это ци­линдр, состоящий из диэлектрич. ко­лец, разделённых металлич. электро­дамп с отверстием в центре, служащим для прохождения пучка заряж. ч-ц

Рис. 3. Ускорительная трубка: 1 — кольце­вые изоляторы; 2 — металлич. электроды; 3 — соединит. фланцы.

 

и откачки газа, поступающего из ион­ного источника и десорбируемого внутр. поверхностью системы (рис. 3). Кольца и электроды соединены друг с другом (клеем, пайкой или термо­диффузионной сваркой). Электрич. прочность трубки обычно ограничи­вает энергию ускоренных ч-ц. Вдоль ускорит. трубки развиваются разряд­ные процессы, резко снижающие её электрич. прочность; их подавляют спец. мерами.

Ток пучка крупнейших В. у. ионов обычно ~1—10 мкА при размерах пучка на мишени прибл. неск. мм и его расходимости ~10^-3 рад. Совр. В. у. позволяют получать протоны с

энергией до 10 МэВ без перезарядки и с энергией до 40 МэВ при использова­нии перезарядки, а также многоза­рядные ионы значительно больших энергий. Сначала В. у. применялись в осн. в ат. и яд. физике. Начиная с 50-х гг. область применения В. у. су­щественно расширилась: легирование тонких слоев ПП, активационный ана­лиз, генерация рентгеновского тор­мозного излучения, дефектоскопия, радиац. технология и др. Импульсные В. у. протонов с энергией 0,7—1 МэВ и током пучка до 1 А используются для инжекции ч-ц в крупнейшие циклич. и линейные резонансные ускорители. Импульсные В. у. эл-нов с энергией 2—3 МэВ и током 10⁵—10⁶ А приме­няются в исследованиях, направлен­ных на создание импульсных термояд. реакторов (см. Управляемый термо­ядерный синтез).

• Комар Е. Г., Основы ускорительной техники, М., 1975; Электростатические ус­корители заряженных частиц, под ред. А. К. Вальтера, М., 1963.

М. П. Свиньин.

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД, электрический разряд в газе под дейст­вием ВЧ электрич. поля. В. р. может возникать при расположении электро­дов как внутри разрядной трубки, так и вне её (безэлектродный разряд), а также при фокусировке эл.-магн. из­лучения в свободном газе, в частности в атмосфере (световой пробой). Осн. физ. процессы и особенности В. р.: под действием ВЧ электрич. поля эл-ны приобретают большие энергии и ока­зываются способными эффективно ионизировать при соударениях атомы или молекулы газа (см. Ионизация); потери эл-нов из газоразрядной плаз­мы В. р. происходят за счёт объёмной рекомбинации, «прилипания» к моле­кулам и диффузии; распределение эл-нов по энергиям может иметь слож­ный хар-р, существенно отличающий­ся от Максвелла распределения; про­цессы на граничных поверхностях при В. р. менее существенны, чем при раз­ряде в пост. электрич. поле. При боль­ших давлениях газа (близких к атмо­сферному) В. р. между двумя электро­дами наз. высокочастотной короной, а при достаточной мощ­ности источника он переходит в высокочастотную дугу. Уда­ляя один электрод, можно получить факельный разряд. При низких давле­ниях режим В. р. близок режиму поло­жительного столба тлеющего разряда. В. р. используется для создания плазмы в ионных источниках, в кач-ве источника света в спектроскопии, в мощных мол. лазерах для создания однородной активной среды (см. Газо­вый лазер), в плазмохимии для изу­чения хим. реакций в газах, в экспе­риментах по проблеме управляемого термоядерного синтеза для первично­го пробоя газа.

• М а к-Д о н а л д А., Сверхвысокочастот­ный пробой в газах, пер. с англ., М., 1969; Г о л а н т В. Е., Сверхвысокочастотные ме­тоды исследования плазмы, М., 1968; Г е к к е р И. Р., Взаимодействие сильных элек­тромагнитных полей с плазмой, М., 1978.

А. В. Гуревич,

ВЫСОТА ЗВУКА, качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее в осн. от частоты звука. С ростом частоты В. з. увели­чивается (т. е. звук становится «вы­ше»), с уменьшением частоты — по­нижается. В небольших пределах В. з. изменяется также в зависимости от громкости звука и от его тембра.

ВЯЗКОСТЬ (внутреннее трение), свой­ство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемеще­нию одной их части относительно Дру­гой. В. тв. тел обладает рядом специфич. особенностей и рассматривается обычно отдельно (см. Внутреннее тре­ние). Осн. закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):

где F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жид­кости (газа) друг относительно друга, S — площадь слоя, по к-рому проис­ходит сдвиг, (v₂-v₁)/(z₂-z₁) — гради­ент скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость сдвига (рис. 1).

Рис. 1. Схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заклю­чённого между двумя тв. пластинками, из к-рых нижняя (A) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с пост. скоростью v₀; v(z) — за­висимость скорости слоя от расстояния z до-неподвижной пластинки.

 

Коэфф. про­порциональности h называется коэфф. динамической вязкости или просто В. Он характеризует со­противление жидкости (газа) смеще­нию её слоев. Величина j=¹/_h) наз. текучестью.

Согласно ф-ле (1), В. численно равна тангенциальной силе, приходящейся на ед. площади, необходимой для под­держания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости (газа), расстояние между к-рыми равно единице. В систе­ме СИ ед. динамич. В.— Па•с (в СГС — пуаз). Наряду с динамической часто рассматривают т. н. кинема­тическую В. v=h/r (где r — плотность в-ва), к-рая измеряется в м²/с (в СИ; в СГС — в стоксах). В. жидкостей и газов определяют вискози­метрами.

В условиях установившегося лами­нарного течения при пост. темп-ре T В. газов и норм. жидкостей (т. н. ньютоновских жидкостей) пост. ве-

99

 

 

личина, не зависящая от градиента скорости. Ниже приведены значения В. нек-рых жидкостей и газов при :20°С (в 10^-3 Па•с).

Расплавленные металлы имеют В. того же порядка, что и обычные жидкости (рис. 2). Особыми вязкостными св-вами обладает жидкий гелий. При темп-ре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в к-ром В. равна нулю (см. Гелий жидкий, Сверхтекучесть). Молекулярно-кинетич. теория объясняет В. движением и вз-ствием молекул.

Рис.   2.    Вязкость   нек-рых   расплавленных металлов  (в сП) в зависимости от темп-ры.

 

В газах расстояния между молекула­ми существенно больше радиуса дейст­вия мол. сил, поэтому В. газов — следствие хаотич. (теплового) движе­ния молекул, в результате к-рого про­исходит пост. обмен молекулами меж­ду движущимися друг относительно друга слоями газа. Это приводит к переносу от слоя к слою определ. кол-ва движения, в результате чего мед­ленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внеш. силы F, уравновешивающей вязкое сопро­тивление и поддерживающей устано­вившееся течение, полностью перехо­дит в теплоту.

В. газа не зависит от его плотности (давления р), т. к. при сжатии газа общее кол-во молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко про­никает в соседний слой и переносит меньшее кол-во движения (закон Макс­велла). В. идеальных газов определяет­ся соотношением:

где т — масса молекулы, n — число молекул в ед. объёма, u — ср. скорость молекул и l — длина свободного про­бега молекулы. Т. к. u возрастает с повышением Т (несколько возрастает также и l), В. газов увеличивается при нагревании (пропорционально ÖТ). Для очень разрешенных газов понятие В. теряет смысл.

В жидкостях, где расстояние между молекулами много меньше, чем в га­зах, В. обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность моле­кул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточ­ной для перескакивания туда моле­кулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется т.н. энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом Т и понижением р. В этом состоит одна из причин рез­кого снижения В. жидкостей с повы­шением Т и роста её при высоких р. При повышении р до неск. тыс. атм. h увеличивается в десятки и сотни раз. Строгой теории В. жидкостей ещё нет, на практике широко применяют ряд эмпирич. и полуэмпирич. ф-л, доста­точно хорошо отражающих зависи­мость В. отд. классов жидкостей и р-ров от T, р и хим. состава.

В. жидкости зависит от хим. струк­туры молекул. В. сходных хим. со­единений (насыщ. углеводороды, спир­ты, органич. к-ты и т. д.) возрастает

с возрастанием мол. массы. Высокая В. смазочных масел объясняется наличи­ем циклич. молекул. Смесь не реаги­рующих друг с другом жидкостей с различными В. имеет ср. значение В. Если же при смешивании образуется новое хим. соединение, то В. смеси может быть в десятки раз больше, чем В. исходных жидкостей (на измерении В. жидких в-в основан один из мето­дов физ.-хим. анализа).

Возникновение в дисперсных систе­мах или р-рах полимеров пространств. структур, образуемых сцеплением ч-ц или макромолекул, вызывает резкое повышение В. При течении «структу­рированной» жидкости работа внеш. силы затрачивается не только на пре­одоление истинной (ньютоновской) В., но и на разрушение структуры.

Для нормальных вязких жидкостей кол-во жидкости Q, протекающей в ед. времени через капилляр, прямо про­порционально р .{см. Пуазёйля закон).

• Г а т ч е к Э., Вязкость жидкостей, пер. с англ., 2 изд., М.— Л., 1935; Френ­кель Я. И., Кинетическая теория жидкос­тей, М.— Л., 1945; Ф у к с Г. И., Вязкость и пластичность нефтепродуктов, М., 1956; Голубев И. Ф., Вязкость газов и га­зовых смесей, М., 1959.

ВЯЗКОУПРУГОСТЬ в механике, свой­ство в-в в тв. состоянии (полимеров, пластмасс, тв. топлив и др.) быть как упругими, так и вязкими. При В. напряжения и деформации зави­сят от истории протекания процес­са деформирования и характеризу­ются рассеянием энергии на замкну­том цикле деформации (нагружения) и постепенным исчезновением деформации при полном снятии нагру­зок; при этом чётко выражены ползу­честь материалов и релаксация напря­жений. Напр., величина удлинения цилиндрич. образца при заданном зна­чении растягивающей силы зависит от скорости, с к-рой достигнуто это зна­чение силы. При полной нагрузке в образце обнаруживается мгновенная «остаточная» деформация, к-рая с те­чением времени самопроизвольно стремится к нулю. Цикл растяжение — разгрузка требует необратимой затра­ты работы. Однако при очень медлен­ном процессе рассеяние энергии очень мало. Хар-ки В. существенно зависят

от   темп-ры. В. С. Ленский.