З

ЗАГЛУШЁННАЯ КАМЕРА, специ­ально оборудованное помещение для акустич. измерений в условиях, при­ближающихся к условиям свободного открытого пр-ва (в свободном звук. поле). Стены, пол и потолок З. к. по­крываются звукопоглощающими мате­риалами, обеспечивающими практи­чески полное отсутствие отражённых звук. волн. В совр. З. к. заглушающая отделка состоит из клиньев лёгкого пористого материала (стекловолокна), прикреплённых основаниями к сте­нам. В З. к. большого размера удаётся получить поглощение до 99% энергии звук. волны в диапазоне частот от 50 — 70 Гц до самых высоких слышимых частот.

В З. к. проводятся: градуировка измерит. микрофонов, испытания гром­коговорителей, исследования шума машин, трансформаторов и др. объек­тов, определение порога слышимости и др. измерения для целей физиол. акустики.

ЗАЖИГАНИЯ ПОТЕНЦИАЛ, наи­меньшая разность потенциалов между электродами в газе, необходимая для возникновения самостоят. разряда, т. е. разряда, поддержание к-рого не требует наличия внеш. ионизаторов. Самостоят. разряд поддерживается за счёт процессов ионизации в межэлект­родном промежутке и в результате электронной эмиссии с катода; интен­сивность этих процессов возрастает с

увеличением разности потенциалов ме­жду электродами. З. п. равен той раз­ности потенциалов, при к-рой интенсив­ность процессов ионизации оказыва­ется достаточной для того, чтобы каж­дая заряж. ч-ца до своего «исчезнове­ния» рождала подобную же ч-цу. Ве­личина З. п. зависит от природы и дав­ления р газа, от материала, формы, со­стояния поверхности электродов и от расстояния d между ними. В однородном электрич. поле З. п. зависит от об­щего числа атомов газа в промежутке между электродами, т. е. от произве­дения pd (см. Пашена закон).

Зависимость потен­циала зажигания U₃ от pd для разл. газов (р — в мм рт. ст., d — в см).

 

Для разл. газов кривые Пашена приведены на рисунке. Сильное влияние на вели­чину З. п. оказывает наличие даже незначит. примесей к осн. газу, запол­няющему систему (см. Пеннинга эф­фект), а также образование на по­верхности катода тонких плёнок чуже­родных атомов. Действие внеш. ионизирующих факторов (напр., радиоакт. излучения) в разрядном промежутке или на поверхностях электродов сни­жает З. п. См. также ст. Электриче­ские разряды в газах и лит. при ней.

 ЗАМЕДЛЕНИЕ НЕЙТРОНОВ, умень­шение кинетич. энергии нейтронов в результате многократных столкнове­ний их с ат. ядрами. Механизм З. н. зависит от энергии нейтронов. Доста­точно быстрые нейтроны расходуют энергию гл. обр. на возбуждение ядер. При уменьшении энергии со­ударения нейтрона с ядром становят­ся упругими. При одном упругом со­ударении нейтрон теряет в ср. долю своей энергии, тем большую, чем легче ядро (для водорода — половину). По­следний этап З. н., наз. термализацией, заканчивается установлением равно­весия между нейтронным газом и за­медляющей средой. Образующиеся теп­ловые нейтроны играют важную роль в науке и технике, и прежде всего в ядерном реакторостроении (см. Ядер­ный реактор).

• См. лит. при ст. Нейтронная физика.

ЗАМЕДЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА (замед­ляющая структура), устройство, фор­мирующее и направляющее медленные эл.-магн. волны, фазовая скорость к-рых меньше скорости света с. С мед­ленными волнами возможно синхрон-

193

 

 

ное вз-ствие движущихся заряж. ч-ц, что и определяет осн. применение З. с.: в сепараторах и ускорителях за­ряж. ч-ц, в электронных приборах СВЧ, осциллографич. трубках и др. З. с. применяется также в кач-ве со­гласующих элементов в антеннах.

В кач-ве З. с. используются диэлектрич. радиоволноводы, канализи­рующие поверхностные волны, и обыч­ные волноводы, заполненные средой с большой диэлектрич. e и магнитной mm

Рис. 1. Периодические замедляющие систе­мы: а — встречно-штыревого типа; б — типа диафрагмированного волновода; в — типа фильтра нижних частот. Пунктир — ось пролётного канала.

 

проницаемостями. Однако такие З. с. (регулярные) применяются редко (в осн. в антеннах) из-за невозможности больших замедлений волн при малых потерях энергии. Более употребитель­ны периодич. З. с. (рис. 1), в к-рых замедление обусловлено переизлуче­нием поля на периодически (с перио­дом d) расположенных препятствиях или искажениях формы боковой по­верхности (перегородки, диафрагмы, гофрировка и т. п.). При этом ампли­туда волны А (г) испытывает периоди­ческую пространств. модуляцию (тео­рема Флоке):

A(z+d)e^iwt-kz)=A(z)^{ei[wt-k(z-d)]},

где w—частота, k — волновое число. Разложение периодич. ф-ции А(z) в ряд Фурье позволяет представить это эл.-магн. поле в виде бесконечного набора пространств. гармоник

бегущих с разл. фазовыми скоростями v_n=w/k+2p/d.

Заряж. ч-цы, движущиеся в перио­дич. З. с. со скоростью v_n, синхронно взаимодействуют с той гармоникой, скорость к-рой близка к скорости ч-ц v_n. Роль же др. гармоник несущест­венна, т. к. в среднем (за период коле­баний) они не обмениваются энергией с ч-цами. Периодич. З. с. свойственно наличие частотных полос запи­рания (wd/v»mp, m=±1, ±2), когда k оказывается комплексной ве­личиной. Прохождение волны через З. с., если её частота находится внутри полосы запирания, возможно толь­ко благодаря туннельному эффекту. В электронных СВЧ приборах и др. устройствах применяются спиральные З. с. (рис. 2), обладающие малой дис­персией. Это проводник, намотанный по винтовой линии (однозаходная спи­раль). Замедление волн в такой спи­рали не зависит от частоты w волны и определяется только геом. парамет­рами — отношением длины витка спи­рали (l) к его шагу (h): c/v=l/h. Это

Рис. 2. Однозаходная спиральная замедляю­щая система.

 

связано с увеличением пути прохож­дения волны, распространяющейся со скоростью света вдоль провода и как бы замедленно — вдоль оси спирали. Одновременно происходит и уменьше­ние групповой скорости, что исполь­зуется в линиях задержки импульсных сигналов. Часто применяются также и многозаходные спиральные З. с., в к-рых число замедленных мод равно числу заходов в спирали.

• С и л и н Р. А., Сазонов В. П., За­медляющие системы, М., 1966; Справочник по диафрагмированным волноводам, М., 1969; Ф р а д и н А. З., Антенно-фидерные устройства, М., 1977.

Н. Ф. Ковалёв.

ЗАМЕЩЕНИЯ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ,

приём исключения систематич. по­грешностей измерений, вызываемых погрешностями измерит. прибора, слу­жащего для сравнения измеряемой величины с мерой. При З. м. и. значе­ние измеряемой величины находят не непосредственно по показанию изме­рит. прибора, а по значению меры, подбираемой или регулируемой так, чтобы при замещении ею измеряемой величины показания измерит. прибо­ра остались прежними. Напр., при взвешивании тела на рычажных весах его снимают с чашки и замещают ги­рями, суммарная масса к-рых равна массе тела, при этом весы дадут преж­нее показание (метод Борда, см. Взве­шивание). З. м. и. широко применяет­ся при измерениях электрич. величин, для к-рых созданы меры (напр., со­противления, ёмкости, индуктивности, см. Меры электрических величин).

К. П. Широков.

ЗАПАЗДЫВАНИЕ ТЕКУЧЕСТИ (за­держка текучести), явление, к-рое характеризуется тем, что при мгно­венном (очень быстром) приложении напряжения, превышающего предел текучести при статическом (очень мед­ленном) нагружении, пластич. дефор­мация возникает не тотчас, а по исте­чении нек-рого промежутка времени — т. н. периода З. т. Если напряжение снято до истечения периода З. т., остаточных деформаций не возникает, т. е. в течение периода З. т. материал деформируется упруго. Чем больше приложенное напряжение, тем меньше

период З. т. Величина периода З. т. изменяется от неск. мс при напряже­нии порядка (и выше) статич. предела прочности до неск. мин при напря­жениях порядка статич. предела теку­чести. З. т. чётко выражено в матери­алах, у к-рых на диаграмме растяже­ния есть площадка текучести (см. Предел текучести). Изучение З. т. важно для оценки прочности конст­рукций при воздействии на них динамич. нагрузок (ударов, взрывов и т. п.).

В. С. Ленский.

ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ ПОТЕНЦИА­ЛЫ, потенциалы эл.-магн. поля, учи­тывающие запаздывание изменений по­ля в данной точке пр-ва по отношению к изменению зарядов и токов, создаю­щих поле и находящихся на нек-ром расстоянии от рассматриваемой точки. Потенциалы электромагнитного по­ля характеризуют это поле наряду с напряжённостями электрич. и магн. полей (Е и Н). Если в момент времени t происходит изменение распределе­ния зарядов или токов, то на расстоя­нии R от них, вследствие конечности скорости с распространения эл.-магн. поля, это изменение проявится с нек-рым запозданием. Поэтому в рас­сматриваемой точке значение потен­циалов эл.-магн. поля в момент t опре­деляется плотностями тока и заряда источника поля в момент времени t=t-R/c, где R/c — время запаздыва­ния. Если заряды и токи непрерывно распределены в нек-ром объёме пр-ва, то З. п. определяются интегрировани­ем по этому объёму элементарных З. п., создаваемых зарядами и токами в отдельных очень малых его областях.

• Тамм И. Е., Основы теории электри­чества, 9 изд., М., 1976.

ЗАПАС ПРОЧНОСТИ в сопротивлении материалов, определяет соотношение между расчётной нагрузкой, обеспечи­вающей безопасную эксплуатацию кон­струкции или сооружения, и макс. нагрузкой, к-рая теоретически допу­стима. В зависимости от назначения объекта и условий его функциониро­вания пользуются разл. определения­ми и значениями коэфф. З. п.

1) Коэфф. З. п. по напряже­ниям — отношение допустимого на­пряжения (предела прочности, пре­дела текучести, предела выносливости при перем. нагрузках) к наибольшему напряжению при заданном типе на­грузок.

2) Коэфф. З. п. по предель­ным нагрузкам — отношение нагрузки, при к-рой конструкция те­ряет несущую способность, к расчёт­ной нагрузке.

3) Коэфф. З.п. по предель­ной деформации — отношение нагрузки, вызывающей в конструкции в целом или в к.-л. её элементе макси­мально допустимую характерную де­формацию (прогиб, изменение расстоя­ния между узлами и т. п.), к расчётной нагрузке.

Назначение коэфф. З. п.— учиты­вать механич. св-ва материала, веро-

194

 

 

 

 

 

ятность возникновения случайных пе­регрузок, степень достоверности рас­чёта и исходной информации, возмож­ность непредвиденных дефектов (уса­дочные раковины, выбоины и др.). Выбор значения коэфф. З. п. учиты­вает необходимость экономии матери­ала и в ряде случаев связан с пробле­мой создания конструкции мин. веса (напр., косм. аппаратов, самолётов). Наименьшими значениями коэфф. З. п. пользуются в объектах разового крат­ковременного назначения; наиболь­шими — в конструкциях долговремен­ного использования, особенно при динамич. нагрузках.

В. С. Ленский.

ЗАПАС УСТОЙЧИВОСТИ, определяет степень удалённости величины дейст­вующих на конструкцию нагрузок от их предельных, критич. значений, при к-рых происходит потеря устой­чивости и несущая способность конст­рукции исчерпывается (см. Устойчи­вость упругих систем). Отношение критич. нагрузки к фактически дейст­вующей на конструкцию наз. коэфф. З. у. Выбор надлежащего З. у. за­труднён тем, что невозможно точно учесть ряд факторов, влияющих на ве­личину критич. нагрузок. Напр., для наиболее полно изученного случая — потери устойчивости продольно сжа­тым стержнем — такими факторами явл. нецентральность приложения на­грузки, нач. кривизна стержня и не­однородность материала. При расчёте реальных условий работы конструк­ций влияние дополнит. факторов обычно компенсируют введением по­правочного коэфф., учитывающего ве­роятность наличия дефектов.

ЗАПИРАЮЩИЙ СЛОЙ, область в полупроводнике вблизи контакта с ме­таллом или с ПП другого типа прово­димости (см. Электронно-дырочный пе­реход), обеднённая осн. носителями. Толщина З. с. d в случае р — n-перехода равна:

где е — заряд эл-на, e — диэлектрич. проницаемость, U/_к — контактная разность потенциалов, U — внеш. на­пряжение, n₀ — концентрация эл-нов проводимости в n-области, р₀ — кон­центрация дырок в р-области. Напр., для р — n-перехода в Si, где U_к=1В при n₀=p₀»10¹⁵, d=2 мкм. Для кон­такта металл — электронный ПП или металл — дырочный ПП d определяет­ся по ф-ле (*), в к-рой положено p₀<<n₀ или p₀>>n₀.

• Б о н ч-Б р у е в и ч В. Л., Калаш­ников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977. Э. М. Эпштейн.

ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА (энергетиче­ская щель), область значений энер­гии, к-рые не могут иметь эл-ны в идеальном кристалле (см. Зонная теория). У полупроводников и диэлек­триков под З.з. обычно понимают область энергий между верх. уровнем (потолком) валентной зоны и ниж. уровнем (дном) проводимости зоны.

ЗАПРЕЩЕННЫЕ ЛИНИИ, спект­ральные линии в спектрах оптиче­ских атомов (и др. квант. систем), по­являющиеся при нарушении отбора правил. Возникают при запрещённых излучательных квантовых переходах из возбуждённого метастабильного со­стояния в нормальное. Вероятность та­ких переходов не равна нулю, но зна­чительно ниже вероятности разрешён­ных переходов, поэтому интенсивность их значительно меньше интенсивности разрешённых линий. Чаще же квант. система переходит из возбуждённого метастабильного состояния в нормаль­ное без излучения, теряя энергию возбуждения в результате столкновит. процессов. Однако в разреженных газах, где ср. промежуток времени между столкновениями ч-ц сравним с временем жизни атома на метастабильном уровне или больше него, атом может перейти в норм. состояние до столкновения, испуская при этом фотон. Такие переходы обусловливают появление интенсивных З. л. в спект­рах космических газовых туманно­стей, верхних слоев атмосферы и др.

ЗАРЯД ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ, см. Электрический заряд.

ЗАРЯД ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ, см. Элементарный электрический заряд.

 ЗАРЯДА СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН, один из фундаментальных строгих законов природы, состоящий в том, что ал­гебр. сумма электрич. зарядов любой замкнутой (электрически изолирован­ной) системы остаётся неизменной, ка­кие бы процессы ни происходили вну­три этой системы. Установлен в 18 в.

Открытие эл-на, являющегося но­сителем отрицат. электрич. заряда, и протона, обладающего таким же по величине положит. зарядом, доказа­ло, что электрич. заряды существуют не сами по себе, а связаны с ч-цами (заряд является внутр. св-вом ч-ц). Позднее были открыты и др. элем. ч-цы, несущие положит. или отрицат. заряд, равный по величине заряду эл-на. Т. о., электрич. заряд дискре­тен: заряд любого тела составляет це­лое кратное от элементарного электри­ческого заряда.

Поскольку каждая ч-ца характери­зуется определённым, присущим ей электрич. зарядом, в области физ. явлений, в к-рой не происходит взаи­мопревращений ч-ц, З. с. з. можно рассматривать как следствие сохране­ния числа ч-ц. Так, при электризации макроскопич. тел число заряж. ч-ц не меняется, а происходит лишь их пере­распределение в пр-ве: заряж. ч-цы переносятся с одного тела на другое.

В физике элем. ч-ц, для к-рой харак­терны процессы взаимопревращений ч-ц, число ч-ц не сохраняется — одни ч-цы исчезают, другие рождаются, но при этом З. с. з. всегда строго вы­полняется: суммарный заряд остаётся неизменным при всех вз-ствиях и пре­вращениях ч-ц. Рождение «новой» заряж. ч-цы возможно лишь либо при одноврем. исчезновении «старой» ч-цы

с таким же зарядом, либо в паре с др. ч-цей, имеющей заряд противополож­ного знака (напр., в процессе рождения пары частица-античастица); при этом во всех таких превращениях должны выполняться др. законы сохранения— энергии, кол-ва движения и т. д.

З. с. з. вместе с законом сохранения энергии «объясняет» устойчивость эл-на. Эл-н (и позитрон) — самая лёг­кая из заряж. ч-ц, поэтому он ни на что не может распасться: распад на более тяжёлые заряж. ч-цы (напр., мюон, p-мезон) запрещён законом со­хранения энергии, а распад на более лёгкие нейтр. ч-цы (фотон, нейтрино) запрещён З. с. з. О точности, с к-рой выполняется З. с. з., можно судить по тому, что эл-н не теряет своего заряда по крайней мере за 5•10²¹ лет.

ЗАРЯДОВАЯ ЧЁТНОСТЬ (С-чётность, С), квантовое число, характеризую­щее поведение истинно нейтральной частицы (или системы ч-ц) в процес­сах, вызванных эл.-магн. или силь­ным вз-ствием. Понятие З. ч. возни­кает в результате того, что эти вз-ствия не меняются при операции зарядового сопряжения. При зарядовом сопряже­нии истинно нейтр. система остаётся сама собой, поэтому её волн. ф-ция либо не изменяется, либо меняет знак. В первом случае З. ч. положительна, во втором — отрицательна, то есть З. ч. определяется поведением волн. ф-ции относительно операции заря­дового сопряжения. В любых процес­сах, вызванных эл.-магн. или сильным вз-ствием, З. ч. сохраняется. Т. к. волн. ф-ция системы, состоящей из не­зависимых подсистем, равна произве­дению волн. ф-ций этих подсистем, З. ч. истинно нейтр. системы, распа­дающейся на неск. др. истинно нейтр. систем, равна произведению З. ч. этих систем (следовательно, З. ч. явл. муль­типликативным квант. числом). З. ч. фотона отрицательна (это видно хотя бы из того, что при зарядовом сопря­жении, когда меняются знаки элект­рич. зарядов, изменяются на обратные и направления эл.-магн. полей), а p°- и h°-мезонов, распадающихся на два g-кванта, положительна (поэтому сохранение З. ч. запрещает распад p° и h° на нечётное число g-квантов). З. ч. связанной системы электрон-позитрон — позитрония (как и любой системы из фермиона и антифермиона) равна (-1l)^J+l(*), где J — суммарный спин обеих ч-ц, l — орбит. момент их относит. движения. В нижнем энергетич. состоянии Z=0 (парапозитроний), так что З. ч. пары е⁺ е^- положитель­на, и поэтому система может распасть­ся в результате аннигиляции эл-на с позитроном на два g-кванта; при l=1 (ортопозитроний) З. ч. отрицательна, и пара электрон-позитрон в этом со­стоянии может аннигилировать только с образованием нечётного числа (обыч­но трёх) g-квантов. Такое различие

195

 

 

 

в способах распада приводит к боль­шому различию во временах жизни орто- и парапозитрония.

Из кварковой модели строения адронов и ф-лы (*) следует (в согласии с опытом), что З. ч. мезонов p°, h,h' — положительна; а r°,w, j, J/y Y— отрицательна.

• См. лит. при ст.   Элементарные   частицы.

С. С. Герштейн.

ЗАРЯДОВОЕ СОПРЯЖЕНИЕ (С), опе­рация замены всех ч-ц, участвующих в к.-л. вз-ствии, на соответствующие им античастицы. Опыт показывает, что сильное и эл.-магн. вз-ствия не меняются при З. с., то есть сильные и эл.-магн. вз-ствия ч-ц и античастиц, находящихся в тех же состояниях, одинаковы. Это означает, что для лю­бого процесса, происходящего с к.-л. ч-цами под действием сильного или ал.-магн. вз-ствия, существует в точ­ности такой же процесс для их анти­частиц.

Симметрия законов сильного и эл.-магн. вз-ствий относительно замены ч-ц на античастицы приводит к тому, что для истинно нейтральных частиц (или систем) сохраняется особая ве­личина — зарядовая чётность. В сла­бом взаимодействии, обусловливаю­щем, в частности, большинство распа­дов ч-ц, отсутствует симметрия отно­сительно З. с. Поэтому, напр., геом. хар-ки распада ч-ц отличны от хар-к распада соответствующих античастиц: если продукты распада ч-цы вылетают преим. в одну сторону, то продукты распада античастицы — в противопо­ложную сторону. В процессах слабого вз-ствия отсутствует также зеркаль­ная симметрия — симметрия между «правым» и «левым» направлениями в пр-ве (см. Пространственная инвер­сия). См. также Комбинированная ин­версия. С. С. Герштейн.

ЗАРЯЖЕННЫЙ ТОК, ток в квант. теории поля, изменяющий на единицу электрич. заряды ч-ц (в отличие от нейтрального тока, не меняющего заряды). З. т. входит в лагран­жиан слабого взаимо­действия и состоит из лептонной и адронной частей. Напр.,

b-распад нейтрона n® p+e-+v^_e опи­сывается вз-ствием лептонного и адронного З. т. В этом процессе изменя­ются заряды как в лептонной (e^-v^_e), так и в адронной (пр) вершинах Фейнмана диаграммы (рис.).

ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА, уменьшение амплитуды и, следовательно, интен­сивности звук. волны по мере её рас­пространения. З. з. обусловлено неск. причинами: 1) т. н. расхождением волны, связанным с тем, что на боль­ших расстояниях от источника поток излучаемой звук. энергии по мере распространения распределяется на всё увеличивающуюся волн. поверхность, и соответственно уменьшается интенсивность звука.

Для сферич. волны амплитуда убывает пропорц. 1/r, для цилиндрич. волны — пропорц. 1/Ör. 2) Рассеянием звука на препятст­виях в среде и её неоднородностях, размеры к-рых малы или сравнимы с длиной волны (напр., в газах это жид­кие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в тв. телах — разл. инород­ные включения или отд. кристаллиты в поликристаллах), а также на не­ровных и неоднородных границах сре­ды. 3) Поглощением звука, к-рое про­исходит в результате необратимого пе­рехода энергии волны в др. виды энер­гии (преим. в теплоту). При З. з., обусловленном рассеянием и поглоще­нием, амплитуда убывает с расстояни­ем r по закону е^-dr , где d — коэфф. З. з.

ЗАТУХАНИЕ КОЛЕБАНИЙ, умень­шение амплитуды колебаний с течени­ем времени, обусловленное потерей энергии колебат. системой. Простей­шим механизмом убыли энергии коле­бания явл. превращение её в теплоту вследствие трения в механич. системах и омич. потерь в электрич. системах. В последних З. к. происходит также в результате излучения эл.-магн. энер­гии. Закон З. к. определяется св-вами системы. Наиболее изучено З. к., обусловленное уменьшением энергии, пропорциональным квадрату скорости движения в механич. системе или квад­рату силы тока в электрич. системе; это справедливо для линейных сис­тем.

Затухание колеба­ний: A₀ — первонач. амплитуда; Т — период.

 

В этом случае З. к. имеет экспо­ненциальный хар-р, т. е. размахи ко­лебаний убывают по закону геом. прогрессии (рис.).

Затухание нарушает периодичность колебаний, поэтому они уже не явл. периодич. процессом и, строго говоря, к ним неприменимо понятие периода или частоты. Однако если затухание мало, то можно условно пользоваться понятием периода как промежутка времени между двумя последующими максимумами колеблющейся физ. ве­личины (тока, напряжения, размаха колебаний маятника и т. д.). Относит. уменьшение амплитуды колебаний за период характеризует декремент за­тухания. • См. лит. при ст. Колебания.

ЗАЩИТА от ионизирующих излуче­ний, а) совокупность мер, обеспечи­вающих снижение уровня облучения работающих вблизи источников излу­чения до предельно допустимых доз (ПДД) — наибольшее значение дозы облучения за год, не вызывающее при

равномерном воздействии в течение 50 лет неблагоприятных изменений в состоянии здоровья персонала; б) за­щитные сооружения. Проблема З. включает два аспекта: 1) З. от внеш. излучения закрытых источников (радиоакт. препараты, ядерные реакторы, рентгеновские трубки, ускорители и др.); 2) З. биосферы от загрязнения радиоакт. в-вами (отходы яд. пром-сти, испытания яд. оружия, работа с от­крытыми источниками).

З. от внешних потоков a-и b-частиц не представляет трудностей, т. к. они быстро теряют энергию в среде. Для полного поглощения a-частиц, испус­каемых радионуклидами, достаточно листа бумаги, резиновых перчаток или слоя воздуха в 8—9 см; для поглоще­ния эл-нов — неск. мм алюминия. Гамма-излучение и нейтроны явл. наи­более проникающими. Ослабление не­рассеянного g-излучения и нейтрон­ного (узкие пучки) в З. происходит экспоненциально:

J_d=J₀e^-d/l, (*)

где J_d и J₀ — интенсивности излуче­ния за З. толщиной d и без З., l, — толщина материала, ослабляющая ин­тенсивность в е раз, наз. длиной ре­лаксации (зависит от энергии ч-ц и материала, применяемого для З., табл. 1).

Табл. 1. ДЛИНЫ РЕЛАКСАЦИИ l ДЛЯ  g-KBAHTOB С ЭНЕРГИЕЙ 1 МэВ В РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Для учёта излучения, рассеянного в З. (широкие пучки), в ф-лу (*) вво­дится сомножитель, наз. факто­ром накопления (отношение интенсивности или мощности дозы рас­сеянного и нерассеянного излучений к мощности дозы падающего излучения), зависящий от энергии, геометрии и угл. распределения излучения источ­ника, компоновки, состава и размеров З., а также от взаимного расположе­ния источника, детектора и З. Величи­на этого сомножителя может достигать для фотонов неск. сотен. Для нейт­ронов рассеянное излучение обычно учитывают, заменяя l на l' в ф-ле (*). В оценке l' учтено рассеяние нейт­ронов в защитном слое (табл. 2).

Гамма-кванты лучше поглощаются материалами, содержащими элементы с большими ат. номерами Z (Pb, Fe и т. п.); нейтроны — водородсодержащими в-вами (вода, парафин, гидриды металлов, бетон и т. п.). Для замедле­ния нейтронов с энергией, большей 1 МэВ, используют в-ва с большими Z (на ядрах происходят неупругие рас­сеяния нейтронов). Т. к. в природе нет элементов, одинаково хорошо ослаб­ляющих потоки g-квантов и нейтро­нов, то З. от смешанного g- и нейтрон-

196

 

 

Табл. 2. ДЛИНЫ РЕЛАКСАЦИИ   НЕЙТРОНОВ ДЕЛЕНИЯ   С   ЭНЕРГИЕЙ >3 МэВ В РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ ТОЛЩИНОЙ 30 — 60 см

ного излучения делают из смеси в-в с малыми и большими Z (напр., железо-водные среды). По конструктивным и экон. соображениям З. стационарных установок обычно выполняют из бето­на. При этом учитывается вклад в поле излучения за З. вторичного излуче­ния, напр, g-излучения в результате радиационного захвата нейтронов, тормозного излучения, образующегося при вз-ствии заряж. ч-ц с в-вом. Для уменьшения захватного излучения в З. добавляют ¹⁰В, ядра к-рого при по­глощении нейтронов образуют заряж. ч-цы и мягкое g-излучение.

З. биосферы сводится к спец. мерам снижения концентраций радиоакт. в-в в воде и в воздухе до предельно до­пустимых нормами радиац. безопас­ности. З. может осуществляться также с помощью в-в, вводимых в организм человека и животных до или во время облучения. Нек-рые из них повышают общую сопротивляемость организма (липополисахариды, сочетания амино­кислот и витаминов, гормоны, вакци­ны) за счёт повышения активности системы гипофиз — кора надпочечни­ков, увеличения способности крове­творных клеток к размножению и др. Другая группа радиозащитных в-в (радиопротекторы) преду­преждает изменения в чувствит. орга­нах и тканях.

• Г у с е в Н. Г., Машкович В. П., Суворов А. П., Защита от ионизирую­щих излучений, т. 1, М., 1980; Руководство по радиационной защите для инженеров, пер. с англ., т. 1, М., 1972; К и м е л ь Л. Р., М а ш к о в и ч В. П., Защита от ионизирую­щих излучений. Справочник, 2 изд., М., 1982.

В. П. Машкович.

ЗВЁЗДЫ, в обычном (стационарном) состоянии раскалённые газовые (плаз­менные) шарообразные небесные тела, находящиеся в гидродинамич. и теп­ловом равновесии. Гидродинамич. рав­новесие обеспечивается равенством сил тяготения и сил внутр. давления, дей­ствующих на каждый элемент массы З. Тепловое равновесие соответствует равенству энергии, выделяемой из недр З., и энергии, излучаемой с её поверхности. З. (кроме ближайшей З.— Солнца) находятся на столь боль­ших расстояниях от Земли, что даже в самые сильные телескопы видны как светящиеся точки разл. яркости и цве­та. Осн. видимая хар-ка З.— её блеск, к-рый определяется мощностью излу­чения (светимостью) З. и расстоянием до неё.

Осн. параметрами состояния З. явл. светимость L, масса M} и радиус R. Их численные значения принято выра­жать в солн. ед. (L_солн=3,86•10³³ эрг/с,

M_солн=1,99•10³³ г, R_солн=6,96•10¹⁰ см). Значения масс З. заключены в преде­лах от ~0,03 до ~60M_солн. Светимости стационарных З. лежат в интервале от ~10^-4 до 10⁵ l_солн, а радиусы — от ~10 км (нейтронные звёзды) до —10³ r_солн (сверхгиганты). З. представляют

большой интерес для физики, т. к. в них реализуются условия, недо­стижимые в земных лабораториях (темп-ры до 10⁹ К, плотности до 10¹⁴ г/см³, магн. поля напряжённостью до 10¹⁴ Э), и наблюдаются характер­ные для этих условий процессы. Ог­ромную информацию даёт изучение спектров З. (определение их хим. сос­тава, темп-ры поверхности, магн. по­лей, скоростей движения и вращения, расстояний до З.).

З. по состоянию в-ва в недрах раз­деляют на три главные группы: 1) нормальные З., гидростатич. равновесие к-рых поддерживается дав­лением классической идеальной плаз­мы, существующей благодаря термич. ионизации атомов (эффекты неидеаль­ности становятся важными только в З. малой массы £0,5M_солн); 2) белые кар­лики, к-рые удерживаются в равнове­сии фермиевским давлением эл-нов вырожденной плазмы (ионизованной даже при низких темп-pax давлением); 3) нейтронные З. с высокой ср. плот­ностью (r³10¹² г/см³), при к-рой ферми энергия эл-нов столь высока, что энергетически выгоден процесс нейтронизации вещества, т. е. слияние протонов и эл-нов, из-за чего в-во внеш. слоев З. состоит из ядер, обога­щённых нейтронами, а внутренних — из свободных нейтронов (с малой при­месью протонов и эл-нов).

Осн. источник излучения З. (фотон­ного и нейтринного, а также корпус­кулярного) — реакции термояд. син­теза (см. Термоядерные реакции). На непродолжит. стадиях перехода от одной реакции к другой, сопровождаю­щихся сжатием З., существенным ста­новится также выделение потенциаль­ной гравитац. энергии. Наиболее энер­гетически эфф. процессом, идущим при самой низкой темп-ре (~10⁷ К), явл. процесс превращения водорода в ге­лий. Поскольку водородный цикл ре­акций обязательно содержит к.-л. ре­акцию, идущую по слабому взаимодей­ствию, этот процесс явл. и самым мед­ленным. Поэтому б. ч. наблюдаемых З. находится в стадии водородного горе­ния в центре. При данном хим. составе условия теплового и механич. равнове­сия дают для этих З. однозначную

связь светимости, массы и радиуса. Вследствие этого на диаграммах «све­тимость — темп-pa поверхности» и «масса — радиус» большинство З. группируется вдоль определ. линии, т.н. главной последова­тельности. После выгорания водорода в центре, сжатия ядра и по­вышения его темп-ры (см. Вириала теорема) становится возможным (при достаточно большой массе З.) горение всё более тяжёлых элементов (повыше­ние темп-ры создаёт условия для пре­одоления более высокого, чем у водо­рода, кулоновского барьера при слия­нии тяжёлых ат. ядер).

Б. ч. своей жизни З. находятся в стационарном состоянии (напр., све­тимость Солнца примерно постоянна уже неск. млрд. лет). Равновесность З. при непрерывной потере энергии обус­ловлена сильным различием характер­ных времён протекающих в них про­цессов. Время установления механич. равновесия определяется отношением (радиус/ср. скорость звука), равным 10³•r^-1/2с (для Солнца ~1 ч); время диффузии фотонов от центра к поверх­ности определяется отношением (гра­витац. энергия/светимость), равным для Солнца ~3•10⁷ лет; время термо­яд. эволюции ~10^-3M с²/L (для Солн­ца ~10¹⁰ лет).

Нарушение механич. равновесия, напр. снижение давления в З., приво­дит к сжатию З. и превращению части гравитац. энергии в теплоту. В резуль­тате внутр. давление возрастает, ме­ханич. равновесие восстанавливается. З. представляют собой, т. о., саморегу­лирующуюся систему. Если устойчи­вость З. нарушается, она становится нестационарной. Различные виды нестационарности имеют своё характер­ное время и могут проявляться в виде автоколебаний (цефеиды), гравитаци­онного коллапса и др. При неустойчи­вости теплового равновесия нестацио­нарность проявляется в виде вспышки с характерным временем диффузии фотонов. На поздних стадиях эволю­ции ядра З. становятся компактными, характерные времена сближаются, картина эволюции усложняется. Ам­плитуда проявлений нестационариости может быть самой разной: от долей процента при слабых пульсациях до вспышек с увеличением светимости в ~10¹⁰ раз у сверхновых звёзд. У боль­шинства З. малой массы наблюдаются также вспышки, не связанные с их внутр. равновесием. Они происходят в верхних слоях (атмосферах З.), по-видимому, из-за аннигиляции в к.-л. области атмосферы противопо­ложных по направлению магн. полей (аналогично хромосферным вспышкам на Солнце).

Общая картина эволюции З. может быть охарактеризована след. образом: З. возникают в результате конденса­ции межзвёздных пыли и газа, богато-

197

 

 

го водородом (процесс звездообразо­вания продолжается). Затем следует наиболее длит. стадия звёздной эво­люции — период термояд. реакций превращения водорода в гелий в цент­ре З. Когда водород в центре исчерпан, ядро сжимается и нагревается, а обо­лочка сильно расширяется, причём, несмотря на рост светимости, темп-ра поверхности падает — З. становится красным гигантом. После этого в ядре З. становится возможным термояд. загорание гелия и более тяжёлых эле­ментов, сопряжённое в ряде случаев со сбросом водородной оболочки и об­разованием т. н. планетарной туман­ности. Остаток З. остывает, переходя в стадию белого карлика. В зависимо­сти от нач. массы, а возможно и от момента вращения, З. могут закон­чить свою эволюцию взрывом сверх­новой (с остатком в виде нейтронной звезды либо без остатка). Согласно общей теории относительности Эйн­штейна, наиб. массивные З., если они сохранили свою массу вплоть до ис­черпания термояд. горючего, должны коллапсировать в состояние чёрной дыры.

Справедливость осн. положений тео­рии строения и эволюции З. подтверж­дается успешным объяснением: зави­симости светимость — спектр. класс и др. закономерностей для З. главной последовательности; распространён­ности разных типов З.; пульсаций цефеид и др. Термояд. эволюция подтверждается распространённостью хим. элементов, а также наличием гелиевых З., углеродных З. и др. с аномалиями хим. состава на поздних стадиях. Теория предсказала под­тверждающуюся наблюдениями зави­симость масса — радиус для белых карликов, а также существование ней­тронных З., открытых в виде пульса­ров.

• Звезды и звездные системы, под ред. Д. Я. Мартынова, М., 1981; Зельдович Я. Б., Блинников С. И., Ш а к у р а Н. И., Физические основы строения и эво­люции звезд, М., 1981; Зельдович Я. В., Новиков И. Д., Теория тяготения и эво­люция звезд, М., 1971; Шкловский И. С., Звезды. Их рождение, жизнь и смерть, 2 изд., М., 1977; К а п л а н С. А., Физика звезд, 3 изд., М., 1977; Тейлер Р., Стро­ение и эволюция звезд, пер. с англ., М., 197З. С. И. Блинников.

ЗВУК, в широком смысле — колеба­тельное движение ч-ц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или тв. средах— то же, что упругие волны;, в узком смыс­ле — явление, субъективно восприни­маемое органом слуха человека и жи­вотных. Человек слышит З. в диапа­зоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Неслы­шимый З. с частотой ниже 16 Гц наз. инфразвуком, выше 20 кГц — ультра­звуком, а самые ВЧ упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹²—10¹³ Гц — гиперзвуком.

Важной хар-кой З. явл. его спектр, получаемый в результате разложения

З. на простые гармонич. колебания (т. н. частотный звука анализ). Осн. частота определяет при этом воспри­нимаемую на слух высоту звука, а набор гармонич. составляющих — тембр звука. В спектре З. речи имеют­ся форманты — устойчивые груп­пы частотных составляющих, соответ­ствующие определ. фонетич. элемен­там. Энергетич. хар-кой звук. колеба­ний явл. интенсивность звука, к-рая зависит от амплитуды звукового давле­ния, а также от св-в самой среды и от формы волны. Субъективной хар-кой З., связанной с его интенсивностью, явл. громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствитель­ностью человеческое ухо обладает в области частот 1—5 кГц.

Источником звука могут быть лю­бые явления, вызывающие местное изменение давления или механич. на­пряжения. Широко распространены источники З. в виде колеблющихся тв. тел (напр., диффузоры громко­говорителей и мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инстру­ментов); в УЗ диапазоне частот это пластинки и стержни из пьезоэлектри­ческих материалов или магнитострикционных материалов. Обширный класс источников З.— электроакустические преобразователи.

К приёмникам З. относится, в част­ности, слуховой аппарат человека и животных. В технике для приёма З. применяются гл. обр. электроакустич. преобразователи: в воздухе — микро­фоны, в воде — гидрофоны, в земной коре — геофоны.

Распространение звук. волн харак­теризуется в первую очередь скоро­стью звука. В ряде случаев наблюда­ется дисперсия скорости звука, т. е. зависимость скорости его распростра­нения от частоты. При распростране­нии звук. волны происходит постепен­ное затухание звука, т. е. уменьшение его интенсивности и амплитуды, к-рое обусловливается в значит. степени поглощением звука, связанным с необ­ратимым переходом звук. энергии в др. формы (гл. обр. в теплоту). При распространении волн большой ампли­туды (см. Нелинейная акустика) про­исходит постепенное искажение сину­соидальной формы волны и приближе­ние её к форме ударной волны.

• Стретт Дж. В. (лорд Рэлей), Теория звука, пер. с англ., 2 изд., т. 1—2, М., 1955; Красильников В. А., Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твер­дых телах, 3 изд., М., 1960; Исакович М. А., Общая акустика, М., 197З.

И. П. Голямина.

ЗВУКА АНАЛИЗ, разложение слож­ного звук. процесса на ряд простых колебаний. Применяются два вида З. а.: частотный и временной. При частотном З. а. звук. сигнал представ­ляется суммой гармонич. составляю­щих, характеризующихся частотой, фазой и амплитудой. Частотный З. а. позволяет получить распределение ам­плитуд составляющих по частотам (рис.), т. н. частотно-амплитудные

спектры, и, реже, распределение фаз частотных составляющих (фазочастотные спектры). Зная спектр шума, напр. автомобиля, т. е. зная частоты и амплитуды его гармоник, можно рас­считать конструкцию глушителя. Зна­ние спектров речевых и муз. сигналов позволяет правильно рассчитать частотную хар-ку передающих трактов, чтобы обеспечить необходимое кач-во воспроизведения.

 

Форма колебаний (сверху) и частотно-ам­плитудный спектр (снизу) звуков рояля (осн. частота 128 Гц).

Для расчёта усталостной прочности конструкции раке­ты и предотвращения её разрушения под действием шумов Двигателей необ­ходимо знать частотный спектр звука двигателя.

При временном З. а. сигнал пред­ставляется суммой коротких импуль­сов, характеризующихся временем по­явления и амплитудой. Методы вре­менного З. а. лежат в основе принципа действия гидролокаторов и эхолотов. На практике часто возникает необ­ходимость в хар-ке, дающей общее представление об изменении сигнала во времени без его разложения на гармонич. составляющие. В кач-ве такой временной хар-ки часто поль­зуются т. н. корреляц. ф-цией, к-рая определяется как среднее по времени результата перемножения анализируе­мого сигнала, напр. p(t) на его зна­чение через определ. промежуток вре­мени (автокорреляция) либо на второй анализируемый сигнал, принятый че­рез нек-рый интервал времени (взаим­ная корреляция). Методами корреляц. анализа решаются такие задачи, как предсказание хар-ра изменения про­цесса во времени, выделение слабых акустич. сигналов на фоне помех, изме­рение искажений вещательных сиг­налов при передаче через электроаку­стич. системы и др. По корреляц. ф-циям могут быть найдены многие фнз. хар-ки акустич. процессов, сис­тем и звук. полей, представляющие практич. интерес.

• Блинова Л. II., Колесников А. Е., Л а н г а н с Л. Б., Акустические из­мерения, М., 1971; X а р к е в и ч А. А., Спектры и анализ, 4 изд., М., 1962.

ЗВУКОВОЕ ДАВЛЕНИЕ, переменная часть давления, возникающая при прохождении звук. волны в среде. Распространяясь в среде, звук. волна

198

 

 

образует её сгущения и разрежения, к-рые создают добавочные изменения давления по отношению к его ср. зна­чению в среде. З. д. изменяется с час­тотой, равной частоте звук. волны. З. д.— основная количеств. хар-ка звука. Иногда для хар-ки звука при­меняется уровень звуково­го давления — выраженное в дБ отношение величины данного З. д. р к пороговому значению З. д. р₀=2•10^-5 Па. При этом число децибел N=20Ig(p/p₀). З. д. в воздухе изме­няется от 10^-5 Па вблизи порога слы­шимости до 10³ Па при самых громких звуках, напр. при шумах реактивных самолётов. В воде на УЗ частотах порядка неск. МГц с помощью фоку­сирующих излучателей получают зна­чение З. д. до 10⁷ Па. З. д. следует от­личать от давления звука (см. Давле­ние звукового излучения).

 ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ, область пр-ва, в к-рой распространяются звук. вол­ны, т. е. происходят акустич. колеба­ния ч-ц упругой среды (твёрдой, жид­кой или газообразной), заполняющей эту область. З. п. определено пол­ностью, если для каждой его точки из­вестно изменение во времени к.-л. из величин, характеризующих звук. вол­ну: колебательное смещение ч-ц, коле­бательная скорость ч-ц, звуковое дав­ление в среде. Понятие «З. п.» приме­няется обычно для областей, размеры к-рых порядка или больше длины звук. волны. С энергетич. стороны З. п. характеризуется плотностью звук. энергии (энергией колебат. про­цесса, приходящейся на ед. объёма); в тех случаях, когда в З. п. происхо­дит перенос энергии, он характери­зуется интенсивностью звука.

Картина З. п. в общем случае зави­сит не только от акустич. мощности и хар-ки направленности излучателя — источника звука, но и от положения и св-в границ среды и поверхностей раздела разл. упругих сред, если такие поверхности имеются. В неогра­ниченной однородной среде З. п. оди­ночного источника явл. полем бегущей волны. Для измерения З. п. приме­няют микрофоны, гидрофоны и др. приёмники звука; их размеры жела­тельно иметь малыми по сравнению с длиной волны и с характерными раз­мерами неоднородностей поля. При изучении З. п. применяются также разл. методы визуализации звуковых полей. Изучение З. п. разл. излучате­лей производят в заглушённых каме­рах.

ЗВУКОВОЙ ВЕТЕР, то же, что акустические течения.

 ЗВУКОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, свече­ние в жидкости при акустич. кавита­ции. Световое излучение при З. (рис. 1) очень слабое и становится ви­димым только при значит. усилении или в полной темноте. Спектр З. в осн. непрерывный. Причина свече­ния — сильное нагревание газа или пара в кавитац. пузырьке, происходя­щее в результате адиабатич. сжатия

при его захлопывании: темп-pa внутри пузырька может достигать 10⁴ К, что вызывает термич. возбуждение атомов и молекул газа и пара и свечение пу­зырька. Интенсивность З. зависит от кол-ва газа в пузырьке, а также от св-в жидкости, газа и интенсивности звука (рис. 2).

Рис. 1. Свечение поля кавитации перед ма­лым ферритовым преобразователем, работаю­щим на частоте 25 кГц.

Рис. 2. Зависимость интенсивности люминес­ценции (выраженной в относительных ед.) от интенсивности звука Г (в относительных ед.).

 

Существуют и др. механизмы, к-рые могут вносить определ. вклад в З., напр, хемилюминесценция.

К. А. Наугольных.

ЗЕЕБЕКА ЭФФЕКТ, возникновение электродвижущей силы в электрич. цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводни­ков, контакты между к-рыми имеют разл. темп-ру. Открыт в 1821 нем. физиком Т. И. Зеебеком (Th. J. Seebeck). См. Термоэдс.

ЗЕЕМАНА ЭФФЕКТ, расщепление уровней энергии и спектр. линий атома и др. ат. систем в магн. поле. Открыт в 1896 голл. физиком П. Зееманом (P. Zeemaii) при исследовании свече­ния паров натрия в магн. поле. Под действием магн. поля уровни энергии расщепляются на зеемановские поду­ровни; при переходах между подуровнями уровней ξ_i и ξ_k вместо одной спектр. линии появляется неск. поля­ризованных компонент. Для одиноч­ных спектр. линий в направлении, перпендикулярном направлению на­пряжённости магн. поля Н (рис. 1), наблюдается зеемановский триплет — несмещённая относительно первичной линии p-компонента, поляризованная в направлении Н, и две симметричные относительно неё s-компоненты, по­ляризованные перпендикулярно Н (простой, или нормальный, З. э., рис. 2).

Рис. 1. Схема наблюдения эффекта Зеемана: И — источник излучения, расположенный между полюсами магнита М; линзы Л, поля­роиды П, пластинка в ¹/₄ Длины волны l служат для определения хар-ра поляриза­ции; С — спектрометр.

 

Для дублетов и мульти­плетов высших порядков наблюдается сложная картина расщепления: появ­ляется неск. равноотстоящих друг от друга p-компонент и две симметрич­ные относительно них группы s-компонент (аномальный, или сложный, З. э.).

Рис. 2. Простой эффект Зеемана: а — без поля (n₀ — частота, соответст­вующая исследуе­мой неполяризован­ной спектр. линии); б — зеемановский триплет (направление на­блюдения перпендикулярно полю); в — s-компоненты (при наблюдении вдоль поля). Стрелками показано направление поляриза­ции, n₁ и n₂ — частоты s-компонент.

 

Величина расщепления пропорц. Н и относительно мала (для Н ~20 кЭ она порядка десятых долей А). В сильных магн. полях (полях, вы­зывающих расщепление порядка мультиплетного и выше) вместо сложного З. э. наблюдается зеемановский три­плет (Пашена — Бака эффект).

З. э. обусловлен наличием у квант. системы (напр., атома) магн. момента m, к-рый связан с механич. моментом М атома и может ориентироваться в пр-ве лишь определ. образом. Число возможных ориентации момента m равно степени вырождения уровня энергии. Каждой проекции (m_H магн. момента m на направление Н соответст-

199

 

вует своя дополнит. энергия Dξ=-m_HH, что приводит к снятию вы­рождения — уровень расщепляется. Т. к. m_H принимает значения m_H=gm_Бm (где g— Ланде множитель, m_Б— магнетон Бора, m — магн. кван­товое число), то значения Dξ=gm_БHm для разл. m различны. Расстояние между соседними подуровнями d=-gm_БH=gDξ₀, где Dξ₀=m_БН — ве­личина норм. расщепления. Если для уровней ξ_i и ξ_k расщепление одина­ково (g_i=g_k), то наблюдается зеемановский триплет, если g_i¹g_k,— слож­ный З. э.

Исследование картины зеемановского расщепления важно для изучения тонкой структуры атомов и др. ат. систем. Наряду с квант. переходами между зеемановскими подуровнями, принадлежащими разл. уровням энер­гии (З. э. на спектр. линиях), можно наблюдать магн. квант. переходы меж­ду подуровнями одного уровня энер­гии. Такие переходы происходят под действием излучения с частотами n=d/h (h — Планка постоянная),  ле­жащими, как правило, в СВЧ диапа­зоне эл.-магн. волн. Это приводит к эффекту избират. поглощения радио­волн в парамагн. в-вах, помещённых в магн. поле,— к электронному пара­магнитному резонансу. На основе это­го эффекта созданы устройства кван­товой электроники, в т. ч. приборы для прецизионного измерения слабых магн. полей (квантовые магнетомет­ры).

З. э. наблюдается и в мол. спектрах, однако его наблюдение и расшифровка представляют большие трудности вледствие сложной картины расщеп­ления и перекрытия в них спектр. полос. З. э. можно наблюдать и в спек­трах кристаллов (обычно в спектрах поглощения). • См. лит. при ст. Атом, Молекула.

ЗЕМНОЙ МАГНЕТИЗМ (геомагне­тизм), 1) магнитное поле Земли. 2) Раздел геофизики, изучающий рас­пределение в пр-ве и изменения во вре­мени магн. поля Земли, а также свя­занные с ним физ. процессы в Зем­ле и в атмосфере. В каждой точке пр-ва геомагн. поле характеризуется вектором напряжённости Т, величина и направление к-рого определяются тремя составляющими X, Y, Z (север­ной, восточной и вертикальной) в прямоуг. системе координат (рис.) или тремя элементами З. м.: горизонталь­ной составляющей напряжённости Н, магн. склонением D (угол меж­ду Н и плоскостью геогр. меридиана) и магн. наклонением I (угол между Т и плоскостью горизонта). Су­ществование у Земли магн. поля (т. н. основного, или посто­янного, поля, его вклад ~99%) объясняют процессами, протекающи­ми в жидком металлическом ядре Зем­ли (см. Динамо-эффект). Осн. поле до

высот ~3R_зем (R_зем— радиус Земли) имеет дипольный хар-р, но на больших высотах структура ноля значительно сложнее (см. Магнитосфера). Магн. полюсы Земли (точки, где Н= 0) не совпадают с её геогр. полюсами — ди­польный магн. момент Земли, равный 8•10²⁵ ед. СГС, образует с осью враще­ния Земли угол 11,5°. Напряжённость геомагн. поля Т убывает от магн.

Составляющие магнитного по­ля Земли.

полюсов к магн. экватору (линии, где /=0) от 55,7 до 33,4 А/м (от 0,70 до 0,42 Э). Осн. магн. поле испыты­вает лишь медленные вековые измене­ния (вариации). В разные геол. эпохи геомагн. поле имело разл. полярность, т. е. с периодом от сотен тыс. лет до десятков млн. лет происходит переполюсовка осн. магн. поля Земли. Пере­менное геомагн. поле (~1%), порож­даемое токами в магнитосфере и ионо­сфере, более неустойчиво. Наблюдают­ся периодич. солнечно-суточные и лун­но-суточные магн. вариации соответ­ственно с амплитудами 30—70 g и 1 — 5 g (1g=10^-5 Э). Обтекание магнито­сферы плазмой солнечного ветра с пе­ременными плотностью и скоростью заряж. ч-ц, а также прорывы ч-ц в магнитосферу приводят к изменению токовых систем в магнитосфере и ионо­сфере. Токовые системы в свою очередь вызывают в околоземном косм. пр-ве и на поверхности Земли колебания гео­магн. поля в широком диапазоне частот (от 10^-5 до 10² Гц) и амплитуд (от 10^-3 до 10^-7 Э). Сильные возмущения магнитосферы — магн. бури — сопро­вождаются появлением в верх. атмо­сфере Земли полярных сияний, ионо­сферных возмущений, рентг. и НЧ излучений.

• Яновский Б. М., Земной магнетизм, 4 изд., Л., 1978; С т е й с и Ф. Д., Физика Земли, пер. с англ., М., 1972.

ЗЕРКАЛО АКУСТИЧЕСКОЕ, глад­кая поверхность, линейные размеры к-рой велики по сравнению с длиной волны l падающего звука, формирую­щая регулярное отражение звук. волн. Поверхность считается гладкой, если шероховатости её меньше l/20. Св-ва акустич. З. характеризуются коэфф. отражения, к-рый определяет энергию отражённой волны, и формой его по­верхности, к-рая обусловливает вид отражённой волны. З. а. применяются для изменения направления распро­странения и фокусировки звука. Напр., плоское З. а. изменяет лишь направление распространения волны, а ко­ническое изменяет не только направ­ление распространения, но и вид отра­жённой волны. Параболоидное З. а. изменяет направление и вид плоской волны, превращая её в сходящуюся сферич. волну, а эллипсоидное изме­няет только направление распростра­нения волны, преобразовывая расхо­дящуюся сферич. волну в сходящуюся в др. фокусе сферич. волну.

• Каневский И. Н., Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн, М., 1977.

И. Н. Каневский.

ЗЕРКАЛО ОПТИЧЕСКОЕ, тело, обла­дающее полированной поверхностью правильной формы, способной отра­жать световые лучи с соблюдением ра­венства углов падения и отражения, и образующее изображения оптические предметов (в т. ч. источников света), положение к-рых может быть опреде­лено по законам геометрической опти­ки.

Наиболее распространены плос­кие З. о. В оптических системах применяются также выпуклые и вогнутые З. о. со сферич., параболоидальными, эллипсоидаль­ными, тороидальными и др. отражаю­щими поверхностями. Кач-во З. о. тем выше, чем ближе форма его поверх­ности к математически правильной. Микронеровности отражающих по­верхностей З. о. должны быть малы по сравнению с длиной световой вол­ны (см. Отражение света). Макси­мально допустимая величина микро­неровностей поверхностей определяет­ся назначением З. о. Так, для астр. приборов она не должна превышать 0,1 наименьшей длины волны падаю­щего на З. о. излучения, в то время как для прожекторных или конденсорных З. о., отражающих большие световые потоки, она может быть в 10—100 раз больше.

Неплоские З. о. обладают всеми присущими оптич. системам аберра­циями, кроме хроматических (см. Аберрации оптических систем). Плос­кое З. о.— единственная оптич. система, к-рая даёт полностью безаберрац. изображение (всегда мнимое) при любых падающих на него пучках света.

Рис. 1. Схема зерка­ла с параболоидальной поверхностью; l — предмет; l' — изобра­жение предмета.

 

Положения предмета и его изображения, даваемого З. о. со сфе­рич., параболоидальной или др. по­верхностью, имеющей ось симметрии, связаны с радиусом кривизны r З. о, в его вершине О (рис. 1) соотношением: l/s+l/s' = 2/r, где s — расстояние от вершины З. о. до предмета А, s' — рас-

200

 

 

стояние до изображения А'. Эта ф-ла строго справедлива лишь в предель­ном случае бесконечно малых углов, образуемых лучами света с осью З. о.; однако она явл. хорошим приближе­нием и при конечных, но достаточно малых углах. Если предмет находится на бесконечно большом расстоянии, то

s' равно фокусному расстоянию З. о.: s'=f'=r/2. Фокальная плоскость (см. Фокус)    расположена   на    расстоянии r/2 от вершины З. о.

 

Рис. 2. Спектральные коэфф. отражения металлич. плёнок.

 

З. о. должно иметь высокий отра­жения коэффициент. Большими коэфф. отражения обладают металлич. по­верхности: алюминиевые — в УФ, ви­димом и ИК диапазонах, серебряные — в видимом и ИК, золотые — в ИК. От­ражение от любого металла сильно за­висит от длины волны К света: с её увеличением коэфф. отражения возра­стает для нек-рых металлов до 99% (рис. 2).

Коэфф.   отражения  у  диэлектриков значительно меньше,  чем у металлов (стекло   с   показателем   преломления n=1,5 отражает  всего 4%).   Однако, используя    интерференцию    света    в многослойных  комбинациях   прозрач­ных   диэлектриков,   можно   получить отражающие   (в   относительно   узкой области спектра) поверхности с коэфф. отражения более 99% не только в ви­димом диапазоне, но и в УФ, что невоз­можно получить от З. о. с металлич. поверхностями. Диэлектрич. З. о. со­стоят    из    большого    числа    (13—17) слоев диэлектриков попеременно с вы­соким и низким п. Оптическая толщи­на каждого слоя составляет l/4 (см. Оптика тонких слоев).  Нечётные слои делаются  из материала  с высоким  n (напр.,  из сульфидов цинка,  сурьмы, окислов   титана,   циркония,   гафния, тория), а чётные — из материала с низ­ким   n   (фторидов   магния,   стронция, двуокиси кремния). Коэфф. отражения диэлектрич. З. о. зависит не только от l, но и от угла  падения  излучения. Наиболее распространённый способ изготовления   З. о.— нанесение  отра­жающих металлич.   или   диэлектрич. покрытий на  полированную стеклян­ную   поверхность   катодным   распыле­нием или    испарением    в    ва­кууме.

З. о.,  применяемые  самостоятельно и  в  сочетании с  линзами,   образуют

обширную  группу зеркальных и зер­кально-линзовых  приборов.   Безаберрационность плоских З. о. позволила широко использовать их для поворота светового пучка, автоколлимации, пе­реворачивания   изображений   и   т. д. Плоские З. о.  используются также в зеркальной   развёртке   оптической   и скоростной киносъёмке;   З. о.   входят в  состав  точнейших   измерит.  прибо­ров,   напр.   интерферометров.   С  соз­данием лазеров З.о. стали применяться в    кач-ве    отражающих    плоскостей, оптических   резонаторов.    Отсутствие хроматин,  аберраций в З. о.   обусло­вило использование их в телескопах, монохроматорах  (особенно  ИК   излу­чения)   и  во  многих  др.   приборах.

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

В. Н. Рождественский.

ЗЕРКАЛЬНОЕ ОТРАЖЕНИЕ света, см. в ст. Отражение света

ЗЕРКАЛЬНОЙ СИММЕТРИИ ПРА­ВИЛО, то же, что Лёвшина правило.

ЗЕРКАЛЬНО-ЛИНЗОВЫЕ СИСТЕ­МЫ (катадиоптрические системы), оптич. системы, содержащие отражаю­щие (зеркала оптические) и преломляю­щие поверхности (линзы). В нек-рых З.-л. с. зеркала выполняют чисто кон­структивные функции (изменение на­правления светового пучка, уменьше­ние габаритов прибора и т. п.), не

 

Оптич.схемы зеркально-линзовых систем с линзовыми компенсаторами ЛК аберраций: а — сверхсветосильный объек­тив с большим углом зрения (до 30°) для фотосъемки движущихся небесных тел; б — телескоп с параболоидальным зерка­лом, в — система с параболоидальным большим зеркалом и сферическим малым зеркалом З.

 

влияя на кач-во изображения. При­мером таких систем могут служить зер­кально-линзовые конденсоры микро­скопов. В других случаях зеркала иг­рают осн. роль в образовании изобра­жений, а линзы служат гл. обр. для исправления аберраций, вносимых зер­калами (см. Аберрации оптических систем). Оптич. св-ва зеркал не ме­няются при изменении длины волны падающего света (т. е. зеркала ахроматичны), поэтому З.-л. с. широко применяются в случаях, когда оптич. система должна обладать боль­шим фокусным расстоянием и большим диаметром (напр., объективы телеско­пов).

Одна из осн. областей применения З.-л. с.— астрономия. Сочетание зер­кал разной формы и разл. комбинаций линзовых компенсаторов позволило

создать З.-л. с. с большим углом зре­ния и светосилой (рис., а, б), умень­шить длину астр. и фотогр. приборов (рис., в).

З.-л. с. используются в кач-ве све­тосильных фотогр. объективов и теле­объективов. У этих систем сравни­тельно небольшое поле зрения, однако их разрешающая способность выше, чем у линзовых объективов с такими же хар-ками.

З.-л. с. применяются при конструи­ровании объективов микроскопов. Та­кие объективы обычно взаимозаменяе­мы с линзовыми, но обладают рядом преимуществ, особенно при исследо­вании в УФ лучах. В микроскопах также широко используется освети­тельная З.-л. с.— конденсор.

Ахроматичность и высокий коэфф отражения зеркал в широкой спектр области обусловили использование

З.-л. с. и в др. приборах, работающих в УФ и ИК областях спектра (в част­ности, в спектральных приборах).

• См. лит. при ст.  Зеркало    оптическое, Линза.

Г. Г. Слюсарев.

ЗЕРКАЛЬНЫЕ    АНТЕННЫ,    антен­ны, в к-рых формирование диаграммы направленности осуществляется с по­мощью  отражающих  поверхностей — зеркал.   Их   появление   восходит    к классическим экспериментам нем. фи­зика Г. Герца, применившего в 1888 в кач-ве фокусирующего  зеркала параболич. цилиндр. З. а.    состоит    из одного   или   неск. облучателей и од­ного  зеркала  или системы      зеркал. Используются  параболич.,     эллиптич., гиперболич., сферич.,    плоские

зеркала и их ком­бинации,    а    также   параболич     ци­линдр, сегментно-параболич. цилиндр параболич. тор и т. п. (рис. 1).

Наиболее распространены однозеркальные антенны, облучаемые из фо­куса / или из фокальной линии. В про­стейших многозеркальных антеннах используется параболич. зеркало и конфокальный с ним гиперболоид или эллипсоид, другой фокус к-рого рас­положен на поверхности гл. пара­болич. зеркала (рис. 2). К З. а от­носятся также перископические ан­тенны (рис. 3, а) и антенны пе­ременного профиля Хайкина — Кайдановского (рис. 3, б). К З. а. относятся также рупорно-параболические антенны и антенны типа раковины.

З. а. широкодиапазонны, позволя­ют формировать различные (в т. ч. весьма узкие) диаграммы направлен­ности и осуществлять как механич , так и электрич. сканирование. Они обладают большим усилением и малы­ми потерями, их шумовая темп-ра

201

 

 

Рис. 1. Элементы зеркальных антенн.

Рис. 2. Двухзеркальные антенны: вверху — антенна Кассегрена; вни­зу — антенна Гре­гори.

Рис. З. а — перископич. антенна; б — ан­тенна перем. профиля.

 

может быть очень низкой. Всё это обус­ловило их широкое использование в радиоастрономии, косм. радиосвязи и радиолокации и т. д.

• См. лит. при ст. Антенна.

Н. М. Цейтлин.

ЗЕРКАЛЬНЫЕ ЯДРА, два атомных ядра, отличающихся тем, что при одинаковом числе нуклонов число нейтронов в одном из них равно числу протонов во втором. Примеры З. я.:

³₁Н—³₂Не,⁷₃Li—⁷₄Be, ¹⁴₆С—¹⁴₈О. З. я. яв­ляются членами одного изоспинового мультиплета. Вследствие изотопиче­ской инвариантности яд. сил (незави­симости яд. сил от заряда взаимодей­ствующих нуклонов) массы З. я. от­личаются друг от друга только за счёт кулоновской энергии отталкивания протонов и разности масс нейтрона и протона. Это соотношение выполня­ется с хорошей точностью (порядка 0,1%).

ЗИВЕРТ (Зв), в СИ наименование еди­ницы эквивалентной дозы излучения, рекомендованное 16-й Генеральной конференцией по мерам и весам (1979). 1Зв=1 Дж/кг=10² бэр.

ЗОНА МОЛЧАНИЯ в акустике (зона акустической тени), область, в к-рой звук от удалённых мощных источни­ков (орудийная стрельба, взрыв и т. д.) не слышен, в то время как на больших расстояниях от источника он снова появляется (т. н. зона аномаль­ной слышимости). З. м. обычно имеют на земной поверхности форму непра­вильного кольца, окружающего ис­точник звука. Иногда наблюдаются две и даже три З. м., разделённые зо­нами аномальной слышимости. Внутр. радиус 1-й З. м. обычно равен 20— 80 км, иногда он достигает 150 км; внеш. радиус может достигать 150— 400 км. Причиной образования З. м. явл. рефракция звука в атмосфере. Аналогичное явление наблюдается ча­сто и при распространении звука (УЗ) в океане (см. Гидроакустика).

• X р г и а н А. X., Физика атмосферы, 2 изд., т. 1—2, Л., 1978; Толстой И., К л е й К. С., Акустика океана, М., 1969, гл. 5.

ЗОНД АКУСТИЧЕСКИЙ, устройство для измерения звукового давления в заданной точке звук. поля, обеспечи­вающее мин. искажения поля, вызван­ные самим процессом измерения. З. а. представляет собой тонкую трубку А (рис.) или тв. стержень, изолированный от окружающей среды, один конец к-рого вводится в исследуемую область звук. поля, а второй соединяется с приёмником звука D.

Для исключения резонансных явлений и осуществления режима бегущей волны за приёмником к трубке (стержню) присоединяется длинный звукопровод В, обладающий

значит. поглощением. З. а. применя­ются для измерений в малых объёмах и труднодоступных местах. • Беранек Л., Акустические измерения, пер. с англ., М., 1952; Блинова Л. П., Колесников А. Е., Ланганс Л. Б., Акустические измерения, М., 1971.

И. П. Голямина.

ЗОННАЯ ПЛАСТИНКА Френеля (пластинка Сорэ), в простейшем слу­чае стеклянная пластинка, состоящая из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрич. колец, по­строенных по принципу расположения ион Френеля. З. п. явл. по существу дифракционной решёткой. З. п. (рис.)

делит падающую на неё волну на коль­цевые зоны, ширина к-рых подобрана так, чтобы расстояние от краёв зоны до точки наблюдения F, наз. фоку­сом З. п., изменялось на половину длины волны l: NF-MF=l/2, при этом фазы волн, приходящих в F из соответствующих точек N и М сосед­них зон, противоположны. Если меж­ду точечным источником света и точ­кой наблюдения расположить З. п. с к прозрачными кольцами, соответствую­щими нечётным зонам Френеля (чёт­ные зоны — непрозрачные), то дейст­вие всех выделенных (прозрачных) зон сложится и амплитуда колебаний в точке наблюдения возрастёт в 2k раз; то же произойдёт, если прозрачными будут чётные зоны, но фаза суммарной волны будет иметь противоположный знак. Если на стеклянную пластинку вместо непрозрачного слоя нанести прозрачный слой, вызывающий сдвиг фазы на l/2, то интенсивность света в точке наблюдения возрастёт в 4k раз.

Примером З. п. может служить го­лограмма точечного источника; осо­бенностью голограммы как З. п. явл. то, что переход от тёмного поля к светлому осуществляется не скачком, а плавно, прибл. по синусоидальному закону.

Для оптич. излучения с длиной вол­ны l З. п. действует как положитель­ная линза, но хроматическая аберра­ция такой системы приблизительно в 20 раз больше, чем у линз из стекла типа «крон». Аналогичные устройства могут быть созданы и в диапазоне ра­диоволн, где благодаря значительно большим длинам волн реализация описанного принципа упрощается и оказывается возможным создание на­правленных излучателей типа зонных антенн.

Л. Н. Капорский.

202

 

 

ЗОННАЯ ТЕОРИЯ твёрдых тел, кван­товая теория энергетич. спектра эл-нов в кристалле, согласно к-рой этот спектр состоит из чередующихся зон (полос) разрешённых и запрещённых энергий. З. т. объясняет ряд св-в и явлений в кристалле, в частности разл. хар-р электропроводности тв. тел. Основы З. т. созданы нем. физи­ком Ф. Блохом (1928) и франц. физи­ком Л. Бриллюэном (1930).

В основе З. т. лежит т. н. о д н о э л е к т р о н н о е  п р и б л и ж е н и е, базирующееся на след. упроще­ниях: 1) ат. ядра в узлах идеальной крист. решётки неподвижны (их масса велика по сравнению с массой эл-нов). 2) Эл-н движется в поле периодич. потенциала U(r) (r — прост­ранств. координата точки), к-рое скла­дывается из полей, создаваемых ядра­ми и остальными эл-нами. 3) Это периодич. поле обладает трансляц. инва­риантностью:

U(r+a_n)=U(r), (1)

где  а_n — вектор   n-го  узла  решетки. В  такой модели для волн. ф-ции y эл-на  в  решётке  выполняется    тео­рема    Блоха:

y_k(r)=u_k(r)expkr, (2)

где u_k(r+a)=u_k(r), k — волновой век­тор эл-на. Это означает, что y_k(r) имеет вид волн. ф-ции свободного эл-на, амплитуда к-рой промодулирована в пр-ве с периодом решётки.

Спектр энергии 8 эл-нов можно оп­ределить, подставляя волн. ф-цию в виде (2) в стационарное Шредингера уравнение и вводя те или иные гранич­ные условия. Решение ур-ния даёт энергетич. спектр в виде серии полос разрешённых энергий ξ_l(k) (l — но­мера разрешённых зон), разделённых полосами запрещённых энергий. Из (1) следует, что ξ_l(k+b)=ξ_l(k), где b — вектор обратной решётки. Следо­вательно, ξ_l(k) — периодич. ф-ция с периодом b. Физически разл. значения k заключены внутри первой Бриллюэна зоны.

В соответствии с З. т. движение эл-на в решётке сходно с движением эл-на в свободном пр-ве, однако фак­тически носит туннельный хар-р. Квазиимпульс эл-на в ре-щётке p=hk отличен от импульса свободного эл-на. Для него выполня­ются законы сохранения, справедливо ур-ние движения dp!dt=F (F — внеш. сила). Эл-н в кристалле оказывается квазичастицей с эффективной массой m*, отличной от массы свободного эл-на m₀. Энергия эл-на явл. ф-цией квазиимпульса ξ(р).

Энергетич. структура каждой зоны описывается ф-цией ξ(р), наз. дис­персии законом. Есть два осн. способа описывать энергетич. структуру зоны: 1) пусть координаты р_х, р_у и р_z фикси­рованы, тогда ξ(р_x) — кривая на плоскости (ξ, р_х) (дисперсион­ная кривая, рис. 1). Повторяя эту операцию для (ξр_у) и (ξр_г)

получим набор дисперс. кривых, пол­ностью характеризующих ф-цию ξ(p). 2) Можно фиксировать какое-то зна­чение энергии в к.-л. зоне ξ_l(p)=const. Это ур-ние поверхности в трёх­мерном р-пространстве (изоэнергетич. поверхность). Изменяя константу, по­лучим семейство изоэнергетич. поверх­ностей, характеризующих закон дис­персии. Изоэнергетич. поверхности об­ладают симметрией, связанной с сим­метрией кристаллов.

Физически происхождение зонной структуры энергетич. спектра эл-нов в кристалле связано с образованием

Рис. 1. Дисперсионные кривые ξ_l(р_х) и ξ_l-1(p_x) при фиксированных p_у и p_z: ξ_с — дно l+1-й зоны (зоны проводимости), ξ_v — потолок l-той зоны (валентной зоны); ξ_g — ширина запрещённой зоны; заштрихованные области — уровни, заполненные эл-нами и дырками.

 

кристалла из N атомов, каждый из к-рых в свободном состоянии обладает дискретным электронным энергетич. спектром. При объединении N атомов в кристалл последний можно тракто­вать как гигантскую молекулу, в к-рой эл-ны всех атомов обобществле­ны и к-рую следует рассматривать как единую квантовомеханич. систему. В кристалле каждый из ат. уровней пре­вращается в полосу, состоящую из N уровней (или с учётом спина — из 2N уровней), к-рая явл. разрешённой зо­ной ξ_l(p). Если на атом приходится Z эл-нов, то полное число эл-нов в кри­сталле равно NZ; они занимают уров­ни разрешённых зон начиная снизу, пока не будут полностью исчерпаны. Изоэнергетич. поверхность, соответст­вующая Ферми энергии: ξ(p)=ξ_F, наз. Ферми поверхностью. Ниж. зоны (довольно узкие) будут целиком за­полнены эл-нами внутр. оболочек ато­мов. Заполнение эл-нами разрешён­ных энергетич. уровней происходит в соответствии с Ферми — Дирака распределением.

Хотя структура энергетич. зоны дискретна, уровни весьма близки (ква­зинепрерывны). Для описания рас­пределения энергетич. уровней в зоне n(ξ) часто вводят ф-цию плотности состояний (уровней) g(ξ)=dn/dξ — число уровней на единичный энерге­тич. интервал. Вид ф-ции g(ξ) зави­сит от закона дисперсии. В простей­шем случае, когда

ξ(р)=р²/2m*, то g(ξ)=Aξ^1/2, где А=(1/4p²) (2m*/h²)^3/2.

Физ. св-ва кристаллов определяются в осн. верхними зонами, ещё содержа­щими эл-ны. Эиергетич. интервал ξ_g между «дном» ξ_c (минимумом энергии) самой верхней ещё содержащей эл-ны зоны и «потолком» ξ_v (максимумом энергии) предыдущей целиком запол­ненной зоны, наз. запрещён­ной зоной (хотя ниже по энергии может быть ещё неск. др. запрещённых и раз­решённых зон). Если при T=0 все зоны, содержащие эл-ны, заполнены эл-нами целиком, а следующая «пус­тая» разрешённая зона отделена от данной достаточно широкой запре­щённой зоной, то кристалл явл. ди­электриком (напр., у алмаза ξ_g~5 эВ); если ξ_g£3 эВ, то — полу­проводником. Если верхняя содержа­щая эл-ны зона заполнена эл-нами час­тично, то это металл. Возможно час­тичное перекрытие разрешённых зон или смыкание их (полуметаллы, бес­щелевые полупроводники).

Внеш. воздействия (повышение темп-ры, облучение, напр. светом, или сильные внеш. электрич. поля) могут вызвать переброс эл-нов через запрещённую зону. В результате по­являются «свободные» носители за­ряда (эл-ны проводимости и дырки), осуществляющие проводимость.

В ПП изоэнергетич. поверхность в зоне проводимости в простейшем слу­чае явл. сферой или эллипсоидом. В более сложных случаях изоэнерге­тич. поверхность может быть много­связной, напр. в виде совокупности эллипсоидов, «нанизанных» своими длинными осями на оси симметрии изоэнергетич. поверхности (рис. 2); для Ge их 8, для Si — 6. В этом случае в зоне проводимости есть неск. экви­валентных минимумов энергии. Об­ласти энергии в зоне проводимости вблизи каждого из минимумов наз. долинами, а ПП с неск. эквива­лентными минимумами — много­долинными. В условиях равновесия эл-ны распределяются между долинами поровну.

Рис.  2.  Эллипсоиды пост. энергии в Si.

 

При включении в данном направлении внеш. электрич. поля долины проявляют себя неэкви­валентно из-за различий в величине эфф. масс и подвижностей эл-нов в разл. направлениях. Аналогичные эф­фекты имеют место и при воздействии одностороннего давления. Следствием

203

 

 

этой неэквивалентности может быть, в частности, анизотропия электропро­водности, оптич. св-в и т. п.

Локальные нарушения идеальности решётки (примесные атомы, вакансии и др. дефекты) могут вызвать образо­вание разрешённых локальных уров­ней и локальных зон внутри запре­щённых зон. Применение З. т. воз­можно и в этом случае, и даже в случае аморфных тв. тел, хотя требует нек-рых модификаций (см. Неупоря­доченные системы).

• См. лит. при ст. Твёрдое тело.

А. А. Гусев,     Э. М. Эпттейн.

ЗОНЫ ФРЕНЕЛЯ, участки, на к-рые разбивают поверхность фронта свето­вой волны для упрощения вычислений при определении амплитуды волны в заданной точке пр-ва. Метод З. Ф. используется при рассмотрении за­дач о дифракции волн в соответствии с Гюйгенса — Френеля принципом. Рас­смотрим распространение монохрома­тической световой волны из точки Q(источник) в к.-л. точку наблюдения Р (рис.).

Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, действие источника Q заме­няют действием воображаемых источ­ников, расположенных на вспомогат. поверхности S, в кач-ве к-рой выби­рают поверхность фронта сферич. вол­ны, идущей из Q. Далее поверхность S разбивают на кольцевые зоны так, чтобы расстояния от краёв зоны до точки наблюдения Р отличались на l/2: Ра=РО+l/2; Рb=Ра+l/2; Рс=Рb+l/2 (О — точка пересечения по­верхности волны с линией PQ, l — длина волны). Образованные т. о. рав­новеликие участки поверхности S наз. З. Ф. Участок Оа сферич. поверхности S наз. первой З. Ф., аb — второй, bc — третьей З. Ф. и т. д. Радиус m-й З. Ф. в случае дифракции на круглых отверстиях и экранах определяется след. приближённым выражением (при ml<<r₀):

где R — расстояние от источника до отверстия, r₀ — расстояние от отвер­стия (или экрана) до точки наблюде­ния. В случае дифракции на прямоли­нейных структурах (прямолинейный край экрана, щель) размер m-й З. Ф. (расстояние внеш. края зоны от линии, соединяющей источник и точку наблюдения) приближённо равен Ö(mr₀l).

Волн. процесс в точке Р можно рас­сматривать как результат интерфе­ренции волн, приходящих в точку на­блюдения от каждой З. Ф. в отдель­ности, приняв во внимание, что ампли­туда колебаний от каждой зоны мед­ленно убывает с ростом номера зоны, а фазы колебаний, вызываемых в точ­ке Р смежными зонами, противопо­ложны. Поэтому волны, приходящие в точку наблюдения от двух смежных зон, ослабляют друг друга; амплитуда результирующего колебания в точке Р меньше, чем амплитуда, создавае­мая действием одной центр. зоны.

Метод разбиения на З. Ф. наглядно объясняет прямолинейное распростра­нение света с точки зрения волн. природы света. Он позволяет просто составить качественное, а в ряде слу­чаев и достаточно точное количеств. представление о результатах дифрак­ции волн при разл. сложных условиях их распространения. Экран, состоя­щий из системы концентрич. колец, соответствующих З. Ф. (см. Зонная пластинка), может дать, как и линза, усиление освещённости на оси или даже создать изображение. Метод З. Ф. применим не только в оптике, но и при изучении распространения радио- и звук. волн.

Л. Н. Капорский.

ЗРАЧОК  ОПТИЧЕСКОЙ  СИСТЕМЫ,

см. Диафрагма в оптике.

ЗРИТЕЛЬНАЯ ТРУБА, оптич. при­бор для визуального наблюдения за удалёнными предметами (подзорная труба, телескоп, бинокль, перископ и т. п.). З. т. известны с кон. 16 — нач. 17 вв. В 1609 З. т. 20-кратного увеличения построил и впервые при­менил для астр. исследований итал. учёный Г. Галилей. Отличный от галилеевского тип З. т. предложил в 1610—11 нем. астроном И. Кеплер. Простейшая З. т. состоит из объекти­ва l₁ и окуляра L₂ (рис.). Объектив

l₁ — собирающая система — даёт дей­ствительное уменьшенное и перевёр­нутое изображение предмета, к-рое находится в фокальной плоскости объ­ектива EF. Расходящийся пучок лу­чей от точки Е падает на окуляр L₂, передняя фокальная плоскость к-рого

Ход лучей: а — в трубе Кеплера; б — в тру­бе Галилея; f₁ и f₂ — фокусные расстояния объектива и окуляра; w — угол, под к-рым виден предмет без зрит. трубы; w' — угол, под к-рым наблюдается изображение пред­мета в трубе; tgw'/tgw — угл. увеличение трубы.

 

также совмещена с плоскостью EF; поэтому выходящий из З. т. пучок параллелен побочной оптич. оси оку­ляра. В наиболее употребительных З. т. типа Кеплера (рис., а) окуляр также явл. собирающей системой и даваемое им изображение оказывается перевёрнутым. Такие З. т. применя­ются, напр., в астрономии, геодезии, где ориентация изображения безраз­лична. Для получения прямого изоб­ражения между объективом и окуля­ром З. т. Кеплера помещают оборачи­вающую систему — призмениую или линзовую. Окуляры совр. кеплеровских З. т. обладают большим полем зрения, доходящим до 90 —100°. З. т. Галилея (рис., б) даёт прямое изобра­жение. Её окуляром служит рассеи­вающая линза L₂, располагаемая пе­ред плоскостью промежуточного действит. изображения, даваемого объ­ективом. Подобные З. т. обладают ма­лым углом зрения и употребляются редко (гл. обр. в театральных бинок­лях). Угловое увеличение оптическое З. т. для наземных наблюдений — не выше неск. десятков, в больших теле­скопах — до 500 и выше. Предел зна­чений увеличения определяется ди­фракционными явлениями и турбу­лентностью атмосферы.

• Тудоровский А. И., Теория опти­ческих приборов, 2 изд., т. 1 — 2, М.—Л., 1948—52.

Г. Г. Слюсарев.