ГАЗ (франц. gaz, от греч. chaos — хаос), агрегатное состояние в-ва, в к-ром его ч-цы не связаны или весьма слабо связаны силами вз-ствия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. B-вa в газообразном состоянии образуют атмосферу Земли, в значит. кол-вах содержатся в твёрдых земных породах, растворены
в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного в-ва состоят из Г.— нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях Г. представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных Г.
Г. целиком заполняют сосуд, в к-ром находятся, и принимают его форму. В отличие от тв. тел и жидкостей, объём
Г. существенно зависит от давления и темп-ры. Коэфф. объёмного расширения Г. в обычных условиях (при 0— 100°С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет при 0°C 0,003663 К-1. В таблице приведены данные о физических свойствах нек-рых Г.
Любое в-во можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления p и темп-ры Т. Поэтому возможную область существова-
100
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ
ния газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных р.— Т (в р-T-диаграмме, рис. 1). При Т ниже критической Тк (см. Критическое состояние) эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) I и парообразования II. Это означает, что при любом p ниже критического pк существует темп-pa Т, определяемая кривой сублимации или парообразования, выше к-рой в-во становится газообразным. При темп-pax ниже тсмп-ры тройной точки Тр газ может находиться в равновесии с и. фазой в-ва (на кривой I), а между тройной и критич. точкой К — с жидкой фазой.
Рис. 1. p —T-диаграмма состояния в-ва. Со стороны низких Т и р область газообразного состояния ограничена кривыми сублимации (I) и парообразования (II). Тр — тройная точка; К — критич. точка; пунктирная линия — критич. изохора в-вa (объём V=const=Vк).
Газ в этих состояниях обычно наз. паром в-ва.
При Т ниже Тк можно сконденсировать Г.— перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое), напр. повышая давление.
При Т>Тк граница газообразной области условна, поскольку при этих Т фазовые превращения не происходят. Иногда за условную границу между Г. и жидкостью при сверхкритич. Т и р принимают критич. изохору в-ва (рис. 1), в непосредств. близости от к-рой св-ва в-ва изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.
В связи с тем что область газового состояния очень обширна, св-ва Г. при изменении Т и р могут меняться в широких пределах. Так, в норм. условиях (при 0°С и атм. давлении) плотность Г. примерна в 1000 раз меньше плотности того же в-ва в твёрдом или жидком состоянии. При
комнатной Т и глубоком вакууме (напр., при p~1011 мм рт. ст.) плотность Г. ~10-20г/см3. С другой стороны, при высоких р в-во, к-рое при сверхкритич. Т можно считать Г., обладает огромной плотностью (напр., в центре иек-рых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. св-ва Г.— теплопроводность, вязкость и т. д.
Молекулярно-кинетическая теория газов рассматривает Г. как совокупность слабо взаимодействующих ч-ц, находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих представлений молекулярно-кинетич. теории удаётся объяснить ми. физ. св-ва Г., особенно полно — св-ва разреж. Г.
У достаточно разреж. Г. ср. расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия сил межмол. вз-ствия. Так, при норм. условиях в 1 см3 Г. находится ~1019 молекул и ср. расстояние между ними составляет ~10 нм, тогда как межмол. вз-ствие несущественно уже на расстояниях св. 0,5—1 нм. Следовательно, в таких условиях молекулы взаимодействуют лишь при сближении на расстояние действия межмол. сил. Это сближение принято трактовать как : столкновение молекул. Радиус действия межмол. сил в рассмотренном примере в 10 раз меньше ср. расстояния между молекулами, так что общий объём, в к-ром эти силы могут сказываться (как бы «собств. объём» всех молекул), составляет 10-3 от полного объёма Г. Это позволяет считать собств. объём молекул Г. в норм. условиях пренебрежимо малым и рассматривать молекулы как материальные точки. Г., молекулы к-рого рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом материальные точки, наз. и. д е а л ь н ы м. При тепловом равновесии идеального Г. все направления движения его молекул равновероятны, а их скорости v подчиняются распределению Максвелла (рис. 2). Подавляющее большинство молекул имеет значения v, близкие к наиболее вероятной vн при данной Т (соответствует максимуму на рис.: 2), но существует нек-рая часть молекул с малыми и очень большими скоростями. При помощи распределения Максвелла может быть определена т. н. ср. квадратичная скорость молекул Öv2, связанная с Т соотношением:
v2=3kT/m, (1) где m — масса молекулы. Ур-ние (1) устанавливает связь между ср. кинетич. энергией одной молекулы и темп-рой газа:
mv2/2=3/2kT. (2)
Эта зависимость позволяет рассматривать У как меру ср. кинетич. энергии
молекул.
Рис. 2. Распределение Максвелла для молекул азота при Т— 20 и 500 °С. По оси ординат — доля молекул (в %), обладающих скоростями между v м/с и (v+10) м/с; v — наиб. вероятная скорость, к-рой обладает наибольшее число молекул при данной Т;
v — ср. скорость молекул; Öv2 — ср. квадратичная скорость.
Поскольку молекулы идеального Г. обладают лишь кинетич. энергией, внутр. энергия такого Г. не зависит от занимаемого им объёма (закон Джоуля). Молекулярно-кинетич. теория рассматривает давление Г. на стенки сосуда, в к-ром он находится, как воздействие ударов молекул, усреднённое по поверхности и времени; количественно р определяется импульсом, передаваемым молекулами в ед. времени ед. площади стенки:
p=1/3nmv2, (3) где n — число молекул в единице объёма. Ур-ния (2) и (3) позволяют записать уравнение состояния идеального Г. в виде:
101
p=nkT. (4) Ур-ние (4), записанное для 1 моля Г., наз. Клапейрона уравнением:
pVm=RT. (5)
Здесь R=kN — универсальная газовая постоянная (N — число молекул в 1 моле), Vm— объём, приходящийся на 1 моль. Ур-ние Клапейрона можно получить и эмпирически, обобщая газовые законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака (см. Бойля — Мариотта закон, Гей-Люссака законы,). Из ур-ния (5) следует также, что при одинаковых Т и р идеальные Г., взятые в кол-ве 1 моля, имеют равные объёмы и в ед. объёма любого такого Г. содержится равное число молекул (см. Авогадро закон). В условиях теплового равновесия T и p Г. по всему его объёму одинаковы, молекулы движутся хаотично, упорядоченных потоков нет. Возникновение в Г. перепадов (градиентов) Т и р приводит к нарушению равновесия и переносу в направлении градиента энергии, массы или др. физ. величин.
Кинетич. св-ва Г.— теплопроводность, диффузию, вязкость — молекулярно-кинетич. теория рассматривает с единой точки зрения: диффузию как перенос молекулами массы, теплопроводность как перенос ими энергии, вязкость как перенос кол-ва движения. Модель идеального Г. для анализа явлений переноса непригодна, ибо в этих процессах существ. роль играют столкновения молекул и их лин. размеры (влияющие на частоту столкновений). Поэтому в простейшем случае явления переноса в Г. рассматриваются для разреж. Г., молекулы к-рого в первом приближении считаются упругими шариками с определ. диаметром s, причём эти шарики взаимодействуют друг с другом только в момент соударения. В этом приближении а связан простым соотношением со ср. длиной свободного пробега молекулы l:
l=1/ps2n (6)
Размер l существенно влияет на процессы переноса в разреж. Г. В частности, если характерный размер объёма, занимаемого Г., больше l, то теплопроводность и вязкость Г. не зависят от р. Наоборот, когда I больше характерного размера, теплопроводность и вязкость Г. с уменьшением р (а значит, и числа столкновений) начинают падать.
В более строгой молекулярно-кинетич. теории при анализе явлений переноса в разреж. Г. учитывается вз-ствие молекул при любых расстояниях между ними. Характер вз-ствия определяется т. н. потенциалом вз-ствия (см. Межмолекулярное взаимодействие). Строгое рассмотрение динамики парных вз-ствий (столкновений) приводит к тому, что в ф-лах для расчёта коэфф. переноса появляются т. н. и н т е г р а л ы столкновений, являющиеся ф-циями только приведённой темп-ры T*=kT/e, к-рая характеризует отношение кинетич. энергии молекул (~kT) к их потенц. энергии (e — глубина потенц. ямы при данном потенциале вз-ствия). Интегралы столкновений учитывают то обстоятельство, что сталкивающиеся молекулы в зависимости от их кинетич. энергии, а значит, и темп-ры Г. могут сближаться на разл. расстояния, т. е. как бы изменять свой эфф. размер.
Свойства реальных газов. При повышении плотности изменяются св-ва Г.— они перестают быть идеальными. Ур-ние состояния (5) оказывается неприменимым, т. к. ср. расстояния между молекулами Г. становятся сравнимыми с радиусом межмол. вз-ствия. Для описания термодинамич. св-в реальных Г. используются разл. ур-ния состояния, б. или м. строго теоретически обоснованные. Простейшим примером ур-ния, к-рое качественно правильно описывает осн. отличия реального Г. от идеального, служит Ван-дер-Ваальса уравнение, учитывающее, с одной стороны, существование сил притяжения между молекулами (их действие приводит к уменьшению давления Г.), с другой стороны — сил отталкивания, препятствующих безграничному сжатию Г.
К наиболее теоретически обоснованным (во всяком случае, для состояний, удалённых от критич. точки) относится вириальное ур-ние состояния:
pV=RT(1+B/V+C/V2+...). (7)
Значения вириальных коэфф. В, С и т. д. определяются соударениями молекул: парными (В), тройными (С) и более высокого порядка для последующих коэфф. Существенно, что вириальные коэфф. явл. ф-циями только Т. В Г. малой плотности наиб. вероятны парные столкновения молекул, т. е. для такого Г. в разложении (7) можно пренебречь всеми членами после члена с коэфф. В. В соответствии с температурным изменением В, при т. н. темп-ре Бойля ТB (см. Бойля точка) В обращается в нуль и умеренно плотный Г. ведёт себя, как идеальный, т. е. подчиняется ур-нию (5). Существование межмол. вз-ствия в той или иной степени сказывается на всех св-вах реальных Г. Внутр. энергия реального Г. оказывается зависящей от V (от расстояний между молекулами), т. к. потенц. энергия молекул определяется их взаимным расположением.
С межмол. вз-ствием связано также изменение темп-ры реального Г. при протекании его с малой пост. скоростью через пористую перегородку (этот процесс наз. дросселированием). Мерой изменения темп-ры Г. при дросселировании служит коэфф. Джоуля — Томсона, к-рый в зависимости от условий может быть положительным (охлаждение Г.), отрицательным (нагрев Г.) либо равным нулю при т. н. темп-ре инверсии (см. Джоуля — Томсона эффект).
Внутр. строение молекул Г. слабо влияет на их термич. св-ва — давление, темп-ру, плотность и связь между этими величинами. Для этих св-в в первом приближении существенна только мол. масса. Напротив, калорич. св-ва Г. (теплоёмкость, энтропия и др.), а также его электрич. и магн. св-ва существенно зависят от внутр. строения молекул. Напр., для расчёта (в первом приближении) теплоёмкости Г. при пост. объёме сV необходимо знать число внутр. степеней свободы iвн молекулы. В соответствии с равнораспределения законом на каждую внутр. степень свободы молекулы приходится энергия, равная 1/2 kT. Отсюда теплоёмкость 1 моля Г. равна:
(здесь число 3 — число степеней свободы молекулы как целого).
Для точного расчёта калорич. св-в Г. необходимо знать уровни энергии молекулы, сведения о к-рых в большинстве случаев получают методами спектроскопии. Для большого числа в-в в состоянии идеального Г. калорич. параметры вычислены с высокой точностью, и их значения представлены в виде таблиц до Т ~ 10—22 тыс. К.
Электрич. св-ва Г. связаны в первую очередь с возможностью ионизации молекул или атомов, т. е. с появлением в Г. электрически заряж. ч-ц (ионов и эл-нов). При отсутствии заряж. ч-ц Г. являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электропроводность Г. увеличивается.
При Т большей неск. тыс. К всякий Г. частично ионизуется и превращается в плазму. Если концентрация зарядов в плазме невелика, то св-ва её мало отличаются от св-в обычного Г.
По магн. св-вам Г. делятся на диамагнитные (к ним относятся, напр., инертные газы, а также H2N2, СO2, Н2О) и парамагнитные (напр., O2). Диамагнитны те Г., молекулы к-рых не имеют пост. магн. момента и приобретают его лишь под влиянием внеш. поля (см. Диамагнетизм). Те же Г., у к-рых молекулы обладают пост. магн. моментом, во внешнем магнитном поле ведут себя как парамагнетики (см. Парамагнетизм).
Учёт межмол. вз-ствия и внутр. строения молекул необходим при решении мн. проблем физики Г., напр. при исследовании влияния верхних разреж. слоев атмосферы на движение ракет и спутников (см. Газовая динамика).
В совр. физике Г. называют не только одно из агрегатных состояний в-ва. К Г. с особыми св-вами относят, напр., совокупность свободных эл-нов в металле (электронный Г.), фононов в кри-
102
сталлах или жидком гелии (фононный Г.). Св-ва Г. элем. ч-ц и квазичастиц рассматривает квантовая статистика.
• Кириллин В. А., С ы ч е в В. В., Ш е й н д л и н А. Е., Техническая термодинамика, 3 изд., М.,1979; Ч е п м е н С., Каулинг Т., Математическая теория неоднородных газов, пер. с англ., М., 1960; Гиршфельдер Дж., К е р т и с с Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник, 3 изд., т. 1—3, М., 1978-81.
ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА, раздел гидроаэромеханики, в к-ром изучается движение сжимаемых сплошных сред (газа, плазмы) и их вз-ствие с тв. телами. Как часть физики, Г. д. связана с термодинамикой и акустикой.
Св-во сжимаемости состоит в способности в-ва изменять свой первонач. объём под действием перепада давления или при изменении темп-ры. Сжимаемость становится существенной при больших скоростях движения среды, соизмеримых со скоростью распространения звука в этой среде и превосходящих её, т. к. при таких скоростях в среде могут возникать большие перепады давления (см. Бернулли уравнение) и большие градиенты темп-ры. В совр. Г. д. изучают также течения газа при высоких темп-pax, сопровождающиеся хим. (диссоциация, горение и др. хим. реакции) и физ. (ионизация, излучение) процессами. Изучение движения электропроводных газов в присутствии магн. и электрич. полей составляет предмет магн. газодинамики. Движение газов при таких условиях, когда газ нельзя считать сплошной средой, а необходимо рассматривать вз-ствие составляющих его молекул между собой и с тв. телами, относится к области динамики разреженного газа, основанной на молекулярно-кинетич. теории газов. Динамика больших возд. масс при малых скоростях движения составляет основу динамич. метеорологии. Г. д. исторически возникла как дальнейшее развитие и обобщение аэродинамики, поэтому часто говорят о единой науке — аэрогазодинамике.
Исходные ур-ния Г. д. явл. следствием применения осн. законов механики и термодинамики к движущемуся объёму сжимаемого газа. Неустановившиеся движения вязкого сжимаемого газа, когда параметры газового потока в каждой его точке изменяются с течением времени, описываются полными Навье — Стокса уравнениями. Одной из осн. физ. особенностей движения сжимаемых сред явл. возможность образования и распространения в них ударных волн, к-рые движутся со скоростью, превышающей скорость распространения звук. волн и представляют собой узкую область чрезвычайно больших градиентов давления, плотности, темп-ры и скорости газа.
Интенсивное развитие Г. д. связано с быстрым развитием соответствующих областей техники: реактивной авиации, ракетного оружия, созданием ат.
и водородных бомб, взрыв к-рых влечёт за собой распространение сильных взрывных и ударных волн. Задачи Г. д. при проектировании разнообразных аппаратов, двигателей и газовых машин состоят в определении сил давления и трения, темп-ры и теплового потока в любой точке поверхности тела или канала, омываемых газом, в любой момент времени. При исследовании распространения газовых струй, взрывных и ударных волн, горения и детонации методами Г. д. определяются давление, темп-pa и др. параметры газа во всей области распространения. Изучение поставленных техникой сложных задач превратило совр. Г. д. в науку о движении произвольных смесей газов, к-рые могут содержать также твёрдые и жидкие ч-цы (напр., выхлопные газы ракетных двигателей на жидком или твёрдом топливе), причём параметры, характеризующие состояние этих газов — давление, темп-pa, плотность, электропроводность и др., могут изменяться в самых широких пределах.
Законами Г. д. широко пользуются во внеш. и внутр. баллистике, при изучении взрыва, горения, детонации, конденсации в движущемся потоке.
Для совр. Г. д. характерно неразрывное сочетание расчётно-теор. методов, использование ЭВМ и постановка сложных аэродинамич. и физ. экспериментов. Теор. представления, частично опирающиеся на найденные экспериментальным путём закономерности, позволяют описать с помощью соответствующих ур-ний движение газовых смесей сложного состава, в т. ч. многофазных смесей при наличии физ.-хим. и фазовых превращений. Методами прикладной математики разрабатываются эфф. способы решения этих ур-ний на ЭВМ. Наконец, из эксперим. данных определяются необходимые значения физ. и хим. характеристик, свойственных изучаемой среде и рассматриваемым процессам (коэфф. вязкости, теплопроводности, скорости хим. реакций, времена релаксации и др.).
Многие задачи, поставленные совр. техникой перед Г. д., пока не могут быть решены расчётно-теор. методами, в этих случаях широко пользуются газодинамич. экспериментами, поставленными на основе подобия теории и законов гидродинамич. и аэродинамич. моделирования. Газодинамич. эксперименты проводятся в сверхзвук. и гиперзвук. аэродинамических трубах, на баллистич. установках, в ударных и импульсных трубах и на др. газодинамич. установках спец. назначения (см. также Аэродинамические измерения). Прикладная Г. д., в к-рой обычно применяются упрощённые теор. представления об осреднённых по поперечному сечению параметрах газового потока и осн. закономерности движения, найденные эксперим. путём, используется при расчёте компрессоров и турбин, сопел и диффузоров,
ракетных двигателей, аэродинамич. труб, эжекторов, газопроводов и мн. др. техн. устройств.
• Основы газовой динамики, под ред. Г. Эммонса, пер. с англ., М., 1963: А б р а м о в и ч Г. Н., Прикладная газовая динамика, 4 изд., М., 1976; Ч е р н ы й Г. Г., Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью, М., 1959; 3 е л ь д о в и ч Я. Б., Р а й з е р Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966.
ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ (R), универсальная фнз. постоянная, входящая в ур-ние состояния 1 моля идеального газа: pv=RT (см. Клапейрона уравнение), где р — давление, v — объём моля, Т — абс. темп-pa. Г. п. по своему физ. смыслу — работа расширения 1 моля идеального газа под пост. давлением при нагревании на 1 К. С другой стороны, Г. п.— разность молярных теплоёмкостей при пост. давлении и при пост. объёме cр-cv=R (для всех сильно разреженных газов). Численное значение Г. п. в единицах СИ (на 1980) 8,31441(26) Дж/(моль•К). В других ед. R = 8,314•107 эрг/(моль•К)=1,9872 кал/(моль•К) = 82,057 см3•атм/(моль•К).
ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ, то же, что электрические разряды в газах.
ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, оптический квант. генератор с газообразной активной средой. Газ, в к-ром за счёт энергии внеш. источника (накачки) создаётся состояние с инверсией населённостей двух уровней энергии (верхний и нижний лазерные уровни), помещается в оптический резонатор или прокачивается через него. В резонаторе возбуждённые на верхний лазерный уровень ч-цы газа в результате вынужденных переходов на ниж. уровень излучают. Часть эл.-магн. излучения выводится из резонатора наружу (см. Лазер). В тех случаях, когда время жизни верхнего лазерного уровня мало, а коэфф. усиления велик, генерируется не вынужденное излучение, а усиленное спонтанное излучение (суперлюминесцентные Г. л. или Г. л. на сверхсветимости, характерные для УФ диапазона).
Семейство Г. л. многочисленно. Они охватывают диапазон длин волн К от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. Большинство Г. л. работают в непрерывном, а также и в импульсном режимах и позволяют получать большие выходные мощности при высокой направленности излучения и стабильности его частоты.
Особенности Г. л. Газы по сравнению с конденсиров. средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. В результате направленность излучения Г. л. достигает предела, обусловленного дифракцией света (дифракционный предел расходимости). Расходимость светового луча Г. л.
103
в видимом диапазоне ~10-5—10-4 рад. В ИК диапазоне ~10-4—10-3 рад.
Благодаря малой плотности газа ширина спектр. линии обусловлена гл. обр. доплеровским уширением (см. Доплера эффект), величина к-рого мала. Это, а также применение ряда методов, использующих св-ва доплеровски уширенной линии, позволяет достичь высокой стабильности частоты (см. Оптические стандарты частоты, Квантовые стандарты частоты).
Вместе с тем малая плотность газа препятствует получению такой высокой плотности возбуждённых ч-ц, к-рая характерна для тв. тел и жидкостей. Поэтому уд. энергосъём у Г. л. ниже, чем у твёрдотельных лазеров и жидкостных лазеров. Однако переход к более высоким давлениям и создание быстропроточных Г. л. резко увеличили их мощность (см. ниже).
Специфика газов проявляется в разнообразии типов ч-ц, уровни к-рых используются для возбуждения генерации (нейтр. атомы, ионы, неустойчивые молекулы). Поэтому процессы, используемые для создания инверсии населённостей, в Г. л. весьма многообразны. К их числу относятся электрич. разряд, хим. возбуждение, фотодиссоциация, газодинамич. процессы, возбуждение электронным пучком и т. д. Оптич. накачка с помощью газоразрядных ламп, применяемая в жидкостных и твёрдотельных лазерах, мало эффективна для большинства Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения.
В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрич. разряде (газоразрядные лазеры). Эл-ны, образующиеся в разряде при столкновениях с ч-цами газа (электронный удар), возбуждают их, т. е. переводят на более высокие уровни энергии. Возбуждение электронным ударом обычно сочетается в Г. л. с др. механизмом возбуждения — резонансной передачей энергии ч-цам одного сорта (рабочим ч-цам) от добавляемых ч-ц др. сорта (вспомогательных) при неупругих соударениях.
Лазеры на нейтральных атомах. Исторически первым Г. л., появившимся в 1961 (амер. физик А. Джаван), был гелий-неоновый лазер. В гелий-неоновом лазере рабочим в-вом явл. нейтр. атомы неона Ne. В электрич. разряде часть атомов Ne переходит с осн. уровня ξ1 на возбуждённый верх. уровень энергии ξ3 (рис. 1). Но в чистом Ne время жизни на уровне мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни ξ1 и ξ2, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей (превышающей порог генерации) для пары уровней ξ2 и ξ3. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Пер-
вый возбуждённый уровень атома Не совпадает с верх. уровнем ξ3 неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не, с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией ξ1) происходит передача возбуждения, в результате к-рой атомы Ne будут возбуждены на уровень ξ3, а атомы Не возвращаются в осн. состояние. При достаточно большом
Рис. 1. Схема уровней энергии рабочих атомов Ne и вспомогат. атомов Не, используемых в гелий-неоновом лазере.
числе атомов Не в газовой смеси можно добиться преимущественного заселения уровня ξ3 неона. Этому же способствует опустошение уровня ξ2 неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки (рис. 2). Для эфф. опустошения уровня ξ2 диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает число атомов Ne и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным с точки зрения макс. мощности генерации явл. диаметр трубки ок. 7 мм при давлении1 мм рт. ст. и определ. соотношении Ne и Не (1 : 10).
Рис. 2. Схема гелий-неонового лазера: 1 — зеркала оптич. резонатора; 2 — окна газоразрядной трубки; a — электроды; 4 — газоразрядная трубка.
Уровни неона ξ2 и ξ3 обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и ИК излучения. Зеркала оптич. резонатора имеют многослойные диэлектрич. покрытия. Это позволяет создать необходимый коэфф. отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте.
Мощность генерации гелий-неонового лазера достигает всего десятых долей Вт при кпд £0,1%. Тем не менее высокие монохроматичность и направленность излучения, а также простота устройства обусловили широкое применение гелий-неоновых Г. л. Красный гелий-неоновый лазер (l=0,6328 мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах. Гелий-неоновые лазеры применяются при наладочных работах в голографии, в квантовых гироскопах и оптических стандартах частоты.
Со времени появления гелий-неонового лазера генерация получена более чем на 450 разл. переходах между уровнями нейтр. атомов 34 хим. элементов. Возбуждение непрерывной генерации происходит в положит. столбе тлеющего разряда при плотности тока j~100—200 А/см2. Для импульсной генерации используется импульсный разряд с послесвечением. Плотность тока в импульсном разряде может достигать 300 А/см2, а в случае импульса с крутым фронтом — сотен и тысяч А/см2, что создаёт высокую пиковую мощность генерации.
Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем Г. л. на нейтр. атомах. Генерация на ионизиров. газах впервые получена амер. физиком У. Б. Бриджесом в 1964. Инверсия населёиностей создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрич. разряде. Относительно большая концентрация ионов обеспечивается высокой плотностью тока, к-рый в ионных лазерах достигает десятков тысяч А/см2. Поэтому электрич. разряд осуществляется в тонких капиллярах (диам. до 5 мм), обладающих высокой теплопроводностью (напр., из бериллиевой керамики). Кпд ионных лазеров невысок (£0,1%).
Генерация наблюдается на 440 переходах ионов 29 элементов. Наиболее мощная генерация (неск. сотен Вт) получена в сине-зелёной области спектра (l=4880 мкм, l=0,5145 мкм) на ионах Ar2+, в жёлто-красной
Рис. 3. Зависимость выходной мощности Р лазера на Аr2+ от разрядного тока I для наиб. интенсивной линии генерации; L — расстояние между зеркалами; D—диаметр зеркала.
104
(0,5682 мкм, 0,6471мкм) на ионах Kr2+, на УФ линиях Ne2+, Ar3+ и Kr3+. Выходная мощность ионных Г. л. резко зависит от тока разряда I (рис. 3).
Ионные Г. л. применяются в физ. исследованиях, в оптич. связи и локации ИСЗ, в технологии, фотобиологии и фотохимии (см. Лазерная химия) и в лазерном разделении изотопов.
Лазеры на парах металлов. В особую обширную группу выделяются Г. л. на парах металлов (атомы и ионы), Перспективные для получения высоких кпд. Для получения высокого кпд необходимо, чтобы опустошение ниж. лазерного уровня происходило не за счёт спонтанных переходов, а в результате столкновений с атомами и молекулами (столкновнтельные Г. л.). Атомы нек-рых металлов обладают благоприятной для этого структурой уровней. Для них квант. выход может достигать 0,7. Генерация осуществлена для 27 металлов; наилучшие результаты получены для Г. л. на парах Си (уровни Cu+ ): l=510,5 нм, l=578,2 нм, ср. мощность 43,5 Вт, пиковая мощность 200 Вт, кпд ~1%. Чрезвычайно высокий коэфф. усиления позволяет использовать их в кач-ве квант. усилителей света (без резонатора). На этом основан лазерный проекц. микроскоп.
Распространены также Г. л. на парах Cd (уровни Cd2+ ). Инверсия населённостей образуется в результате передачи энергии от возбуждённых атомов Не. Гелий-кадмиевый Г. л. в непрерывном режиме позволяет получить мощность генерации 10—50 мВт на линии l= 441,6 нм (синяя область) и неск. мВт на линии l=3250 нм (УФ область) при кпд 0,1%.
Молекулярные лазеры явл. наиболее мощными Г. л. и обладают высоким кпд. Первый возбуждённый уровень атома или иона обычно имеет энергию, равную 1/2 энергии ионизации (порядка неск. эВ), остальные уровни расположены выше, сгущаясь к ионизац. пределу (см. Атом). Поэтому большинство процессов возбуждения неселективно: возбуждается одновременно много уровней. В результате квант. выход и кпд невелики. •
Молекулы, в отличие от атомов, кроме электронных уровней имеют колебат. и вращат. уровни энергии (см. Молекула, Молекулярные спектры). Расстояния между ниж. колебат. уровнями часто малы (10-1—10-2 эВ), поэтому можно возбудить только колебания молекул, не «затрагивая» эл-ны. У многоат. молекул существует неск. типов колебаний. Излучат. переходы между уровнями одинакового типа дают квант. выход, близкий к единице. Высокая эффективность возбуждения колебат. уровней, большой квант. выход и селективность резонансной передачи энергии позволяют достичь в мол. Г. л. кпд ~20—25%.
Генерация наблюдается на колебательно-вращат. переходах 23 молекул.
Наиболее интересны мол. лазеры на СO2 (l= 9,4 мкм, l=10,6 мкм). В газоразрядных СO2-лазерах эл-ны в тлеющем разряде возбуждают колебат. уровни молекул СO2 и N2. Инверсия населённостей достигается электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Молекулы N2 при столкновении с молекулами СO2 передают им энергию, заселяя верхний лазерный уровень.
Рис. 4. Схема СО2-лазера с поперечным разрядом и прокачкой газов: 1 — зеркала резонатора; 2 — катод; 3 — анод.
Высокая инверсия населённостей достигается при введении в газовую смесь кроме N2 др. газов, опустошающих ниж. лазерный уровень (Не, Н2О). Давление газа р и диам. разрядной трубки D ограничены условием устойчивости горения разряда и необходимостью теплоотвода. Поэтому достижимая мощность излучения ~1 кВт.
В более мощных СО2-лазерах используется схема с поперечным разрядом и непрерывной прокачкой газа (рис. 4). При этом давление р газа и плотность тока j ограничены только устойчивостью газового разряда. Переход к несамостоят. разряду (ионизация газа обеспечивается электронным пучком, УФ излучением и др.) позволяет возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях (до 20— 50 атм). Быстропроточные СO2-лазеры с поперечным несамостоят. разрядом генерируют излучение мощностью в десятки кВт при кпд ~15—20%.
Возможность импульсно возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях привела к созданию импульсных СО2-лазеров с энергией излучения до 10 тыс. Дж в импульсе. Быстро-проточные Г. л. используются в технологии, а импульсные СО2-лазеры — для разделения изотопов.
Помимо электрич. разряда в мол. Г. л. для возбуждения генерации используются др. методы. В газе, нагретом до высокой темп-ры, при быстром охлаждении, напр. во время истечения газа из сверхзвук. сопла, колебат. уровни могут оказаться возбуждёнными. Большие выходные мощности (~100 кВт) в непрерывном режиме обусловлены тем, что сверхзвук. поток газа проносит через резонатор огромное число возбуждённых молекул (см. Газодинамический лазер). В процессе многих хим. реакций выделяется значит. энергия, в результате чего образуются возбуждённые атомы, радикалы и молекулы. При этом в ряде случаев возникает инверсия населённостей (см. Химические лазеры).
Генерацию в УФ (0,2 — 0,4 мкм) области спектра получают на переходах между электронными состояниями устойчивых молекул, а также на переходах с возбуждённого устойчивого верхнего в нижнее неустойчивое электронное состояние неустойчивых молекул типа димеров инертных газов или димеров: атом инертного газа — атом галогена (атомы могут объединяться в такие молекулы только в возбуждённом состоянии, см. Эксимерные лазеры). Возбуждение активной среды осуществляется в импульсном электрич. разряде или с помощью пучка быстрых эл-нов. Эти Г. л. используются в физ., хим. и биол. исследованиях.
• Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 1, М., 1978; К а р л о в Н. В., Конев Ю. Б., Мощные молекулярные лазеры, М., 1976; Гор д и е ц Б. Ф., Осипов А. И., Шелепин Л. А., Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры, М., 1980.
Н. В. Карлов, А. С. Ковалёв.
ГАЗОВЫЙ ТЕРМОМЕТР, прибор для измерения темп-ры Т, действие к-рого основано на зависимости давления р или объёма V идеального газа от темп-ры: pV—RT (R — газовая постоянная). На измерениях темп-ры Г. т. построены совр. температурные шкалы. Г. т. применяется как первичный термометрич. прибор для определения реперных точек Международной практической температурной шкалы. Обычно применяют Г. т. пост. объёма (рис.), в к-ром изменение темп-ры газа пропорц. изменению давления. Г. т. измеряют темп-ры в интервале от ~2 до 1300 К. Предельно достижимая точность в зависимости от измеряемой темп-ры составляет 3•10-3—2•10-2К. Г. т. такой высокой точности — сложное устройство, т. к. необходимо учитывать: неидеальность газа; изменения объёма баллона при изменении темп-ры; наличие в газе примесей, особенно конденсирующихся; сорбцию и десорбцию газа стенками баллона; диффузию газа сквозь стенки; распределение темп-ры вдоль соединит. трубки.
Простейшая схема устройства газового термометра: 1 — баллон, заполненный газом (Не, N2); 2 — соединит. трубка; 3 — устройство для измерения давления (манометр).
• Попов М. М., Термометрия и калориметрия, 2 изд., М., 1954; Измерения в промышленности, пер. с нем., М., 1980.
Д. Н. Астров.
ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР, газовый лазер, в к-ром инверсия населённостей создаётся в системе колебат. уровней энергии молекул газа путём адиабатич. охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвук. скоростью. Г. л. состоит из нагревателя, сверхзвук. сопла (или набора со-
пел, образующих сопловую решётку), оптического резонатора и диффузора. В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с помощью электрич. разрядов и ударных волн). При течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается; при этом ниж. уровни энергии опустошаются быстрее, чем верхние, в результате чего образуется инверсия населённостей определ. уровней энергии молекул. В резонаторе генерируется когерентное излучение. Диффузор предназначен для торможения потока и повышения давления газа.
Самые мощные Г. л. работают в ИК области спектра (l=10,6 мкм) на переходах между колебат. уровнями молекул СО2 (в смеси с азотом и парами воды или гелием). В этих Г. л. наиб. просто получить генерацию в продуктах сгорания углеводородных топлив. Получена генерация в ИК Г. л. на молекулах СО, N2O и CS2. Кпд Г. л. невелик (~1%), что связано с небольшой эффективностью теплового возбуждения и переходом осн. доли энергии в кинетич. энергию молекул. Преимущество Г. л.— возможность непрерывной генерации значит. мощности (до сотни кВт). Перспективно создание мощных Г. л. на переходах между электронными уровнями атомов и молекул, излучающих в видимой области спектра (фоторекомбинац. и плазмо-динамич. лазеры).
• Андерсон Дж., Газодинамические лазеры, пер. с англ., М., 1979; Л о с е в С. А., Газодинамические лазеры, М., 1977; Конюхов В. К., Газодинамический СО2-лазер непрерывного действия, «Тр. Физ. ин-та АН СССР», 1979, т. 113, с. 50.
ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ, свойство тв. тела, обусловливающее прохождение газа через тело при наличии перепада давления. В зависимости от структуры тв. тела и величины перепада давления различают три осн. типа Г.: диффузионный поток, мол. эффузию и ламинарный поток.
Диффузионный поток определяет Г. тв. тел при отсутствии пор (напр., Г. полимерных плёнок и покрытий). В этом случае Г. складывается из растворения газа в пограничном слое тела, диффузии его через тело и выделения газа с противоположной стороны. Молекулярной эффузией наз. Г. через систему пор, диаметр к-рых мал по сравнению со ср. длиной свободного пробега l молекул газа. Ламинарное течение газа через тв. тело имеет место при наличии в теле пор, диаметр к-рых значительно превышает Я. При дальнейшем увеличении диаметра пор и переходе к крупнопористым телам (напр., тканям) Г. описывается законами истечения из отверстий.
Г. в-в определяется коэфф. проницаемости Р (в м4/с•Н или см2/с•ат;
1 см2/с•ат=1,02•10-9 м4/с•Н), т.е. объёмом газа, прошедшего за 1 с через единичную площадку, перпендикулярную направлению потока газа при перепаде давления, равном единице. Коэфф. Р зависит от природы газа, поэтому в-ва обычно сравнивают по их коэфф. водородопроницаемости. Неорганич. тв. материалы обладают малой Г. (Р~10-18—10-12 см2/с•ат), стёкла и полимерные плёнки — более высокой Г. (Р~10-15—10-5 см2/с•ат), жидкости — ещё большей Г. (Р~10-7
—10-5 см2/с•ат). Полимеры имеют широкий диапазон Г. Наибольшая Г. присуща аморфным полимерам (каучукам) с очень гибкими мол. цепями, которые легко смещаются, пропуская молекулы дифундирующего газа.
ГАЗОСТРУЙНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ, механич. генераторы звук. и ультразвук. колебаний, не имеющие движущихся частей, источником энергии к-рых служит кинетич. энергия газовой струи. Г. и. подразделяются на излучатели низкого давления, наз. свистками, и высокого давления — разного рода мембранные излучатели, Гартмана генератор и его разновидности. Свистки работают при дозвук. режимах истечения струи, а генератор Гартмана и его модификации — при сверхзвуковых.
Г. п. наряду с сиренами явл. почти единственными мощными источниками акустич. колебаний для газовых сред. Г. и. низкого давления отличаются сравнительно высоким кпд (до 30%), но акустич. мощность их невелика и обычно не превышает неск. Вт, в связи с чем они используются гл. обр. в контрольно-измерит. и сигнальных устройствах. Г. п. высокого давления позволяют излучать в диапазоне высоких звуковых и низких ультразвук. частот акустич. мощность до сотен Вт и применяются для распыления жидкостей, в горелках и в различных ультразвук. технол. установках для интенсификации процессов тепломассообмена.
• Источники мощного ультразвука, М., 1967 (Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, кн. 1); Ультразвук, М., 1979 (Маленькая энциклопедия).
ГАЛ (гал, Gal), единица ускорения в СГС системе единиц; названа в честь итал. учёного Г. Галилея (G. Galilei). 1 гал=1 см/с2, применяют также дольную единицу миллигал (1 мгал=10-5м/с2).
ГАЛИЛЕЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ, см. в ст. Галилея принцип относительности.
ГАЛИЛЕЯ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, принцип физ. равноправия всех инерциальных систем отсчёта (и. с. о.) в классич. механике, проявляющегося в том, что законы механики во всех таких системах одинаковы. Отсюда следует, что никакими механич. опытами, проводящимися в какой-либо и. с. о., нельзя определить, покоится данная система или движется
равномерно и прямолинейно. Это положение было впервые установлено итал. учёным Г. Галилеем в 1636.
Движение матер. точки относительно: её положение, скорость, вид траектории зависят от того, по отношению к какой и. с. о. (телу отсчёта) это движение рассматривается. В то же время законы классич. механики одинаковы
Инерц. система отсчёта L' движется относительно другой инерц. системы отсчёта L в направлении оси х с пост. скоростью u. Координатные оси выбраны так, что в нач. момент времени (t=0) соответствующие оси координат совпадают в обеих системах.
во всех и. с. о. Относительность мехаиич. движения и одинаковость законов механики в разных и. с. о. и составляют содержание Г. п. о. Математически Г. п. о. выражает инвариантность ур-ний механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной и. с. о. к другой — преобразования Галилея. Для двух и. с. о.— L и L', движущейся по отношению к L с пост. скоростью и так, как показано на рисунке, преобразования Галилея для координат матер. точки и времени t будут иметь вид:
х'=х-ut, y'=y, z'=z: t'=t (1)
(штрихованные величины относятся к системе L', нештрихованные — к L). Т. о., время в классич. механике, как и расстояние между любыми фиксиров. точками, считается одинаковым во всех системах отсчёта. Из (1) можно получить соотношения между скоростями движения точки и её ускорениями в обеих и. с. о.:
v'=v-и, (2) а'=а.
В классич. механике движение матер. точки (массы т) определяется вторым законом Ньютона:
F=ma, (3)
где F — равнодействующая всех приложенных к ней сил. При этом силы (и массы) явл. инвариантными (не изменяются при переходе от одной системы отсчёта к другой). Поэтому при преобразованиях Галилея ур-ние (3) не меняется. Это и есть матем. выражение Г. п. о.
Г. п. о. справедлив лишь в случае движения тел со скоростями, много меньшими скорости света. При v~c преобразования (1) должны быть заменены преобразованиями Лоренца (см. Относительности теория).
В. И. Григорьев.
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, совокупность явлений, связанных с действием магн. поля на электрические (гальванические) св-ва тв. проводников, по к-рым течёт ток. Наибо-
106
лее существенны поперечные Г. я., когда магн. поле Н перпендикулярно току j (j — плотность тока). К ним относятся Холла эффект — возникновение разности потенциалов (эдс Холла) в направлении, перпендикулярном полю Н и току j, и поперечный магниторезистивный эффект — изменение электрич. сопротивления r проводника в поле Н. К продольным Г. я. относится небольшое изменение сопротивления Dr║ в поле H║j. В тонких плёнках и проволоках (Dr0/r)^ и (Dtr/r0)║ зависят от размеров и формы образца (размерные эффекты). С ростом H эта зависимость исчезает. Г. я. в феррамагнетиках обладают рядом особенностей, обусловленных существованием самопроизвольной намагниченности в отсутствии магн. поля.
Осн. причина Г. я.— искривление траекторий носителей заряда — эл-нов проводимости и дырок — в ыагн. поле (см. Лоренца сила). Траектории носителей могут существенно отличаться от траектории свободного эл-на в магн. поле — круговой спирали, навитой на магнитную силовую линию. Разнообразие траекторий носителей заряда у разл. проводников — причина многообразия Г. я. Мерой влияния магн. поля на движение носителей явл. отношение длины l свободного пробега носителей к радиусу кривизны rH траектории в поле Н (rH=ср/еН, р — ср. импульс). По отношению к Г. я. магн. поле считают слабым, если Н<<H0=cp/el, и сильным, если Н>>Н0. При комнатной темп-ре для металлов и хорошо проводящих полупроводников H0»105—106 Э, для плохо проводящих полупроводников H0»108—109 Э. С понижением темп-ры l увеличивается и потому уменьшается Н0. Это позволяет, используя обычные магн. поля 104 Э, осуществлять условие H>>H0.
При низких темп-pax наблюдаются квант. осцилляции сопротивления и постоянной Холла при изменении магн. поля (см. Шубникова — де Хааза эффект).
• Займан Дж., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Вайcс Г., Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение, пер. с нем., М., 1974; Ангрист Ст., Гальваномагнитные и термомагнитные явления, в кн.: Физика твердого тела. Электронные свойства твердых тел, пер. с англ., М., 1972 (Над чем думают физики, в. 8); В о н с о в с к и й С. В., Магнетизм, М., 1971.
ГАЛЬВАНОМЕТР, электроизмерительный прибор высокой чувствительности для измерения малых токов, напряжений и кол-ва электричества (см. Баллистический гальванометр). Широко применяется в кач-ве нулевого индикатора для определения отсутствия тока в электрич. цепи или нулевой разности потенциалов между к.-л. двумя точками цепи. Наибольшее распространение получил Г. пост. тока с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Для повышения его чувствительности используют оптические отсчётные устройства, располагая выносную шкалу на значит. расстоянии от подвижной части механизма, либо применяют спец. оптич. систему с многократным отражением луча света. Чувствительность Г. и хар-р движения его подвижной части зависят от сопротивления внеш. электрич. цепи, на к-рую замкнут Г.
На практике Г. характеризуются величиной, обратной чувствительности, т. н. постоянной Г. (b). В документации указывают значение b при внеш. сопротивлении, равном критическому, при к-ром движение подвижной части переходит от колебательного к апериодич. Значения b у совр. Г. пост. тока достигают: потоку 10-12 А•м/мм, по напряжению 3•10-8 В•м/мм. В цепях переменного тока низкой частоты (от 30 до 100 Гц) используют вибрац. Г. (см. Вибрационный электроизмерительный механизм) с постоянными по току — до 10-8А/мм, а по напряжению — до 2•10-5 В/мм.
Техн. требования к Г. стандартизованы в ГОСТе 22261—76 и ГОСТе 7324—80.
• Основы электроизмерительной техники, М., 1972; М и н ц М. Б., Магнитоэлектрические гальванометры, М.— Л., 1963.
В. П. Кузнецов.
ГАЛЬТОНА СВИСТОК, газоструйный излучатель звук. и ультразвук. волн, работающий при малых скоростях истечения газа. Предложен англ. учёным Ф. Гальтоном (F. Galton; 1883). Г. с. представляет собой сопло 1 с узкой кольцевой щелью 2 (рис.), перед к-рой расположен полый цилиндрич. резонатор 3 с острыми клиновидными краями, 4 — подвижное дно резонатора. Газ, выходящий из щели под небольшим избыточным давлением (обычно не больше 0,1 атм), попадает на острый край резонатора, возбуждая в нём периодич. вихри.
Схема свистка Гальтона.
Частота f клинового тона определяется скоростью истечения газа v и расстоянием l между соплом и остриём клина: f=0,466 iv/l, где i=1, 2, 3... Одна из гармонич. составляющих (обычно первая) усиливается резонатором и излучается в окружающее пр-во в виде акустич. волн. Частота звука, излучаемого Г. с., зависит от глубины h резонатора и положения его по отношению к соплу (параметр l). Г. с. имеет сравнительно высокий кпд (15—20%), но малую мощность. Для увеличения излучаемой мощности звука применяются устройства, состоящие из неск. Г. с., синхронизация к-рых осуществляется с помощью полуволновых трубок, соединяющих полости резонаторов.
Ю. Я. Борисов.
ГАМИЛЬТОНА УРАВНЕНИЯ, то же, что канонические уравнения механики.
ГАМИЛЬТОНА ФУНКЦИЯ [по имени ирл. математика У. Р. Гамильтона (W. R. Hamilton)], характеристич. функция механической системы, выраженная через канонические переменные: обобщённые координаты qi и обобщённые импульсы рi. Для системы со связями, явно не зависящими от времени t, движущейся в стационарном потенциальном силовом поле, Г. ф. H(qi, рi)=T+П, где П — потенц. энергия, а Т — кинетич. энергия системы, в выражении к-рой все обобщённые скорости qi заменены на Pi с помощью равенства рi=дТ/дqi. Т. о., в этом случае Г. ф. равна полной механич. энергии системы, выраженной через qi и pi. В общем случае Г. ф. H(pi, qi, t) может быть определена через др. характеристич. ф-цию — Лагранжа функцию L (qi, pi, t) равенством:
в к-ром все qi должны быть также выражены через pi.
Г. ф., как и ф-ция Лагранжа, полностью характеризует ту систему, для к-рой она определена, т. к., зная H(pi, qi, t), можно составить дифф. ур-ния движения системы (см. Канонические уравнения механики).
Г. ф. обобщается и на системы с бесконечным числом степеней свободы — классические физические поля. В этом случае роль обобщённых координат и импульсов играют значения ф-ции поля в каждой точке пр-ва и их производные по времени. Г. ф. системы взаимодействующих полей равна сумме Г. ф. свободных полей и энергии их вз-ствия. (Иногда в теории классич. полей Г. ф. наз. гамильтонианом, как и в теории квант. полей.)
ГАМИЛЬТОНИАН, в квантовой теории — оператор, соответствующий Гамильтона функции в классич. теории.
В квантовой механике Г.— оператор (Н^), определяющий изменение во времени состояния квант. системы (её волн. функции), т. е. вид Шредингера уравнения. Одновременно Г. явл. оператором полной энергии системы (если потенциал не зависит от времени). Формально он может быть получен заменой обобщённых координат (qi) и импульсов (pi) в ф-ции Гамильтона классич. механики на соответствующие операторы (q^i, p^i), подчиняющиеся перестановочным соотношениям.
В классич. теории поля роль обобщённых координат играют ф-ции поля в каждой точке пространства-времени; в квантовой теории поля они становятся операторами. Для системы взаимодействующих полей Г. представ-
107
ляет собой сумму операторов энергии свободных полей и энергии их вз-ствия. Как и лагранжиан, Г. определяет ур-ния движения поля, однако гамильтонов подход явл. менее общим, чем лангранжев, и, кроме того, Г. не даёт релятивистски-инвариантного описания системы (энергия в разных инерц. системах отсчёта различна).
А. В. Ефремов,
ГАММА (g), 1) наименование стотысячной доли эрстеда, 1g=10-5Э= 7,95775•10-4 А/м. 2) Редко применяемая дольная ед. массы, 1g=10-9кг=10-6 г.
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ (g-излучение), коротковолновое эл.-магн. излучение. Г.-и. обладает чрезвычайно малой длиной волны (l£10-8 см) и вследствие этого — ярко выраженными корпускулярными св-вами, т. е. является потоком ч-ц — гамма-квантов (фотонов) с энергией ξg=hw (w — частота излучения) и импульсом p=hw/c.
Испускание g-квантов сопровождает радиоакт. распад (см. Радиоактивность) в тех случаях, когда образующиеся ядра находятся в возбуждённых состояниях. При переходе ядра с верхнего энергетич. уровня на нижний излучается g-квант с энергией, равной разности энергии уровней, между к-рыми происходит переход. Время жизни ядер в возбуждённых состояниях определяется св-вами (спин, чётность, энергия) данного состояния и нижележащих уровней, на к-рые могут происходить переходы с испусканием g-квантов. Время жизни g-активных ядер резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности спинов исходного и конечного состояний ядра. Вследствие этого наряду с осн. состоянием ядра может относительно долго (иногда годы) существовать его метастабильное возбуждённое (т. н. изомерное) состояние (см. Изомерия атомных ядер). При радиоакт. распаде ядер обычно наблюдаются g-кванты с энергией ξg от 10 кэВ до 5 МэВ. Гамма-кванты больших энергий возникают при распадах элем. ч-ц. Так, при распаде покоящегося нейтрального пи-мезона возникает Г.-и. с энергией ~70 МэВ.
Г.-и., появляющиеся при прохождении быстрых эл-нов через в-во, обусловлено торможением последних в кулоновском поле ядер. Тормозное Г.-и. характеризуется сплошным спектром, верх. граница к-рого совпадает с энергией заряж. ч-цы. На ускорителях заряж. ч-ц получают тормозное Г.-и. с макс. энергией до неск. десятков ГэВ (см. Тормозное излучение).
Г.-и. обладает большой проникающей способностью. Осн. процессы, происходящие при вз-ствии Г.-и. с в-вом: фотоэффект, Комптопа эффект и рождение пар электрон—позитрон. При фотоэффекте g-квант поглощается одним из ат. эл-нов, причём энергия g-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи эл-на в атоме) в кинетич. энергию эл-на, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта с K-оболочки прямо пропорц. Z5 (Z — ат. номер) и быстро убывает с увеличением энергии фотона (см. рис.). Т. о., фотоэффект преобладает в области малых энергий g-квантов (ξg£100 кэВ) и у тяжёлых элементов (Pb, U).
Зависимость коэфф. поглощения m g-излучения в свинце от энергии g-квантов.
В случае Комптона эффекта происходит рассеяние g-кванта на одном из ат. эл-нов. При этом уменьшается энергия g-кванта (увеличивается длина волны) и изменяется направление его распространения. Вероятность комптоновского рассеяния пропорц. числу эл-нов в атоме, т. е. Z. Она убывает с ростом энергии g-кванта ξg , но значительно медленнее, чем при фотоэффекте. Поэтому для Pb, несмотря на большое Z (Z=82), вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэффекта при достаточно больших ξg (~0,5 МэВ).
При ξg >1.,02 МэВ=2 mc2 (m — масса покоя эл-на) становится возможным процесс образования электронно-позитронных пар в электрич. полях ядер. Вероятность этого процесса пропорц. Z2 и увеличивается с ростом ξg. Поэтому при ξg ~10 МэВ осн. процессом поглощения Г.-и. в любом в-ве оказывается образование пар.
Ослабление Г.-и. в в-ве обычно характеризуют линейным коэфф. поглощения m, к-рый показывает, на какой толщине х поглотителя интенсивность I0 падающего пучка Г.-и. ослабляется в е раз: I=I0e-mx. Иногда вводят массовый коэфф. поглощения, равный отношению m к плотности поглотителя; в этих случаях толщину измеряют в г/см2. При высоких энергиях Г.-и. (ξg>10 МэВ) процесс прохождения Г.-и. через в-во усложняется. Вторичные эл-ны и позитроны обладают большой энергией и потому могут в свою очередь создавать Г.-и. благодаря тормозному излучению и аннигиляции. Т. о., в в-ве возникает ряд чередующихся поколений g-квантов, эл-нов и позитронов, т. е. происходит развитие каскадного ливня. Число ч-ц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая максимума, а
затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения ч-ц, и ливень затухает.
• Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., в. 1, М., 1969: Экспериментальная ядерная физика, пер. с англ., т. 1, М., 1955. См. также лит. при ст. Ядро атомное, Радиоактивность. Е. М. Лейкин.
ГАММА-КВАНТ (g), фотон большой энергии (обычно выше 100 кэВ). Г.-к. возникают, напр., при квант. переходах в ат. ядрах, нек-рых превращениях элем. ч-ц, тормозном и синхротронном излучении эл-нов высокой энергии.
ГАММА-СПЕКТРОМЕТР, прибор для измерения энергии квантов гамма-излучения и его интенсивности (числа g-квантов в 1 с). В большинстве Г.-с. энергия g-квантов определяется по энергии заряж. ч-ц, возникающих в результате вз-ствия g-излучения с в-вом. Оси. хар-ками Г.-с. явл, эффективность и разрешающая способность. Эффективность определяется вероятностями образования вторичной ч-цы и её регистрации. Разрешающая способность Г.-с. характеризует возможность разделения двух g-линий, близких по энергии. Мерой разрешающей способности обычно служит относит. ширина линии, получаемой при измерении монохроматич. g-излучения; количественно она определяется отношением Dξ/ξ, где Dξ — ширина линии (в энергетич. единицах) на половине её высоты, ξ — энергия вторичной ч-цы.
В магн. Г.-с. (рис. 1) эл-ны или позитроны возникают при поглощении
Рис. 1. Схематич. изображение магн. g-спектрометра. В магн. поле H, направленном перпендикулярно плоскости рисунка, вторичные эл-ны движутся по окружностям, радиусы к-рых определяются энергией эл-нов и полем H. При изменении поля детектор регистрирует эл-ны разных энергий. Защита из свинца заштрихована.
g-квантов в т. н. радиаторе; их энергия измеряется так же, как и в магн. бета-спектрометрах. В радиаторе из в-ва с малым Z (Z — ат. номер) эл-ны образуются в осн. в результате Комптона эффекта, в радиаторе из в-ва с большим Z, если энергия g-кваитов невелика, эл-ны возникают гл. обр. вследствие фотоэффекта. При энергиях hw=1,02 МэВ становится воз-
108
можным образование электрон-позитронных пар. В парном Г.-с. образование пар происходит в тонком радиаторе, располож. в вакуумной камере. Измерение суммарной энергии эл-на и позитрона позволяет определить энергию g-кванта.
Магн. Г.-с. обладают высокой разрешающей способностью (обычно порядка 1% или долей %), однако их
Рис. 2. Схематич. изображение парного g-спектрометра. В однородном магн. поле H, направленном перпендикулярно плоскости чертежа, эл-ны (е-) и позитроны (е+) движутся по окружностям в разные стороны.
эффективность невелика, что приводит к необходимости применять интенсивные g-источники. Они в значит. мере вытеснены более эфф. приборами, гл. обр. сцинтилляционяыми Г.-с., к-рые также регистрируют вторичные эл-ны, возникающие при вз-ствии g-квантов с кристаллом (см. Сцинтилляционный счётчик), и ПП Г.-с., основанными на образовании g-квантом в ПП кристалле электронно-дырочных пар (см. Полупроводниковый детектор).
Наивысшую точность измерения энергии g-квантов обеспечивают кристалл-дифракционные спектрометры, в к-рых непосредственно измеряется длина волны g-излучения. Такой Г.-с. аналогичен приборам для наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Гамма-излучение, проходя через кристаллы кварца или кальцита, отражается плоскостями кристалла в зависимости от длины волны под тем или иным углом и регистрируется. Недостаток таких Г.-с.— низкая эффективность.
Для измерения g-спектров низких энергий (до 100 кэВ) часто применяются пропорциональные счётчики. Измерение энергии g-излучения очень больших энергий осуществляется с помощью ливневых детекторов, к-рые измеряют суммарную энергию ч-ц электронно-позитронного ливня, вызванного g-квантом высокой энергии. Образование ливня обычно про-
исходит в радиаторе больших размеров (к-рые обеспечивают полное поглощение всех вторичных ч-ц). Вспышки флюоресценции или черенковского излучения регистрируются ФЭУ (см. Черенковский счётчик).
В нек-рых случаях для измерения энергии g-квантов используется фоторасщепление дейтрона. Если энергия g-кванта превосходит энергию связи дейтрона (~2,23 МэВ), то может произойти расщепление дейтрона на протон и нейтрон (см. Фотоядерные реакции). Измеряя кинетич. энергии этих ч-ц, можно определить энергию падающих g-квантов.
• Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия, пер. с англ., в. 1, М., 1969. См. также лит. при ст. Детекторы ядерных излучений.
В. П. Парфёнова, Н. Н. Делягин.
ГАММА-ЭКВИВАЛЕНТ ИСТОЧНИКА, условная масса точечного радио-акт. источника 226Ra (находящегося в равновесии с короткоживущими продуктами распада), к-рый в сочетании с платиновым фильтром толщиной 0,5 мм создаёт на нек-ром расстоянии такую же мощность экспозиц. дозы, -как данный источник на том же расстоянии (если бы он был также точечным). Спец. ед. Г.-э. и.— килограмм-эквивалент радия. 1 кг-экв радия на расстоянии 1 см в воздухе создаёт мощность экспозиц. дозы 2,33 кР/с или 0,6 А/КГ.
Г. Б. Радзиевский.
ГАННА ЭФФЕКТ, генерация ВЧ колебаний электрич. тока в полупроводнике с N-образнои вольт-амперной характеристикой (рис. 1). Г. э. обнаружен амер. физиком Дж. Ганном (J. Gunn;
Рис. 1. N-образная вольт-амперная хар-ка: Е — электрич. поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; j — плотность тока.
1963) в кристалле GaAs с электронной проводимостью. Генерация возникает, если пост. напряжение U, приложенное к образцу длиной l, таково, что ср. электрич. поле Е в образце равно: Е=U/l, что соответствует падающему участку вольт-амперной хар-ки Е1-Е2, на к-ром дифф. сопротивление отрицательно (рис. 1). Колебания тока имеют вид периодич. последовательности импульсов (рис. 2), частота их повторения обратно пропорц. напряжённости электрич. поля Е.
Т. э. наблюдается гл. обр. в двухдолинных ПП, зона проводимости к-рых состоит из одной ниж. долины и неск. верх. долин (см. Зонная теория). Подвижность эл-нов в верх. долинах значительно меньше, чем в ниж. долине. В сильных электрич. полях происходит разогрев эл-нов (см. Горячие электроны), и часть эл-нов переходит из ниж. долины в верхние,
вследствие чего ср. подвижность эл-нов и, следовательно, электропроводность уменьшаются. Это приводит к уменьшению плотности тока j с ростом Е в полях Е>Е1.
Г. э. вызван тем, что в образце периодически появляется, перемещается по нему и исчезает область сильного электрич. поля, наз. доменом Ганна. Домен возникает в результате того, что
Рис. 2. Форма колебаний тока при эффекте Ганна.
однородное распределение электрич. поля при объёмном отрицат. дифф. сопротивлении неустойчиво. Действительно, если в ПП случайно возникает неоднородное распределение концентрации эл-нов в виде дипольного слоя, то между заряж. областями создаётся дополнит. поле DE (рис. 3).
Рис. 3. Развитие электрич. домена. Эл-ны движутся слева направо, против поля.
Если область повыш. концентрации эл-нов находится ближе к катоду, то DE добавляется к внеш. полю, так что поле внутри дипольного слоя становится больше, чем вне его. Если при этом дифф. сопротивление образца положительно, т. е. ток растёт с ростом поля, то ток и внутри слоя больше, чем вне его (Dj>0). Поэтому, напр., из области с повыш. плотностью эл-нов они вытекают в большем кол-ве, чем втекают, в результате чего неоднородность рассасывается. Если же дифф. сопротивление отрицательное (ток уменьшается
Рис. 4. Распределение электрич. поля Е (сплошная кривая) и объёмного заряда о (пунктирная кривая) в домене Ганна.
с ростом поля), то ток меньше там, где Е больше, т. е. внутри слоя, и неоднородность не рассасывается, а нарастает. Растёт и падение напряжения на дипольном слое, а вне его падает (т. к. полное напряжение на образце задано). В результате образуется элект-
109
рич. домен (рис. 4). Вне домена Е<Е1 (рис. 1), благодаря чему новые домены не образуются. Устойчивое состояние образца — состояние с одним доменом.
Т. к. домен образован эл-нами проводимости, он движется в направлении их дрейфа со скоростью v, близкой к дрейфовой скорости носителей вне домена. Обычно домен возникает вблизи катода и, дойдя до анода, исчезает. По мере его исчезновения падение напряжения на домене уменьшается, а на остальной части образца соотв. растёт. Одновременно возрастает ток в образце, т. к. увеличивается поле вне домена. По мере приближения поля к e1 ток j приближается к jмакс. Когда вне домена Е>Е1, у катода начинает формироваться новый домен, ток уменьшается и процесс повторяется. Частота колебаний тока f=v/l.
В GaAs с электронной проводимостью при комнатной темп-ре Е1~3•103В/см, v~107 см/с и при l= 50—300мкм, f=0,3—2 ГГц. Размер домена ~10—20 мкм. Г. э. наблюдается помимо GaAs и InP также в электронных ПП CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью. Г. э. используется для создания генераторов и усилителей СВЧ.
• Г а н н Дж., Эффект Ганна, [пер. с англ.], «УФН», 1966, т. 89, в. 1, с. 147; Волков А. Ф., К о г а н Ш. М., Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, там же, 1968, т. 96, в. 4, с. 633; Л е в и н ш т е й н М. Е., П о ж е л а Ю. К., Ш у р М. С., Эффект Ганна, М., 1975.
ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ, колебания, при к-рых физ. (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному закону: x=Asin(wt+j), где x — значение колеблющейся величины в данный
момент времени t (для механич. Г. к., напр., смещение или скорость, для электрич. Г. к.— напряжение или сила тока), А — амплитуда колебаний, w — угл. частота колебаний (wt+j) — фаза колебаний, j — нач. фаза колебаний.
Г. к. занимают среди всех колебаний особое место, так как Г. к.— единств. тип колебаний, форма к-рых не искажается при прохождении через любую линейную систему. Кроме того, любое негармонич. колебание можно представить в виде суммы разл. Г. к., т. е. в виде спектра гармонич. колебаний.
• См. лит. при ст. Колебания.
ГАРТМАНА ГЕНЕРАТОР, газоструйный излучатель высокого давления звук. и ультразвук. волн. Назван по имени изобретателя — дат. учёного Ю. Гартмана (J. Hartmann; 1922).
Осн. часть Г. г.— сопло 1 (рис.), откуда вытекает сверхзвук. газовая струя, в к-рой возникают волны уплотнения и разрежения. Если соосно с соплом поместить на нек-ром расстоянии резонатор 2, то при торможении струи перед резонатором возникает отсоединённый скачок уплотнения 3. В результате вз-ствия осн. струи и струи, вытекающей из резонатора, при определ. расстоянии между соплом и резонатором участок струи за скачком становится источником звук. и ультразвук. волн.
Схема генератора Гартмана.
Частота излучаемого звука зависит от расстояния между соплом и резонатором, а также от размера резонатора. Наиболее благоприятные условия излучения имеют место, когда диаметр D выходного отверстия сопла и длина l резонатора равны между собой, а диаметр d полости резонатора в 1,3—1,5 раза превышает диаметр сопла.
Мощность акустич. излучения Г. г. достигает неск. десятков Вт, а кпд — 3—5%. При использовании сжатого воздуха получают частоты от 1—2 до 60 кГц. Применяя вместо воздуха водород, можно получить частоты до 180 кГц.
• Источники мощного ультразвука, М., 1967 (Физика и техника мощного ультразвука, под ред. Л. Д. Розенберга, кн. 1).
Ю. Я. Борисов.
ГАУСС (Гс, Gs), единица магн. индукции в СГС системе единиц (симметричной, или Гауссовой) и СГСМ. Названа в честь нем. учёного К. Ф. Гаусса (К. F. Gau8). 1 Гс=10-4 тесла.
ГАУССА ПРИНЦИП (принцип наименьшего принуждения), один из вариационных принципов механики, согласно к-рому для механич. системы с идеальными связями (см. Связи механические) из всех кинематически возможных, т. е. допускаемых связями, движений, начинающихся из данного положения и с данными нач. скоростями, истинным будет то движение, для к-рого «принуждение» Z явл. в каждый момент времени наименьшим. Установлен нем. учёным К. Ф. Гауссом (1829). Физ. величина, наз. «принуждением», вводится след. образом. Свободная матер. точка с массой m при действии на неё заданной силы F будет иметь ускорение F/m; если же на точку наложены связи, то её ускорение при действии той же силы станет равным какой-то др. величине w. Тогда отклонение точки от свободного движения, вызванное действием связи, будет зависеть от разности этих ускорений, т. е. от F/m-w. Величину Z, пропорц. квадрату этой разности, и наз. «принуждением». Для одной точки
Z=1/2m(F/m-w)2.
а для механич. системы Z равняется сумме таких величин.
Рассмотрим, напр., точку, к-рая начинает двигаться вдоль гладкой наклонной плоскости из положения А без нач. скорости (рис.).
Для неё кинематически возможно любое перемещение АВ, АВ1, АВ2,... в этой плоскости с какими-то ускорениями w, w1, w2,...; при свободном же падении точка совершила бы перемещение вдоль вертикали АС с ускорением g. Тогда отклонения точки от свободного движения изобразятся отрезками СВ, СВ1, СВ2, . . ., наименьшим из к-рых будет отрезок СВ, перпендикулярный к наклонной плоскости. Следовательно, «принуждение» Z, пропорц. квадратам СВ, СВ1, СВ2, . . . , будет наименьшим при движении вдоль линии наименьшего ската AD. Это и будет истинное движение точки, происходящее с ускорением w=gsina. Математически Г. п. выражается равенством dZ=0, в к-ром варьируются только ускорения точек системы; при этом предполагается, что силы от ускорения не зависят.
Г. п. пользуются для составления ур-ний движения механич. систем и изучения св-в этих движений.
• См. лит. при ст. Вариационные принципы механики.
С. М. Тарг,
ГАУССА СИСТЕМА ЕДИНИЦ, система единиц электрич. и магн. величин с осн. единицами сантиметр, грамм, секунда, в к-рой диэлектрич. (e) и магн. (m) проницаемости явл. безразмерными величинами, причём для вакуума e=1 и m=1. Ед. электрич. величин в Г. с. е. равны единицам абс. электростатич. системы СГСЭ, а ед. магн. величин — единицам эл.-магн. системы СГСМ, в связи с чем Г. с. е. часто наз. симметричной системой СГС (см. СГС система единиц). Г. с. е. названа в честь нем. учёного К. Ф. Гаусса, впервые в 1832 предложившего абсолютную систему единиц с осн. ед.: миллиметр, миллиграмм и секунда, и применившего эту систему для измерений магн. величин.
• Б у р д у н Г. Д., Единицы физических величин, 4 изд., М., 1967.
ГАУССА ТЕОРЕМА, основная теорема электростатики, устанавливающая связь потока напряжённости Е электрич. поля через замкнутую поверхность S с величиной заряда q, находящегося внутри этой поверхности. В Гаусса системе единиц
divE=4pq. (1)
Г. т. вытекает из Кулона закона.
В диэлектрике Г. т. справедлива для потока вектора электрич. индукции D:
divD=4pq, (2)
где q — суммарный свободный заряд внутри поверхности S. Ф-ла (2) представляет собой интегр. форму одного (4-го) из Максвелла уравнений для эл.-магн. поля и выражает тот
110
факт, что электрич. заряды явл. источниками электрич. поля.
Г. Я. Мякишев.
ГАЮИ ЗАКОН (закон рациональных отношений), эмпирич. закон огранения кристаллов, установленный франц. кристаллографом Р. Ж. Гаюи (Аюи, R. J. Hauy) в 1784. Если за координатные оси OX, OY, OZ выбрать нек-рые рёбра кристалла, то взаимные наклоны граней кристалла таковы, что отрезки, отсекаемые ими на осях координат, относятся как целые числа l, m, n, т. е. могут быть выражены как кратные некоторых осевых единиц а, b, с (рис.).
Наличие осевых единиц и привело к выводу о трёхмерной периодичности строения кристаллов, т. е. о существовании кристаллической решётки. Грани кристалла соответствуют ат. плоскостям решётки, а рёбра — её рядам, осевые ед.— постоянным решётки.
• См. лит. при ст. Кристаллография.
ГЕЙГЕРА СЧЁТЧИК (Гейгера — Мюллера счётчик), газоразрядный детектор, срабатывающий при прохождении через его объём заряж. ч-ц. Величина сигнала (импульса тока) не зависит от энергии ч-ц (прибор работает в режиме самостоят. разряда). Г. с. изобретён в 1908 нем. физиком X. Гейгером совместно с англ. физиком Э. Резерфордом, затем усовершенствован Гейгером и нем. физиком В. Мюллером. Г. с. сыграли важную роль в яд. физике в 20—40 гг. Они продолжают применяться, в частности, в дозиметрии.
Рис. 1. Счётчик Гейгера.
В Г. с. рабочий объём — газоразрядный промежуток с сильно неоднородным электрич. полем. Чаще всего применяют коаксиальные цилиндрич. электроды; внеш. цилиндр — катод, тонкая нить, натянутая вдоль его оси, анод (рис. 1). Электроды заключены в герметич. резервуар, наполненный газом до давления 100—200 мм рт. ст.
Рис. 2. Схема регистрирующего устройства со счётчиком Гейгера.
К электродам прикладывается напряжение в неск. сотен вольт. При попадании ионизирующей ч-цы в резервуар в газе образуются свободные эл-ны, к-рые движутся к нити. Вблизи нити напряжённость электрич. поля велика, и эл-ны ускоряются настолько, что начинают в свою очередь ионизовать газ. По мере приближения к нити число эл-нов лавинообразно нарастает. Возникает коронный разряд, распространяющийся вдоль нити. Этот разряд обрывается включением большого сопротивления R~108—109 Ом (несамогасящийся Г. с., рис. 2) либо с введением спец. состава газовой смеси инертного газа с примесью паров спирта или др. многоат. газа и галогенов (с а м о г а с я щ и й с я Г. с.). Временное разрешение самогасящихся Г. с. ~10-6 с. Время восстановления их чувствительности определяется временем дрейфа ионов к катоду и составляет ок. 10-4 с.
Электрич. импульсы во внеш. цепи, возникающие при вспышках разряда в Г. с., усиливаются и регистрируются. Зависимость числа N регистрируемых в ед. времени импульсов от приложенного к счётчику напряжения V
Рис. 3. Счётная хар-ка счётчика Гейгера.
наз. счётной хар-кой Г. с. (рис. 3). Рабочий участок хар-ки (плато) имеет протяжённость от неск. десятков вольт до неск. сотен вольт. На плато число отсчётов практически равно числу ионизирующих ч-ц, попадающих в счётчик. Гамма-кванты регистрируются по вторичным заряж. ч-цам — фотоэлектронам, комптоновским эл-нам, электронно-позитронным парам (см. Гамма-излучение); нейтроны — по ядрам отдачи и продуктам яд. реакций, возникающих в газе счётчика.
•См. лит. при ст. Детекторы.
ГЕЙ-ЛЮССАКА ЗАКОНЫ, 1) один из осн. газовых законов, согласно к-рому объём данной массы газа при пост. давлении меняется линейно с темп-рой: Vt=V0(1+aVt), где V0 и Vt — объёмы газа при нач. и кон. темп-рах, t — разность этих темп-р, aV — коэфф. теплового расширения газов при пост. давлении, примерно равный для всех газов 1/273,15 К-1. Г.-Л. з. строго
справедлив для идеальных газов; реальные газы подчиняются ему при темп-рах и давлениях, далёких от критич. значений. Является частным случаем Клапейрона уравнения. Открыт франц. учёным Ж. Л. Гей-Люссаком (J. L. Gay-Lussac) в 1802.
2) Закон, утверждающий, что объёмы газов, вступающих в хим. реакции, находятся в простых отношениях друг к другу и к объёмам газообразных продуктов реакции, т. е. в отношениях небольших целых чисел, напр. 1:1:2 (закон объёмных отношений). Открыт Ж. Л. Гей-Люссаком в 1808. Сыграл большую роль в открытии Авогадро закона.
ГЕКТО... (от греч. hekaton — сто), приставка к наименованию ед. физ. величины для образования наименования кратной единицы, равной 100 исходным ед. Обозначения: Г, h. Пример: 1 гВт (гектоватт)=100 Вт.
ГЕЛИЙ ЖИДКИЙ, бесцветная прозрачная жидкость, кипящая при атм, давлении и темп-ре 4,44 К (жидкий 4Не). Плотность жидкого 4Не при 4,2 К~0,13 г/см3, под давлением насыщ. паров он остаётся жидким при всех темп-pax ниже критической Tк=5,20 К. Затвердевает 4Не лишь при давлениях, больших 25 атм (рис. 1). Согласно квант. механике, это объясняется тем, что даже при абс. нуле атомы в Г. ж. движутся (испытывают «нулевые колебания»), что препятствует затвердеванию жидкости (см. Квантовая жидкость). Кроме изотопа 4Не в природе существует ещё один устойчивый, но редкий изотоп гелия 3Не (на него приходится ~10-7% общей массы гелия, находящегося в воздухе).
Рис. 1. Диаграмма состояния 4Не.
Критич. темп-pa 3Не равна 3,35 К, критич. плотность 0,064 г/см3. При норм. давлении 3Не, как и 4Не, незамерзающая жидкость, она затвердевает лишь при давлениях ³30 атм. При темп-ре Тl=2,17 К и давлении насыщ. паров 4Не испытывает фазовый переход II рода. Гелий выше этой темп-ры наз. Не I, ниже — Не II. При темп-ре фазового перехода наблюдаются аномалия теплоёмкости (l-точка, рис. 2), излом кривой температурной зависимости плотности Г. ж. (рис. 3). Не I резко отличается по внеш. виду от Не II: первый бурно
111
кипит во всём объёме, а Не II — спокойная жидкость с отчётливой поверхностью. Объясняется это необычайно высокой теплопроводностью Не II, во много млн. раз превосходящей теплопроводность Не I, равную~10-5 кал/(К•см•с), или 4,2•10-5 Дж/(К•м•с).
Рис. 2. Теплоёмкость 4Не вблизи темп-ры Тl=2,19К (l-точки) при атм. давлении.
В 1938 П. Л. Капица открыл у Не II сверхтекучесть. Объяснение этого явления было дано Л. Д. Ландау (1941) на основе кпантовомеханич. представлений о хар-ре теплового движения в Г. ж. Тепловое движение в Не II при темп-pax, близких к абс. нулю, описывается как существование
Рис. 3. Плотность r 4Не вблизи l-точки.
в Г. ж. элем. возбуждений (квазичастиц) — фононов, обладающих энергией e=hv (v — частота колебаний) и импульсом р=e/с (с — скорость звука=240 м/с). Число и энергия фононов растут с повышением Т. При Т³0,6 К появляются возбуждения с большими энергиями (ротоны), для к-рых зависимость e(р) имеет нелинейный хар-р. Фононы и ротоны движутся в Г. ж. подобно ч-цам газа. Они обладают импульсом и, следовательно, массой (см. Эффективная масса). Отнесённая к 1 см3, эта масса определяет плотность rn т. н. н о р м а л ь н о й компоненты Г. ж. При T<Tlrn=2p2(kT)4/(45h3с5), она стремится к нулю при Т ®0.
Движение норм. компоненты, как и обычного газа, имеет вязкостный хар-р. Остальная часть Г. ж., т. н. с в е р х т е к у ч а я компонента, движется без трения; её плотность rs=r-rn. При T®Tl rn®r, так что в Ls-точке rs обращается в нуль и
сверхтекучесть исчезает (Не I — обычная вязкая жидкость). Т. о., при T<Tl в Г. ж. одновременно могут происходить два движения с разл. скоростями (двухкомпонентная модель Ландау).
Двухкомпонентность Не II позволяет объяснить ряд наблюдаемых эффектов: при вытекании Не II из сосуда через узкий капилляр темп-pa в сосуде повышается, т. к. вытекает гл. обр. сверхтекучая компонента, не несущая с собой теплоты (т. н. м е х а н о к а л о р и ч е с к и й эффект); при создании разности темп-р между концами закрытого капилляра с Не II в нём возникает движение — сверхтекучая компонента движется от холодного конца к горячему и там превращается в нормальную, к-рая движется навстречу, при этом суммарный поток отсутствует (т е р м о м е х а н и ч е с к и й э ф ф е к т). В Г. ж. наряду с обычным звуком может распространяться т. н. второй звук. Св-ва Г. ж. 3Не существенно отличаются от св-в жидкого 4Не, что связано не только с различием масс атомов 4Не и 3Не, но и с их квантовомеханич. особенностями (атомы 4Не — бозоны, атомы 3Не — фермионы). Сверхтекучим 3Не становится при очень низкой темп-ре (~2,6 мК) под давлением ~34 атм. У 3Не существует две сверхтекучие фазы: анизотропная (фаза А) и изотропная (фаза В). Переход обычного 3Не в фазу 3Не-A относится к фазовым переходам II рода, а переход 3Не-A ® 3Не-B — к фазовым переходам I рода (возможны эффекты перегрева и переохлаждения). А-фаза существует в температурном интервале 2,6—2 мК, фаза В — при 7£2 мК (температурные границы существенно зависят от давления).
Большим разнообразием св-в обладают р-ры жидких 4Не и 3Не (особенно сверхтекучие р-ры 3Не — Не II).
• К е е з о м В., Гелий, пер. с англ., М., 1949; Халатников И. М., Теория сверхтекучести, М., 1971.
ГЕЛИКОН (от греч. helix, род. п. helikos — кольцо, спираль) (спиральная волна), низкочастотная эл.-магн. волна, возникающая и распространяющаяся с относительно слабым затуханием в проводниках (металлах, полупроводниках, плазме), помещённых в пост. магн. поле Н. Г. аналогичен свистящим атмосферикам, распространяющимся в газовой и ионосферной плазме. Г. возникают в проводниках с разными концентрациями носителей тока (напр., эл-нов проводимости n1 и дырок n2) в результате Холла эффекта. Зависимость частоты w Г. от его длины волны l имеет вид:
где е — заряд эл-на, q- — угол между направлением распространения волны и магн. полем. Г. эллиптически поляризован в плоскости, перпендикулярной Н, и его электрич. вектор Е вращается вокруг Н в том же направлении, что и избыточная часть носителей заряда.
Г. образуются в сильных магн. полях, когда радиус орбиты носителей R<<l (l — длина свободного пробега носителей), а частота w мала по сравнению с циклотронной частотой. Г. не распространяются в направлении, перпендикулярном Н. Затухание Г. обусловлено столкновениями носителей заряда с фононами и дефектами крист. решётки, а также бесстолкновительным резонансным поглощением (магн. затухание Ландау). В чистых металлах при низких темп-pax осн. роль играет резонансное поглощение, в ПП — столкновения.
• К а н е р Э. А., С к о б о в В. Г., Электромагнитные волны в металлах в магнитном поле, «УФН», 1966, т. 89, в. 3, с. 367,
гельмгольца резонатор же, что резонатор акустический.
ГЕЛЬМГОЛЬЦА ЭНЕРГИЯ (свободная энергия), один из потенциалов термодинамических; характеристическая функция термодинамич. системы при независимых параметрах V (объём) и Т (термодинамич. темп-pa); обозначается F (иногда А), определяется через внутреннюю энергию U, энтропию S и темп-ру Т равенством: F= U-TS. Понятие «Г. э.» (свободная энергия) введено нем. физиком Г. Гельмгольцем (Н. Helmholtz; 1882). В изотермическом равновесном процессе, происходящем при постоянном объёме, убыль Г. э. системы равна полной работе, производимой системой в этом процессе. Г. э. выражается обычно в кДж/моль или кДж/кг.
ГЕНЕРАТОР ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ, мера, воспроизводящая дискретный или непрерывный ряд значений параметров перем. электрич. величины (напряжения, тока) в определ. диапазоне. Применяется в измерит. практике, а также для поверки и регулировки радиотехнических и вычислительных устройств, устройств автоматики и др.
В зависимости от формы воспроизводимых сигналов различают Г. п.: гармонич. сигналов; импульсов прямоуг. формы; сигналов спец. формы (треугольной, пилообразной, колоколообразной и др.); качающейся частоты (свип-генераторы, воспроизводящие гармонич. колебания, частота к-рых изменяется по определ. закону при неизменной амплитуде или мощности колебаний); шумовых сигналов, воспроизводящих случайные электрич. колебания с определ. вероятностными хар-ками (дисперсией, корреляц. ф-цией и др.). В зависимости от частотного диапазона различают Г. и.: инфранизкочастотные (10-3—20 Гц), низкочастотные (20 Гц — 200 кГц), высокочастотные (30 кГц — 30 МГц), СВЧ с коаксиальным выходом (30 МГц — 10 ГГц), СВЧ с волн. выходом (10— 80 ГГц).
Осн. частями практически всех видов Г. и. явл.: задающий генератор — первичный электронный ис-
112
точник гармонич. колебаний или периодически повторяющихся импульсов с плавной регулировкой частоты; у с и л и т е л ь м о щ н о с т и, выполняющий также в Г. и. сигналов спец. формы ф-цию формирующего устройства; в ы х о д н о е у с т р о й с т в о, при помощи к-рого регулируется амплитуда колебаний и осуществляется согласование выходных цепей генератора с нагрузкой; устройства контроля выходных сигналов Г. и. (электронный вольтметр для измерения амплитуды колебаний, измеритель мощности и др.). Г. и. высоких и сверхвысоких частот, как правило, снабжаются модулирующими устройствами, позволяющими изменять по определ. закону к.-л. из параметров гармонич. или импульсных сигналов (амплитуду, частоту и др.). Особую группу Г. и. составляют т. н. с и н т е з а т о р ы ч а с т о т ы — Г. и. гармонич. колебаний, воспроизводящие с высокой стабильностью ряд частот с дискретностью до сотых долей Гц.
Промышленностью выпускается широкая гамма Г. и. с относит. погрешностью установки частоты ~0,1— 1%, стабильностью частоты до 10-6% за сутки (синтезаторы частоты), коэфф. гармоник до 0,1%, выходной мощностью 10-15—10 Вт, мин. длительностью импульсов до 10 нс.
Требования к Г. и. стандартизованы в ГОСТах 9788-78 и 23767-79 (общие требования), 10501-74 (низкочастотные Г. и.), 14126-78 (Г. и. с коаксиальным выходом), 17193-71 (Г. и. с волновым выходом), 11113-74 (Г. и. импульсов).
•Мирский Г. Я., Радиоэлектронные измерения, 3 изд., М., 1975;О сипов К. Д., Пасынков В. В., Справочник по радиоизмерительным приборам, ч. 2, 5, М., 1960— 1964.
ГЕНРИ (Гн, Н), единица СИ индуктивности и взаимной индуктивности. Названа в честь амер. учёного Дж. Генри (J. Henry). 1 Гн равен индуктивности электрич. контура, возбуждающего магн. поток в 1 вебер при силе пост. тока в нём 1 А. Другое эквивалентное определение: 1 Гн — индуктивность электрич. цепи, в к-рой возникает эдс самоиндукции в 1 В при равномерном изменении тока в этой цепи со скоростью 1 А/с. 1 Гн=1 В•с/А=1 Вб/А=109 см (ед. СГСМ) = 1,11•10-12 ед. СГСЭ.
ГЕНРИ НА МЕТР (Гн/м, Н/m), единица СИ абсолютной магн. проницаемости. 1 Гн/м равен абс. магн. проницаемости среды, в к-рой при напряжённости магн. поля 1 А/м создаётся магн. индукция 1 Тл; 1 Гн/м=1 Тл•м/А=1 Вб/(А•м)=107/4p ед. СГСМ.
ГЕНРИМЕТР, то же, что индуктивности измеритель.
ГЕОАКУСТИКА (от греч. ge — Земля и акустика), раздел акустики, в к-ром изучается распространение звук., инфразвук. и ультразвук. волн в земной коре, как возникающих в результате
природных процессов (напр., акустич. предвестники землетрясений), так и связанных с использованием упругих волн для изучения строения и св-в верх. слоев земной коры (акустич. разведка, сейсмич. разведка, глубинное сейсмич. зондирование, УЗ эхо-локация). Методы Г. явились первым применением УЗ для практич. целей, однако большое поглощение УЗ высоких частот (20 кГц и выше) в земной коре ограничивает глубину прозвучивания пород неск. десятками м. При низких звук. и инфразвук. частотах глубина прозвучивания повышается, но уменьшается возможность более детального изучения разреза. Изучение строения слоистой среды производится также непосредственно в скважинах (звук. каротаж).
ГЕОМАГНЕТИЗМ, то же, что земной магнетизм.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ АКУСТИКА, раздел акустики, в к-ром изучаются законы распространения звука на основе представления о звук. лучах как линиях, вдоль к-рых распространяется звук. энергия. Г. а.— предельный случай волн. акустики при переходе к бесконечно малой длине волны, поэтому методы Г. а. явл. приближёнными и тем точнее отражают действительность, чем меньше длина волны. Осн. задача Г. а.— вычисление траекторий звук. лучей. Наиболее простой вид лучи имеют в однородной среде, где они представляют собой прямые линии. В Г. а. имеют место в осн. те же законы и ур-ния, что и в геометрической оптике (напр., законы отражения и преломления волн).
Методами Г. а. пользуются для практич. приложений в самых разл. областях акустики; напр., в архитектурной акустике, при расчёте звук. фокусирующих систем. На основе законов Г. а. удаётся создать приближённую теорию распространения звука в неоднородных средах (напр., в море, в атмосфере). И. П. Голямина.
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА, раздел оптики, в к-ром изучаются законы распространения оптического излучения (света) на основе представлений о световых лучах. Под световым лучом понимают линию, вдоль к-рой распространяется поток световой энергии. Понятием луча можно пользоваться только в случае, когда можно пренебречь дифракцией света на оптич. неоднородностях, а это допустимо тогда, когда длина световой волны много меньше размеров неоднородностей. Законы Г. о. позволяют создать упрощённую, но в большинстве случаев достаточно точную теорию оптич. систем. Г. о. в осн. объясняет образование изображений оптических, даёт возможность вычислять аберрации оптических систем и разрабатывать методы их исправления, выводить энергетич. соотношения в световых пучках, проходящих через оптич. системы. Вместе с тем все волн. явления, в т. ч. дифракционные, влияющие на кач-во
изображений и определяющие разрешающую способность оптич. приборов, не рассматриваются в Г. о.
Представление о независимо распространяющихся световых лучах возникло ещё в античной науке. Древне-греч. учёный Евклид сформулировал закон прямолинейного распространения света и закон зеркального отражения света. В 17 в. Г. о. бурно развивалась в связи с изобретением ряда оптич. приборов (зрительная труба, телескоп, микроскоп и т. д.) и началом их широкого использования. Голл. математиком В. Снеллем и франц. учёным Р. Декартом были экспериментально установлены законы, описывающие поведение световых лучей на границе раздела двух сред (см. Снелля закон преломления). Построение теор. основ Г. о. к сер. 17 в. было завершено установлением Ферма принципа. Законы прямолинейного распространения, зеркального отражения и преломления света, исторически открытые ранее, явл. следствиями этого принципа.
С 18 в. Г. о., совершенствуя методы расчёта оптич. систем, развивалась как прикладная наука. После создания классической электродинамики было показано, что формулы Г. о. могут быть получены и из Максвелла уравнений как предельный случай, соответствующий переходу к исчезающе малой длине волны.
Г. о. явл. примером теории, позволившей при малом числе фундам. понятий и законов (представление о лучах света, законы отражения и преломления) получить много практически важных результатов. В теория оптич. устройств мн. расчёты до настоящего времени основаны на Г. о.
• Л а н д с б е р г Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики, т. 3); Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., М., 1973; Герцбергер М., Современная геометрическая оптика, пер. с англ., М., 1962.
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ ФАКТОР, величина, определяющая геометрию пучка излучения; широко используется в фотометрии, космофизике при регистрации потоков ч-ц и излучений. Г. ф. G зависит от размеров и взаимного расположения диафрагм, совместно выделяющих из всех возможных прямых то множество направлений, к-рое определяется пучком излучения и угл. апертурой приёмника излучения. Г. ф. инвариантен относительно любых поверхностей, пересекаемых прямыми, входящими в данное множество направлений, и принимается за меру этого множества (понятие о мере множества лучей впервые введено сов. учёным А. А. Гершуном в 30-х гг. 20 в.). Напр., для сопряжённых диафрагм источника и приёмника Аи и Ап (или сопряжённых нач. и кон. диафрагм оптич. системы)
dG=dАиcosqиdWи = dAпcosqпdWп, где dAи и dAп — площади диафрагм
113
источника и приёмника, qи и qп — углы между направлением излучения и перпендикулярами к излучающей и освещаемой поверхностям, dWи и dWп — заполненные излучением телесные углы со стороны диафрагм Aи и Ап. Инвариантность Г. ф. сохраняется и для широких пучков. Г. ф. используется также при построении системы фотометрических величин: яркость вдоль луча L=dФ/dG.
• Международный светотехнический словарь, 3 изд., М., 1979; Сапожников Р. А., Теоретическая фотометрия, 3 изд., М., 1977.
ГЕОФОН (от греч. ge — Земля и phone — звук), приёмник звук. волн, распространяющихся в верх. слоях земной коры. Совр. Г. (разведочные сейсмографы) снабжены электроакустическими преобразователями, превращающими колебания почвы в колебания электрич. тока, усилителем и регистрирующим шлейфовым осциллографом. Хар-ки Г. различны в зависимости от их конструкции и назначения. — Электродинамич. Г. явл. приёмником колебат. скорости, а пьезоэлектрич. Г.— приёмником ускорения ч-ц среды. Г. пользуются при акустич. исследовании горных пород, в горноспасат. работах и др.
ГЕРМАНИЙ (Ge), синтетич. монокристалл, ПП, точечная группа симметрии m3m, плотность 5,327 г/см3, Tпл=936 °С, тв. по шкале Мооса 6, ат. м. 72,60. Прозрачен в ИК области l от 1,5 до 20 мкм; оптически анизотропен, для l=1,80 мкм коэфф. преломления n=4,143. Один из осн. материалов ПП электроники (см. Полупроводниковые приборы).
ГЕРЦ (Гц, Hz), единица частоты СИ и СГС системы единиц. Названа в честь нем. физика Г. Герца (Н. Hertz). 1 Гц — частота периодического процесса, при к-рой за 1 с происходит один цикл процесса. Широко применяются кратные ед. от Г.— килогерц (1 кГц=103 Гц), мегагерц (1 МГц= = 106 Гц) и др.
ГЕРЦА ДИПОЛЬ, излучатель радиоволн, предложенный нем. физиком Г. Герцем (1888), доказавшим существование эл.-магн. волн. Герц применял медные стержни с металлич. шарами или полосами на концах и искровым промежутком посредине, подключённым к индукц. машине. Наименьший из применявшихся Герцем вибраторов имел длину l=26 см, в нём возбуждались колебания частоты v=5•108 Гц (что соответствует n= 60 см).
• См. лит. при ст. Антенна.
ГЕРЦА ПРИНЦИП, принцип наименьшей кривизны, один из вариац. принципов механики, устанавливающий, что при отсутствии активных (заданных) сил из всех кинематически возможных, т. е. допускаемых связями, траекторий действительной будет траектория, имеющая наименьшую кривизну. Этот принцип наз. также
принципом прямейшего пути; его можно рассматривать как обобщение закона инерции.
Г. п. тесно связан с принципом наименьшего принуждения (см. Гаусса принцип), поскольку величина Z, наз. принуждением, пропорц. квадрату кривизны; при идеальных связях (см. Связи механические) оба принципа имеют одинаковое матем. выражение: 6Z=0. Г. п. был применён нем. учёным Г. Герцем (1894) для построения его механики, в к-рой действие активных сил заменяется введением соответствующих связей.
ГЕТЕРОГЕННАЯ СИСТЕМА (от греч. heterogenes — разнородный), неоднородная термодинамич. система, состоящая из различных по физ. св-вам или хим. составу частей (фаз). Смежные фазы Г. с. отделены друг от друга физ. поверхностями раздела, на к-рых скачком изменяется одно или неск. св-в системы (состав, плотность, крист. структура, электрич. или магн. момент и т. д.). Примеры Г. с.: вода и водяной пар над ней (вода в двух агрегатных состояниях), уголь и алмаз (две различные по крист. структуре фазы одного в-ва — углерода), сверхпроводящая и нормальная фазы сверхпроводника, несмешивающиеся жидкости (напр., вода и растит. масло), композиц. материалы (волокнистые и дисперсноуплотнённые, содержащие различные по структуре хим. в-ва в тв. состоянии). Различие между Г. с. и гомогенной (однородной) системой не всегда ясно выражено. Так, переходную область между гетерогенными механич. смесями (взвесями) и гомогенными (молекулярными) р-рами занимают т. н. коллоидные р-ры, в к-рых ч-цы растворённого в-ва столь малы, что к ним неприменимо понятие фазы.
ГЕТЕРОПЕРЕХОД, контакт двух различных по хим. составу полупроводников. На границе раздела ПП обычно изменяются ширина запрещённой зоны, подвижность носителей яаряда, их эффективные массы и др. хар-ки. В «резком» Г. изменение св-в происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем ширина области объёмного заряда (см. Электронно-дырочный переход). В зависимости от легирования обеих сторон Г. можно создать р — n-Г. (анизотипные) и n-Г. или р — р-Г. (изотипные). Комбинации разл. Г. и монопереходов образуют гетероструктуры.
Образование Г., требующее стыковки крист. решёток, возможно лишь при совпадении типа, ориентации и периода крист. решёток сращиваемых материалов. Кроме того, в идеальном Г. граница раздела должна быть свободна от структурных и др. дефектов (дислокаций, точечных дефектов и т. п.), а также от механич. напряжений. Наиболее широко применяются монокристаллич. Г. между полупроводниковыми материалами типа AIIIBV и их твёрдыми растворами на основе
арсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al. Благодаря близости ковалентных радиусов Ga и Al изменение хим. состава происходит без изменения периода решётки. Гетероструктуры получают также на основе многокомпонентных (четверных и более) тв. растворов, в к-рых при изменении состава в широких пределах период решётки не изменяется. Изготовление монокрист. Г. и гетероструктур стало возможным благодаря развитию методов эпитаксиального наращивания ПП кристаллов (см. Эпитаксия).
Г. используются в разл. ПП приборах: ПП лазерах, светопзлучающих диодах, фотоэлементах, оптронах и т. д.
• Алферов Ж. И., Гетеропереходы в полупроводниковой электронике близкого будущего, в кн.: Физика сегодня и завтра, под ред. В. М. Тучкевича, Л., 1973; Елисеев П. Г., Инжекционные лазеры на гетеропереходах, «Квант. электрон.», 1972, № 6, с. 3.
ГЕТЕРОХРОМНАЯ ФОТОМЕТРИЯ (от греч. heteros — иной, другой и chroma — цвет), подраздел фотометрии, в к-ром рассматриваются методы сравнения интенсивности разноцветных (гетерохромных) излучений. При визуальном фотометрировании сравниваемых излучений их различие в цвете ведёт к дополнит. ошибке, к-рую можно уменьшить с помощью т. н. мигающего фотометра. Разноцветные излучения удобно сравнивать по интенсивности, используя фотоэлектрич. приёмники, если тем или иным способом придать кривой спектральной чувствительности приёмника форму кривой видности (см. Спектральная световая эффективность) человеческого глаза. В Г. ф. применяются также счётчики фотонов.
ГИББСА АНСАМБЛЬ, см. Статистический ансамбль.
ГИББСА БОЛЬШОЕ КАНОНИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, распределение вероятностей состояний статистического ансамбля систем, к-рые находятся в тепловом и материальном равновесии со средой (термостатом и резервуаром ч-ц) и могут обмениваться с ними энергией и ч-цами (через полупроницаемые перегородки) при пост. объёме. Г. б. к. р.— статистич. распределение, соответствующее Гиббса большому каноническому ансамблю. Установлено амер. физиком Дж. У. Гиббсом (J. W. Gibbs) в 1901 как фундам. закон статистической физики.
В классич. статистике вероятность распределения по состояниям определяется ф-цией распределения f(p, q), зависящей от координат q и импульсов р всех ч-ц системы. Вероятность пребывания N частиц в бесконечно малом фазовом объёме dpdq равна
элемент фазового объёма системы в ед. h3N, a N! учитывает, что перестановка тождеств. ч-ц не меняет состояния (см. Тождественности принцип).
114
Полная вероятность пребывания системы в к.-л. из состояний равна единице (она достоверно находится в одном из состояний), откуда следует, что
(условие нормировки).
Равновесная ф-ция распределения, согласно Г. б. к. р., зависит от координат и импульсов через Гамильтона функцию HN(p,q) системы
где m — химический потенциал, Z — постоянная, определяемая из условия нормировки и равная:
где суммирование ведётся по всем целым положит. N, а интегрирование — по фазовому пр-ву N ч-ц. Т. о., Z выражается через статистич. интегралы для N ч-ц и зависит от m, V, Т.
Г. б. к. р. можно вывести из микроканонического распределения Гиббса, если рассматривать данную систему вместе с термостатом и резервуаром ч-ц как одну большую замкнутую и изолиров. систему и применить к ней микроканонич. распределение. Тогда малая подсистема обладает Г. б. к. р., к-рое можно найти интегрированием по фазовым переменным термостата и резервуара ч-ц и суммированием по числам ч-ц (теорема Гиббса).
В квант. статистике статистич. ансамбль характеризуется распределением вероятности wi,N, квант. состояний г с энергией ξi,N, соответствующих числу ч-ц N, с условием нормировки Si,n wi,n= l. Г. б. к. р. для квант. систем имеет вид:
где Z — статистическая сумма для большого канонич. ансамбля Гиббса, определяемая из условия нормировки и равная:
Г. б. к. р. в квант. случае можно представить через матрицу плотности r=Z-1ехр{(H-mN)/kT}, где H — гамильтониан системы.
Г. б. к. р. как в классич., так и в квант. случае позволяет вычислить потенциал термодинамический F в переменных m, V, Т, равный: F=-kTlnZ. Г. б. к. р. не требует выполнения дополнит. условия, связанного с постоянством числа ч-ц, и поэтому удобно для практич. вычислений.
• См. лит. при ст. Статистическая физика.
Д. Н. Зубарев.
ГИББСА БОЛЬШОЙ КАНОНИЧЕСКИЙ АНСАМБЛЬ, статистический ансамбль для макроскопич. систем пост. объёма в тепловом равновесии с термостатом и в материальном равновесии с резервуаром ч-ц (обмен ч-цами можно осуществить при помощи полупроницаемых перегородок). У рассматриваемых систем переменными являются число ч-ц и энергия. Введён Дж. У. Гиббсом (1901) как одно из осн. понятий статистической физики. В случае Г. б. к. а. распределение по состояниям описывается Гиббса большим каноническим распределением.
ГИББСА КАНОНИЧЕСКИЙ АНСАМБЛЬ, см. Канонический ансамбль Гиббса.
ГИББСА МИКРОКАНОНИЧЕСКИЙ АНСАМБЛЬ, см. Микроканонический ансамбль Гиббса.
ГИББСА ПРАВИЛО ФАЗ (правило фаз), для любой термодинамически равновесной системы число параметров состояния (v), к-рые можно изменять, сохраняя число существующих фаз (j) неизмененным, определяется выражением: v=k+n-j, где k — число компонентов системы, n — число параметров состояния системы, имеющих одно и то же значение во всех фазах (обычно темп-pa Т и давление р). Величину v иногда наз. вариантностью системы. Правило фаз было выведено Дж. У. Гиббсом (1876) из условий термодинамического равновесия многокомпонентных систем. Правило справедливо при след. предположениях: 1) фазы имеют достаточно большие размеры, так что поверхностными явлениями можно пренебречь; 2) каждый компонент может проходить через поверхности раздела фаз (полупроницаемые перегородки отсутствуют). Если равновесное состояние системы определяется двумя параметрами (напр., Т и р), то v=k+2-j. Значения v<0 не имеют физ. смысла, следовательно, j£k+2, т. е. число фаз, сосуществующих в равновесии, не может превосходить числа независимых компонентов более чем на 2. При v=0 (безвариантная, или нонвариантная, система) равновесие имеет место при вполне определ. значениях Т, р к составах каждой фазы. Условие v=0 определяет, следовательно, наибольшее возможное число фаз (jмакс) в равновесной системе, составленной из определ. числа компонентов. Для k=1 (индивидуальное в-во, напр. вода) jмакс=3 (в равновесии могут находиться пар, лёд, вода, см. Тройная точка), для k=2 (бинарная система, напр. вода и соль) jмакс=4 (соль, лёд, жидкий р-р, пар) и т. д. При v=1 (одновариантная, или моновариантная, система) одну из переменных, напр. Т, можно варьировать, тогда др. переменные (р, концентрации) в условиях равновесия будут полностью определяться темп-рой.
Г. п. ф. применяется в металловедении, металлургии, петрографии, хим. технологии при исследовании многокомпонентных гетерогенных систем, т. к. позволяет рассчитывать возможное число фаз и степеней свободы в равновесных системах при любом числе компонентов.
• Гиббс Дж. В., Термодинамические работы, пер. с англ., М.— Л., 1950, с 143; Древинг В. П., Калашников Я. А., Правило фаз с изложением основ термодинамики, 2 изд., М., 1964, с. 133; Сторонкин А. В., Термодинамика гетерогенных систем, ч. 1—3, Л., 1967—69; Карапетьянц М. X., Химическая термодинамика, 3 изд., М., 1975.
ГИББСА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, равновесные распределения вероятностей состояний статистич. систем в разл. физ. условиях — фундам. законы статистич. физики, установленные Дж. У. Гиббсом (1901). Г. р. имеют место как для состояний классич. систем, полная энергия к-рых определяется Гамильтона функцией Н (р, q) в фазовом пр-ве координат q и импульсов р всех ч-ц системы, так и для квант. состояний систем, характеризуемых уровнями энергии.
К энергетически изолированным от окружающей среды системам с энергией 8 при пост. объёме V и с заданным числом ч-ц N (микроканонический ансамбль Гиббса) применимо микроканонич. распределение Гиббса
f(p,q)=Ad{H(p,q)-ξ},
где d — дельта-функция Дирака, А — постоянная, позволяющая определить энтропию системы как ф-цию ξ, V, N. Системы в контакте с термостатом, т. е. с перем. энергией, имеющие пост. объём и заданное число ч-ц (канонический ансамбль Гиббса), описываются канонич. распределением Гиббса
где F — свободная энергия (Гельмгольца энергия) как ф-ция V, Т, N. Системы, имеющие пост. объём, при термич. и матер. контакте с термостатом (т. н. Гиббса большой канонический ансамбль) обладают перем. энергией и перем. числом ч-ц (за счёт обмена с термостатом энергией и в-вом) и описываются большим канонич. распределением Гиббса
где m, — химический потенциал, W — термодинамич. потенциал в переменных V, Т, m.
Системы в термич. и механич. контакте с окружающей средой, т. е. с переменными энергией и объёмом, но пост. давлением р (изобарически-изотермич. ансамбль Гиббса), описываются изобарич. Г. р.
где G — Гиббса энергия.
Для квант. систем Г. р. имеют такую же форму, но вместо Н(р, q) в них стоит энергия квант. уровня системы ξi. Из условия, что полная вероятность пребывания системы в к.-л. из состояний равна единице (условие нормировки), определяются кон-
115
станты A, F, W, G в Г. р., т. е. все потенциалы термодинамические (см. Статистическая физика). Для вычисления термодинамич. ф-ций можно пользоваться любым Г. р., они в этом случае эквивалентны, несмотря на то что каждое Г. р. соответствует определ. физ. условиям.
ГИББСА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ, то же, что Гиббса энергия.
ГИББСА ЭНЕРГИЯ (изобарно-изотермический потенциал, свободная энтальпия), один из потенциалов термодинамических; характеристическая функция термодинамич. системы при независимых параметрах р (давление), Т (термодинамич. темп-pa) и N (число ч-ц в системе). Обозначается G (иногда Z, Ф), определяется через энтальпию Н, энтропию S и темп-ру Т равенством: G=H-TS. С Гельмгольца энергией F Г. э. связана соотношением: G=F+pV. Г. э. пропорц. числу ч-ц N; отнесённая к одной ч-це, она наз. химическим потенциалом. Г. э. удобна для описания процессов, в к-рых возможен обмен в-вом с окружающими телами. Понятие «Г. э.» введено в термодинамику амер. физиком Дж. У. Гиббсом В (1874). изотермическом равновесном процессе, происходящем при пост. давлении, убыль Г. э. системы равна полной работе системы за вычетом работы против внеш. давления (т. е. равна макс. полезной работе). Г. э. выражают обычно в кДж/моль или кДж/кг.
ГИГА... (от греч. gigas — гигантский), приставка к наименованию ед. физ. величины для образования наименования кратной единицы, равной 109 исходных ед. Обозначения: Г, G. Пример: 1 ГГц (гигагерц)=109 Гц.
ГИГАНТСКИЙ РЕЗОНАНС, широкий максимум в зависимости сечения s ядерных реакций от энергии возбуждения ядра в результате его вз-ствия с налетающей ч-цей или g-квантом (рис.).
Идеализированное изображение Ml, El, Е20 (изоскалярных) и Е21изовекторного) резонансов.
Наблюдается у всех ядер (за исключением дейтрона). Впервые Г. р. наблюдался в фотоядерных реакциях (1947). Наиболее изучен дипольный Г. р. В рамках коллективных моделей ядра он объясняется возникновением в ядре перем. электрич. дипольного момента в результате колебаний протонов и нейтронов друг относительно друга. Энергия Г. р.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИГАНТСКИХ РЕЗОНАНСОВ (Гм — ЭНЕРГИЯ, СООТВЕТСТВУЮЩАЯ МАКСИМУМУ СЕЧЕНИЯ)
плавно убывает с ростом массового числа А. Ширина Г. р. Г определяется временем затухания колебаний. Она сильно зависит от формы ядра и изменяется от ~ 4 МэВ для сферич. ядер до 6—8 МэВ для сильно деформиров. ядер. Для лёгких ядер Г. р. имеет тонкую структуру; для средних и тяжёлых сферич. ядер Г. р. имеет форму широкого максимума, для сильно деформированных ядер Г. р. расщепляется на два максимума, соответствующих дипольным колебаниям параллельно и перпендикулярно оси симметрии эллипсоидального ядра.
Помимо фотояд. реакций, Г. р. обнаружен в реакциях с участием эл-нов, протонов, a-частиц, ионов 3He+,6Li+ , в радиац. захвате пи-мезонов и др. Наряду с электрич. дипольным Г. р. наблюдались более слабо выраженные: электрический, квадрупольный (Е2), электрический октупольный (Е3), электрический монопольный (Е0) и магнитные (M1 и М2) Г. р. Различают изоскалярный (с изотопическим спином 0) и изовекторный (с изотопич. спином 1) Г. р., соответствующие синфазным (индекс 0) и противофазным (индекс 1) колебаниям протонов относительно нейтронов в ядре (см. табл.).
• См. лит. при ст. Ядерные реакции.
Г. М. Гуревич.
ГИГРОСКОПИЧНОСТЬ (от греч. hygros — влажный и skopeo — наблюдаю), свойство материалов поглощать (сорбировать) влагу из воздуха. Г. обладают смачиваемые водой (гидрофильные; см. Гидрофильность и гидрофобность) материалы капиллярно-пористой структуры (напр., древесина), в тонких капиллярах к-рых происходит конденсация влаги (см. Капиллярная конденсация), а также хорошо растворимые в воде в-ва (поваренная соль, сахар, концентриров. серная к-та), особенно хим. соединения, образующие с водой кристаллогидраты. Кол-во поглощённой в-вом влаги (гигроскопич. влажность) возрастает с увеличением влагосодержания воздуха и достигает максимума при относит. влажности 100%.
ГИДРАВЛИКА (от греч. hydor — вода и aulos — трубка), наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики. В отличие от гидромеханики, в Г. устанавливают приближённые зависимости, ограничиваясь во мн. случаях рассмотрением одномерного движения и широко используя при этом эксперимент как в лабораторных, так и в натурных условиях.
В Г. изучают движение капельных жидкостей, считая их обычно несжимаемыми. Однако выводы Г. применимы и к газам в тех случаях, когда их плотность можно практически считать постоянной. Рассматривая гл. обр. т. н. внутр. задачу, т. е. движение жидкости в тв. границах, Г. почти не касается вопроса о распределении силового воздействия на поверхность обтекаемых тел. Г. обычно разделяют на две части: теор. основы Г., где излагаются важнейшие положения учения о равновесии и движении жидкостей, и практич. Г., где эти положения применяются для решения частных вопросов инженерной практики. Осн. разделы практич. Г.: течение по трубам (Г. трубопроводов), течение в каналах и реках (Г. открытых русел), истечение жидкости из отверстий и через водосливы, движение в пористых средах (фильтрация). Во всех разделах Г. рассматривается как установившееся (стационарное), так и неустановившееся (нестационарное) движение жидкости. При этом осн. исходными ур-ниями явл. Бернулли уравнение, неразрывности уравнение и ф-лы для определения потерь напора.
В Г. трубопроводов рассматриваются способы определения размеров труб, необходимых для обеспечения заданного расхода жидкости при заданных условиях и для решения ряда вопросов, возникающих при проектировании и строительстве трубопроводов разл. назначения (водопроводы, напорные трубопроводы гидроэлектростанций, нефтепроводы и пр.); исследуется вопрос о распределении скоростей в трубах, что имеет большое значение для расчётов теплопередачи, устройств пневматич. и гидравлич. транспорта, при измерении расходов и т. д. Теория неустановившегося движения в трубах используется при исследовании явления гидравлического удара.
В Г. открытых русел изучают течение воды в каналах и реках. Здесь рассматриваются способы определения глубины воды в каналах при заданном расходе и уклоне дна, применяемые при проектировании судоходных, оросит., гидроэнергетич. и др. каналов, при выправительных работах на реках и пр. При этом исследуют также вопрос о распределении скоростей по сечению
116
потока, что существенно для гидрометрии, расчёта движения наносов и пр.
В разделах Г., посвящённых истечению жидкости из отверстий и через водосливы, приводятся расчётные зависимости для определения необходимых размеров отверстий в разл. резервуарах, шлюзах, плотинах, водопропускных трубах и т. д., а также для определения скоростей истечения жидкостей и времени опорожнения резервуаров. Гидравлич. теория фильтрации даёт методы расчёта дебита и скорости течения жидкости в разл. условиях безнапорного и напорного потоков (фильтрация воды через плотины, фильтрация нефти, газа и воды в пластовых условиях, фильтрация из каналов, приток к грунтовым колодцам и пр.). В Г. исследуется также движение наносов в открытых потоках и пульпы в трубах, методы гидравлич. измерений, моделирование гидравлич. явлений и нек-рые др. вопросы.
Практич. значение Г. возросло в связи с потребностями совр. техники в решении вопросов транспортировки разл. жидкостей и газов и др. проблем, требующих учёта вязкости жидкостей, их неоднородности и т. п. Г. постепенно превращается в один из прикладных разделов общей науки о движении жидкостей — механики жидкости.
• Альтшуль А. Д., Киселев П. Г., Гидравлика и аэродинамика, 2 изд., М., 1975; Чугаев Р. Р., Гидравлика, 3 изд., Л., 1975; Емцев Б. Т., Техническая гидромеханика, М., 1978.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР, явление резкого изменения давления в жидкости, вызванное быстрым (мгновенным) изменением скорости её течения в напорном трубопроводе (напр., при быстром перекрытии трубопровода запорным устройством).
Увеличение давления при Г. у. определяется в соответствии с теорией Н. Е. Жуковского по ф-ле:
Dр=r(v0-v1)c,
где Ар — увеличение давления в Па, r — плотность жидкости в кг/м3, v0 и v1 — ср. скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки в м/с, с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода. При абсолютно жёстких стенках с равна скорости звука а в жидкости (в воде «=1400 м/с). В трубах с упругими
стенками
где D и
б — диаметр и толщина стенок трубы, Е и e — модули упругости материала стенок трубы и жидкости. При очень большом увеличении давления Г. у. может вызвать аварии. Для их предупреждения на трубопроводах устанавливают предохранит. устройства (уравнительные резервуары, возд. колпаки, вентили и др.).
• Жуковский Н. Е., О гидравлическом ударе в водопроводных трубах, М.—Л., 1949; Картвелишвили Н. А., Динамика напорных трубопроводов, М., 1979.
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, сопротивление движению жидкостей (и газов) по трубам, каналам и т. д.. обусловленное их вязкостью.
См. Гидродинамическое сопротивление.
ГИДРОАКУСТИКА (от греч. hydor— вода и акустика), раздел акустики, в к-ром с целью подводной локации, связи и т. п. изучается распространение звук. волн в водной среде (в океанах, морях, озёрах и т. д.). Особенность подводных звуков — их слабое затухание, вследствие чего под водой звук может распространяться на значительно большие расстояния, чем, напр., в воздухе. Так, в диапазоне частот 500—2000 Гц дальность распространения под водой звука ср. интенсивности достигает 15—20 км, а в диапазоне УЗ частот — 3—5 км. Звук мог бы распространяться и на значительно большие расстояния, однако в естеств. условиях, кроме затухания, обусловленного вязкостью воды, ослабление звука происходит за счёт рефракции звука и его рассеяния и поглощения разл. неоднородностями среды. Рефракция звука вызывается неоднородностью св-в воды, гл. обр. по вертикали, вследствие
Рис. 1. Рефракция звука в воде: а — летом; б — зимой; слева — изменение скорости с глубиной.
изменения с глубиной гидростатич. давления, солёности и темп-ры в результате неодинакового прогрева массы воды солнечными лучами. В результате скорость распространения звука изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года (рис. 1), времени дня, глубины водоёма и ряда др. причин; напр., зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Из-за рефракции образуются т. н. зоны тени (мёртвые зоны — рис. 1, а), т. е. области, расположенные недалеко от источника, в к-рых слышимость отсутствует.
Рефракция, однако, может приводить не только к уменьшению, но и к увеличению дальности распространения звука (сверхдальнее распространение звука под водой). На нек-рой глубине под поверхностью воды находится слой, в к-ром звук распространяется с наименьшей скоростью; выше скорость звука увеличивается из-за повышения
темп-ры, а ниже — вследствие увеличения гидростатич. давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции возвращается в него обратно (рис. 2). Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звук ср. интен-
Рис. 2. Распространение звука в подводном звук. канале: а — изменение скорости звука с глубиной; б — ход лучей в звук. канале.
сивности (напр., звуки взрыва небольших зарядов массой 1—2 кг) может быть зарегистрирован на расстояниях в сотни и тысячи км.
На распространение звука высокой частоты, в частности ультразвука, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естеств. водоёмах: микроорганизмы, пузырьки газов и т. д. Они поглощают и рассеивают энергию звук. волн. В результате с повышением частоты звук. колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей. Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, к-рая явл. значит. помехой для ряда практич. применений Г., в частности для гидролокации. Пределы дальности распространения подводного звука лимитируются также т. н. собств. шумами моря, с одной стороны, возникающими от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т. п., а с другой стороны, связанными с морской фауной (звуки, производимые рыбами и др. морскими животными).
Г. получила широкое практич. применение, т. к. никакие виды эл.-магн. волн, включая и световые, не распространяются в воде (вследствие её значит. электропроводности) на сколько-нибудь значит. расстояния, поэтому звук явл. единств. возможным средством получения информации и средством связи под водой. Для этих целей пользуются как звук. частотами от 300 до 16 000 Гц, так и ультразвуковыми от 16 000 Гц и выше. Наиболее широко в Г. применяются эхолоты и гидролокаторы, к-рыми пользуются для навигац. целей (плавание вблизи скал, рифов и др.), для рыбопромысловой разведки, поисковых работ, для решения военных задач (по-
117
иски подводных лодок противника, бесперископная торпедная атака и т. д.). Пассивным средством подводного наблюдения служит шумопеленгатор.
• Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, М., 1957; Подводная акустика, пер. с англ., т. 1—2, М., 1965—70; С т а ш к е в и ч А. П., Акустика моря, Л., 1986; Толстой И., К л е й К. С., Акустика океана, пер. с англ., М., 1969.
Р. Ф. Швачко.
ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА (от греч. hydor — вода, aer — воздух и механика), раздел механики, посвящённый изучению равновесия и движения жидких и газообразных сред и их вз-ствия между собой и обтекаемыми ими тв. телами.
Развитие Г. протекало в тесной связи с запросами практики — мореплавания и военного дела. Ещё в 3 в. до н. э. были открыты законы гидростатики, послужившие основой теории равновесия жидкости и плавания тел. Законы сопротивления, определявшие силы, действующие на тело при его движении в жидкости (в т. ч. из-за вязкости) и впервые теоретически сформулированные И. Ньютоном (1687), открыли путь для создания теор. гидродинамики. Ур-ния движения идеальной жидкости (Эйлера уравнения гидродинамики) позволяют решить мн. задачи Г. аналитич. методами и в ряде случаев дают правильное представление об общей картине движения жидкостей и газов. Но движение реальных сплошных сред, обладающих вязкостью и теплопроводностью, подчиняется более сложным Навье — Стокса уравнениям, решение к-рых в общем виде представляет большие трудности. Поэтому главную роль при получении практич. результатов продолжает играть предложенная нем. учёным Л. Прандтлем теория пограничного слоя, согласно к-рой всё действие вязкости и теплопроводности сказывается лишь в тонком слое жидкости или газа, примыкающем к обтекаемой поверхности. Вне этого слоя течение описывается ур-ниями идеальной жидкости, а внутри него — ур-ниями Навье — Стокса, преобразующимися в более простые ур-ния, поддающиеся аналитич. или численному решению.
Такой приём разделения течения па невязкую и вязкую части применим и к изучению движения сжимаемых сплошных сред (газов), легко изменяющих свой объём, а следовательно и плотность, под действием сил давления или при изменении темп-ры (в отличие от несжимаемых жидкостей). Раздел Г., в к-ром изучается движение сжимаемых сплошных сред, наз. газовой динамикой.
Создание воздушно-реактивных двигателей, ракетных двигателей на жидком и твёрдом топливе, наступление эры косм. полётов, увеличение скоростей атомных подводных лодок, появление мировой службы погоды с использованием ИСЗ и др. элементы техн. и науч. прогресса 20 в. подняли значение Г.
Совр. Г.— разветвлённая наука, состоящая из мн. разделов и тесно связанная с др. науками, прежде всего с физикой, математикой и химией. Движение несжимаемых жидкостей изучается в гидродинамике, а газов и их смесей, в т. ч. воздуха,— в газовой динамике и аэродинамике. Разделами Г. явл. теория фильтрации и теория волн. движения жидкости. Техн. приложения Г. изучаются в гидравлике и прикладной газовой динамике, а приложения законов Г. к изучению климата и погоды исследуются в динамич. метеорологии.
Методами Г. решаются самые разнообразные техн. задачи во мн. областях науки и техники: в авиации, артиллерии и ракетостроении, кораблестроении и энергомашиностроении, при добыче нефти и газа и строительстве нефте- и газопроводов, при создании хим. аппаратов и в металлургии, при изучении биол. процессов (дыхание, кровообращение), в гидротехн. строительстве, в теории горения, в метеорологии и гляциологии, в исследованиях загрязнения окружающей среды и т. д.
Первая осн. задача Г.— определение сил, действующих на движущиеся в жидкости или газе тв. тела и их элементы, и определение наивыгоднейшей формы тел. Знание этих сил даёт возможность найти потребную мощность двигателей, приводящих тело в движение, и законы движения тел. Вторая осн. задача — профилирование (определение наивыгоднейшей формы) проточных каналов разл. газовых и жидкостных машин: реактивных двигателей самолётов и ракет, газовых, водяных и паровых турбин электростанций, центробежных и осевых компрессоров и насосов и др. Третья задача состоит в определении параметров газа или жидкости вблизи поверхности тв. тел для учёта силового, теплового и физ.-хим. воздействия на них со стороны потока газа или жидкости. Эта задача относится как к обтеканию тел жидкостью или газом, так и к течению жидкостей и газов внутри каналов разной формы. Четвёртой задачей явл. исследование движения воздуха в атмосфере и воды в морях и океанах, к-рое производится в геофизике (метеорология, физика моря) с помощью методов и ур-ний Г. К ней примыкают задачи о распространении взрывных и ударных волн и струй реактивных двигателей в воздухе и воде.
Решение практич. задач Г. в разл. отраслях техники производится как эксперим. методами, базирующимися на подобия теории, так и расчётно-теор. методами. Совр. техника приходит к таким областям параметров
невозможно создать условия для полного эксперим. исследования течения на моделях. Тогда в эксперименте производится частичное моделирование, т. е. исследуются отдельные физ. явления в движущемся газе или жидкости, имеющие место в действительном течении, определяется физ. модель течения и находятся необходимые эксперим. зависимости между характерными физ. параметрами. Теор. методы, основанные на точных или приближённых ур-ниях, описывающих течение, позволяют объединить, используя данные эксперимента, все существенные физ. явления, имеющие место в движущемся газе или жидкости, и найти параметры течения с учётом всех этих явлений для данной конкретной задачи. Теор. методы стали значительно эффективней с появлением быстродействующих ЭВМ. Применение ЭВМ для решения задач Г. изменило и методы их решения. При использовании ЭВМ решение производится часто прямым интегрированием исходной системы ур-ний, описывающей движение жидкости или газа и все физ. процессы, сопровождающие это движение.
• Седов Л. И., Механика сплошной среды, 3 изд., т. 1—2, М., 1976; Л о й ц я н с к и й Л. Г., Механика жидкости и газа, 5 изд., М., 1978; Прандтль Л., Гидроаэромеханика, пер. с нем., М., 1949.
С. Л. Вишневецкий.
ГИДРОДИНАМИКА (от греч. hydor — вода и динамика), раздел гидроаэромеханики, в к-ром изучается движение несжимаемых жидкостей и их вз-ствие с тв. телами. Г.— исторически наиболее ранний и сильно развитый раздел механики жидкостей и газов, поэтому иногда Г. не вполне правомерно наз. всю гидроаэромеханику или относят к Г. проблемы, составляющие предмет газовой динамики, где изучается движение сжимаемых сред.
Физ. св-вами жидкостей, лежащими в основе построения теор. моделей, явл. непрерывность, или сплошность, т. е. непрерывное распределение в пр-ве физ. параметров, характеризующих жидкость, и лёгкая подвижность, или текучесть, т. е. слабое противодействие жидкостей даже сколь угодно малым силам, вызывающим относит. скольжение ч-ц жидкости. В то же время большинство жидкостей оказывает значит. сопротивление сжатию, и они практически не изменяют свой объём под действием всесторонних сил давления, нормальных к поверхности, ограничивающей рассматриваемый объём. В теор. Г. для описания движения несжимаемой жидкости, обладающей сплошностью и текучестью, а также вязкостью, характеризующей внутр. трение в жидкости, пользуются неразрывности уравнением и Навье — Стокса уравнениями, к-рые явл. следствием применения законов сохранения массы и кол-ва движения к элем. объёму жидкости. Решение этих ур-ний в общем случае
118
сложно и может быть доведено до конца лишь в отдельных частных случаях и при след. упрощающих предположениях: отсутствие вязкости (идеальная жидкость — см. Эйлера уравнения гидродинамики), малая вязкость (воздух, вода), безвихревое, или потенциальное течение, установившееся, плоское, осесимметричное, одномерное движение (уменьшение числа независимых переменных соотв. до трёх — х, у, z или х, у, t, двух — х, у или х, t и одной — х). В случае турбулентного течения, характеризуемого интенсивным перемешиванием отдельных элем. объёмов жидкости и связанным с этим переносом массы, кол-ва движения и кол-ва теплоты, пользуются моделью «осреднённого» по времени движения, что позволяет описать осн. черты турбулентного течения жидкости и решать прикладные задачи. В этом, как и в др. случаях решения задач Г., широко применяется гидродинамич. эксперимент, основанный на подобия теории и использующий подобия критерии. Методы Г. позволяют рассчитать скорость, давление и др. параметры жидкости в любой точке занятого жидкостью пр-ва в любой момент времени. Это даёт возможность определить силы давления и трения, действующие на движущееся в жидкости тело или на стенки канала (русла), являющиеся границами для движущегося потока жидкости.
Разделами Г., как составной части гидроаэромеханики, явл. теория фильтрации, теория волновых движений жидкости, теория вихрей, теория кавитации, теория глиссирования. Равновесие плавающих тел, составляющее основу теории корабля, рассматривается в гидростатике. Движение электропроводных жидкостей в присутствии магн. нолей изучает магнитная гидродинамика. Методы Г. позволяют успешно решать задачи гидравлики, гидрологии, гидротехники, расчёта гидротурбин, насосов, трубопроводов и др.
• Л а м б Г., Гидродинамика, пер. с англ., М.— Л., 1947; Б и р к г о ф Г., Гидродинамика, пер. с англ., М., 1963; С е д о в Л. И., Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики, 2 изд., М., 1966; его же, Механика сплошной среды, 3 изд., т. 1—2, М., 1976; Лойцянский Л. Г., Механика жидкости и. газа, 5 изд., М., 1978.
С. Л, Вишневецкий.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ, устройство, преобразующее часть энергии турбулентной затопленной струи жидкости в энергию акустич. волн. Работа Г. и. основана на генерировании возмущений в жидкой среде при вз-ствии вытекающей из сопла струи с препятствием определённых формы и размеров либо при принудительном периодич. прерывании струи. Эти возмущения оказывают обратное действие на основание струи у сопла, способствуя установлению автоколебат. режима. Механизм излучения звука может быть различным в зависимости от конструкции Г. и.,
к-рая принципиально отличается от конструкций газоструйных излучателей, т. к., во-первых, вытекание жидкости из сопла со сверхзвук. скоростью осуществить невозможно, а во-вторых, использование резонирующего объёма для Г. и. неэффективно ввиду относительно невысокого коэфф. отражения звука на границе жидкость — металл.
Наибольшее распространение получили пластинчатые Г. и., состоящие из погруженных в жидкость прямоугольного щелевого сопла (рис. 1) и заострённой в сторону струи пластинки, к-рая крепится в узловых точках (рис. 1, а) либо консольно (рис. 1, б).
Рис. 1. Принципиальная конструкция пластинчатых гидродинамич. излучателей с креплением пластинки: о — в узловых точках; б — консольно; 1 — сопло; 2 — пластинка; 3 — точки крепления (узлы колебаний).
При натекании на пластинку потока жидкости в ней возбуждаются изгибные колебания. Для генерирования интенсивных колебаний необходимо, чтобы собств. частота пластинки и частота автоколебаний струи совпадали. В другой модификации Г. и. используется кольцевое щелевое сопло, образованное двумя конич. поверхностями, а колеблющимся препятствием служит полый цилиндр, к-рый разрезан вдоль образующих, так что создаётся система расположенных по окружности консольных пластин.
Рис. 2. Конструкция пластинчатого гидродинамич. излучателя с кольцевым соплом 1 и расположенными по окружности консольными пластинками 2 (D — диаметр цилиндра, d — диаметр отверстия в его дне).
Излучение Г. и. возможно также за счёт пульсации кавитац. полости, образующейся между соплом и препятствием. В этом случае интенсивность колебаний определяется соотношением диаметра сопла и диаметра лунки на торце отражателя. Существуют также роторные Г. и., работа к-рых подобна работе сирен и сводится к периодич. прерыванию струи жидкости.
Г. и. излучают акустич. колебания в широком частотном диапазоне — от 0,3 до 35 кГц с макс. интенсивностью порядка 1,5—2,5 Вт/см2. Г. и.
применяются для интенсификации разл. технол. процессов: приготовления высококачеств. эмульсий из несмешивающихся друг с другом жидкостей, диспергирования тв. ч-ц в жидкостях, ускорения процессов кристаллизации в р-рах, расщепления молекул полимеров, очистки стального литья после прокатки и т. д.
• Константинов Б. П., Гидродинамическое звукообразование и распространение звука в ограниченной среде, Л., 1974; Ультразвук, М., 1979 (Маленькая энциклопедия).
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (гидравлическое сопротивление), сопротивление движению тела со стороны обтекающей его жидкости или сопротивление движению жидкости, вызванное влиянием стенок труб, каналов и т. д. При обтекании неподвижного тела потоком жидкости (газа) или, наоборот, когда тело движется в неподвижной среде, Г. с. представляет собой проекцию гл. вектора всех действующих на тело сил на направление движения. Г. с.
Х=Сx (rv2/2)S, где r — плотность
среды, v — скорость, S — характерная для данного тела площадь. Г. с, летат. аппаратов наз. аэродинамическим сопротивлением.
Безразмерный коэфф. Г. с. Сx зависит от формы тела, его положения относительно направления движения и подобия критериев. Силу, с к-рой жидкость действует на каждый элемент поверхности движущегося тела, можно разложить на нормальную и касат. составляющие, т. е. на силу давления и силу трения. Проекция результирующей всех сил давления на направление движения даёт Г. с. давления, а проекция результирующей всех сил трения на направление движения — Г. с. трения. Тела, у к-рых сопротивление от сил давления мало по сравнению с сопротивлением от сил трения, считаются хорошо обтекаемыми. Г. с. плохо обтекаемых тел определяется почти полностью сопротивлением давления. При движении тел вблизи поверхности раздела двух сред образуются волны, в результате чего возникает волновое сопротивление.
При протекании жидкости по трубам, каналам и т. д. в гидравлике различают два вида Г. с.: сопротивление трения, прямо пропорц. длине участка потока, и местные гидравлич. сопротивления, связанные с изменением структуры потока (отрывы, вихреобразование) на коротком участке при обтекании разл. препятствий (в виде клапанов, задвижек и др.), а также при внезапном расширении или сужении потока или при изменении направления его течения. В гидравлич. расчётах Г. с. оценивается величиной «потерянного» напора hv, представляющего собой ту часть уд.
119
энергии потока, к-рая необратимо расходуется на работу сил сопротивления.
Определение величины Г. с. имеет большое значение при проектировании и постройке самых разнообразных гидротехн. сооружений, установок и аппаратов (турбинные установки, воздухо- и газоочистит. аппараты, газо-, нефте- и водопроводные магистрали, компрессоры, насосы и т. д.).
• Идельчик И. Е., Справочник по гидравлическим сопротивлениям, 2 изд., М., 1975.
ГИДРОЛОКАТОР, гидроакустич. устройство для определения положения подводных объектов при помощи звук. сигналов. Существуют разл. принципы действия Г. (см. Гидролокация),
Блок-схема гидролокатора.
но наиб. распространены импульсные Г. (рис.). Излучение импульса акустического на фиксированной звук. или ультразвук. частоте и приём отражённого от лоцируемого объекта эхо-импульса в таком Г. производится посредством направленной приёмно-излучающей гидроакустич. антенны 3, состоящей из набора электроакустических преобразователей и расположенной в обтекателе 1, прикреплённом к днищу корабля 2. Поворотное устройство позволяет устанавливать антенну в произвольном положении в горизонт. плоскости и производить поиск по азимуту. Реле приёма — передачи 4 подключает антенну поочерёдно к передающему 5 и приёмному 6 трактам. В режиме излучения электрич. импульс, сформированный в модуляторе 9 (куда подаётся сигнал звук. или ультразвук. частоты от генератора 8 и видеоимпульс от формирователя 7), после усиления в усилителе мощности 10 поступает на преобразователи антенны, к-рые излучают в воду акустич. сигнал длительностью 10—100 мс. В режиме приёма отражённые звук. сигналы, принятые преобразователем 3, усиливаются приёмным усилителем 11 и подаются на блок слухового контроля 12 и одновременно после детектора 13 — на электронно-лучевой индикатор 14 и регистратор 15. При равномерном движении цели отметки
на ленте регистратора, соответствующие последовательным отражениям, располагаются на прямолинейной «трассе»; по наклону этой прямой можно определить скорость движения цели. Определение скорости цели по единичной посылке производится на основе Доплера эффекта с помощью дополнит. тракта 16. Для согласования динамич. диапазонов принимаемых сигналов и регистрирующей аппаратуры служит блок регулировки 17.
По способу обзора пр-ва различают Г. шагового поиска, секторного поиска и кругового обзора. При шаговом поиске и пеленговании антенна Г. поворачивается в горизонт. плоскости на угол 2,5—15°. При секторном поиске акустич. энергия излучается в определ. секторе, а приём и пеленгование производятся путём быстрого сканирования в пределах этого сектора. При круговом обзоре используется ненаправленное излучение и направленный приём при помощи антенны с веерной хар-кой направленности; это обеспечивает обнаружение и пеленгование всех окружающих Г. объектов. ГИДРОЛОКАЦИЯ (от греч. hydor — вода и лат. locatio — размещение), определение положения подводных объектов при помощи акустич. сигналов, излучаемых самими объектами (пассивная локация) или возникающих в результате отражения от подводных объектов искусственно создаваемых звук. сигналов (активная локация). Г. имеет большое значение в навигации для обнаружения невидимых подводных препятствий, в рыбном промысле для обнаружения косяков и отд. крупных рыб, в океанологии как инструмент исследования физ. св-в океана, картографирования морского дна, поиска затонувших судов и т. п. Г. применяется также в военных целях для обнаружения подводных лодок, надводных кораблей и др. и наблюдения за ними, для определения координат целей при применении торпедного и ракетного оружия.
При пассивной локации (шумопеленгации) с помощью шумопеленгатора определяют направление на источник звука (пеленг источника), пользуясь звук. полем, создаваемым самим источником. При этом применяют разл. методы: поворачивают приёмную акустич. антенну с острой направленностью до положения, в к-ром принятый сигнал имеет макс. интенсивность (т. н. макс. метод пеленгования); измеряют разность фаз между сигналами на выходе двух разнесённых в пр-ве антенн (фазовый метод); определяют относит. разницу во времени приёма сигналов двумя разнесёнными антеннами посредством измерения взаимной корреляции (корреляц. метод), а также путём комбинации этих методов. Расстояние до объекта определяют по двум или неск. пеленгам, полученным неск. приёмными
системами, разнесёнными на расстояния, сравнимые с расстоянием до лоцируемого объекта (метод триангуляции); так определяется не только положение шумящего объекта, но и траектория его движения. Системы пассивной Г. применяются гл. обр. для гидроакустич. оснащения подводных лодок и надводных кораблей. Пассивной Г. пользуются также при обнаружении подводных шумящих объектов с помощью распределённых береговых и донных систем звукоприёмников, данные от к-рых по подводному кабелю передаются на береговые системы обработки, а также с помощью системы гидроакустич. радиобуев, информация от к-рых принимается по радиоканалу спец. самолётами, курсирующими в районе плавания буёв.
Если источник звука излучает короткий звук. импульс, то положение источника можно определить по разностям времён прихода импульсов, принятых ненаправленными приёмниками в трёх или более разнесённых по пр-ву пунктах. Таким способом определения местоположения источников пользуются в береговой системе дальнего обнаружения судов, терпящих бедствие в открытом океане (система СОФАР); источником звука при этом служит взрыв заряда, погружаемого на определ. глубину.
Системы активной Г. основаны на явлении звук. эха (рис. 1) и различаются методами модуляции (см. модуляция колебаний) посылаемого сигнала и способами обзора пр-ва.
Рис. 1. Принцип работы гидролокатора: 1 — излучатель; 2 — приёмник; 3 — отражающее тело.
Для определения дальности объекта чаще всего пользуются амплитудной и частотной модуляциями сигнала. При амплитудной импульсной модуляции расстояние R до цели находится по времени запаздывания t0 отражённого импульса: R=ct0/2, где с — скорость распространения звука в среде. При частотной модуляции частота / излучаемого сигнала меняется со временем t по линейному закону f(t)=f0+gt, где t0 и g — постоянные начальная частота и скорость изменения частоты. Отражённый сигнал, принятый приёмником 3 (рис. 2, а), отличается по частоте от сигнала, излучаемого в данный момент (рис. 2, б), т. к. принятый сигнал (рис. 2, в) представляет собой задержанную на время tc копию посланного сигнала, а частота излучаемого сигнала за
120
время tс изменилась согласно приведённой ф-ле. Для неподвижной цели разность частот постоянна и равна: f- =gtс (рис. 2, г). Выделив разностную частоту, определяют расстояние до цели R=сf-/2g. Аналогична схема действия гидролокатора с шумовым излучением и корреляц. обработкой сигнала.
Осн. хар-кой гидролокаторов явл. дальность обнаружения, к-рая зависит от мощности излучаемого сигнала, от уровня акустич. помех и от условий распространения звука в водной среде. Её обычно определяют по величине т. н. порогового сигнала, т. е. сигнала мин. интенсивности, ещё различимого на фоне помех.
Рис. 2. а — блок-схема гидролокатора с частотной модуляцией: 1 — генератор, 2 — излучатель, 3 — приёмник, 4 — усилитель, 5 — смеситель, 6 — детектор, 7 — фильтр; б — посланный сигнал; в — принятый сигнал; г — принятый сигнал для неподвижной цели.
Наряду с помехами на дальность обнаружения оказывает влияние рефракция звука, имеющая место в сложных гидрол. условиях. Совр. гидролокаторы способны обнаруживать большие отражающие объекты в среднем на расстоянии неск. км.
• Сташкевич А. П., Акустика моря, Л., 1966; Тюрин А. М., С т а ш к е в и ч А. П., Таранов Э. С., Основы гидроакустики, Л., 1966.
ГИДРОМЕХАНИКА (от греч. hydor — вода и механика), раздел механики, в к-ром изучается движение и равновесие практически несжимаемых жидкостей. Соотв. подразделяется на гидродинамику и гидростатику. Часто под термином «Г.» подразумевают гидроаэромеханику в целом.
ГИДРОСТАТИКА (от греч. hydor — вода и статика), раздел гидроаэромеханики, в к-ром изучается равновесие жидкости и воздействие покоящейся жидкости на погружённые в неё тела. Одна из осн. задач Г.— изучение распределения давления в жидкости. Зная распределение давления, можно на основании законов Г. рассчитать силы, действующие со стороны покоящейся жидкости на погружённые в неё тела, напр. на подводную лодку, на стенки и дно сосуда, на стену плотины. В частности, можно вывести условия плавания тел на поверхности или внутри жидкости, а также выяснить, при каких условиях плавающие тела будут обладать устойчивостью, что особенно важно в кораблестроении. На законах Г., в частности на Паскаля законе, основано действие гидравлич. пресса, гидравлнч. аккумулятора, жидкостного манометра, сифона и мн. др. машин и приборов. Один из осн. законов Г.— Архимеда закон определяет величину выталкивающей силы, действующей на тело, погружённое в жидкость или газ.
• Элементарный учебник физики, под ред. С. Ландсберга, 9 изд., М., 1975; X а й к и н С. Э., Физические основы механики, 2 изд., М., 1971.
ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС, заключается в том, что вес жидкости, налитой в сосуд, может отличаться от силы давления, оказываемой ею на дно сосуда. Так, в расширяющихся кверху сосудах (рис.) сила давления на дно меньше веса жидкости, а в суживающихся — больше. В цилиндрич. сосуде обе силы одинаковы. Если одна и та же жидкость налита до одной и той же высоты в сосуды разной формы, но с одинаковой площадью дна, то, несмотря на разл. вес налитой жидкости, сила давления на дно одинакова для всех сосудов и равна весу жидкости в цилиндрич. сосуде.
Это следует из того, что давление покоящейся жидкости зависит только от глубины под свободной поверхностью и от плотности жидкости. Объясняется Г. п. тем, что поскольку гидростатич. давление р всегда нормально к стенкам сосуда, сила давления на наклонные стенки имеет вертик. составляющую р1, к-рая компенсирует вес излишнего по сравнению с цилиндром 1 объёма жидкости в сосуде 3 и вес недостающего объёма жидкости в сосуде 2. Г. п. обнаружен франц. учёным Б. Паскалем (1654).
ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ВЗВЕШИВАНИЕ, метод измерения плотности жидкостей и тв. тел, основанный на законе Архимеда (см. Архимеда закон). Плотность тв. тела определяют его двукратным взвешиванием — сначала в воздухе, а затем в жидкости, плотность к-рой известна (обычно в дистиллиров. воде).
Гидростатич. весы ВГ-2: 1 — неравноплечное коромысло; 2 — шкала в виде поперечных надрезов для гирь; 3 — неподвижный противовес; 4 — шкала указателя равновесия; 5 —стеклянный поплавок; 6 — гири-рейтеры; 7 — сосуд с жидкостью; 8 — термометр; 9 — двойная чашка для помещения тв. тел (верхняя а — сплошная, нижняя б — с отверстиями, её погружают в воду).
При первом взвешивании определяется масса тела, по разности результатов обоих взвешиваний — его объём. При измерении плотности жидкости в ней взвешивают к.-н. тело (обычно стеклянный поплавок), масса и объём к-рого известны. Г. в., в зависимости от требуемой точности, производят на техн., аналитич. или образцовых весах. При массовых измерениях широко применяют менее точные, но более быстродействующие спец. гидростатич. весы, напр. весы Мора (их конструкцию предложил в 1849 нем. химик К. Ф. Мор).
• К и в и л и с С. С., Техника измерения плотности жидкостей и твердых тел., М., 1959, гл. 4.
ГИДРОФИЛЬНОСТЬ И ГИДРОФОБНОСТЬ (от греч. hydor — вода, phileo — люблю, phobos — боязнь, страх), понятия, характеризующие сродство тв. тела к воде, обусловленное силами межмолекулярного взаимодействия и обнаруживающееся в явлениях смачивания. Г. и г.— частный случай лиофильности и лиофобности — хар-к мол. вз-ствия в-в с разл. жидкостями. Г. и г. можно оценить по растеканию капли воды на гладкой поверхности тела, т. е. по его смачиванию. На гидрофильной поверхности капля растекается полностью, а на гидрофобной — частично, причём величина угла между поверхностями капли и тв. тела (см. рис. 1 в ст. Смачивание) зависит от того, насколько данное тело гидрофобно. Общей мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью тела; её можно определить по теплоте смачивания, если в-во тв. тела нерастворимо в данной жидкости. Гидрофильны все тела, интенсивность молекулярных (атомных, ионных) вз-ствий к-рых достаточно велика. Особенно резко выражена гидрофильность минералов с ионными крист. решётками (напр., карбонатов, силикатов, сульфатов, глин), а также силикатных стёкол. Гидрофобны металлы, лишённые окисных плёнок, органич. соединения с преобладанием углеводородных групп в молекуле (напр., парафины, жиры, воски, нек-рые пластмассы), графит, сера и др. в-ва со слабым межмолекулярным взаимодействием.
Понятия Г. и г. применимы не только к телам или их поверхностям, но и к единичным молекулам или отд. частям молекул. Так, в молекулах поверхностно-активных веществ различают гидрофильные (полярные) и гидрофобные (углеводородные) группы. Гидрофильность поверхности тела может резко измениться в результате адсорбции таких в-в. Повышение гидрофильности наз. г и д р о ф и л и з а ц и е й, а понижение — г и д р о ф о б и з а ц и е й.
121
В-ва могут быть отнесены к гидрофильным или гидрофобным по их способности к гидратации — присоединению отд. молекулами в-ва молекул воды, к-рое часто приводит к образованию соединений определ. состава — гидратов. Напр., белки, углеводы, крахмал — гидрофильны, т. к. набухают и коллоидно растворяются в воде, а каучуки и др. полимеры — гидрофобны.
ГИДРОФОН (от греч. hydor — вода и phone — звук), гидроакустич. звукоприёмник. Г. явл. электроакустическими преобразователями и применяются в гидроакустике для прослушивания подводных сигналов и шумов, для измерит. целей, а также как составные элементы направленных гидроакустич. антенн. Наиболее распространены Г., основанные на пьезоэлектрич. эффекте; используются также Г. электродинамич. и магнитострикц. типа. Принимаются спец. меры по обеспечению герметичности и защиты чувствит. элементов от действия гидростатич. давления и действия воды.
Пьезоэлектрич. Г. основан на прямом пьезоэффекте (см. Пьезоэлектричество) нек-рых кристаллов (сегнетова соль, дигидрофосфат аммония, сульфат лития и др.). Широко используются пьезокерамика и керамики на основе титаната-цирконата свинца. Чувствит. элементы пьезоэлектрич. Г. изготовляют в виде полых цилиндров или сфер из пьезокерамики или в виде набора пьезоэлектрич. пластинок. Магнитострикц. Г. основаны на обратном магнитострикц. эффекте (см. Магнитострикция) нек-рых металлов (в осн. Ni и его сплавов). Для избежания потерь на вихревые токи их чувствит. элементы (сердечники) изготовляют, как правило, из тонких пластин.
Г., предназначенные для измерит. целей, должны быть ненаправленными и обладать ровной частотной хар-кой во всей области исследуемых частот. Для этой цели удобно пользоваться малыми по сравнению с длиной волны полыми сферич. приёмниками из пьезокерамики, совершающими сферически симметричные колебания.
Одна из важнейших хар-к Г.— чувствительность (в мкВ/Па), отношение электрич. напряжения к звук. давлению. Для увеличения чувствительности (а также устранения шунтирующего действия кабеля) пользуются Г. с предварит. усилителями, к-рые монтируются в одном корпусе с приёмником.
• Т ю р и н А. М., С т а ш к е в и ч А. П., Таранов Э. С., Основы гидроакустики, Л., 1966.
ГИЛЬБЕРТ (Гб, Gb), единица магнитодвижущей силы или разности магн. потенциалов в системах ед. СГС (симметричной, или Гауссовой) и СГСМ. Названа в честь англ. физика У. Гильберта (Гилберт, W. Gilbert). 1Гб=10/4pА»0,796А.
ГИПЕРЗАРЯД (Y), одна из хар-к адронов, равная удвоенному ср. электрич. заряду ч-цы в изотопич. мультиплете (см. Изотопическая инвариантность). Электрич. заряд Q ч-цы мультиплета определяется ф-лой Гелл-Мана — Нишиджимы: Q=I3+Y/2, где I3 — третья проекция изотопич. спина ч-цы. Г. выражается через другие квант. числа адрона — барионный заряд, странность, «очарование», «красоту». См. Элементарные частицы.
ГИПЕРЗВУК, высокочастотная часть спектра упругих волн — от 109 до 1012—1013 Гц. По физ. природе Г. ничем не отличается от ультразвука, частоты к-рого простираются от 2•104 до 109 Гц. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в области УЗ, длинам волн значительно более существенными становятся вз-ствия Г. с квазичастицами в среде — с эл-нами проводимости, тепловыми фононами, магнонами и др. Г. также часто представляют как поток квазичастиц — фононов.
Область частот Г. соответствует частотам эл.-магн. колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (т. н. сверхвысоким частотам — СВЧ). Частоте 109 Гц в воздухе при норм. атм. давлении и комнатной темп-ре должна соответствовать длина волны Г. 3,4•10-5 см, т. е. одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях. Однако упругие волны могут распространяться в среде до тех пор, пока их длины заметно больше длины свободного пробега ч-ц в газах или больше межат. расстояний в жидкостях и тв. телах. Поэтому в газах (в частности, в воздухе) при норм. атм. давлении гиперзвук. волны распространяться не могут. В жидкостях затухание Г. очень велико, и дальность распространения мала. Сравнительно хорошо Г. распространяется в тв. телах — монокристаллах, гл. обр. при низких темп-pax. Так, напр., даже в монокристалле кварца, отличающемся малым затуханием в нём упругих волн, продольная гиперзвук. волна с частотой 1,5•109 Гц, распространяющаяся вдоль оси кристалла при комнатной темп-ре, ослабляется по амплитуде в два раза, пройдя расстояние всего в 1 см. В монокристаллах сапфира, ниобата лития, железоиттриевого граната затухание Г. значительно меньше, чем в кварце. Напр., в ниобате лития Г. ослабляется в два раза на расстоянии 15 см.
Природа гиперзвука. Существует Г. теплового происхождения и искусственно возбуждаемый. Тепловые колебания атомов или ионов, составляющих крист. решётку, можно рассматривать как тепловой шум — совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых разл. частот, распространяющихся по всем
направлениям (см. Колебания кристаллической решётки). Эти волны при частотах 109—1013 Гц наз. Г. теплового происхождения, или тепловыми фононами. Тепловые фононы в кристалле имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый когерентный Г. может иметь узкую спектр. линию на к.-н. определ. частоте. В жидкостях флуктуации плотности, вызываемые тепловым движением молекул, удобно представить как результат наложения плоских упругих волн, распространяющихся во всех направлениях. Т. о., тепловое движение непрерывно «генерирует» Г. как в тв. телах, так и в жидкостях.
До того как стало возможным получать Г. искусств. путём, изучение Г. в жидкостях и тв. телах проводилось гл. обр. оптич. методом (рассеяние света на Г. теплового происхождения). Было обнаружено, что рассеяние в оптически прозрачной среде происходит с образованием неск. спектр. линий, смещённых относительно частоты падающего света на частоту Г. (т. н. Мандельштама — Бриллюэна рассеяние). Исследования Г. в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения Г. от частоты в нек-рых областях частот (см. Дисперсия звука) и аномально большого поглощения Г. на этих же частотах. Изучение Г. рентг. методами показало, что тепловые колебания атомов в кристалле приводят к диффузному рассеянию рентг. лучей, размазыванию пятен на рентгенограмме, обусловленному вз-ствием рентг. лучей с атомами, и к появлению фона. По диффузному рассеянию можно исследовать спектр гиперзвук. волн и определять модули упругости тв. тел.
Излучение и приём гиперзвука. Совр. методы излучения и приёма Г., так же как и УЗ, основываются гл. обр. на использовании явлений пьезоэлектричества и магнитострикции. Для возбуждения Г. можно использовать резонансные пьезоэлектрические преобразователи пластинчатого типа, к-рые широко применяются в УЗ диапазоне частот, однако для Г. толщина таких преобразователей должна быть очень мала ввиду малости длины волны Г. Поэтому их получают, напр., путём вакуумного напыления плёнок из пьезоэлектрических материалов (гл. обр. из пьезополупроводников CdS, ZriS, ZnO и др.) на торец звукопровода; применяют и магнитострикционные (ферромагнитные) плёнки резонансной толщины (напр., плёнки никеля или пермаллоя).
Используется также метод возбуждения Г. с поверхности диэлектрич. пьезоэлектрич. кристалла, отличный от резонансных методов. Кристалл в виде бруска помещается торцом в СВЧ электрич. поле (в большинстве случаев — в объёмный резонатор). Скачок диэлектрич. проницаемости, к-рый имеет место на границе кри-
122
сталла, приводит к появлению на его поверхности зарядов, меняющихся с частотой поля и вызывающих переменную пьезоэлектрическую деформацию. Эта деформация распространяется по кристаллу в виде продольной или сдвиговой упругой волны. Аналогично возбуждается Г. с поверхности магнитострикц. кристаллов, в этом случае торец кристалла помещается в СВЧ магн. поле. Однако эти методы генерации и приёма Г. отличаются малой эффективностью преобразования эл.-магн. энергии в акустическую (порядка неск. %). Для генерации Г. всё шире применяются лазерные источники эл.-магн. волн, а также излучатели на сверхпроводниках.
Распространение гиперзвука в твёрдых телах. На дальность распространения Г. в тв. телах, наряду с теплопроводностью и внутр. трением, большое влияние оказывают его вз-ствия с тепловыми фононами, эл-нами, магнонами (спиновыми волнами) и др. В кристаллах диэлектриков, не содержащих свободных носителей зарядов, затухание Г. определяется в осн. его нелинейным вз-ствием с тепловыми фононами. На сравнительно низких частотах действует т. н. механизм «фононной вязкости» (механизм Ахиезера). Он заключается в том, что звук. волна нарушает равновесное распределение тепловых фононов по спектру, и вызванное ею перераспределение энергии между разл. фононами приводит к необратимому процессу диссипации энергии. Этот механизм имеет релаксац. хар-р; роль времени релаксации играет время жизни фонона t=l/с, где l — длина свободного пробега фонона, с — ср. скорость Г. Этот механизм даёт вклад в поглощение как продольных, так и поперечных волн. Он явл. доминирующим при комнатных темп-рах, при к-рых выполняется условие wt<<1 (w — частота Г.).
В области w ~ 1010—1011 Гц и при низких темп-pax (при темп-ре жидкого гелия), когда wt>>1, происходит непосредств. вз-ствие когерентных фононов с тепловыми, к-рое удобно рассматривать в рамках квант. представлений. Вз-ствие когерентного и теплового фононов приводит к появлению третьего, также теплового, фонона и, следовательно, с учётом законов сохранения энергии и импульса — к уменьшению звук. энергии, т. е. поглощению звука (т. н. механизм Ландау — Румера).
При распространении Г. в кристаллах полупроводников (а также и металлов) имеет место вз-ствие Г. с эл-нами проводимости (электрон-фононное вз-ствие). Осн. механизмами здесь явл. эл.-магн., пьезоэлектрич. и магнитоупругая связи, относительный вклад к-рых определяется типом материала. В кристалле ПП затухание и дисперсия Г. происходят в результате его вз-ствия с пространств.
зарядами, обусловленными внутр. электрич. полями. В непьезоэлектрич. ПП связь упругих волн с носителями заряда осуществляется гл. обр. через деформац. потенциал. Особый интерес представляет распространение Г. в пьезоэлектрич. материалах (напр., кристаллах CdS), где упругие волны сопровождаются эл.-магн. волнами и наоборот. В этом случае существует также др. механизм электрон-фононного вз-ствия, обусловленный электрич. поляризацией, связанной с акустич. модами колебаний; она может приводить к локальному накоплению заряда и к периодич. электрич. потенциалу. Если к пьезоэлектрич. кристаллу приложить пост. электрич. поле, вызывающее дрейф эл-нов со скоростью, большей скорости упругой волны, то эл-ны будут обгонять упругую волну, отдавая ей энергию и усиливая её (см. Акустоэлектронное взаимодействие). Если же скорость когерентных фононов больше дрейфовой скорости эл-нов, то фононы отдают свой импульс эл-нам, т. е. имеет место акустоэлектрический эффект.
Для металлов характерны те же эффекты, что и для ПП, но из-за большого затухания Г. эти эффекты становятся заметными при темп-рах ниже 10 К, когда вклад в затухание за счёт колебаний решётки становится незначительным. Распространение упругой волны в металле вызывает движение положит. ионов, и если эл-ны не успевают следовать за ними, то возникают электрич. поля, к-рые, воздействуя на эл-ны, создают электронный ток. В случае продольной волны изменения плотности создают пространств. заряд, к-рый непосредственно генерирует электрич. поля. Для поперечных волн изменения плотности отсутствуют, но смещения положит. ионов вызывают осциллирующие магн. поля, создающие электрич. поле, действующее на эл-ны. Т. о., эл-ны получают энергию от упругой волны и теряют её в процессах столкновения, ответственных за электрич. сопротивление. Эл-ны релаксируют путём столкновений с решёткой положит. ионов (примесями, тепловыми фононами и т. д.), в результате чего часть энергии возвращается обратно к упругой волне, к-рая переносится решёткой положит. ионов. Затухание Г. в металлах пропорц. частоте. Если металл — сверхпроводник, то при темп-ре перехода в сверхпроводящее состояние электронное поглощение резко уменьшается. Это объясняется тем, что с решёткой, а следовательно, и с упругой волной взаимодействуют только эл-ны проводимости, число к-рых уменьшается с понижением темп-ры, а сверхпроводящие эл-ны (объединённые в куперовские пары, см. Сверхпроводимость), число к-рых при этом растёт, в поглощении Г. не участвуют. Разрушение сверхпроводимости внеш. магн. полем приводит к резкому возрастанию поглощения.
Пост. магн. поле существенно влияет на движение эл-нов, искривляя их траектории, что сказывается на хар-ре акустоэлектронного вз-ствия в металлах. При этом на определ. частотах упругих волн возможен ряд резонансных явлений, напр. квант. осцилляции (де Хааза — ван Альфена эффект и Шубникова — де Хааза эффект) и акустич. циклотронный резонанс. Изучение затухания Г. в металлах на эл-нах проводимости позволяет получить важные хар-ки металлов (поверхность Ферми, энергетич. щель в сверхпроводниках и др.).
В парамагнетиках прохождение Г. подходящей частоты и поляризации в результате спин-фононного взаимодействия может вызвать изменение магн. состояния атомов. Так, Г. с частотой ~ 1010 Гц, распространяясь в кристаллах парамагнетиков, помещённых в магн. поле, может привести к избират. поглощению, т. е. акустическому парамагнитному резонансу (АПР). При помощи АПР оказывается возможным изучать переходы между такими уровнями атомов в парамагнетиках, к-рые явл. запрещёнными для электронного парамагнитного резонанса. В магнитоупорядоченных кристаллах (антиферро- и ферромагнетиках, ферритах), помимо рассмотренных выше вз-ствий Г. с в-вом, появляются другие, где играют роль магнитоупругие вз-ствия (магнон-фононные вз-ствия). Так, распространение гиперзвук. волны вызывает появление спиновой волны и, наоборот, спиновая волна вызывает появление гиперзвук. волны. Поэтому в общем случае в таких кристаллах распространяются не чисто спиновые или упругие волны, а связ. магнитоупругие волны.
Взаимодействие гяперзвука со светом. Изменение показателя преломления эл.-магн. волны под действием упругой волны, а также возникновение упругой волны под действием эл.-магн. волны в результате эффекта электрострикции может быть представлено как фотон-фононное вз-ствие. Примерами такого вз-ствия явл. дифракция света на ультразвуке, а также спонтанное и вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна. На частотах Г. преобладает т. н. брэгговская дифракция, при к-рой для дифрагиров. света наблюдаются только нулевой и первый порядки. Поскольку упругие волн. фронты, на к-рых рассеивается свет, движутся со скоростью звука, частота дифрагиров. света равна W-w (стоксова компонента) либо Wi+w (антистоксова компонента), где W — частота падающего света, w — частота Г. Этот процесс можно представить как рассеяние фотона на фононе, при этом
123
знак «-» соответствует испусканию фонона, а знак «+» — поглощению.
При мандельштам — бриллюэновском рассеянии механизм вз-ствия света с тепловыми колебаниями крист. решётки (тепловыми фононами) явл. таким же, как и для рассмотренного выше случая дифракции света с искусственно возбуждённым Г. (когерентными фононами), однако в этом случае свет рассеивается во всех направлениях. При достаточно больших интенсивностях, когда напряжённость электрич. поля в падающей световой волне ~104—108 В/см, это поле может влиять на гиперзвук. волну, на к-рой происходит рассеяние, обеспечивая непрерывную подкачку в неё энергии. В результате происходит генерация интенсивного Г.— т. н. вынужденное мандельштам — бриллюэновское рассеяние.
Св-ва Г. позволяют использовать его для исследования состояния в-ва, особенно в физике тв. тела. Существенную роль играет использование Г. для т. н. акустич. линий задержки в области СВЧ, а также для создания устройств акустоэлектроники и акустооптики.
• Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1—7, М., 1966—74; Т а к е р Дж., Р э м п т о н В., Гиперзвук в физике твердого тела, М., 1975; Магнитная квантовая акустика, М., 1977.
ГИПЕРЗВУКОВОЕ ТЕЧЕНИЕ, течение газа с большой сверхзвук. скоростью, при к-ром скорости ч-ц газа во много раз (обычно, более чем в 5 раз) превышают скорость звука в нём. См. Сверхзвуковое течение.
ГИПЕРОНЫ (от греч. hyper — сверх, выше), нестабильные элем. ч-цы с массой больше нуклонной и большим (по яд. масштабам) временем жизни; относятся к адронам и явл. барионами. Г. обладают особым квант. числом — странностью (S) и вместе с К-мезонами и нек-рыми резонансами образуют группу странных ч-ц. Новая хар-ка ч-ц — странность введена в 1955 амер. физиком М. Гелл-Маном и япон. физиком К. Нишиджимой для интерпретации закономерностей рождения и распада Г. и К-мезонов, в частности того факта, что при столкновении p-мезонов с нуклонами Г. всегда рождались совместно с К-мезонами (рис. 1), в поведении к-рых обнаруживаются те же особенности, что и у Г.
Известно неск. типов Г.: лямбда (L) с массой т »1116 МэВ, сигма (S-, S0, S+) с m»1190 МэВ, кси (Ξ-, Ξ0) с m»1320 МэВ и омега (W-) с m»1670 МэВ; все они имеют свои античастицы, обнаруженные экспериментально. Странность Г. отрицательна (антигиперонов — положительна): у L- и S-Г. S=-1, у Ξ-Г. S=- 2, у W-Г. S=-3. Рождаясь в сильном вз-ствии, Г. распадаются за счёт слабого взаимодействия со ср.
Рис. 1. Фотография (а) и схематич. изображение (б) случая парного рождения L0-гиперона и К0-мезона на протоне в жидко-водородной пузырьковой камере под действием p--мезона: p-+р®-L0+К0. Реакция обусловлена сильным вз-ствием и разрешена законом сохранения странности (в нач. и кон. состоянии суммарная странность ч-ц S=0). На снимке видны также распады L0 и К0 под действием слабого вз-ствия: L0® р+p-, К0® p++p- ; в каждом процессе странность меняется на единицу. Пунктирные линии на рис. б изображают пути нейтр. ч-ц, не оставляющих следа в камере.
временем жизни t ~10-10 с (за исключением S°, распадающегося в результате эл.-магн. вз-ствия с t ~10-19 с). Осн. способы распада:
L®р+p-, n+p0; S+®р+p0,
n+p+ ; S0®L+g;
S-®p-+n; Ξ0®L+p0;
Ξ-®L0+p-; W-®Ξ0 +p-,
Ξ-+p0, L+K-.
Распады с испусканием лептонов составляют доли % от осн. способов распада. Все распады, обусловленные слабым вз-ствием, происходят с изменением странности на единицу (в сильном и эл.-магн. вз-ствиях странность сохраняется). Рис. 2 иллюстрирует процессы сильного и слабого вз-ствия Г.
Первый Г. (L) открыт в косм. лучах (1947). Детальное изучение Г. стало возможным после того, как их получили с помощью ускорителей заряж. ч-ц. В 70-х гг. созданы пучки заряж. и нейтр. Г. с энергией 20— 100 ГэВ; такие Г. благодаря релятив. увеличению времени жизни успевают пролететь до распада расстояния до неск. м. Гиперонные пучки существенно увеличили возможность систематич. исследования вз-ствий Г. (Последние данные о временах жизни Г. см. в табл. 1 в ст. Элементарные частицы.)
Сильное вз-ствие Г., как и др. адронов, обладает симметрией, наз. изотопической инвариантностью и проявляющейся в том, что ч-цы группируются в изотопич. мультиплеты. Г. образуют четыре изотопич. мультиплета: W и L — изотопич. синглеты, Ξ-Г.— изотопич. дублет (Ξ-, Ξ0), 2-Г.—изотопич. триплет (S+ , S0, S-). Аналогичные мультиплеты образуют антигипероны. По ряду св-в Г. довольно близки к др. барионам и могут быть объединены вместе с ними в более широкие ' семейства — унитарные мультиплеты, отвечающие унитарной симметрии SU (3). С помощью этой симметрии удалось предсказать существование и св-ва W--Г.
Св-ва Г. можно объяснить в рамках совр. кварковой модели ч-ц. Согласно этой модели, Г., как и др. барионы, состоят из трёх кварков, причём в состав Г. обязательно входят s-кварки — носители странности. Странность s-кварка S=-1, так что в Г. Л и 2 входит один s-кварк, в Ξ-Г.— два, а W-Г. состоит из трёх s-кварков. В распадах Г., обусловленных слабым вз-ствием, s-кварк переходит в u-кварк с S=0. Поэтому слабые распады происходят с изменением S на единицу. Этот закон запрещает распад Ξ-Г. на нуклон и p-мезоны, т. к. при этом странность изменилась бы на два. Распад Ξ происходит в два этапа: Ξ®L+p; L ®N+p. Поэтому Ξ-Г. наз. каскадным. Каскадные распады претерпевают также W-Г. Другие правила отбора позволяют объяснить соотношения между вероятностями разл. каналов распада Г.
При вз-ствии быстрых ч-ц с ядрами могут возникать т. н. гиперядра, в к-рых один из нуклонов ядра замещён L-Г. (наблюдались также гиперядра с двумя L-Г.).
Рис. 2. Фотография (а) и схематич. изображение (б) рождения и распада антигиперона W~(W+) в пузырьковой камере, наполненной жидким дейтерием и находящейся в магн. поле. W- рождается (в точке 1) в реакции К+d®W~+L0+L0+р+p++p-. Согласно законам сохранения барионного заряда В и (в сильном вз-ствии) странности S, рождение антибариона W~ (В=-1) на дейтроне (В=+2) сопровождается рождением трёх барионов: L0, L0, р (в нач. состоянии S=+1). Распады образовавшихся ч-ц происходят в результате слабого вз-ствия с изменением S на единицу. Один L0 распадается (в точке 2) на p и p-, а другой L0 выходит из камеры, не успев распасться (на рисунке не помечен; его наличие подтверждается законом сохранения энергии и импульса); W~ распадается (в точке 3) на антилямбда-гиперон L~0 и К+ ; L~0 распадается (в точке 4) на p^ и p+; p^ (в точке 5) аннигилирует с протоном, образуя неск. p-мезонов.
124
• Г е л л-М а н н М., Розенбаум П. Е., в кн.: Элементарные частицы, пер. с англ., М., 1963, с. 5 {Над чем думают физики, в. 2); Э д е р Р. К.. Ф а у л е р Э. К., Странные частицы, пер. с англ., М., 1966; II е р к и н с Д., Введение в физику высоких энергий, пер. с англ., М., 1975.
ГИПЕРЯДРО, ядерноподобная система, в состав к-рой наряду с нуклонами входят гипероны. Первое L-Г. было обнаружено в 1953 польск. физиками М. Данышем и Е. Пневским с помощью ядерных фотографических эмульсий, экспонированных в потоке космических лучей (рис.). L-Г. образуется при вз-ствии ч-ц высоких энергий с нуклонами ядра или при захвате ядром медленного К--мезона, в результате чего возникает медленный L-гиперон, образующий связ. систему с ядром. Г. обнаруживают по продуктам распада (нуклонам и пи-мезонам). Время жизни L-Г. определяется временем жизни L-гиперона (10-10 с). Г. обозначается хим. символом элемента с индексом гиперонов слева внизу. Напр., ядро L-гипергелия-5 (2р+2n+ +L) обозначается 5LНе.
В 1963 идентифицировано первое двойное Г.: 10LLВе (4р+4n+2L), а в 1966 — 6LLНе. Изучение св-в двойных Г. позволяет выяснить хар-р сил, действующих между гиперонами.
Косм. ч-ца р вызывает распад ат. ядра (Ag или Br) в точке А. Тяжёлый осколок f, выброшенный при этом распаде, является гиперядром. Он останавливается, а затем взрывается в точке В с образованием трёх заряж. ч-ц и нек-рого числа нейтронов (нейтроны не оставляют треков).
При вз-ствии ч-ц высокой энергии с тяжёлыми ядрами наблюдается образование тяжёлых Г. с A£100 и Z£50 (А — массовое число, Z — ат. номер). В 1979 было открыто возбуждённое состояние S-Г. в яд. реакциях (К-, pi-).
• П н е в с к и й Е., З и м и н с к а Д., «Современное состояние экспериментального исследования гиперядер» в кн. «Каон-ядерное взаимодействие и гиперядра», М., 1979, с. 33—50.
ГИРИ, меры массы, применяемые при взвешивании, для градуировки и поверки весов, иногда также как меры силы тяжести — для поверки динамометров и создания нагрузок при механич. испытаниях. В СССР и др. странах, принявших метрич. систему мер, массы Г. выражаются в кг и дольных ед. (г, мг и др.). Различают Г. рабочие (для взвешиваний; они подразделяются на пять классов точности), эталонные Г. и о б р а з ц о в ы е Г. (для поверочных работ, четыре разряда). Г. характеризуются номин. значением массы, наибольшим допустимым отклонением от номин. значения (точность подгонки) и пределом допустимой погрешности определения массы при поверке. Лучший материал для точных Г.— сплав 90% Pt и 10%Ir, из к-рого изготовлен эталон килограмма. Другие точные Г. изготовляют из немагнитной нержавеющей стали (25%Сг, 20%Ni, остальное Fe), немагнитного хромоникелевого сплава (80%Ni, 20%Cr), Al и Ti (миллиграммовые Г.). Обычно выпускают Г. и наборы Г. с номин. значениями массы от 1 мг до 20 кг.
• ГОСТ 7328—73. Гири общего назначения, М., 1975; ГОСТ 12656—67. Гири образцовые, М., 1977; ГОСТ 14636—69. Поверочная схема для гирь и весов, М., 1976.
Н. А. Смирнова.
ГИРОМАГНИТНАЯ ЧАСТОТА, то же, что циклотронная частота.
ГИРОМАГНИТНОЕ ОТНОШЕНИЕ, то же, что магнитомеханическое отношение.
ГИРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, то же, что магнитомеханические явления.
ГИРОСКОП (от греч. gyros — круг, gyreuo — кружусь, вращаюсь и skopeo — смотрю, наблюдаю), быстро вращающееся симметричное тв. тело, ось вращения к-рого (ось симметрии) может изменять своё направление в пр-ве. Г. обладает рядом интересных св-в, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, артиллерийских снарядов, детского волчка, роторов турбин, установленных на судах, и др. На св-вах Г. основаны разнообразные устройства или приборы, широко применяемые в совр. технике.
Рис. 1. Волчок: АО — его ось; Р — сила тяжести.
Св-ва Г. проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения Г. должна иметь возможность изменять своё направление в пр-ве; 2) угл. скорость вращения Г. вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угл. скоростью, к-рую будет иметь сама ось при изменении своего направления.
Простейшим Г. явл. детский волчок, быстро вращающийся вокруг своей оси ОА (рис. 1), к-рая может изменять своё положение в пр-ве, поскольку её конец А не закреплён. У Г., применяемых в технике, свободный поворот оси Г. обеспечивают, закрепляя Г. в рамках (кольцах) 1, 2 карданова подвеса (рис. 2), позволяющего оси А В занять любое положение в пр-ве. Такой Г. имеет три степени свободы: он может совершать три независимых поворота вокруг осей АВ, DE и GK,
Рис. 2. Гироскоп в кардановом подвесе. Ротор С, кроме вращения вокруг своей оси АВ, может вместе с рамкой 1 поворачиваться вокруг оси DE u вместе с рамкой 2 — вокруг оси GK; О — центр подвеса, совпадающий с центром тяжести гироскопа.
пересекающихся в центре подвеса О, к-рый остаётся по отношению к основанию неподвижным. Если центр тяжести С Г. совпадает с центром О, то Г. наз. астатическим (уравновешенным), в противном случае — т я ж ё л ы м.
Первое свойство уравновешенного Г. с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пр-ве приданное ей первоначальное направление. Если эта ось вначале направлена на к.-н. звезду, то при любых перемещениях прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентировку относительно осей, связанных с Землёй.
Рис. 3. Действие силы Р на гироскоп с вращающимся ротором; ось АВ движется перпендикулярно направлению силы Р.
Второе свойство Г. обнаруживается, когда на его ось (или рамку) начинает действовать сила (или пара сил), стремящаяся привести ось в движение (т. е. создающая вращающий момент относительно центра подвеса). Под действием силы Р, приложенной к концу А оси АВ (рис. 3), Г. будет отклоняться не в сторону действия силы, как это было бы при невращающемся роторе, а в направлении, перпендикулярном к этой силе;
125
в результате Г. вместе с рамкой начнёт вращаться вокруг оси DE, притом не ускоренно, а с пост. угл. скоростью. Это вращение наз. прецессией; оно происходит тем медленнее, чем быстрее вращается вокруг своей оси АВ сам Г. Если в какой-то момент времени действие силы прекратится, то одновременно прекратится прецессия, и ось АВ остановится.
Величина угл. скорости прецессии определяется по ф-ле:
где М — момент силы Р относительно центра О, a=∟АОЕ, W — угл. скорость собств. вращения Г. вокруг оси
Рис. 4. Правило определения направления прецессии: глядя на ротор из точки приложения силы Р, устанавливаем по ходу или против хода часовой стрелки вращается ротор; повернув силу Р вокруг оси АВ на 90° в ту же сторону, получим направление прецессии.
АВ, I — момент инерции Г. относительно той же оси, h=AO — расстояние от точки приложения силы до центра подвеса Г.; второе равенство имеет место, когда сила Р параллельна оси DE (в частности, для тяжёлого Г.). Из ф-лы (*) непосредственно видно, что прецессия происходит тем медленнее, чем больше W, точнее, чем больше величина H=IW, наз. собственным кинетич. моментом Г. Как определяется направление прецессии Г., показано на рис. 4.
Наряду с прецессией ось Г. при действии на неё силы может ещё совершать т. н. нутацию — небольшие, но быстрые (обычно незаметные на глаз) колебания оси около её ср. направления. Размахи этих колебаний у быстро вращающегося Г. очень малы и из-за неизбежного наличия сопротивлений быстро затухают. Это позволяет при решении большинства техн. задач пренебречь нутацией и построить т. н. элем. теорию Г., учитывающую только прецессию, скорость к-рой определяется ф-лой (*). Прецессионное движение можно наблюдать у детского волчка (рис. 5, а), для к-рого роль центра подвеса играет точка опоры О. Если ось такого волчка поставить под углом АОЕ к вертикали и отпустить, то она под действием силы тяжести Р будет отклоняться. не в сторону действия этой силы, т. е. не вниз, а в перпендикулярном к ней направлении и прецессировать вокруг вертикали. Прецессия волчка также сопровождается незаметными на глаз нутац. колебаниями, быстро затухающими из-за сопротивления воздуха.
Рис. 5. а — прецессия волчка под действием силы тяжести; б — движение оси волчка при медленном собств. вращении.
Под действием трения о воздух собственное вращение волчка постепенно замедляется, а скорость прецессии со соотв. возрастает. Когда угл. скорость вращения волчка становится меньше определ. величины, он теряет устойчивость и падает. У медленно вращающегося волчка нутац. колебания могут быть довольно заметными и, слагаясь с прецессией, существенно изменить картину движения оси волчка: конец А оси будет описывать ясно видимую волнообразную или петлеобразную кривую, то отклоняясь от вертикали, то приближаясь к ней (рис. 5, б).
Другой пример прецессионного движения даёт артиллерийский снаряд (или пуля). На снаряд при его движении, кроме силы тяжести, действует сила сопротивления (R) воздуха, направленная примерно противоположно скорости центра тяжести снаряда и приложенная выше центра тяжести (рис. 6, а). Невращающийся снаряд под действием этой силы будет кувыркаться, и его полёт станет беспорядочным (рис. 6, б); при этом значительно возрастёт сопротивление движению, уменьшится дальность полёта. Вращающийся же снаряд обладает всеми св-вами Г., и сила сопротивления воздуха вызывает его прецессию вокруг прямой, по к-рой направлена скорость vc (рис. 6, а), т. е. вокруг касательной к траектории центра тяжести снаряда (рис. 6, в); это делает полёт правильным и обеспечивает на нисходящей ветви траектории попадание снаряда в цель головной частью.
Рис. 6. а — прецессия артиллерийского снаряда; б и в — схемы движения снарядов и их траектории: для невращающегося снаряда (б) и для вращающегося (в).
Наша планета также явл. гигантским Г., совершающим как прецессию, так и нутацию.
Если ось АВ ротора Г. закрепить в одной рамке, к-рая может вращаться по отношению к основанию прибора вокруг оси DE (рис. 7), то Г. будет иметь возможность участвовать только в двух вращениях — вокруг осей А В и DE, т. е. будет иметь две степени свободы. Такой Г. не обладает ни одним из св-в Г. с тремя степенями свободы, однако у него есть другое
Рис. 7. Гироскоп с двумя степенями свободы.
св-во: если основанию Г. сообщить вынужденное вращение с угл. скоростью со вокруг оси KL, образующей угол а с осью АВ, то со стороны ротора на подшипники А и В начнёт действовать пара сил с моментом Mгир = /IWwsina. Эта пара сил стремится кратчайшим путём установить ось ротора Г. параллельно оси KL, причём так, чтобы и вращение ротора, и вынужденное вращение были видны происходящими в одну и ту же сторону.
Если ось АВ ротора закреплена в основании D (рис. 8) и это основание неподвижно, то ось не может изменять своё направление в пр-ве, и, следовательно, ротор никакими св-вами Г. не обладает. Однако если вращать основание вокруг нек-рой оси KL с угл. скоростью w, то по предыду-
Рис. 8. Действие гироскопич. сил на подшипники, закрепляющие ось, при повороте основания прибора вокруг оси KL.
щему правилу ось ротора будет давить на подшипники А и В с силами F1 и F2, наз. гироскопическими силами.
На морских судах и винтовых самолётах имеется много вращающихся частей: вал двигателя, ротор турбины или динамомашины, гребные или возд. винты и т. п. При разворотах самолёта или судна, а также при качке на подшипники, в которых укреплены эти вращающиеся части, действуют указанные гироскопические силы,
126
и их необходимо учитывать при соответствующих инженерных расчётах.
Теория Г. явл. важнейшим разделом динамики тв. тела, имеющего неподвижную точку. Перечисленные св-ва Г. представляют собой следствия законов, к-рым подчиняется движение такого тела. Первое из св-в Г. с тремя степенями свободы — проявление закона сохранения кинетич. момента, а второе св-во — проявление одной из теорем динамики, согласно к-рой происходящее с течением времени изменение кинетического момента тела равно моменту действующей на него силы.
Гироскопы в технике. Применяемые в технике Г. выполняют обычно в виде маховичка с утолщённым ободом, имеющего массу от неск. г до десятков кг и закреплённого в кардановом подвесе. Чтобы сообщить Г. быстрое вращение, его часто делают ротором быстроходного электромотора пост. или перем. тока. В авиации применяются Г. с ротором в виде возд. турбинки, приводимой в движение струёй воздуха. Иногда Г. выполняют в форме шара (шар-Г.) с подвесом на возд. плёнке, образуемой потоком сжатого воздуха; воздушные (газовые) опоры могут также применяться в осях подвеса ротора и кардановых колец. В ряде устройств используют поплавковый Г., ротор к-рого заключён в кожух, плавающий в жидкости; этим разгружаются подшипники кожуха и значительно уменьшается момент сил трения в них. Кроме того, Г. с жидкостными или поплавковыми подвесами мало подвержены случайным вибрационным, ударным и др. воздействиям, что повышает их точность. Используются также Г. с магнитными и электростатическими подвесами.
В технике применяется много различных гироскопических устройств, или приборов, основанных на использовании тех или иных св-в Г. с тремя или двумя степенями свободы. В них в кач-ве осн. элементов входят один или неск. Г., а также нек-рые вспомогат. приспособления для корректирования направления оси Г. или измерения углов её отклонения и т. д. Эти устройства применяют в авиации, морском флоте, ракетной и косм. технике и народном хозяйстве для решения разнообразных навигац. задач, для управления подвижными объектами, их стабилизации, а также при проведении нек-рых спец. работ (маркшейдерских, топографич., геодезич. и др.).
Важнейшими .навигац. устройствами явл. гирокомпас и гировертикаль (гирогоризонт). Гирокомпас, указывающий направление истинного (геогр.) меридиана, предназначается для определения курса движущегося объекта, а также азимута ориентируемого направления; его важные преимущества перед магн. компасом состоят в том, что он указывает истинный, а не магнитный меридиан, и что на его показания не влияют перемещающиеся металлич. массы и эл.-магн. поля. Гировертикаль определяет направление истинной вертикали или плоскости горизонта, а также отклонения движущегося объекта от этой плоскости (углы бортовой и килевой качки корабля, углы тангажа и крена летат. аппарата). К навигац. устройствам также относятся: Г. направления, определяющие углы отклонения в горизонт. плоскости объекта от заданного направления (углы рыскания летат. аппарата или корабля), в частности авиац. указатель поворота; гиромагн. компасы, определяющие магн. курс объекта; гирошироты, к-рые служат для определения широты места; инерциальные навигац. системы, предназначенные для определения целого ряда параметров, необходимых для навигации данного объекта без использования внеш. сигналов; гироорбитанты, определяющие углы рыскания ИСЗ; автопилоты и гирорулевые, обеспечивающие автоматическое управление соотв. полётом летательного аппарата или курсом корабля, и др.
Большое число устройств, наз. гиростабилизаторами, служит для стабилизации объекта или отд. приборов и устройств, а также для определения угл. отклонений объекта. Они применяются для автоматич. управления движением самолётов, судов, торпед, ракет, для уменьшения качки судов и для др. целей. Различают системы индикаторной и силовой стабилизации. Индикаторная система содержит в кач-ве индикатора Г., регистрирующий отклонение объекта от заданного курса, и следящую силовую систему, к-рая улавливает сигнал об отклонении, усиливает его и передаёт силовому устройству (мотору), возвращающему объект на заданный курс, обычно с помощью рулей. В силовой системе стабилизация непосредственно осуществляется массивным Г.
Ряд гироскопич. устройств, в к-рых используются т. н. дифференцирующие и интегрирующие Г., служит для определения угл. скоростей объекта (гиротахометры) или его угл. ускорений (гироакселерометры) и углов поворота, а также линейных скоростей объекта. К последним относится гироскопич. интегратор ускорений, позволяющий определить в любой момент времени скорость ракеты при её ускоренном движении на нач. участке траектории.
Совр. техника требует от мн. гироскопич. устройств очень высокой точности, что вызывает большие технол. трудности при их изготовлении. Напр., у нек-рых приборов при массе ротора порядка 1 кг для обеспечения нужной точности смещения центра тяжести от центра подвеса не должны превышать долей микрона, иначе момент силы тяжести вызовет нежелат. прецессию (уход) оси Г. Кроме того, на точность показаний приборов с Г. в кардановом подвесе влияет трение в осях. Всё это привело к разработке Г., основанных на др. физ. принципах. Напр., для определения угл. скорости объекта может применяться вибрац. Г., содержащий в кач-ве чувствит. элемента не вращающийся ротор, а вибрирующие детали, или лазерный, Г., в к-ром используется квант. генератор.
• Николаи Е. Л., Гироскоп и некоторые его технические применения в общедоступном изложении, М.— Л., 1947; К р ы л о в А., Общая теория гироскопов и некоторых технических их применений, Собр. трудов, т. 8, М.— Л., 1950; Булгаков Б. В., Прикладная теория гироскопов, 2 изд., М., 1955; Ишлинский А. Ю., Механика гироскопических систем, М., 1963; его же, Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация, М., 1976; Кудревич Б. И., Теория гироскопических приборов, т. 1—2, Л., 1963—65; Р и в к и н С. С., Теория гироскопических устройств, ч. 1—2, Л., 1962—64; Граммель Р., Гироскоп, его теория и применения, пер. с нем., т. 1—2, М., 1952. С. М. Тарг.
ГИРОТРОПНАЯ СРЕДА (от греч. gyros — круг и tropos — поворот), анизотропная среда, св-ва к-рой описываются несимметричным тензором диэлектрической проницаемости. Без учёта поглощения эл.-магн. волн тензор диэлектрич. проницаемости эрмитов. В Г. с. в каждом направлении могут распространяться две волны, имеющие правую и левую круговую поляризацию и разные фазовые скорости. Следствием этого явл. поворот плоскости поляризации линейно поляризованной волны. Гиротропия среды обусловливается либо её строением (см. Оптическая активность), либо может быть создана искусственно, напр. наложением магнитного поля (магнитоактивные среды). Примером магнитоактивных сред явл. плазма (ионосфера, солн. корона) и ферриты в магн. поле. В последнем случае эрмитовым тензором явл. магнитная проницаемость.
М. Б. Виноградова.
ГИСТЕРЕЗИС (от греч. hysteresis — отставание, запаздывание), явление, к-рое состоит в том, что физ. величина, характеризующая состояние тела (напр., намагниченность), неоднозначно зависит от физ. величины, характеризующей внеш. условия (напр., магн. поля). Г. наблюдается в тех случаях, когда состояние тела в данный момент времени определяется внеш. условиями не только в тот же, но и в предшествующие моменты времени. Неоднозначная зависимость величин наблюдается в любых процессах, т. к. для изменения состояния тела всегда требуется определ. время (время релаксации) и реакция тела отстаёт от вызывающих её причин. Такое отставание тем меньше, чем медленнее изменяются внеш. условия. Однако для нек-рых процессов от-
127
ставание при замедлении изменения внеш. условий не уменьшается. В этих случаях неоднозначную зависимость величин наз. гистерезисной, а само явление — Г. Наблюдается Г. в разл. в-вах и при разных физ. процессах. Наибольший интерес представляют магн. Г., сегнетоэлектрич. Г. и упругий Г.
Магнитный Г. наблюдается в магнитоупорядоченных в-вах, напр. в ферромагнетиках. Обычно ферро-
Рис. 1. Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика при наличии магн. гистерезиса: Н — напряжённость внеш. магн. поля; М — намагниченность образца;
Нc — коэрцитивное поле; Мr — остаточная намагниченность; Ms — намагниченность насыщения. Пунктиром показана непредельная петля гистерезиса. Схематически приведена доменная структура образца для нек-рых точек петли. Для ед. объёма Ms=Js.
магнетик разбит на домены — области однородной самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, у к-рых намагниченность Js (магн. момент Ms ед. объёма) одинакова, но направления вектора JS различны. Под действием внеш. магн. поля число и размеры : доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счёт др. доменов. Кроме того, векторы Js отд. доменов могут поворачиваться по полю (см. Намагничивание). На рис. 1 изображены кривые намагничивания и размагничивания ферромагн. образца при наличии Г. (петля Г.). В достаточно сильном магн. поле образец намагничивается до насыщения (точка А). При этом образец состоит из одного домена с намагниченностью насыщения Ms, направленной по полю. При уменьшении напряжённости внеш. магн. поля Н значение М будет уменьшаться по кривой I преим. за счёт возникновения и роста доменов с магн. моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение происходит скачками из-за наличия в образце разл. дефектов (примесей, неоднородностей и т. п.), на к-рых доменные стенки задерживаются; требуется заметно увеличить магн. ноле для того, чтобы их сдвинуть. Поэтому при уменьшении Н до нуля у образца сохраняется т. н. остаточная намагниченность Мr (точка В). Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления, наз. коэрцитивным полем (коэрцитивной силой) Нс (точка С). При дальнейшем увеличении магн. поля
обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения (точка D). Перемагничпвание образца (D ®А) происходит по кривой //. Т. о., при циклич. изменении поля кривая, характеризующая изменение намагниченности образца, образует петлю магн. Г. Бели поле H циклически изменять в таких пределах, что насыщение не достигается, то получается непредельная петля магн. Г. (кривая III). Уменьшая амплитуду изменения поля Н до нуля, можно образец полностью размагнитить (прийти в точку О). Намагничивание образца из точки О происходит по кривой IV.
Вид и размеры петли магн. Г., значение Нс для разл. ферромагнетиков могут меняться в широких пределах. Напр., в чистом железе Hc=1Э, в сплаве магнико Hc=580 Э. На форму петли магн. Г. сильно влияет обработка материала, при к-рой изменяется число дефектов (рис. 2).
Площадь петли магн. Г. пропорц. энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идёт, в конечном счёте, на нагревание образца. Такие потери энергии наз. гистерезисными. В тех случаях, когда потери на Г. нежелательны (напр., в сердечниках трансформаторов, в статорах и роторах электрич. машин), применяют магнитно-мягкие материалы, обладающие малыми значениями Hс и площади петли Г. Для изготовления магнитов постоянных применяют жёсткие магн. материалы с большой коэрцитивной силой.
С ростом частоты перем. магн. поля (числа циклов перемагничивания в ед. времени) к гистерезисным потерям добавляются др. потери, связанные с вихревыми токами и магнитной вязкостью.
Рис. 2. Влияние механич. и термич. обработки на форму петли магн. гистерезиса железоникелевого сплава (пермаллоя): 1 — после наклёпа; 2 — после отжига: 3 — кривая магнитно-мягкого железа (для сравнения).
Соотв. площадь петли Г. при высоких частотах увеличивается. Такую петлю иногда наз. динамической, в отличие от описанной выше статич. петли.
От намагниченности зависят многие др. св-ва ферромагнетика, напр. электрич. сопротивление, механич. деформации. Изменение намагниченности вызывает изменение этих св-в. Соотв. наблюдается, напр., гальваномагнитный Г., магнитострикционный Г.
Сегнетоэлектрический Г.— неоднозначная зависимость электрич. поляризации Р сегнетоэлектрика
от электрич. поля Е (рис. 3). При включении поля 23 и последующем его возрастании возникшая поляризация сначала резко увеличивается, а затем достигает насыщения Ps. С убыванием поля Е поляризация уменьшается медленнее, чем по осн. кривой Оа. При E=0 значение Р¹0, оно наз. остаточной поляризацией PR. Для того чтобы уменьшить поляризацию до нуля, надо приложить электрич. поле Ec противопо-
Рис. 3. Петля диэлектрич. гистерезиса в сегнетоэлектрике: Р — поляризация образца; Е — напряжённость электрич. поля.
ложного направления, его наз. к о э р ц и т и в н ы м. При дальнейшем увеличении обратного поля вновь достигается состояние насыщения Ps. При полном цикле изменения поля Е от точки а до точки b и обратно к а изменения Р графически характеризуются замкнутой кривой, наз. сегнетоэлектрической петлёй Г.
Поскольку с поляризацией связаны др. хар-ки сегнетоэлектриков, напр. деформация, то с сегнетоэлектрич. Г. связаны др. виды Г., напр. пьезоэлектрич. Г., Г. электрооптич. эффектов. Гистерезисные потери составляют б. ч. диэлектрических потерь в сегнетоэлектриках.
Упругий Г.— отставание во времени развития деформаций упругого тела от напряжений; явл. одним из проявлений внутреннего трения в
Рис. 4. Петля упругого гистерезиса: по оси абсцисс — деформация, по оси ординат — напряжение.
твёрдых телах. При циклич. повторении нагрузки и разгрузки тела диаграмма, изображающая напряжение s в ф-ции от деформации e, даёт петлю упругого Г. (рис. 4), площадь к-рой DU пропорц. доле энергии упругости, перешедшей в теплоту. Для оценки упругого Г. часто пользуются относит. величиной y=DU/U, где U — энергия упругой деформации (заштрихованная область на рис. 4).
Причина упругого Г. заключается в появлении в отдельных более слабых зёрнах кристалла местных пластич. деформаций, создающих в окружаю-
128
щей среде остаточные напряжения; эти последние при изменении нагружения тела производят местную пластич. деформацию обратного знака; в обоих случаях энергия расходуется на необратимые процессы. Кроме того, экспериментально установлена связь упругого Г. с магн. полями и магн. Г. (у ферромагн. тел), с магнитострикционным Г., межкристаллитными включениями, составом сплавов, термо- и технол. обработкой и с рядом др. факторов. Явление упругого Г. как упругого несовершенства свойственно всем телам и отмечалось даже при темп-pax, близких к абс. нулю. Оно явл. причиной затухания свободных колебаний самих упругих тел, затухания в них звука, уменьшения коэфф. восстановления при неупругом ударе и обусловливает необходимость затраты внеш. энергии для поддержания вынужденных колебаний.
Для объяснения природы упругого Г. привлекаются теория релаксации, теория дислокаций и др.
• Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Бозорт Р., Ферромагнетизм, пер. с англ., М., 1956; Иона Ф., Ширане Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965; Постников В. С., Внутреннее трение в металлах, М., 1969; Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960.
ГЛАВНЫЕ ПЛОСКОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, см. Кардинальные точки оптической системы.
ГЛАВНЫЙ ФОКУС в оптике, см. Кардинальные точки оптической системы.
ГЛУБИНА ИЗОБРАЖАЕМОГО ПРОСТРАНСТВА (глубина резкости), наибольшее расстояние, измеренное вдоль оптической оси, между точками в пр-ве, изображаемыми оптич. системой достаточно резко.
Оптич. система формирует резкое изображение в плоскости фокусировки Q' лишь точек плоского объекта, перпендикулярного оптич. оси и расположенного на определ. расстоянии от системы — в плоскости наводки Q (пример — точка q на рисунке, изображаемая резко точкой q').
Точки пр-ва q1 и q2, расположенные впереди и сзади плоскости Q и лежащие в плоскостях Q1 и Q2, изображаются резко (точками q'1 и q'2) в сопряжённых плоскостях Q'1 и q'2. (В целях наглядности на рисунке показана простейшая оптич. система — линза L.) В плоскости фокусировки Q' эти точки отображаются не точками, а т. н. кружками рассеяния конечных диаметров d1 и d2. Однако если d1 и d2 меньше определ. величины (меньше 0,1 мм для норм. глаза), то глаз воспринимает их как точки, т. е. одинаково резко. Расстояние между плоскостями Q1 и Q2, точки к-рых на плоском изображении или на фотографии кажутся одинаково резкими, наз. Г. и. п.; расстояние между плоскостями Q'1 и Q'2 наз. глубиной резкости (расстояние Q1Q2 иногда тоже наз. глубиной резкости). Г. и. п. увеличивается с уменьшением диаметра входного зрачка объектива. Поэтому при фотографировании объекта, протяжённого вдоль оптич. оси системы, необходимо уменьшить отверстие диафрагмы объектива.
• См. лит. при ст. Изображение оптическое, В. И. Малышев.
ГЛУБИНА РЕЗКОСТИ, см. Глубина изображаемого пространства.
ГЛУБОКО НЕУПРУГИЕ ПРОЦЕССЫ (глубоко неупругое рассеяние), процессы с участием лептонов и адронов при высокой энергии, в к-рых как передача импульса лептонов, так и общая полная энергия вторичных адронов в системе их центра инерции (в ед. с=1) значительно больше характерной энергии покоя адронов (~ 1 ГэВ). Г. н. п. играют важную роль в исследовании структуры адронов и в выяснении динамики вз-ствия на малых расстояниях. См. Партоны.
А. В. Ефремов.
ГЛЮОНЫ (от англ. glue — клей), гипотетич. электрически нейтр. ч-цы, со спином 1 и нулевой массой покоя, являющиеся переносчиками сильного вз-ствия между кварками. В совр. теории сильного вз-ствия — квантовой хромодинамике предполагается существование восьми Г., обладающих квант. хар-кой «цвет». Обмен Г. между кварками меняет «цвет» кварков, но оставляет неизменными все остальные квант. числа (электрич. заряд, странность, «очарование», «красоту»), т. е. сохраняет тип кварков (их «аромат»). Так как Г. обладают «цветом», они могут непосредственно взаимодействовать друг с другом путём порождения и поглощения Г. (глюонного поля). Экспериментально Г. проявляются в глубоко неупругих процессах. На долю Г. должно приходиться, напр., ок. 50% всей энергии покоя протона. Вследствие удержания «цвета» Г. не существуют в свободном состоянии, и, напр., при аннигиляции кварка и антикварка, образующих мезон, родившиеся Г. превращаются в адронные струи. Такие струи были обнаружены при распаде ипсилон-частицы.
ГОД, промежуток времени, соответствующий периоду обращения Земли вокруг Солнца. Тропический Г.— промежуток времени между двумя последоват. прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия — равен 365,242 ср. солн. суток, т. е. равен 31556925,9747 с.
ГОДОГРАФ (от греч. hodos — путь, движение и grapho — пишу) в механике, кривая, представляющая собой геом. место концов переменного (изменяющегося со временем) вектора,
значения к-рого в разные моменты времени отложены от общего начала (рис.). Понятие «Г.» было введено англ. учёным У. Гамильтоном. Г. даёт наглядное геом. представление о том, как изменяется со временем физ. величина, изображаемая перем. вектором, и о скорости этого изменения, имеющей направление касательной к Г. Напр., скорость точки явл. величиной, изображаемой перем. вектором v. Отложив значения, к-рые имеет
вектор v в разные моменты времени от начала, получим Г. скорости; при этом величина, характеризующая быстроту изменения скорости в точке М, т. е. ускорение w в этой точке, имеет для любого момента времени направление касательной к Г. скорости в соответствующей его точке (М').
ГОЛДСТОУНОВСКИЙ БОЗОН, гипотетич. ч-ца с нулевой массой и нулевым спином; введена амер. физиком Дж. Голдстоуном (J. Goldstone) в. нач. 60-х гг. Г. б. возникает в теории как квант возбуждения при спонтанном нарушении симметрии в квантовополевых системах, содержащих непрерывный набор вырожденных низших (вакуумных) энергетич. состояний. Рождение п поглощение Г. б. сопровождают переходы между состояниями из этого набора. Т. о., разл. вакуумные состояния отличаются числом Г. б.
ГОЛОГРАФИЯ (от греч. holos — весь, полный и grapho — пишу), способ записи и восстановления волн. поля, основанный на регистрации интерференц. картины, к-рая образована волной, отражённой предметом, освещаемым источником света (п р е д м е т н а я волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна; рис. 1, а). Зарегистрированная интерференц. картина наз. г о л о г р а м м о й. Голограмма, освещённая опорной волной, создаёт такое же амплитудно-фазовое пространств. распределение волн. поля, к-рое создавала при записи предметная волна. Т. о., в соответствии с Гюйгенса — Френеля принципом, голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны (рис. 1,6).
Основы Г. были заложены в 1948 физиком Д. Габором (Великобритания). Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил
129
Рис. 1. Схемы получения голограммы (а) и восстановления волн. фронта (б); штриховкой показаны зеркала.
регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электронных волн путём наложения на предметную волну попутной когерентной опорной волны. Модельные оптич. опыты Габора положили начало Г. Однако отсутствие мощных источников когерентного света не позволило ему получить качественных голографич. изображений. Второе рождение Г. пережила в 1962—63, когда амер. физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в кач-ве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком, а Ю. Н. Денисюк осуществил запись голограммы в трёхмерной среде (см. ниже), объединив, т. о., идею Габора с цветной фотографией Липмана. К 1965—66 были созданы теор. и эксперим. основы Г. В последующие годы развитие Г. идёт гл. обр. по пути совершенствования её применений.
Пусть интерференц. структура, образованная опорной и предметной волнами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки голограммы с макс. пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в к-рых её фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем прозрачнее, чем большей была интенсивность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в её плоскости непосредственно за ней образуется то же распределение амплитуды и фазы, к-рое было у предметной волны, что и обеспечивает восстановление последней.
Для восстановления предметной волны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на интерференц. структуре голограммы в дифракц. пучке первого порядка восстанавливается копия предметной волны, образующая неискажённое мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. В случае двухмерной голограммы одновременно восстанавливается сопряжённая волна минус первого порядка, образующая искажённое действит. изображение предмета. Углы, под к-рыми распространяются дифракц. пучки нулевых и первых порядков, определяются углами падения на фотопластинку предметной и опорной волн. В схеме Га-бора источник опорной волны и объект располагались на оси голограммы (осевая схема). При этом все три волны распространялись за голограммой в одном и том же направлении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны (в неосевая схема).
Типы голограмм. Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной волн и от способа записи интерференц. картины. Предмет освещается пучком когерентного света, рассеянная им световая волна, несущая информацию о предмете, падает на фотопластинку, освещаемую опорным пучком. В зависимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптич. элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в
Рис. 2. Схемы получения голограмм разл. типов: а — голограмма сфокусиров. изображения; б — голограмма Фраунгофера: в — голограмма Френеля; г — голограмма Фурье; д — безлинзовая фурье-голограмма; 1 — предмет; 2 — фотопластинка; Л — линза; f — фокусное расстояние линзы.
плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на неё (рис. 2, а), то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения).
Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л (рис. 2, б), то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок, при этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета даётся преобразованием Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке — т. н. фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае наз. голограммой Фраунгофера. Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн явл. фурье-образами и предмета и опорного источника, то голограмму наз. голограммой Фурье. При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник обычно располагают в фокусе линзы (рис. 2, г). В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рис. 2, д). При этом фронт опорной волны и фронты элем. волн, рассеянных отд. точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и св-ва голограммы практически такие же, как у фурье-голограммы. Голограммы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферич. волну (рис. 2, в). По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния — в голограммы сфокусиров. изображений.
При встрече опорной и предметной волн в пр-ве образуется система стоячих волн, максимумы к-рых соответствуют зонам, в к-рых интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы — в противофазе. Для точечного опорного источника О1 и точечного предмета О2 поверхности максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения (рис. 3). Пространств. частота v интерференц. структуры (величина, обратная её периоду) определяется углом а, под к-рым сходятся в данной точке световые лучи, исходящие от опорного источника и предмета: v=(2sin(a/2))/l, где l — длина
волны. Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке пр-ва, делят пополам угол a. В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол а близок к нулю и v минимальна. Осевые голограммы наз. также о д н о л у ч е в ы м и, т. к. используется один пучок света, часть
130
Рис. 3. Пространственная интерференц. структура, образующаяся в случае точечных объекта O1 и источника света О2: I — расположение фотопластинки в схеме Га-бора; II —в схеме Лейта и Упатниекса (с наклонным пучком); III — при записи голограммы на встречных пучках; IV — при записи безлинзовой фурье-голограммы.
к-рого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения,— опорную волну.
В схеме Лейта и Упатниекса когерентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (д в у х л у ч е в а я голограмма). Для двухлучевых голограмм v выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериалы с более высоким пространств. разрешением). Если опорный и предметный пучок падают на светочувствит. слой с разных сторон (а ~ 180°), то v максимальна и близка к 2/l (голограммы во встречных пучках). Интерференц. максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Поскольку при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда наз. отражательными. Если толщина светочувствит. слоя d много больше расстояния между соседними поверхностями интерференц. максимумов, то голограмму следует рассматривать как объёмную. Если же запись интерференц. структуры происходит на поверхности слоя или если толщина слоя сравнима с расстоянием А между соседними элементами структуры, то голограммы наз. плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трёхмерным: d³1,6d2/l.
Интерференц. структура может быть зарегистрирована светочувствит. материалом одним из след. способов: 1) в виде вариаций коэфф. пропускания света или его отражения. Такие голограммы при восстановлении волн. фронта модулируют амплитуду освещающей волны (см. Модуляция колебаний) и наз. амплитудными. 2) В виде вариаций коэфф. преломления или толщины (рельефа). Такие голограммы при восстановлении волн. фронта модулируют фазу освещающей волны и поэтому наз. ф а з о в ы м и. Часто одновременно осуществляется фазовая и амплитудная модуляции. Напр., обычная фотопластинка регистрирует интерференц. структуру в виде вариаций почернения, показателя преломления и рельефа. После отбеливания голограммы остаётся только фазовая модуляция.
Зарегистрированная на фотопластинке интерференц. структура обычно сохраняется долго, т. е. процесс записи отделён во времени от процесса восстановления (стационарные голограммы). Однако существуют светочувствит. среды (нек-рые красители, кристаллы, пары металлов), к-рые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными хар-ками на освещённость. В атом случае голограмма существует только во время воздействия на среду предметной и опорной волн, а восстановление волн. фронта производится одновременно с записью, в результате вз-ствия опорной и предметной волн с образованной ими же интерференц. структурой (динамические голограммы). На принципах динамич. Г. могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волн. фронта.
Свойства голограмм. а) Осн. св-во голограммы, отличающее её от фотогр. снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется лишь распределение амплитуды падающей на неё предметной световой волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистрируется и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференц. рельефа, а информация о фазе — в виде формы и частоты интерференц. полос. В результате голограмма при освещении опорной волной восстанавливает копию предметной волны.
б) Св-ва голограммы, регистрируемой обычно на негативном фотоматериале, остаются такими же, как в случае позитивной записи -— светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а тёмным — тёмные. Это легко понять, принимая во внимание, что информация об амплитуде предметной волны заключена в контрасте интерференц. структуры, распределение к-рого на голограмме не меняется при замене позитивного процесса на негативный. При такой замене лишь сдвигается на p фаза восстановленной предметной волны, что незаметно при визуальном наблюдении, но иногда проявляется в голографич. интерферометрии (см. ниже).
в) В тех случаях, когда при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить всё
изображение объекта. Однако меньший участок голограммы восстановит меньший участок волн. фронта, несущего информацию об объекте. Если этот участок будет очень мал, то кач-во восстановленного изображения ухудшается. В случае голограмм сфокусиров. изображения каждая точка объекта посылает свет на соответствующий ей малый участок голограммы. Поэтому фрагмент такой голограммы восстанавливает лишь соответствующий ему участок объекта.
г) Полный интервал яркостей, передаваемый фотогр. пластинкой, как правило, не превышает одного-двух порядков, между тем реальные объекты часто имеют гораздо большие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими св-вами, используется для построения наиб. ярких участков изображения весь свет, падающий на всю её поверхность, и она способна передать градации яркости до пяти-шести порядков.
д) Если при восстановлении волн. фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относительно голограммы так же, как и при её экспонировании, то восстановленное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предметом. При изменении положения восстанавливающего источника, при изменении его длины волны l или ориентации голограммы и её размера соответствие нарушается. Как правило, такие изменения сопровождаются аберрациями восстановленного изображения.
е) Мин. расстояние между двумя соседними точками предмета, к-рые можно ещё увидеть раздельно при наблюдении изображения предмета с помощью голограммы, наз. разрешающей способностью голограммы. Она растёт с увеличением размеров голограммы. Для круглой голограммы с диаметром D угл. разрешение dj=1,22l/D; для голограммы квадратной формы со стороной квадрата L:dj=l/L. Для большинства схем предельный размер голограммы определяется разрешающей способностью регистрирующего фотоматериала (см. ниже), т. к. с ростом размеров голограммы растёт угол между предметным и опорным пучками и пространств. частота n. Исключение составляет схема безлинзовой фурье-голографии, в к-рой v при увеличении размеров голограммы не увеличивается.
ж) Яркость восстановленного изображения определяется дифракционной эффективностью, равной отношению светового потока в восстановленной волне к световому потоку, падающему на голограмму при восстановлении. Она определяется типом голограммы, условиями её
131
МАКСИМАЛЬНО ДОСТИЖИМАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГОЛОГРАММ, %
записи, а также св-вами регистрирующего материала (см. табл.).
з) Если значения экспозиций в максимумах интерференц. структуры выходят за пределы линейного участка зависимости амплитудного пропускания от экспозиции, то запись голограммы становится нелинейной. Линейно зарегистрированную голограмму можно сравнить с дифракционной решёткой с синусоидальным распределением амплитудного пропускания, к-рая не образует дифракц. порядков выше первого. При нелинейной записи голограмма также представляет собой периодич. решётку, однако распределение амплитудного пропускания в этом случае может значительно отличаться от синусоидального из-за нелинейных искажений. Нелинейность проявляется в появлении волн высших порядков, а также в искажении амплитуд восстанавливаемых волн первого порядка. Влияние нелинейности на изображение сводится к усилению фона, появлению ореолов, искажению относит. интенсивностей разных точек объекта, а иногда и в появлении ложных изображений.
«Изображения», образованные дифрагиров. волнами высших порядков, имеют мало общего с самим предметом.
Рис. 4. Восстановление световой волны с помощью трёхмерной голограммы.
Однако в ряде случаев (напр., для голограмм сфокусиров. изображений) волны высших порядков всё же образуют изображения предмета, но распределение яркости в них, как правило, сильно искажено, а фаза
изображения к-того порядка отличается в к раз от фазы изображения первого порядка. Это св-во используется для повышения чувствительности голографич. интерферометров в случае голограмм фазовых объектов.
Объёмные голограммы представляют собой трёхмерные структуры, в к-рых поверхности узлов и пучностей зарегистрированы в виде вариаций показателя преломления или коэфф. отражения среды. Поверхности узлов и пучностей направлены по биссектрисе угла a, к-рый составляют предметный и опорный пучки. Такие многослойные структуры при освещении опорной волной действуют подобно трёхмерным дифракц. решёткам (рис. 4). Свет, зеркально отражённый от слоев, восстанавливает предметную волну.
Пучки, отражённые от разных слоев, усиливают друг друга, если они синфазны, т. е. разность хода между ними равна l (условие Липмана — Брэгга). Условие автоматически выполняется лишь для той длины волны, в свете к-рой регистрировалась голограмма. Это приводит к избирательности голограммы по отношению к длине волны источника, в свете к-рого происходит восстановление волн. фронта. Возникает возможность восстанавливать изображение с помощью источника света со сплошным спектром (лампа накаливания, Солнце). Если голограмма экспонировалась в свете, содержащем неск. спектр. линий (напр., синюю, зелёную и красную), то для каждой длины волны образуется своя трёхмерная интерференц. структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что приведёт к восстановлению не только структуры волны, но и её спектр. состава, т. е. к получению цветного изображения. Трёхмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не дают волны нулевого порядка.
Источники света в голографии должны создавать когерентное излучение достаточно большой яркости. Временная когерентность определяет макс. разность хода l между предметным и опорным пучками, допустимую без уменьшения контраста интерференц. структуры. Эта величина определяется шириной спектральной линии Dl излучения (степенью монохроматичности): l=l2/Dl,. Пространств. когерентность излучения определяет способность создавать контрастную интерференц. картину световыми волнами, испущенными источником в разных направлениях. Для теплового источника она зависит от его размеров. Контраст К интерференц. картины в случае кругового источника диаметром d0 равен:
где I1 — ф-ция Бесселя 1-го порядка, в — угол при вершине образованного лучами конуса. Положив К³1/Ö2,
имеем d0£1/2(l/q) , что и определяет
максимально возможную протяжённость теплового источника света.
Лазерное излучение обладает высокой пространств. и врем. когерентностью при огромной мощности излучения. Для Г. стационарных объектов обычно используются лазеры непрерывного излучения, генерирующие в одной поперечной моде, в частности гелий-неоновый лазер (l= 6328. Å) и аргоновый (l=4880 Å, 5145 А). Для получения голограмм быстропротекающих процессов обычно применяют импульсные рубиновые лазеры (l=6943 Å).
Светочувствительные материалы. Г. предъявляет к регистрирующим материалам ряд требований, из к-рых важнейшее — достаточно высокая разрешающая способность. Макс. пространств. частота n структуры реализуется во встречных пучках (a=180°). Для гелий-неонового лазера и фотоэмульсии с показателем преломления n=l,5 n=4700 лин/м. Наиболее подходящий для Г. фотоматериал — фотопластинки ВРЛ, ЛОИ, ПЭ (последние два типа имеют разрешающую способность nмакс >5000 лин/мм) и фотоплёнка ФПГВ (n ~ 3000 лин/мм). Помимо галогеносеребряных фотоматериалов, применяют и др. среды, в т. ч. допускающие многократное повторение цикла запись — стирание, а в нек-рых случаях и регистрацию голограмм в реальном времени. К их числу относятся термопластики, халькогенидные фотохромные стёкла, диэлектрич. и ПП кристаллы. Голограммы могут также регистрироваться на магн. плёнках, жидких кристаллах, фотополимерах, фоторезистах, на нанесённых на подложку слоях металлов, на хромированной желатине и т. д.
Применения. Записанные на голограмме световые волны при их восстановлении создают полную иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала. В пределах телесного угла, охватываемого голограммой, изображение объекта можно осматривать с разных направлений, т. е. оно явл. трёхмерным. Эти св-ва Г. используются в лекционных демонстрациях, при создании объёмных копий произведений искусства, голографич. портретов (изобразительная Г.). Трёхмерные св-ва голографич. изображений используются для исследования движущихся ч-ц, капель дождя или тумана, треков яд. ч-ц в пузырьковых камерах и искровых камерах. При этом голограмму создают с помощью импульсного лазера, а изображения восстанавливают в непрерывном излучении.
Объёмность изображения делает перспективным создание голографич. ки-
132
но и телевидения. Гл. трудность — создание огромных голограмм, через к-рые как через окно одновременно могло бы наблюдать изображение большое число зрителей. Эти голограммы должны быть динамическими, т. е. меняться во времени в соответствии с изменениями, происходящими с объектом. Пока голографич. кино используется только в физ. эксперименте для исследования быстропротекающих процессов. Голографич. телевидение также встретилось с трудностями создания динамич. сред в передающей и приёмной частях телевиз. системы. Другая трудность состоит в недостаточно большой полосе пропускания телевиз. канала, к-рую необходимо увеличить на неск. порядков для передачи трёхмерных движущихся сцен. С помощью Г. решается проблема визуализации акустич. полей (см. Голография акустическая) и эл.-магн. полей в радиодиапазоне (см. Радиоголография).
Если поместить голограмму на то место, где она экспонировалась, и осветить опорным пучком, то восстановится волна, рассеивавшаяся объектом во время экспозиции. Если же объект не убирать, то можно одновременно наблюдать две волны: непосредственно идущую от объекта и восстановленную голограммой. Эти волны когерентны и могут интерферировать. Если с объектом происходят к.-л. изменения, ведущие к фазовым искажениям рассеянной им волны (напр., деформация или изменение коэфф. преломления), то это скажется на виде наблюдаемой картины. Появятся интерференц. полосы, форма к-рых однозначно связана с изменениями. На этом основана голографич. интерферометрия, где, как и в обычной интерферометрии, происходит сравнение неск. волн. Наблюдаемая интерференц. картина указывает на различие форм сравниваемых волн, однако в обычной интерферометрии они формируются одновременно или с очень небольшой временной задержкой, макс. величина к-рой определяется временем когерентности (£10-4— 10-5 с). Голограмма же позволяет зафиксировать световую волну и восстановить её копию в любой момент времени. Поэтому голографич. интерферометрия не связана с требованием одновременности формирования волн. Эта же особенность снизила требования к качеству оптич. деталей, т. к. обе интерферирующие волны, проходя по одному и тому же каналу, одинаково искажаются погрешностями оптики.
С помощью голограммы можно восстановить интерференц. картины световых волн, рассеянных объектом в разных направлениях. Это позволяет изучать пространств. неоднородности показателя преломления. Одним из первых применений голографич. интерферометрии было исследование механич. деформаций.
Г. применяется для хранения и обработки информации. Информация об объекте, записанная в виде интерференц. структуры, однородно распределена на большой площади. Это обусловливает высокую плотность записи информации и её большую надёжность. Обработка записанного на голограмме массива информации световым пучком происходит одновременно по всей голограмме (с огромной скоростью).
С помощью голографич. устройств осуществляются различные волн. преобразования, в т. ч. обращение волн. фронта с целью исключения аберраций (см. Обращённый волновой фронт).
Записывая голограммы в средах со спец. св-вами, можно воспроизводить состояние поляризации предметной волны и даже её изменение во времени.
Голограмма может быть изготовлена не только оптич. методом, но и рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы используются для получения объёмных изображений не существующих ещё объектов. Машинные голограммы сложных оптич. поверхностей служат эталонами для интерференц. контроля поверхностей изделий.
• К о л ь е р Р., Беркхарт К., Лин Л., Оптическая голография, пер. с англ., М., 1973; Денисюк Ю. Н., Принципы голографии, Л., 1978; Островский Ю. И., Б у т у с о в М. М., Островская Г. В., Топографическая интерферометрия, М., 1977; Островский Ю. И., Голография и ее применение, Л., 1973; В ь е н о Ж.-Ш., Смигильский П.. Р у а й е Ж., Оптическая голография, пер. с франц., М., 1973; Г у д м е н Дж., Введение в Фурье-оптику, пер. с англ., М., 1970; Оптическая голография. Сб. статей, под ред. Ю. Н. Денисюка, Л., 1979; Голография. Методы и аппаратура, М., 1974; Ярославский Л. П., Мерзляков Н., Цифровая голография, М., 1982; Денисюк Ю. Н., Голография — что мы знаем о ней сегодня, «Природа», 1981, № 8.
Ю. И. Островский.
ГОЛОГРАФИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ, интерференционный способ получения изображения предметов с помощью акустич. волн. Осн. принцип получения акустических голографич. изображений подобен оптич. голографии: сначала регистрируется поле стоячих волн, образованных интерференцией двух звук. волн — рассеянной предметом и нек-рой опорной, а затем по полученной записи (акустич. голограмме) восстанавливается либо исходное изображение предмета, либо структура рассеянного этим предметом звук. поля на нек-ром расстоянии от него.
Поскольку скорость звука невелика, а большинство акустич. приёмников звука линейны (а не квадратичны, как в оптике), то, в отличие от оптич. голографии, в Г. а. можно вообще отказаться от использования опорной волны (регистрация мгновенного распределения акустич. поля) либо вводить её искусственно уже в электрич. канале. Восстановление акустич. голограммы обычно осуществляется в когерентном свете видимого
диапазона, поэтому запись акустич. голограммы осуществляется на спец. носителях, параметры к-рых могут изменять либо амплитуду, либо фазу проходящих через них световых волн. В кач-ве носителей используют фотоплёнки, термопластики, кристаллы с электрооптич. эффектом и т. п. Чтобы акустич. голограмму сделать видимой, используют разл. методы визуализации звуковых полей.
Акустич. голограмму поля можно записать в виде последовательности электрич. сигналов на магн. ленте, а их обработку (восстановление) осуществить с помощью вычислит. машины (т. н. цифровые методы восстановления акустич. голограмм). Полученное изображение затем выводится на графический или полутоновый дисплей.
Выбор оптич. или цифровых методов восстановления акустич. голограмм определяется: диапазоном частот, требуемым быстродействием, объёмом входной информации (числом точек в изображении) и допустимыми искажениями в восстановленном изображении. Оптич. методы восстановления могут быть использованы практически в любом диапазоне частот, они дают возможность получения акустич. изображений со скоростью ~16— 20 кадров/с при числе точек ~5000X5000. Их недостатки — невысокая точность (от 3 до 5%) и искажения в продольных размерах восстановленного изображения, связанные с тем, что практически невозможно уменьшить размер акустич. голограммы в lзв/lсв раз (l — длина волны соотв. звука и света).
Цифровые методы обычно используются в НЧ звук. диапазоне и пока не позволяют получить изображение в масштабе реального времени. Число точек обычно не превышает 1024X1024. Однако они обеспечивают по сравнению с оптич. восстановлением большую точность и восстановление неискажённых изображений.
Рис. 1. Схема голографич. устройства с матричной двухмерной антенной: 1 — антенна; 2 — устройство параллельного формирования голограмм; 3 — устройство отображения голограммы на трубке с мишенью из электрооптич. кристалла; 4 — оптич. система восстановления изображения; 5 — индикатор, дающий изображение предмета; 6 — задающий генератор; 7 — излучатель; 8 — предмет.
Для оптич. восстановления акустич. голограмм часто пользуются устройством с приёмной антенной в виде двухмерной матрицы приёмников звука (рис. 1), электрич. сигналы
133
с к-рых с помощью коммутатора модулируют силу тока электронно-лучевой трубки. Мишень трубки выполняют из прозрачного для света электрооптич. кристалла типа ДКДП. Электронный луч изменяет локальный коэфф. преломления крист. мишени в соответствии с интерференц. картиной рассеянного акустич. поля. Направляя на мишень световой поток от лазера, можно наблюдать в нек-рой области пр-ва восстановленное акустич. изображение предмета. В подобных устройствах число приёмных элементов в антенне должно быть достаточно велико, что создаёт техн. трудности при их практич. реализации.
Описанная схема (и ей подобные) используется в осн. в диапазоне звуковых и низких УЗ частот от 1 до 300—500 кГц. В более ВЧ диапазоне методы регистрации голограмм основываются на пространств. носителях, чувствительных к интенсивности звука. Наибольшее распространение получили способы, основанные на методе поверхностного рельефа. Звук. волна, падающая на отражающую поверхность воды, деформирует её, формируя рельеф, представляющий собой акустич. голограмму, к-рая при освещении её светом восстанавливает изображение (рис. 2).
При получении голографич. изображений предметов всегда следует помнить, что акустич. изображения могут быть неадекватны оптическим, даже если длины волн достаточно близки.
Рис. 2. Схема безлинзовой УЗ голографии: 1 — излучатели; 2 — акустич. линзы; 3 — предмет; 4 — кювета с водой; 5 — полупрозрачное зеркало; 6 — оптич. система восстановления; 7 — плоскость регистрации изображения.
Поскольку в Г. а. используются длины волн, как правило, большие, чем световые, то восстановленные звук. изображения предметов обычно имеют зернистую структуру и худшее разрешение. Для ликвидации этих явлений используют широкополосное излучение и звук. освещение с разл. сторон (аналог белого света и диффузной подсветки) для того, чтобы убрать зеркальные блики.
Благодаря св-ву акустич. волн распространяться на большие расстояния без затухания, Г. а. применяется в геофизике для исследования строения земной коры, поиска полезных ископаемых, получения изображений морского дна, в гидролокации.
Методы Г. а. используются в медицинской диагностике вследствие относительной безвредности УЗ умеренной мощности: визуализация мягких тканей, сосудов, новообразований, изображений внутр. органов.
• Бахрах Л. Д., Гаврилов Г. А., Голография, М., 1979; Б а б и н Л. В., Г у р е в и ч С. Б., Акустическая голография, «Акуст. ж.», 1974, т. 17, в. 4; С в е т В. Д., Методы акустической голографии. [Обзор], Л., 1976; Применения голографии, пер. с англ., М., 1973.
ГОЛОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ, механич. системы, в к-рых все связи (см. Связи механические) явл. геометрическими (голономными), т. е. налагающими ог-
раничения только на положения (или на перемещения за время движения) точек и тел системы, но не на величины их скоростей. Напр., двойной маятник (рис., а) явл. Г. с.; в нём связи (нити) налагают ограничения только на положения или перемещения грузов М1 и М2, но не на их скорости, к-рые при движении могут иметь любые значения. Связь, налагающая ограничения на скорости точек и тел системы, т. е. устанавливающая между этими скоростями определ. соотношения, наз. кинематической. Однако если эти соотношения можно свести к геометрическим, т. е. к соотношениям между перемещениями (или координатами) точек и тел системы, то такая связь также явл. голономной. Напр., при качении без скольжения колеса радиуса R по прямолинейному рельсу (рис., б) скорость v центра колеса и угл. скорость w колеса связаны соотношением v=Rw, но его можно свести к геом. соотношению s=Rj между перемещением s=AA1 центра и углом поворота j колеса. Следовательно, это Г. с.
Кинематич. связи, не сводящиеся к геометрическим, наз. неголономными, а механич. системы с такими связями — неголономными системами. Разделение механич. систем на голономные и неголономные очень существенно, т. к. ряд ур-ний, позволяющих сравнительно просто решать задачи механики (напр., Лагранжа уравнения механики), применим только к Г. с.
С. М. Taps.
ГОМЕОПОЛЯРНАЯ СВЯЗЬ, то же, что ковалентная связь.
ГОМОГЕННАЯ СИСТЕМА (от греч. homogenes — однородный), термодинамич. система, св-ва к-рой (состав, плотность, давление и др.) изменяются в пр-ве непрерывно. Гомогенными могут быть газовые смеси, жидкие или тв. р-ры и др. системы. Различают физически однородные и неоднородные Г. с. У однородных Г. с. с-ва в разл. частях системы одинаковы, у неоднородных — различны. Однако благодаря непрерывному изменению св-в в неоднородной Г. с., в отличие от гетерогенной системы, нет частей, ограниченных поверхностями раздела, на к-рых хотя бы одно св-во изменялось скачком (система однофазна). Примером физически неоднородной Г. с. может служить газ в ноле тяготения — его плотность непрерывно изменяется с высотой.
ГОМОПЕРЕХОД, в отличие от гетероперехода — контакт двух областей с разными типами проводимости или концентрациями легирующей примеси в одном и том же кристалле полупроводника. Различают p — n-переходы, в к-рых одна из двух контактирующих областей легирована донорами, а другая — акцепторами (см. Электронно-дырочный переход), n+—n-переходы (обе области легированы донорной примесью, но в разл. степени) и p+—p-переходы (обе области легированы акцепторной примесью).
Э. М. Эпштейн.
ГОМОЦЕНТРИЧЕСКИЙ ПУЧОК ЛУЧЕЙ в оптике, пучок световых лучей, в к-ром или сами лучи, или их продолжения пересекаются в одной точке. Волновая поверхность, соответствующая Г. п. л., явл. сферой; её центр и есть точка пересечения Г. п. л. Изображение оптическое, получаемое с помощью к.-л. оптич. системы, точно воспроизводит форму объекта лишь в том случае, если Г. п. л. после прохождения через данную систему снова превращается в Г. п. л.; только при этом условии каждой точке объекта соответствует одна определённая точка изображения.
ГОНИОМЕТР (от греч. gonia — угол и metreo — измеряю), прибор для измерения углов между гранями кристаллов. До открытия рентгеноструктурного анализа гониометрич. метод был основным для описания и идентификации кристаллов. В отражательном оптич. Г. кристалл, приклеенный к вращающейся оси, освещается, и лучи, отражённые от разных граней, поочерёдно наблюдаются в зрит. трубу. В более совершенных двухкружных Г. (Фёдорова, Гольдшмидта, Чапского) кристалл или зрит. трубу можно вращать вокруг двух осей.
• Флинт Е. Е., Практическое руководство по геометрической кристаллографии, 3 изд., М., 1956; его же, Начала кристаллографии, М., 1952.
ГОРЕНИЕ, сложная хим. реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции.
134
При Г. могут достигаться высокие (до неск. тыс. К) темп-ры, причём часто возникает излучающая свет область — пламя. К Г. относятся, напр., разл. экзотермич. реакции высокотемпературного окисления топлива, разложение взрывчатых в-в (ВВ), озона, ацетилена, соединения ряда в-в с хлором, фтором и др. Г. в большинстве случаев состоит из многих элем. хим. процессов и тесно связано с явлениями тепло- и массопереноса.
Отличит. особенность Г.— протекание хим. реакции в условиях её самоускорения. Механизмов самоускорения два — тепловой и ц е п н о й. При тепловом типе Г. скорость хим. реакции резко возрастает с ростом темп-ры и выделяющаяся в реакции теплота всё более её ускоряет. При цепном Г. самоускорение происходит вследствие лавинообразного роста (в процессе разветвлённо-цепной реакции) концентрации активных ч-ц— атомов или радикалов, стимулирующих хим. превращение.
Характерное св-во процесса Г.— способность к распространению в пр-ве. Благодаря процессам переноса (диффузии и теплопроводности) теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объёме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси и инициировать там Г. В результате возникает движущийся фронт горения. Его скорость распространения наз. линейной скоростью Г. и. Массовая скорость Г. m=ru, где r — плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где хим. реакция начинается вследствие быстрого и сильного сжатия в-ва ударной волной (см. Взрыв), скорость Г. невелика (~10-3—10 м/с), поскольку определяется сравнительно медленными процессами диффузии и теплопроводности. Если движение среды турбулентно, то скорость Г. увеличивается вследствие интенсивного турбулентного перемешивания.
Различают две стадии Г.— воспламенение и последующее сгорание (догорание) в-ва. Воспламенение может быть вынужденным (зажигание), кроме того, может наблюдаться самовоспламенение. В зависимости от агрегатного состояния исходного в-ва и продуктов Г. различают гомогенное Г., Г. взрывчатых в-в, гетерогенное Г.
При гомогенном Г. исходные в-ва и продукты Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем — обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. в-в (напр., термитов — смесей алюминия с окислами разл. металлов), а также изотермич. Г.— распространение цепной разветвлённой реакции в газовой смеси без значит. разогрева. На рисунке изображена структура фронта горения в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в
очень узкой зоне (~10-5 м) при темп-ре, близкой к темп-ре Г.: Т= T0+Q/cp (Т0 — темп-pa исходной смеси, Q — теплота сгорания, ср — теплоёмкость газа при пост. давлении р). В зоне подогрева темп-pa газа растёт за счёт теплоты, выделившейся при
Изменение скорости тепловыделения w, концентраций продуктов горения Р и горючего (или окислителя) F, темп-ры Т во фронте гомогенного горения: 1 — зона подогрева; 2 — зона хим. реакции; 3 — продукты горения; х — пространств. координата.
Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного в-ва так, что хим. реакция идёт в очень обеднённой смеси. Скорость тепловыделения w имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка темп-pa, а в конце её нет горючего. Скорость Г. u ~ Öc/t, t~ехр(E/RT), где c — коэфф. температуропроводности; t — характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в осн. энергией активации Е и темп-рой Г.; R — универс. газовая постоянная.
При Г. негазифицирующихся конденсиров. в-в диффузия обычно не происходит и процесс распространения Г. идёт только за счёт теплопроводности. При изотермич. Г., напротив, осн. процессом переноса явл. диффузия.
Г. взрывчатых веществ связано с переходом в-ва из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физ.-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяются теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г. на нек-ром расстоянии от поверхности. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования — переходом части конденсированного ВВ в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.
При гетерогенном Г. исходные в-ва (напр., тв. или жидкое горючее и газообразный окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.— Г. угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением горючего в-ва и переходом его в газовую фазу в виде капель и ч-ц, образованием окисных плёнок на ч-цах металла, турбулизацией смеси и т. д.
Важной особенностью процесса Г. явл. наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь для определённых, характерных для данной горючей системы, областей изменения параметров (состава смеси, темп-ры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду и др.). Критич. значения этих параметров наз. пределами Г. За этими пределами Г. прекращается. При эксперим. исследовании Г. обычно изучают зависимость скорости Г. от разл. параметров Г., дисперсности компонентов, структуры фронта Г., скорости хим. реакции, пределов Г. При этом используются разл. оптич. методы (высокоскоростная киносъёмка, голография), микротермопары, манометрич. и калориметрич. бомбы.
• Математическая теория горения и взрыва, М., 1980; Хитрин Л. Н., Физика горения и взрыва, М., 1957; Льюис Б., Эльбе Г., Горение, пламя и взрывы в газах, пер. с англ., М., 1948; Вильямс Ф. А., Теория горения, пер. с англ., М., 1971. См. также лит. при ст. Взрыв.
Б. В. Новожилов.
ГОРЯЧИЕ ЭЛЕКТРОНЫ (горячие дырки), подвижные носители заряда в тв. проводнике, энергетич. распределение к-рых заметно отличается (в сторону больших энергий) от равновесного распределения, определяемого Ферми — Дирака статистикой или Больцмана статистикой. Носители заряда становятся «горячими» при протекании электрич. тока через проводник под действием достаточно сильного электрич. поля.
При протекании тока электрич. поле ускоряет большее число носителей, а тормозит меньшее, и тем самым сообщает электронному газу дополнит. энергию. В то же время, если ср. энергия эл-нов выше равновесного значения, к-рое в невырожденном электронном газе равно (3/2)/kТ, электронный газ передаёт энергию фононам при рассеянии на них. Степень «разогрева» носителей заряда, т. е. увеличение их ср.энергии ξ по сравнению с равновесным значением, зависит от величины поля Е и подвижности носителей тока m, а также от скорости передачи ими энергии фононам, к-рая характеризуется временем рассеяния энергии tе. По порядку величины ξ- 3/2kT » еmtеЕ2, где е — заряд эл-на. При темп-pax Т > во (qD — Дебая температура), когда рассеяние носителей на фононах с энергией kqD (в частности, на оптич. фононах) велико, tг мало (в ПП te ~ 10-11с). Поэтому характерная величина поля Ер, при к-ром разогрев носителей становится значительным, также велика: Eр³ 5г 103 В/см. При Т <<qD, когда носители рассеивают энергию только на ДВ акустич. фононах, te гораздо больше (3•10-7 с в InSb n-типа при Т ~4—6 К), а напряжённость электрич. поля, при к-рой разогрев носителей уже значителен, составляет: Eр~10-1 —1В/см.
135
Разогрев носителей с ростом поля приводит к изменению электропроводности а ПП и отклонению его вольт-амперной хар-ки от закона Ома. Эфф. подвижность носителей тока изменяется, т. к. время рассеяния импульса, как правило, зависит от энергии носителя, к-рая в ср. растёт с ростом электрич. поля. Кроме того, Г. э., приобретая достаточно большую энергию, могут переходить в более высокие зоны проводимости, в к-рых их подвижность значительно отличается (обычно в меньшую сторону) от подвижности в ниж. зонах (см. Зонная теория). Напр., это имеет место в GaAs n-типа, InP n-типа и др. ПП. Изменяется и концентрация носителей либо из-за ударной генерации электронно-дырочных пар или ударной ионизации примесей Г. э., либо из-за изменения скорости рекомбинации горячих носителей или скорости захвата их примесными центрами. Обычно захват носителей происходит ионами примеси, знак заряда к-рых противоположен знаку заряда носителей. При этом скорость захвата уменьшается с разогревом, и концентрация носителей и электропроводность ПП растут. Однако иногда примесные центры заряжены одноимённо с носителями заряда и на больших расстояниях отталкивают их по закону Кулона. Тогда носитель, чтобы оказаться захваченным, должен преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего скорость захвата растёт (время жизни уменьшается) с увеличением энергии Г. э. В результате концентрация носителей и электропроводность а уменьшаются с ростом электрич. поля (наблюдается, напр., в Ge n-типа с примесями Cu и Au).
При достаточно сильном падении а с ростом электрич. поля на вольтамперной хар-ке появляется т. н. падающий участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, она становится N-образной (см. Ганна эффект). В тех же случаях, когда s, наоборот, сильно растёт, может наблюдаться S-образная хар-ка и, как следствие, шнурование тока. Когда при приближении к нек-рой величине напряжения ток очень круто растёт, говорят об электрич. пробое.
Нагрев эл-нов приводит и к др. эффектам: к эмиссии Г. э. из ненагретых ПП, к анизотропии электропроводности и коэфф. диффузии в кристаллах кубич. сингонии в сильных нолях (в слабых полях они изотропны), к росту и анизотропии флуктуации электрических (спектр. плотности шума, измеренные вдоль и поперёк тока, разные).
Г. э. возникают также: 1) при инжекции носителей из контакта двух проводников под действием приложенного к ним напряжения, 2) при генерации носителей светом с энергией
фотонов, превышающей ширину запрещённой зоны ПП на величину, большую, чем величина характерной тепловой энергии носителей (фоторазогрев).
• Б о н ч-Б р у е в и ч В. Л., Калашников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977; Конуэлл Э., Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях, пер. с англ., М., 1970; Денис В., П о ж е л а Ю., Горячие электроны. Вильнюс, 1971. См. также лит. при ст. Полупроводники. Ш. М. Коган.
ГРАВИТАЦИОННАЯ МАССА (тяжёлая масса), физ. величина, характеризующая св-ва тела как источника тяготения; равна инертной массе. См. Масса.
ГРАВИТАЦИОННАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ, нарастание со временем отклонений от ср. значения плотности и скорости движения в-ва в косм. пр-ве под действием сил тяготения. При первоначально близком к однородному распределению в-ва (газа, плазмы) Г. н. должна приводить к образованию сгустков в-ва. Теория Г. н. разработана для однородной среды, а также для простейших геом. конфигураций: плоского слоя; цилиндрически симметричных конфигураций, неоднородных по радиусу; тонкого диска. Развитие Г. н. (гравитац. возмущений) в простых конфигурациях исследуется с целью объяснить происхождение скоплений галактик, отд. галактик и их внутр. структуры, звёзд и скоплений звёзд.
Силам тяготения, стремящимся сконцентрировать в-во, противодействуют силы упругости в-ва (определяемые градиентом давления) и др. негравитац. силы (эл.-магн., центробежные, вызванные вращением сгустка, и др.). Для однородной среды силы тяготения пропорц. размеру сгустка l, тогда как сила упругости пропорц. 1/l. Поэтому при больших l силы тяготения велики по сравнению с силами упругости, и сгусток больших размеров сжимается. Напротив, при малых l действие сил тяготения слабее действия сил упругости. Т. о., среда устойчива относительно распада на отд. малые сгустки и неустойчива относительно образования сгустков больших размеров. Если рассматривать лишь силы тяготения и упругости, то критич. значение lJ, отделяющее область устойчивости от области Г. н., т. н. длина волны Джинса, равно: lJ»азвÖpi/gr, где азв — скорость звука, G — гравитационная постоянная, r — плотность в-ва. Аналогичные ф-лы для критич. размера lJ могут быть получены и при учёте вращения, турбулентности, эл.-магн. и др. сил, противодействующих силам тяготения и повышающих гравитац. устойчивость в-ва. Возмущения больших масштабов (l>>lJ) на фоне стационарного ср. распределения в-ва нарастают со временем экспоненциально (пропорц. еwt, где w ~ ÖGr), а в расширяющейся (сжимающейся) среде — по степенному закону (пропорц. ta,
где t — время с начала расширения, а значение а определяется из ур-ния состояния в-ва). Следовательно, существующие на начальных стадиях расширения малые по амплитуде неоднородности растут со временем; это положение привлекается для объяснения возникновения галактик в теории расширяющейся Вселенной. Когда небольшие вначале неоднородности вырастают настолько, что относит. величина возмущения плотности становится порядка единицы (Dr/r ~ 1), наступает нелинейная стадия роста неоднородностей и возможно образование галактик и скоплений галактик. Всё большее развитие получает числ. моделирование этих нелинейных процессов.
• Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; их же, Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971; Происхождение и эволюция галактик и звезд, М., 1976.
фундаментальная физ. константа G, входящая в закон тяготения Ньютона F=GmM/r2, где m и М — массы притягивающихся тел (матер. точек), r — расстояние между ними, F — сила притяжения, G= 6,6720(41)X10-11 Н•м2•кг-2(на 1980). Наиболее точно значение Г. п. определяется динамич. методом — по изменению периода колебаний крутильных весов, вызванному приближением притягивающихся масс.
ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ элементарных частиц, наиболее слабое из всех известных фундам. вз-ствий. Наблюдательные проявления Г. в. связаны с его дальнодействующим хар-ром и когерентным усилением гравитац. эффектов в макроскопич. масштабах (см. Тяготение). В макропроцессах эффекты Г. в. характеризуются гравитационной постоянной G»6,67•10-8 см3г-1 с-2. В нерелятив. случае потенц. энергия U Г. в. двух ч-ц определяется их массами m1 и m2 и расстоянием r между ними по закону всемирного тяготения Ньютона: U=-Gm1m2/r. Если воспользоваться этим законом для оценки Г. в. элем. ч-ц, то, напр., Г. в. для двух протонов на расстоянии r=10-13 см U »1,7•10-42 эрг »10-36 МэВ, что в 1036 раз меньше их электростатического (кулоновского) вз-ствия на том же расстоянии. Поскольку Г. в. оказывается столь слабым на характерных малых расстояниях, доступных изучению в совр. экспериментах, эффекты Г. в. в процессах элем. ч-ц обычно не учитываются. Релятив. классич. теорией Г. в. явл. общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна, к-рая в нерелятив. случае в пределе слабых гравитац. полей переходит в теорию тяготения Ньютона. В очень сильных гравитац. полях могут происходить квант. процессы образования ч-ц, аналогичные процессам рождения пар в сильных эл.-магн. полях. Теор. описание таких процессов рассматривается на основе ОТО.
136
Из постоянных G, h и с может быть составлена величина размерности
массы: mпл=Öhc/G »10-5 г. Эта т.н. планковская масса характеризует энергию mплс2 »1019 ГэВ, при к-рой должен осуществляться переход к квант. описанию Г. в.; при меньших энергиях справедливо классич. описание процессов Г. в.
ОТО связывает Г. в. с общими св-вами метрики пространства-времени. Квантование Г. в. может привести к появлению у пространства-времени дискр. св-в(см. Квантование пространства-времени), причём комптоновскую длину волны lпл=h/mплс»10-33 см можно интерпретировать как фундаментальную длину, а время tпл=h/mплс2 »10-43 с — как элем. временной интервал.
Последоват. квант. теория Г. в. ещё не построена. В системе ед. h=с=1 гравитац. постоянная G явл. размерной константой с размерностью обратного квадрата массы, поэтому квант. описанию Г. в. отвечала бы неперенормируемая теория. Точно такую же размерность имеет фермиевская константа GF эфф. вз-ствия слабых токов (GF=10-5/m2p, где mр — масса протона). Согласно единой калибровочной теории слабого и эл.-магн. вз-ствий (т. н. электрослабому вз-ствию; см. Слабое взаимодействие), величина Л—
= Öhc5/GF»300 ГэВ характеризует переход к полной симметрии этих вз-ствий. В совр. калибровочных теориях сильного вз-ствия (квантовой хромодинамике) и электрослабого вз-ствия эффекты Г. в. не учитываются. В моделях «великого объединения» сильного, слабого и эл.-магн. вз-ствий характерный масштаб масс, при к-ром происходит восстановление симметрии, оказывается ~1014 — 1016 ГэВ, т. е. всего на неск. порядков меньше, чем mплс2. Это наводит на мысль, что в единых калибровочных теориях при энергиях ~ 1019 ГэВ может происходить переход к полной симметрии всех фундам. вз-ствий, т. е. объединение всех четырёх фундам. вз-ствий элем. ч-ц, включая Г. в. В одном из подходов решение этой проблемы связывают с супергравитацией. При этом с квант. процессами Г. в. связаны не только ч-цы со спином 2 — гравитоны, но и ч-цы со спином 3/2 — «гравитино» и со спином 1 — «грави-фотоны». Интересным следствием существования «грави-фотонов» могли бы быть эффекты антигравитации. Другой подход к объединению Г. в. и остальных вз-ствий мог бы быть связан с наличием в теории фундаментальной длины lпл, что приводило бы к дискретным квант. св-вам пространства-времени и давало бы, напр., автоматич. обрезание УФ расходимостей.
ГРАВИТАЦИОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, свободное (не связанное с источниками) гравитац. поле, к-рое (подобно эл.-магн. излучению) в виде волн распространяется в пр-ве со скоростью света. Г. и. возникает при неравномерном движении масс (тел). Существование гравитац. волн следует из общей теории относительности Эйнштейна (см. Тяготение). Экспериментально Г. и. не обнаружено из-за его крайне слабого вз-ствия с в-вом. Эффект излучения гравитац. волн очень слаб в земных лаб. условиях, однако в нек-рых катастрофических астрофиз. явлениях, напр. при вспышке сверхновой звезды, столкновении пульсаров, энергия, уносимая Г. и., может составлять сотые доли от полной энергии звезды. Во мн. лабораториях мира создаются спец. антенны для обнаружения всплесков Г. и. от таких источников. Всплески длительностью 10-3—10-4 с, вызванные астрофиз. катастрофами в соседних с нашей галактиках, можно ожидать с частотой один раз в месяц. Гравитац. волна должна вызывать в направлении, перпендикулярном её распространению, относит. смещения свободных «пробных» масс и переменные механич. натяжения в протяжённых телах. Этот эффект и используется при разработке гравитац. антенн. Трудность обнаружения Г. и. с помощью таких антенн ясна из след. оценки: амплитуда относит. удлинения протяжённого тела (гравитац. антенны), по расчётам, лежит в пределах 10-19—10-21. Для регистрации столь малых смещений в одних типах антенн применяются лазерные интерферометры, в других — криогенная электроника.
Обнаружение Г. и. от внеземных источников будет одновременно означать открытие нового канала астрофиз. информации.
• Мизнер Ч., Торн К., Уипер Дж., Гравитация, пер. с англ., т. 1—3, М., 1977; Брагинский В.Б.,Руденко В.Н., Релятивистские гравитационные эксперименты, «УФН», 1970, т. 100, в. 3, с. 395.
В. Б. Брагинский.
ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ (поле тяготения), см. Тяготение.
ГРАВИТАЦИОННОЕ СМЕЩЕНИЕ, изменение частоты эл.-магн. излучения при его распространении в гравитационном поле. См. Красное смещение.
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ, переменное гравитац. поле, к-рое излучается ускоренно движущимися массами, «отрывается» от своего источника и, подобно эл.-магн. излучению, распространяется в пространстве со скоростью света. См. Гравитационное излучение.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС, процесс гидродинамич. сжатия тела под действием собств. сил тяготения. Этот процесс в природе возможен только у достаточно массивных тел, в частности у звёзд. Необходимое условие Г. к.— понижение упругости в-ва внутри звезды, к-рое приводит к более быстрому нарастанию при сжатии сил тяготения по сравнению с силами
внутр. давления. Это связано с расходом энергии на расщепление ядер и рождение ч-ц, в т. ч. нейтрино (см. Нейтронизация •вещества), и потерями энергии с нейтрино, уходящими из звезды. В течение эволюции звезды условия, ведущие к Г. к., осуществляются дважды: 1) при образовании звезды из межзвёздной пыли и газа, 2) при исчерпании термояд. горючего и достижении в центре звезды высоких значений плотности (r~107 — 1010 г/см3) и темп-ры (Т ~ 109— 1010 К). В первом случае Г. к. останавливается после начала в звезде термояд. реакций водородного цикла, ведущих к интенсивному выделению энергии. Второй случай возможен только у достаточно массивных звёзд с М > МЧ »1,2 mсолн (MЧ — т. н. предел Чандрасекара, mсолн — масса Солнца). Как показывает гидродинамич. теория, Г. к. развивается катастрофич. образом — скорости сжатия близки к скоростям свободного падения. Г. к. или заканчивается остановкой в состоянии горячей нейтронной звезды (r ~ 1014 г/см3, Т ~ 1011 К), если масса М £2—3 mсолн, или переходит безостановочно в релятивистский Г. к. (при М>2—3 mсолн), приводящий к образованию чёрной дыры. Очень важную роль при Г. к. играет мощное нейтринное излучение, порождаемое гл. обр. обычными бета-проессами (см. Бета-распад, Нейтринная астрофизика). Фактически нейтринное излучение определяет всю динамику Г. к., в частности скорости сжатия, время коллапса, темп-ру и плотность в-ва в случае остановки коллапса. Св-ва чёрной дыры описываются общей теорией относительности, поскольку около коллапсирующей звезды изменяются св-ва пространства-времени. За исключением ранних стадий развития Вселенной, Г. к.— единств. путь рождения чёрных дыр. Г. к. звёзд может сопровождаться сбросом внеш. оболочки, что связывается со вспышками сверхновых звёзд. Теория предсказывает сброс оболочки у коллапсирующих звёзд сравнительно небольших масс (М ~ MЧ). Хар-р сброса зависит от структуры оболочки, наличия в ней вращения и магн. поля. При сбросе оболочки, сопровождающем Г. к. центр. части звезды, образуются в большом кол-ве разл. хим. элементы (происходит нуклеосинтез).
• Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971; Новиков И. Д., Гравитационный коллапс, в кн.: Физика космоса, М., 1976 (Маленькая энциклопедия).
В. С. Имшенник.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ РАДИУС, в общей теории относительности (см. Тяготение) — радиус сферы, на к-рой сила тяготения, создаваемая сферической, невращающейся массой m, целиком лежащей внутри этой сферы, стре-
137
мится к бесконечности. Г. p. (rg) определяется массой тела : rg= 2Gm/c2, где G — гравитационная постоянная. Г. р. обычных астрофиз. объектов ничтожно малы по сравнению с их действит. размерами; так, для Земли rg »0,9 см, для Солнца rg » 3 км. Если тело сжать до размеров Г. р., то никакие силы не смогут остановить его дальнейшего сжатия под действием сил тяготения. Такой процесс, наз. релятивистским гравитационным коллапсом, может происходить с достаточно массивными звёздами (как показывает расчёт, с массой примерно больше двух солн. масс) в конце их эволюции; если, исчерпав ядерное «горючее», звезда не взрывается и не теряет массу, то, сжимаясь до размеров Г. р., она должна испытывать релятив. гравитац. коллапс. При гравитац. коллапсе из-под сферы радиуса rg не может выходить никакое излучение, никакие ч-цы, вторая космич. скорость на rg равна скорости света. С точки зрения внеш. наблюдателя, находящегося далеко от звезды, с приближением размеров звезды к rg время неограниченно замедляет темп своего течения. Поэтому для такого наблюдателя радиус коллапсирующей звезды приближается к Г. р. асимптотически, никогда не становясь меньше его,
ГРАВИТАЦИЯ (от лат. gravitas — тяжесть), то же, что тяготение.
ГРАВИТОН, квант гравитац. поля (поля тяготения), обладающий нулевыми массой и электрич. зарядом и спином 2 (в ед. h). Экспериментально пока не обнаружен.
ГРАД (гон), единица плоского угла, равная 1/100 прямого угла, обозначается g. 1g=0,0157 радиан=0,900° (угл. градусов). l°=1,111g.
ГРАДУИРОВКА средств измерений, метрологич. операция, при помощи к-рой средство измерений (меру или измерит. прибор) снабжают шкалой или градуировочной таблицей (кривой). Отметки шкалы должны с требуемой точностью соответствовать значениям измеряемой величины, а таблица (кривая) отражать связь эффекта на выходе прибора с величиной, подводимой к входу (напр., зависимость эдс термопары термоэлектрич. термометра от темп-ры рабочего спая). Г. производится с помощью более точных, чем градуируемые, средств измерений, по показаниям к-рых устанавливают действит. значения измеряемой величины. Точные средства измерений градуируют индивидуально, менее точные снабжают типовой шкалой, напечатанной заранее, или стандартной таблицей (кривой) градуировки.
ГРАДУС (от лат. gradus — шаг, ступень, степень) температурный, общее наименование разл. ед. темп-ры, соответствующих разным температурным шкалам. Различают Г. шкалы Кельвина, или кельвин (К), градус Цельсия (°С), Реомюра (°R), Фаренгейта (°F), Ранкина (°Ra). 1K=1°C=0,8°R=l,8°F=l,8°Ra. Кельвин — одна из осн. ед. СИ.
ГРАДУС угловой, единица плоского угла, равна 1/90 части прямого угла, обозначается °. 1°=60'= 3600", где ' — обозначение угл. минуты, " — угл. секунды. В Г. измеряют также дуги окружности (полная окружность равна 360°).
ГРАММ (франц. gramme, от лат. и греч. gramma — мелкая мера веса), основная ед. массы в СГС система единиц и дольная ед. СИ (0,001 кг). 1 г с точностью до 0,2% равен массе 1 см3 химически чистой воды при темп-ре её наибольшей плотности (ок. 4°С).
ГРАММ-ATOM, выходящее из употребления наименование ед. кол-ва в-ва, индивидуальной для каждого конкретного в-ва. 1 Г.-а.— кол-во в-ва (хим. элемента), масса к-рого в граммах равна его ат. массе. В СИ осн. ед. количества в-ва — моль.
ГРАММ-МОЛЕКУЛА, устаревшее наименование ед. количества в-ва — моля.
ГРАСГОФА ЧИСЛО [по имени нем. учёного и инженера Ф. Грасгофа (Грасхоф, F. Grashof)], подобия критерий, определяющий перенос теплоты для случая свободной конвекции, когда движение среды происходит под действием силы тяжести и вызывается разностью плотностей из-за неравномерности поля темп-р, Г. ч.
где g — ускорение свободного падения, l — характерный размер, v — коэфф. кинематич. вязкости, b — коэфф. объёмного расширения, DТ — разница темп-р между поверхностью тела и средой или разл. слоями среды. Г. ч. явл. произведением числа gbDTl2/nv характеризующего отношение силы трения к подъёмной (архимедовой) силе, на Рейнольдса число Re=vl/hv, где v — скорость течения жидкости или газа.
ГРАФИТ (нем. Graphit, от греч. grapho — пишу), природный и синтетич. кристалл углерода, устойчивый при норм. условиях. Точечная группа симметрии 6/mmm, плотность 2,23 г/см3, Tпл=3850±50°С. Кислотоупорен (окисляется только при высоких темп-рах), жаропрочен, легко обрабатывается, хорошо проводит электрич. ток. Обладает малым сечением захвата тепловых нейтронов, малым коэфф. трения, резкой анизотропией св-в: твёрдость вдоль оси 6 по шкале Мооса — 1, перпендикулярно этой оси — 5,5 и выше; коэфф. теплового расширения а вдоль оси 6 равен 28,2•10-6 К-1, перпендикулярно этой оси: 1,5X10-6 К-1. При облучении нейтронами увеличиваются твёрдость, электросопротивление, модуль упругости,
а теплопроводность уменьшается (в 20 раз). Синтетич. Г. применяется в кач-ве эррозионностойких покрытий для сопел ракетных двигателей, камер сгорания, для изготовления отд. деталей ракет, в электротехнике и хим. промышленности, а также в кач-ве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.
ГРАФИЧЕСКАЯ СТАТИКА (графостатика), учение о графич. методах решения задач статики. Методами Г. с. путём соответствующих геом. построений могут определяться искомые силы, изгибающие моменты, центры тяжести и моменты инерции плоских фигур и др. С использованием Д'Аламбера принципа методы Г. с. могут применяться к решению задач динамики. Г. с. пользуются в строит. механике при расчётах балок, ферм и др. конструкций, а также при расчётах усилий в разл. деталях механизмов и машин. По точности расчётов методы Г. с. значительно уступают аналитическим (численным) методам.
• См. лит. при ст. Статика.
ГРОМКОСТЬ ЗВУКА, величина, характеризующая слуховое ощущение для данного звука. Г. з. сложным образом зависит от звукового давления (или интенсивности звука), частоты и формы колебаний. При неизменной частоте и форме колебаний Г. з. растёт с увеличением звук. давления
Кривые равной громкости — зависимость уровня звук. давления (в дБ) от частоты при заданной громкости (в фонах).
(рис.). При одинаковом звук. давлении Г. з. чистых тонов (гармонич. колебаний) разл. частоты различна, т. е. на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности. Г. з. данной частоты оценивают, сравнивая её с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц. Уровень звук. давления (в дБ) чистого тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого (сравнением на слух), как и измеряемый звук, наз. уровнем громкости данного звука (в фонах).
ГРУППОВАЯ СКОРОСТЬ, скорость движения группы или цуга волн, образующих в каждый данный момент времени локализованный в пр-ве волновой пакет (рис. 1). В линейных средах, где соблюдается суперпозиции принцип, его можно рассматривать
138
как набор гармонич. волн с частотами в интервале w0-Dw<w<w0+Dw тем более узком, чем плавнее и протяжённее огибающая группы. Длина пакета DL и его спектр. полоса Dw ограничены снизу соотношением DLDk³1, где волновое число k связано с частотой со дисперсионным соотношением w=w(k) (см. Дисперсия волн).
Если среда не обладает дисперсией, то все гармонич. волны распространяются с одной и той же фазовой
Рис. 1. Волновой пакет.
скоростью и пакет ведёт себя как строго стационарная волна — его Г. с. совпадает с фазовой скоростью. При наличии дисперсии волны разл. частот распространяются с разными фазовыми скоростями и форма огибающей искажается. Однако для сигналов с достаточно узким спектром, когда фазовые скорости гармонич. волн, образующих волн. пакет, мало отличаются друг от друга, и на не слишком больших расстояниях, когда форма огибающей приближённо сохраняется, влияние дисперсии сказывается лишь на скорости перемещения
Рис. 2. Последовательные моментальные снимки группы волн в моменты времени t1, t2, t3: a — в случае нормальной дисперсии; б — в случае аномальной дисперсии.
огибающей, к-рая и есть Г. с. Поскольку распространение двух синусоидальных волн с близкими частотами w0+Dw пакета описывается выражениями
sin[(w0±Dw)t-(k0±Dk)x],
то скорость их огибающей равна Dw/Dk, что в пределе приводит к ф-ле: vгр=д(w/дk│k0.
На рис. 2 представлены три последовательных мгновенных снимка сигнала с узким спектром, распространяющегося в среде с дисперсией. Наклон пунктирных прямых, соединяющих точки одинаковой фазы, характеризует фазовую скорость; наклон прямых, соединяющих соответствующие точки огибающей (начала и концы сигнала), характеризует Г. с. сигнала. Если при распространении сигнала максимумы и минимумы движутся быстрее, чем огибающая, то это означает, что фазовая скорость данной
группы волн превышает её Г. с. (рис. 2, а). При распространении сигнала в его «хвостовой» части возникают всё новые максимумы, к-рые постепенно перемещаются вперёд вдоль сигнала, достигают его «головной» части и там исчезают. Такое положение имеет место в случае т. н. норм. дисперсии, т. е. в средах, где показатель преломления n увеличивается с ростом частоты гармонической волны (dn/dw>0). Такую дисперсию наз. также отрицательной, поскольку с ростом k фазовая скорость vф волны убывает. Примеры сред с норм. дисперсией — в-ва, прозрачные для оптич. волн, волноводы, изотропная плазма и др. Однако в ряде случаев наблюдается аномальная (положительная) дисперсия среды (dn/dw<0); в этих случаях Г. с. сигнала превышает vф(дw/дk>w/k). Максимумы и минимумы появляются в передней части группы (рис. 2, 6), перемещаются назад и исчезают в «хвосте» сигнала. Аномальная дисперсия характерна для капиллярных волн на поверхности воды vгр=2vф), для эл.-магн. и акустич. волн в средах с резонансным поглощением, а также (при определ. условиях) для волн в периодич. структурах (кристаллы, замедляющие структуры и т. п.). При этом возможна даже ситуация, при к-рой Г. с. направлена противоположно фазовой. Понятие Г. с. играет важную роль и в физике и в технике, поскольку все методы измерения скоростей распространения волн, связанные с запаздыванием сигналов (в т. ч. скорости света), дают Г. с. Именно она фигурирует при измерении дальности в гидро- и радиолокации, при зондировании ионосферы, в системах управления косм. объектами и т. д. Согласно относительности теории, всегда vгр£c, где c — скорость света в вакууме; для фазовых скоростей ограничений не существует.
• Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; П и р с Дж., Почти все о волнах, пер. с англ., М., 1976; К р а у ф о р д Ф., Волны, пер. с англ., 2 изд., М., 1976 (Берклеевский курс физики, т. 3).
М. А. Миллер, Е. В. Суворов.
ГРЭЙ (Гр, Gy), единица СИ поглощённой дозы ионизирующего излучения и кермы. Названа в честь англ. учёного Л. Грэя (Грей, L. Gray). 1 Гр равен дозе излучения, при к-рой облучённому в-ву массой 1 кг передаётся энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж. 1 Гр=1 Дж/кг=104 эрг/г=102 рад. ГРЮНАЙЗЕНА ЗАКОН, устанавливает, что отношение коэфф. теплового расширения а к теплоёмкости СV тв. тела (при пост. объёме) не зависит от темп-ры. Для кристаллов с простыми крист. решётками (для большинства элементов и ряда простых соединений, напр. галогенидов):
a/CV=qДVdqД/dp,
где qД — Дебая температура, V — объём тела, р — давление. Установлен эмпирически в 1908 нем. физиком Э. Грюнайзеном (Е. Gruneisen).
ГУКА ЗАКОН, выражает линейную зависимость между напряжениями и малыми деформациями в упругой среде. В 1660 англ. учёный Р. Гук (R. Ноoke) обнаружил, что при растяжении стержня длиной l и площадью поперечного сечения S удлинение стержня Dl пропорц. растягивающей силе F, т. е. Dl=kF, где k=l/ES (Е — модуль Юнга). Г. з. можно представить в виде: s=Еe, где s=F/S — норм. напряжение в поперечном сечении, e=Dl/l — относит. удлинение стержня. При сдвиге касат. напряжение t пропорц. деформации сдвига у, т. е. t=Gg, где G — модуль сдвига.
В сложном напряжённом состоянии изотропного упругого тела шесть компонентов тензора напряжений sij связаны с шестью компонентами тензора деформации eij обобщённым Г. з.: s11=lq+2me11, s22=lq+2me22, . . ., s31=2me31, где q=e11+e22+e33 — относит. изменение объёма, l и m — постоянные Ламе. Следовательно, упругие св-ва изотропного материала определяются двумя константами l и m, через к-рые выражаются др. модули упругости.
В анизотропном материале обобщённый Г. з. имеет вид:
причём из 36 модулей упругости Сij в общем случае анизотропии независимы 21. Г. з. справедлив для большинства тв. тел при малых деформациях и явл. основным физ. законом упругости теории.
• Ильюшин А. А., Ленский В. С., Сопротивление материалов, М., 1959; Т и м о ш е н к о С. П., Гудьер Дж., Теория упругости, пер. с англ., 2 изд., М., 1979.
В. С. Ленский.
ГЮГОНЬО АДИАБАТА, кривая, определяемая Гюгоньо ур-нием. См. Ударная волна.
ГЮГОНЬО УРАВНЕНИЕ [по имени франц. учёного П. А. Гюгоньо (P. H. Hugoniot)], уравнение, связывающее плотность и давление в потоке газа перед фронтом ударной волны с плотностью и давлением газа за волной. Кривая, изображающая Г. у., наз. адиабатой Гюгоньо (см. Ударная волна). Г. у. применяется в газовой динамике, а также в теории взрыва и детонации.
ГЮЙГЕНСА — ФРЕНЕЛЯ ПРИНЦИП, приближённый метод решения задач о распространении волн, особенно световых. Согласно этому принципу, первоначально введённому голл. учёным X. Гюйгенсом (Ch. Huygens; 1678), каждый элемент поверхности, к-рой достигла в данный момент волна, явл. центром элем. волн, огибающая к-рых будет волн. поверхностью в следующий момент времени (рис. 1);
139
. обратные элем. волны (пунктирные линии) во внимание не принимаются. Этот принцип упрощает задачу определения влияния всего волн. процесса, совершающегося в нек-ром объёме, на к.-л. точку, сведя её к вычислению действия на данную точку произвольно выбранной волн. поверхности. Принцип Гюйгенса объясняет распространение волн, согласующееся с законами геометрической оптики, но не объясняет явлений дифракции. Франц. физик О. Ж. Френель (A. J. Fresnel; 1815) дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элем. волн и интерференции волн, что позволило рассмотреть на основе Г.— Ф. п. многие дифракц. явления (см. Дифракция волн, Дифракция света),
Согласно Г.— Ф. п., волн. возмущение в нек-рой точке Р (рис. 2) можно рассматривать как результат интерференции элем. вторичных волн, излучаемых каждым элементом некоторой волн. поверхности. На рис. такой поверхностью явл. сферич. поверхность АОВ волны, излучаемой точечным источником S. Если рассматривается распространение волн, ограниченное к.-л. препятствием (напр., отверстие в непрозрачном экране, как на рисунке), то целесообразно выбрать волн. поверхность так, чтобы она касалась краёв препятствия.
• Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики).