ОБЕРТОН (нем. Oberton, от ober — верхний и Ton — тон), синусоидальная составляющая периодич. колебания сложной формы с частотой, более высокой, чем основной тон. Любое периодич. колебание можно представить как сумму осн. тона и обертонов, причём частоты и амплитуды этих О. определяются как физ. свойствами колебат. системы, так и способом её возбуждения. Если частоты всех О.— целые, кратные основной частоте, то такие О. наз. гармоническими, или гармониками. Если же частоты зависят от осн. частоты более сложным образом, то говорят о негармонич. О. В этом случае периодич. колебание также может быть представлено как сумма гармоник, но это разложение будет приближённым, тем более точным, чем большее число гармоник взято. Если частота осн. тона f (первый О.), то частота второго О. равна 2f или близка к этому значению, частота третьего — 3f и т. д.
ОБЛУЧЁННОСТЬ, то же, что энергетическая освещённость.
ОБМЕННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, специфич. взаимное влияние тождественных частиц, эффективно проявляющееся как результат нек-рого особого вз-ствия. О. в.— чисто квантовомеханич. эффект, не имеющий аналога в классич. физике (см. Квантовая механика).
Вследствие квантовомеханич. принципа неразличимости одинаковых ч-ц (тождественности принципа) волн. ф-ция системы должна обладать определ. симметрией относительно перестановки двух таких ч-ц, т. е. их координат и проекций спинов: для ч-ц с целым спином — бозонов — волн. ф-ция системы не меняется при такой перестановке (явл. симметричной), а для ч-ц с полуцелым спином — фермионов — меняет знак (явл. антисимметричной). Если силы вз-ствия между ч-цами не зависят от их спинов, волн. ф-цию системы можно представить в виде произведения двух ф-ций, одна из к-рых зависит только от координат ч-ц, а другая — только от их спинов. В этом случае из принципа тождественности следует, что координатная часть волн. ф-ции, описывающая движение ч-ц в пр-ве, должна обладать определ. симметрией относительно перестановки координат одинаковых ч-ц, зависящей от симметрии спиновой части волн. ф-ции. Наличие такой симметрии означает, что имеет место определ. согласованность, корреляция движения одинаковых ч-ц, к-рая сказывается на энергии системы (даже в отсутствие силовых вз-ствий между ч-цами). Поскольку обычно влияние ч-ц друг на друга явл. результатом действия между ними к.-л. сил, о взаимном влиянии одинаковых ч-ц, вытекающем из принципа тождественности, говорят как о проявлении специфич. вз-ствия — О. в.
Возникновение О. в. можно проиллюстрировать на примере атома гелия (впервые это было сделано нем. физиком В. Гейзенбергом в 1926). Спиновые вз-ствия в лёгких атомах малы, поэтому волн. ф-ция y двух эл-нов в атоме гелия может быть представлена в виде:
y=Ф(r1, r2)c(s1, s2), (1)
где Ф (r1, r2) — ф-ция координат r1, r2 эл-нов, а c(s1, s2) — ф-ция проекций их спинов s1, s2 на нек-рое направление. Т. к. эл-ны явл.. фермионами, полная волн. ф-ция y должна быть антисимметричной. Если суммарный спин S обоих эл-нов равен нулю (спины антипараллельны — парагелий), то спиновая ф-ция c антисимметрична относительно перестановки спиновых переменных и, следовательно, координатная ф-ция Ф должна быть симметричной относительно перестановки координат эл-нов. Если же S=1 (спины параллельны — ортогелий), то c симметрична, а Ф — антисимметрична. Обозначая через yn(r1), ym(r2) волн ф-ции отд. эл-нов в атоме гелия (индексы га и т означают набор квант. чисел, определяющих состояние эл-на в атоме), можно, пренебрегая сначала вз-ствием между эл-нами, записать координатную часть волн. ф-ции в виде:
(множитель 1/Ö2 введён для нормировки волн. ф-ции). В состоянии с антисимметричной координатной ф-цией Фа ср. расстояние между эл-нами оказывается большим, чем в состоянии с симметричной ф-цией Фс; это видно из того, что вероятность |y|2=|Фа|2|cс|2 нахождения эл-нов в одной и той же точке r1=r2 для состояния Фа равна нулю. Поэтому ср. энергия кулоновского вз-ствия (отталкивания) двух эл-нов оказывается в состоянии Фа меньшей, чем в состоянии Фс. Поправка к энергии системы, связанная с вз-ствием эл-нов, определяется по теории возмущений и равна
ξвз =K±А, (3)
где знаки ± относятся соответственно к симметричному и антисимметричному координатным состояниям
(е — заряд эл-на, dt=dxdydz — элемент объёма). Величина К имеет
474
наглядный классич. смысл и соответствует электростатич. вз-ствию двух заряж. «облаков» с плотностями заряда e|yn(r1)|2 и e|ym(r2)|2. Величину А, называемую обменным интегралом, можно интерпретировать как электростатич. вз-ствие заряж. «облаков» с плотностями заряда ey*n(r1)ym(r1) и ey*m(r2)yn(r2) (звёздочка означает комплексное сопряжение), т. е. когда каждый из эл-нов находится одновременно в состояниях yn и ym (что бессмысленно с точки зрения классич. физики). Из (3) следует, что полная энергия пара- и ортогелия с эл-нами в аналогичных состояниях отличается на величину 2А. Т. о., хотя непосредственно спиновое вз-ствие мало и не учитывается, тождественность двух эл-нов в атоме гелия приводит к тому, что энергия системы оказывается зависящей от полного спина системы, как если бы между ч-цами существовало дополнит., обменное, вз-ствие. Очевидно, что О. в. в данном случае явл. частью кулоновского вз-ствия эл-нов и явным образом выступает при приближённом рассмотрении квантовомеханич. системы, когда волн. ф-ция всей системы выражается через волн. ф-ции отд. ч-ц (в частности, в приближении Хартри — Фока; см. Самосогласованное поле).
О. в. эффективно проявляется в тех случаях, когда «перекрываются» волн. ф-ции отд. ч-ц системы, т. е. когда существуют области пр-ва, в к-рых с заметной вероятностью может находиться ч-ца в разл. состояниях движения. Это видно из выражения для обменного интеграла А: если степень перекрытия состояний y*n (r) и ym(r) незначительна, то величина А очень мала.
Из принципа тождественности следует, что О. в. возникает в системе одинаковых ч-ц даже в случае, если прямыми силовыми вз-ствиями ч-ц можно пренебречь, т. е. в идеальном газе тождеств. ч-ц. Эффективно оно начинает проявляться, когда ср. расстояние между ч-цами становится сравнимым (или меньшим) с длиной волны де Бройля, соответствующей ср. скорости ч-ц. При этом хар-р О. в. различен для фермионов и для бозонов. Для фермионов О. в. явл. следствием Паули принципа, препятствующего сближению тождеств. ч-ц с одинаковым направлением спинов, и эффективно проявляется как отталкивание их друг от друга на расстояниях порядка или меньше длины волны де Бройля; отличие от нуля энергии вырожденного газа фермионов (ферми-газа) целиком обусловлено таким О. в. В системе тождеств. бозонов О. в., напротив, имеет хар-р взаимного притяжения ч-ц. В этих случаях рассмотрение систем, состоящих из большего числа одинаковых ч-ц, производится на основе Ферми — Дирака статистики для фермнонов и Бозе — Эйнштейна статистики для бозонов.
Если взаимодействующие тождеств. ч-цы находятся во внеш. поле, напр. в кулоновском поле ядра, то существование определённой симметрии волн. ф-ции и соответственно определ. корреляции движения ч-ц влияет на их энергию в этом поле, что также явл. обменным эффектом. Обычно (в атоме, молекуле, кристалле) это О. в. вносит вклад обратного знака по сравнению с вкладом О. в. ч-ц друг с другом. Поэтому суммарный обменный эффект может как понижать, так и повышать полную энергию вз-ствия в системе. Энергетич. выгодность или невыгодность состояния с параллельными спинами фермионов, в частности эл-нов, зависит от относит. величин этих вкладов. Так, в ферромагнетике (аналогично рассмотренному атому гелия) более низкой энергией обладает состояние, в к-ром спины (а следовательно, и магн. моменты) эл-нов в незаполненных оболочках соседних атомов параллельны; в этом случае благодаря О. в. возникает спонтанная намагниченность (см. Ферромагнетизм). Напротив, в молекулах с ковалентной хим. связью, напр. в молекуле Н2, энергетически выгодно состояние, в к-ром спины валентных эл-нов соединяющихся атомов антипараллельны.
О. в. объясняет, т. о., закономерности ат. и мол. спектроскопии, хим. связь в молекулах, ферромагнетизм (и антиферромагнетизм), а также др. специфич. явления в системах одинаковых ч-ц.
• См. лит. при ст. Квантовая механика.
Д. А. Киржниц, С. С. Герштейн.
ОБОБЩЁННЫЕ ИМПУЛЬСЫ, физич. величины рi, определяемые ф-лами: pi=дT/дqi или pi=дL/дqi, где Т — кинетич. энергия, a L — Лагранжа функция данной механич. системы, выраженные через обобщённые координаты qi и обобщённые скорости qi. Размерность О. и. зависит от размерности обобщённой координаты. Если qi имеет размерность длины, то pi — размерность обычного импульса, т. е. произведения массы на скорость; если же координатой qi явл. угол (величина безразмерная), то pi имеет размерность момента кол-ва движения, и т. д.
ОБОБЩЁННЫЕ КООРДИНАТЫ, независимые параметры qi (i=1, 2, ..., s) любой размерности, число к-рых равно числу s степеней свободы механич. системы и к-рые однозначно определяют положение системы. Закон движения системы в О. к. даётся s ур-ниями вида qi=qi(t), где t — время. О. к. пользуются при решении мн. задач, особенно когда система подчинена связям, налагающим ограничения на её движение. При этом значительно уменьшается число ур-ний, описывающих движение системы, по сравнению, напр., с ур-ниями в декартовых координатах (см. Лагранжа уравнения в механике). В системах с бесконечно большим числом степеней свободы (сплошные среды, физ. поля) О. к. являются особые функции пространственных координат и времени, наз. потенциалами, волн. функциями и т. п.
ОБОБЩЁННЫЕ СИЛЫ, величины, играющие роль обычных сил, когда при изучении равновесия или движения механич. системы её положение определяется обобщёнными координатами. Число О. с. равно числу s степеней свободы системы; при этом каждой обобщённой координате qi соответствует своя О. с. Qi. Значение О. с. Q1, соответствующей координате q1, можно найти, вычислив элем. работу dA1 всех сил на возможном перемещении системы, при к-ром изменяется только координата q1:, получая приращение dq1. Тогда dA1=Q1dq1т. е. коэффициент при dqi в выражении dA1 и будет О. с. Q1. Аналогично вычисляются Q2, Q3, . . .,
Qs.
Размерность О. с. зависит от размерности обобщённой координаты. Если qi имеет размерность длины, то Qi — размерность обычной силы; если qi — угол, то Qi имеет размерность момента силы, и т. д. При изучении движения механич. системы О. с, входят вместо обычных сил в Лагранжа уравнения механики, а при равновесии все О. с. равны нулю.
С. М. Тарг.
ОБОЛОЧКА, твёрдое деформируемое тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями, расстояние между к-рыми мало по сравнению с двумя др. размерами.
Оболочки разл. формы: а — цилиндрич. оболочка кругового сечения; б — коническая; в — сферическая; г — тороидальная.
Поверхность, делящая пополам толщину О., наз. с р е д и н н о й п о в е р х н о с т ь ю; в зависимости от её очертания О. различаются по форме (рис.). О. классифицируются также по полной кривизне поверхности — т. н. гауссовой
475
кривизне: положительной — сферич., эллипсоидальные; нулевой — цилиндрич., конические; отрицательной — гиперболич. параболоиды. О. могут быть пост. и перем. толщины, а также одно-, двух- и многослойные. В зависимости от материала О. бывают изотропными либо анизотропными. Выполняются О. из железобетона, стали, лёгких сплавов, композиц. и др. материалов.
Под воздействием внеш. нагрузок в О. возникают внутр. усилия, равномерно распределённые по толщине (т. н. мембранные напряжения, или напряжения в срединной поверхности), и усилия изгиба, образующие в сечениях О. изгибающие и крутящие моменты, а также поперечные силы. Благодаря наличию мембранных усилий О. сочетают значит. жёсткость и прочность со сравнительно малой массой, что отличает их от пластинок. Если напряжениями изгиба при расчёте можно пренебречь, то О. наз. безмоментной. Наличие моментов характерно для участков О., примыкающих к краям (так называемый краевой эффект).
Если напряжения лежат в пределах пропорциональности для материала О., то для расчёта О. пользуются зависимостями упругости теории. В статич. расчёте О. на прочность и жёсткость определяют напряжения, деформации и перемещения разл. точек О. в зависимости от заданной нагрузки. Как правило, в расчётах на прочность прогибы О. (перемещения вдоль нормали к срединной поверхности) могут считаться малыми по сравнению с толщиной О.; тогда соотношения между перемещениями и деформациями линейны; соответственно линейными (для упругой задачи) будут основные дифф. ур-ния.
Важным для О. явл. расчёт на устойчивость (см. Устойчивость упругих систем). Специфич. особенность тонкостенных О.— потеря устойчивости хлопком, или прощёлкиванием, выражающаяся в резком (катастрофическом) переходе от одного устойчивого равновесного состояния к другому. Этот переход наступает при разл. нагрузках, в зависимости от исходных несовершенств формы оболочки, нач. напряжений и т. д.; он описывается т. н. матем. теорией катастроф. В случае прощёлкивания прогибы оказываются соизмеримыми с толщиной О. и анализ поведения О. должен основываться на ур-ниях, являющихся уже нелинейными. Для обеспечения устойчивости равновесия О. часто приходится подкреплять рёбрами, напр. фюзеляжи и крылья самолётов, нек-рые типы тонкостенных перекрытий.
В задачах динамики О. рассматриваются периодич. колебания и нестационарные процессы, связанные с
быстрым или ударным нагружением. При обтекании О. потоком жидкости или газа могут наступить неустойчивые (автоколебательные) режимы, определение к-рых явл. предметом гидро- или аэроупругости. Особый раздел теории колебаний, имеющий важные приложения, представляет исследование нелинейных колебаний О. О. широко применяются в кач-ве покрытий зданий, в летат. аппаратах, судах, деталях разл. машин и др.
• Амбарцумян С. А., Общая теория анизотропных оболочек, М., 1974; Вольмир А. С., Гибкие пластинки и оболочки, М., 1956; его же, Нелинейная динамика пластинок и оболочек, М., 1972; Гольденвейзер А. Л., Теория упругих тонких оболочек, 2 изд., М., 1976; Новожилов В. В., Теория тонких оболочек, Л., 1951.
А. С. Вольмир.
ОБОРАЧИВАЮЩАЯ ПРИЗМА, см. Оборачивающая система.
ОБОРАЧИВАЮЩАЯ СИСТЕМА, часть сложной оптич. системы, поворачивающая на 180° изображения оптические предметов, создаваемые предшествующей частью оптич. системы. Применение О. с. вызвано тем, что во мн. случаях необходимо получать
и рассматривать прямые изображения предметов, в то время как большинство объективов формирует перевёрнутые изображения. О. с. широко используют в зрительных трубах разл. типов (биноклях, микроскопах и т. п.).
О. с. бывают призменными, линзовыми и зеркальными. В п р и з м е н н ы х О. с. наиболее употребительны прямоугольные призмы со взаимно перпендикулярными рёбрами (т. н. призмы Порро, рис. 1), в к-рые лучи (1 и 2) света входят перпендикулярно
одной из граней, испытывают затем дважды полное внутреннее отражение от др. граней и выходят параллельно и противоположно своему первонач. направлению: изображение объекта при этом оборачивается без изменения его величины. О. с. из призм Порро значительно сокращают расстояния между объективом и окуляром (в приборах, предназначенных для визуального наблюдения, напр. в биноклях).
Типичная л и н з о в а я О.с. (рис. 2) состоит из двух сложных линз 2 и 3 и добавочной плоско-выпуклой линзы 1, наз. коллективом, расположенной вблизи фокальной плоскости предшествующего О. с. объектива. Коллектив 7 формирует изображение входного зрачка этого объектива посередине между линзами 2 и 3, что позволяет свести к минимуму поперечные размеры О. с. Линзовые О. с. дают возможность изменять размеры получаемого в конечном счёте изображения предмета, т. е. влиять на увеличение оптическое системы в целом.
О. с. изготавливают и из волоконных элементов (см. Волоконная оптика), если качество последних способно обеспечить необходимую разрешающую способность оптической системы.
• Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., т. 1, М.— Л., 1948.
Г. Г. Слюсарев.
ОБОРОТНЫЙ МАЯТНИК, прибор для эксперим. определения ускорения свободного падения g. Представляет собой тело, напр. массивную пластину (рис.) с двумя трёхгранными ножами, из к-рых один неподвижен, а другой может перемещаться вдоль прорези на пластине. Острые рёбра ножей O1 и О2, помещаемые попеременно на неподвижную опору, служат осями качаний О. м. Подвижный нож перемещают вверх или вниз до тех нор, пока периоды колебаний О. м. вокруг каждой из осей не совпадут. Расстояние O1O2=l между осями измеряют с помощью нанесённой на пластину шкалы с нониусом. Тогда по св-вам физ. маятника О2 будет для O1
Схема оборотного маятника.
центром качании, и наоборот, а период малых колебаний О. м. будет при этом равен T=2pÖ(l/g). Зная значения Т и l из опыта, можно по
данной ф-ле вычислить g. О. м. позволяет определить величину g со значительно более высокой степенью точности, чем матем. маятник.
С. М. Тарг.
ОБРАЗЦОВЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ, меры, измерительные приборы и измерительные преобразователи, служащие для поверки по ним др. средств измерений и аттестованные в кач-ве образцовых. О. с. и. подразделяются на разряды. О. с. и. 1-го разряда аттестуются по эталону или, при его отсутствии, путём косв. измерений по О. с. и. других физ. величин. О. с. и. 2-го разряда аттестуются по О. с. и. 1-го разряда и т. д. О. с. и. обеспе-
476
чивают поверку всех применяемых
в стране рабочих средств измерений.
К. П. Широков.
ОБРАТИМОСТИ ТЕОРЕМА (принцип обратимости хода лучей света), одно из осн. положений геометрической оптики, согласно к-рому путь элем. светового потока, распространяющегося в оптич. средах 1, 2, 3, . . . по лучу АВCD . . ., заменяется на прямо противоположный путь DCBA, если свет исходит в направлении, противоположном первоначальному. О. т. широко используется, в частности, при расчёте оптич. систем и построении изображений оптических, даваемых такими системами.
О. т. в простейшем истолковании явл. следствием Снелля закона преломления света, применяемого к двум любым расположенным одна за другой средам из последовательности 1, 2, 3, . . . : sini1/sini2=n2/nl=n12, где n12 — относит. показатель преломления; n2 и n1 — показатели преломления во второй и первой средах; i1 — угол падения луча света на границу раздела сред, i2 — угол преломления во вторую среду. При замене i1 на i2 (и наоборот) значения углов остаются неизменными, т. к. неизменны n1 и n2. Аналогичное положение справедливо и при отражении света, поэтому О. т. можно пользоваться в любой (как линзовой, так и зеркальной) оптич. системе.
О. т. предполагает, что ослабление луча света при его прохождении через оптич. среды не зависит от замены направления луча на противоположный. Это следует из обратимости Френеля формул относительно направления света.
О. т. применима и для систем, состоящих из сред с плавно изменяющимися значениями п. В средах, для к-рых характерна оптическая анизотропия, а также при высоких интенсивностях световых потоков (лазерное излучение) вопрос о применимости О. т. усложняется (см. Обращённый волновой фронт).
• Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976; Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., т. 1, М.— Л., 1948.
Г. Г. Слюсарев.
ОБРАТИМОСТЬ в электродинамике. Максвелла уравнения совместно с уравнениями движения частиц в электромагнитных полях инвариантны по отношению к операции временной инверсии:
E(r, t)®E(r, -t), H(r, -t)®-H(r, -t), (1)
где E и Н—напряжённости электрич. и магн. полей в точке r в момент времени t при одноврем. замене движения всех ч-ц на обратное. В электродинамике макроскопич. сред (в т. ч. и неоднородных, поглощающих или усиливающих) это приводит к симметрии функции Грина Gik(r1, r2, t), описывающей амплитуду i-й компоненты поля в точке r1 при его возбуждении k-й компонентой диполя
в точке r2 при времени запаздывания т (см. Взаимности принцип):
Gik(r1, r2, t)= Gki(r2,r1, t). (2)
Если распространение эл.-магн. поля от точки 1 к точке 2 может быть описано в приближении геометрической оптики, то отсюда следует закон обратимости хода световых лучей в произвольной оптич. системе (см. Обратимости теорема).
Наличие внешнего пост. магн. поля Н0 приводит к Фарадея эффекту, в этом случае из инвариантности следует соотношение: Gik (r1,r2,t, H0)=Gki (r2, r1, t, -H0). (3)
На основе сред, помещённых в магн. поле Н, изготавливаются н е в з а и м н ы е у с т р о й с т в а, широко используемые в оптике и СВЧ электронике. Т. к. в оптич. диапазоне длин волн эффект Фарадея относительно слаб, то обычно он влияет не на геометрию хода лучей, а лишь на состояние поляризации, фазу и амплитуду волны, пропущенной оптич. системой.
Симметрия по отношению к обращению времени накладывает также ряд ограничений на возможные оптич. эффекты во внеш. полях. Напр., аналог эффекта Фарадея во внеш. постоянном электрич. поле оказывается возможным лишь в проводящей среде. В отсутствии поглощения и усиления обратимость по времени ур-ний электродинамики приводит к тому, что всякому решению для монохроматич. веществ. поля E1вещ(r, t)=Re [E1(r)exp( -wt)] с комплексной амплитудой E1(-r1) отвечает «обращённое» решение:
Е2вещ(r, t)=Re[Е2(r)ехр(-wt)],
где E2(r)=.E*1 (r) (см. Обращённый волновой фронт).
• Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959 (Теоретическая физика); Баранова Н. Б., Б о г д а н о в Ю. В., 3 е л ь д о в и ч Б. Я., Новые электрооптические и магнитооптические эффекты в жидкости. «УФН», 1977, т. 123, № 2.
Б. Я. Зельдович.
ОБРАТИМЫЙ ПРОЦЕСС в термодинамике, процесс перехода термодинамич. системы из одного состояния в другое, допускающий возможность возвращения её в первонач. состояние через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимых в обратном порядке.
Процесс обратим, если он протекает столь медленно, что его можно рассматривать как непрерывный ряд равновесных состояний, т. е. О. п. должен быть медленным по сравнению с процессами установления равновесия термодинамического в данной системе. Точнее, О. п. характеризуется бесконечно медленным изменением термодинамич. параметров (плотности, давления, темп-ры и др.), определяющих равновесие системы. Такие процессы наз. также квазистатическими, или квазиравновесными. Обратимость квазиравновесного процесса следует из того, что его любое промежуточное состояние есть состояние термодинамич. равновесия, и поэтому оно не чувствительно к тому, идёт ли процесс в прямом или обратном направлении. О. п. — одно из основных понятий равновесной макроскопической термодинамики. В её рамках I и II начала термодинамики формулируются для О. п.
Реальные процессы в природе протекают с конечной скоростью и сопровождаются рассеянием энергии (из-за трения, теплопроводности и т. п.), поэтому они явл. необратимыми процессами. О. п. есть идеализация процессов природы, протекающих столь медленно, что необратимыми явлениями для них можно пренебречь. Микроскопич. теория О. п. рассматривается в статистической физике.
• Зоммерфельд А., Термодинамика и статистическая физика, пер. с нем., М., 1955; Леонтович М. А., Введение в термодинамику, 2 изд., М.— Л., 1952; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М.—Л., 1964 (Теоретическая физика, т. 5); К у б о Р., Термодинамика, пер. с англ., М., 1970.
ОБРАТНАЯ РЕШЕТКА, соответствующая данной (атомной) кристаллической решётке точечная трёхмерная решётка в абстрактном (обратном) пр-ве, в к-ром расстояния имеют размерность обратной длины. Кристаллич. решётке с векторами трансляции а1, a2, a3 соответствует О. р., векторы трансляции к-рой равны:
где W=a1[a2a3] — объём элем. ячейки исходной решётки. Вектор в О. р. Hhkl=ha*1+ka*2+la*3 перпендикулярен плоскости с индексами кристаллографическими hkl. Элем. ячейка О. р. имеет объём W-1, обратный объёму элем. ячейки кристалла. Понятие О. р. и обратного пространства широко применяется при описании явлений дифракции и распространения волн и ч-ц в кристаллах, в теории тв. тел при анализе энергетич. спектров эл-нов, фононов и др. квазичастиц (см. Дифракция микрочастиц, Нейтронография, Электронография, Рентгеновский структурный анализ).
А. А. Гусев.
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ, воздействие результатов к.-л. процесса на его протекание. Если при этом интенсивность процесса возрастает, то О. с. наз. п о л о ж и т е л ь н о й, а в противопол. случае — о т р и ц а т е л ь н о й. Отрицат. О. с. может обеспечить автоматич. поддержание регулируемых физ. хар-к системы на требуемом уровне. Положит. О. с. приводит к тому, что возникшее отклонение от стационарного состояния всё более
477
увеличивается и ранее устойчивая система может стать неустойчивой. Многие скачкообразные и лавинные процессы — следствие положит. О. с. (напр., взрыв). О. с. является необходимым элементом автоколебательных систем. О. с. могут существовать в самых различных динамич. системах— от простейших механических до биологич. и общественных. Существование О. с. определяет ход многих природных процессов (возбуждение волн на поверхности воды под действием ветра; звук, возникающий при обтекании препятствий возд. потоком; колебание яркости некоторых звёзд и т. д.). О. с. широко используется в технич. устройствах (механич., электрич., тепловых, оптических, в генераторах эл.-магн. колебаний, а также в системах автоматического регулирования, переработки информации и управления производственными процессами).
Впервые О. с. была применена при создании часов. Ход механич. (до Галилея) часов, не имеющих маятника, регулировался при помощи крыльчатки или центробежного регулятора, увеличивающих трение в механизме при увеличении скорости и уменьшающих трение при замедлении движения механизма (отрицат. О. с.). В современных часах содержится как устройство О. с., так и резонансный элемент (маятник, балансир, кварцевая пластина, ансамбль атомов или молекул). В совр. механических часах О. с. осуществляется анкерным устройством, соединяющим источник энергии (гирю, пружину) с маятником (или балансиром). При каждом качании маятника анкер позволяет анкерному колесу, соединённому с источником энергии, поворачиваться только на небольшой угол, определяемый расстоянием между соседними зубцами и определяющий порцию энергии, передаваемой от гири (пружины) маятнику. При упоре очередного зуба анкерного колеса в выступ на конце анкера маятник получает от источника энергии небольшой толчок, поддерживающий его колебания.
В паровой машине положит. О. с. осуществляется тем, что золотник соединён с поршнем так, что он подаёт пар из котла в цилиндр только во время рабочего хода поршня и соединяет цилиндр с холодильником во время холостого хода. В паровой машине есть и отрицат. О. с., к-рую осуществляет центробежный регулятор Уатта, он уменьшает подачу пара в цилиндр при увеличении скорости маховика и увеличивает подачу, когда скорость падает. Англ. физик Дж. Максвелл и И. А. Вышнеградский исследовали св-ва регуляторов и процесс регулирования, положив начало теории автоматич. регулирования и тем самым — теории О. с.
О. с. в радиоэлектронике. Термин «О. с.» возник в радиоэлектронике, где им первоначально обозначали воздействие анодной цепи лампового резонансного усилителя электрич. колебаний на цепь сетки. Если изменения тока в анодной цепи лампы передаются в сеточную цепь в фазе с изменением тока в этой цепи (положит. О. с.), то усиление возрастает. В схеме усилителя с колебательным контуром положит. О. с. улучшает резонансные св-ва усилителя. Она может придать св-во избирательности и усилителям, не содержащим резонансных контуров, но содержащим фазосдвигающие элементы. Коэфф. усиления К усилителя с О. с. определяется выражением:
где Кй — коэфф. усиления в отсутствие О. с., b — коэфф. передачи (доля выходного сигнала, передаваемая на вход усилителя, рис. 1). Если при
Рис. 1. Блок-схема усилителя с отрицат. связью.
положит. О. с. bK0=1, то знаменатель в (*) обращается в 0. Это соответствует потере устойчивости и возможности самовозбуждения.
Если О. с. осуществляется в противофазе, т. е. ток, возбуждаемый в сеточной цепи, через цепь О. с. направлен противоположно току, текущему в сеточной цепи (отрицат. О. с.), то коэфф. усиления уменьшается (К<К0), но повышается устойчивость усилителя по отношению к внеш. воздействиям и его хар-ки становятся более гладкими. Если в цепь О. с. введены дополнительные фазодвигающие элементы, то О. с. наз. к о м п л е к с н о й. Эти виды О. с. используются для создания частотно-избирательных систем, фильтров и т. п.
О. с. в системах автоматич. регулирования, как правило, отрицательна, ибо её задача — уменьшить отклонения от заданного режима работы системы. Напр., автопилот поддерживает заданное направление, высоту, скорость полёта, а также правильное положение самолёта в пр-ве, управляя положением руля, элеронов и подачей горючего в двигатели самолёта в соответствии с данными компаса, высотомера, креномера, измерителя скорости полёта.
О. с. может быть непрерывной, когда самовоздействие осуществляется постоянно, или прерывистой, если оно происходит периодически или по заданной программе. О. с. может быть полной, когда она охватывает всю систему, или локальной, когда О. с. замыкается в части системы. В большинстве систем регулирования реализуется запаздывающая
О. с. вследствие того, что воздействие на регулируемый элемент отстаёт во времени от сигналов измерительного блока из-за инерционности отд. звеньев системы или в результате введения спец. элементов задержки между измерителем и исполнит. органом.
О. с. может осуществляться не только внеш. цепью или регулятором, часто О. с. реализуется внутр. связью элем. актов, составляющих общий процесс. Пример процесса с внутр. О. с.— химич. и ядерные цепные реакции. Напр., реакция окисления идёт с выделением тепла, а скорость реакции пропорциональна температуре. Если отвод тепла из реагирующей смеси меньше выделяющегося тепла, то темп-pa смеси повышается, это ведёт к увеличению скорости реакции, в результате происходит ускорение реакции иногда вплоть до взрыва.
Внутр. положит. О. с. используется для создания приборов, у к-рых зависимости «скорость — сила» или
Рис. 2. Вольтамперная хар-ка тиристора.
«напряжение — ток» (вольтамперная характеристика) имеют падающий участок, напр. тиристоры (рис. 2) или туннельные диоды. Принцип положительной О. с. содержится в явлении вынужденного излучения, на котором основана работа лазеров и мазеров. Возникшая в активной среде или посланная в это в-во извне эл.-магн. волна порождает в в-ве вторичное излучение с теми же частотой, поляризацией и направлением распространения, что и у вынуждающей волны. В результате этого происходит усиление первичной волны. Если часть вынужденного излучения возвращается в объём, занятый активным в-вом, то возникает О. с. Для достижения режима генерации активное в-во помещают в резонатор с достаточно большой добротностью с тем, чтобы потери в нём были меньше энергии, выделенной активным веществом. В квант. устройствах радиодиапазона применяются объёмные резонаторы, в лазерах — открытые оптические резонаторы. О. с. в лазерах положительна только для излучения с определёнными длинами волн l, зависящими от размеров резонатора, содержащего активное в-во.
В основе устройств смычковых музыкальных инструментов и органа также заложена положит. О. с. В смычковых струнных инструментах она образуется за счёт падающего участка на хар-ке зависимости силы трения между смычком и струной от скорости движения смычка (т. н. сухое трение),
478
В органных трубах О. с. образуется между волнами сжатия и разрежения воздуха в трубе и процессом образования вихрей на выходном отверстии. В духовых инструментах язычкового типа положит. О. с. образуется между колебаниями воздуха в объёме трубы и движением язычка (клапана), мимо к-рого продувается струя воздуха.
О. с. в хим., биологич. и др. системах. Отрицат. О. с. приводит к стабилизации режимов в хим. реакторах или поддержанию устойчивого режима жизнедеятельности организма. Напр., постоянство темп-ры теплокровных организмов обязано вз-ствию рецепторов, фиксирующих темп-ру в отд. частях организма, с механизмами тепловыделения и теплообмена, обменом веществ, кровообращением и выделением пота. Процессы О. с. играют решающую роль в протекании таких периодич. процессов, как дыхание и сердцебиение. О. с. может вызывать колебания численности популяций в экологических системах и т. п. Положительная О. с. между спросом и предложением в условиях стихийной рыночной системы приводит к периодическим депрессиям и даже к кризисам капиталистической экономики.
М. Е. Жаботинский, К. Я. Сенаторов.
ОБРАЩЕНИЕ ВРЕМЕНИ (Т), математич. операция замены знака времени (t) в ур-ниях, описывающих развитие во времени к.-л. физ. системы (в ур-ниях движения). Такая замена отвечает определ. симметрии, существующей в природе. А именно, все фундам. вз-ствия (за одним исключением; см. ниже) обладают св-вом т. н. T-инварнантности: О. в. (замена t®-t) не меняет вида ур-ний движения. Это означает, что для любого возможного движения системы может осуществляться обращённое во времени движение, когда система последовательно проходит в обратном порядке состояния, симметричные состояниям, проходимым в «прямом» движении. Такие симметричные по времени состояния отличаются противоположными направлениями скоростей (импульсов) ч-ц и магн. поля, T-инвариантность приводит к определённым соотношениям между вероятностями прямых и обратных реакций, к запрету нек-рых состояний поляризации частиц в реакциях, к равенству нулю электрич. дипольного момента элем. ч-ц и т. д.
Из общих принципов квант. теории поля следует, что все процессы в природе симметричны относительно произведения трёх операций: О. в. Т, пространственной инверсии Р и зарядового сопряжения С (см. Теорема СРТ). Единств. обнаруженными на опыте процессами, в к-рых наблюдается нарушение комбинированной инверсии (СР), явл. распады долгоживущего нейтрального К-мезона; в них обнаружена слабая (~10-3) зарядовая
асимметрия. Теор. анализ эксперим. данных по этим распадам приводит к заключению, что СРТ- инвариантность в них выполняется, а Т-инвариантность нарушается. Природа сил, нарушающих T-инвариантность, не выяснена.
Несмотря на то, что элем. микропроцессы (за указанным исключением) обратимы во времени, макроскопич. процессы с участием очень большого числа ч-ц идут только в одном направлении — к состоянию термодинамич. равновесия (см. Второе начало термодинамики). Статистич. физика объясняет этот парадокс тем, что состоянию макроскопич. равновесия соответствует неизмеримо большая совокупность микроскопич. состояний, чем состояниям неравновесным. Поэтому любое сколь угодно малое возмущение искажает движение системы, удаляющее её от состояния равновесия, и превращает его в движение, ведущее к равновесию.
С. С. Герштейн.
Если направления распространения двух волн прямо противоположны, а пространств. распределения фаз и амплитуд этих волн идентичны, то их волновые фронты наз. обращёнными по отношению друг к другу. Напр., волновой фронт сферич. волны, расходящейся от источника, является обращённым по отношению к фронту сферич. волны, сходящейся к тому же источнику. В более общем случае О. в. ф. по отношению к фронту исходной волны:
ξ1(x, у, z)=A(x, у, z)Xcos[wt+j(x, у, z)], (1)
где х, у, z — пространств. координаты, t — время, А (х, у, z) — амплитуда колебаний, w — частота, j(х, у, z) — фаза, имеет волна:
ξ2(х, у, z)=ВА(х, у, z)cos[wt-j(х, у, z)+j0]. (2)
Здесь В и j0 — произвольные константы (рис. 1). В комплексном представлении (см. Комплексная амплитуда)
ξ1=Re[E(x, у, z)еiwt]; ξ2=Re[const E*(x, y, z)еiwt], (3)
где Е и Е* — комплексно сопряжённые ф-ции. Поэтому волны ξ1 и ξ2 наз. также с о п р я ж ё н н ы м и, или ф а з о в о-с о п р я ж ё н н ы м и.
Волна с О. в. ф., распространяясь сквозь прозрачную среду, идёт в обратном направлении в точности по пути исходной волны, каким бы сложным он ни был (см. Обратимости теорема). Это св-во обращённой волны создаёт уникальные возможности для решения ряда практически важных задач: компенсации аберраций оптических систем, создания мощных лазерных устройств с предельно высокой направленностью излучения, передачи световой энергии на большие
расстояния, оптич. обработки информации, самонаведения излучения на мишень и др.
Направленность излучения, генерируемого в мощных лазерных системах, в основном ограничивается искажениями в оптич. элементах: аберрациями линз, неоднородностями оптич. материалов, воздуха и др., неоднородностями в усиливающей (активной) среде лазеров. Величина неоднородностей, как правило, возрастает по мере увеличения мощности лазеров.
Рис. 1. Амплитудно-фазовое распределение исходной и обращённой волн: тонкая линия — волн. фронт исходной волны, толстая — фронт обращённой волны; длина стрелок пропорц. амплитуде волны в данной точке, а их ориентация показывает направление распространения.
Использование О. в. ф. позволяет получать в системах с оптически неоднородными элементами пучки света с почти плоским волн. фронтом, т. е. с направленностью, ограниченной лишь дифракцией. Для этого слабую световую волну с плоским волн. фронтом (рис. 2, а) пропускают сквозь лазерный усилитель и затем подвергают обращению. По
Рис. 2. Фотографии световых пучков (поперечные сечения в фокальной плоскости линзы): а — исходный слабый пучок; б — однократно усиленный пучок; в — обращённый, повторно усиленный пучок (масштаб всех фотографий одинаков).
мере распространения исходной волны в усилителе её амплитуда растёт, но одновременно накапливаются искажения волн. фронта и соотв. ухудшается направленность (рис. 2, б). Обращённая волна, распространяясь сквозь усилитель в обратном направлении, также усиливается, а её волн. фронт постепенно выправляется, всюду повторяя форму фронта исходной волны.
479
В результате все аберрации компенсируются, и на выходе системы фронт дважды усиленного пучка становится практически плоским (рис. 2, в).
В нек-рых случаях необходимо концентрировать лазерное излучение на площади с малыми угловыми размерами, напр. на мишени, нагреваемой светом для получения высокотемпературной плазмы (см. Лазерная плазма). При этом положение мишени в пр-ве может меняться неконтролируемым образом. О. в. ф. обеспечивает автофокусировку (самонаведение) излучения на мишень. Мишень подсвечивается широким пучком слабого вспомогат. лазера (рис. 3). В результате она становится источником вторичной световой волны, возникающей за счёт отражения или рассеяния лазерного света. Часть этой
Рис. 3. Схема лазерной системы с самонаведением излучения на мишень; стрелки указывают направление распространения волн, их длина пропорц. амплитуде.
волны попадает на линзу, направляющую её в лазерный усилитель. Усиленная волна поступает в устройство, осуществляющее обращение волн. фронта (инвертор). Обращённая волна, распространяясь в обратном направлении, последовательно проходит усилитель и линзу и концентрируется точно на мишени. Самонаводящаяся система может быть многоканальной, и тогда на мишени будет концентрироваться излучение от многих параллельно работающих усилителей.
О. в. ф. можно получить в результате отражения исходной волны от зеркала, поверхность к-рого совпадает с её волн. фронтом. О. в. ф. в этом случае формируется за счёт того, что поверхность зеркала в любой точке перпендикулярна направлению распространения исходной волны, и поэтому отражение меняет его на прямо противоположное, не изменяя амплитудного распределения.
Известны и др. способы обращения: О. в. ф. получают посредством параметрич. усиления света (см. Нелинейная оптика), методами голографии, при вынужденном рассеянии света и т, д. Голографич. способ получения волны с О. в. ф. по отношению к предметной волне состоит в записи голограммы предметной волны с помощью нек-рого опорного пучка и в считывании этой голограммы пучком, обращённым по отношению к опорному. Для обращения нестационарных волн используют динамические голограммы, в которых запись и воспроизведение осуществляется одновременно.
Принципиально по-иному происходит обращение (точнее, самообращение) волн. фронта при вынужденном рассеянии света, в частности при вынужденном Мандельштама — Бриллюэна рассеянии. Необходимым условием обращения в этом случае явл. пространств. неоднородность исходной волны. В нелинейной среде под действием света с пространственно-неоднородной интенсивностью возникает пространственно-неоднородное распределение коэфф. усиления рассеянных световых волн. В спонтанно рассеянном свете присутствуют волны всевозможных конфигураций. Волна с О. в. ф. обладает преимущественным усилением по сравнению с остальными, т. к. только у неё максимумы интенсивности всюду в среде совпадают с максимумами интенсивности возбуждающего света. Этот фактор в сочетании с громадным общим усилением, характерным для вынужденного рассеяния света (~1011), приводит к тому, что обращённая волна резко выделяется на фоне остальных, и в ней концентрируется практически вся энергия рассеянного излучения.
• К о л ь е р Р., Б е р к х а р т К., Лин Л., Оптическая голография, пер. с англ., М., 1973; Зельдович Б. Я., Носач О. Ю. [и др.], Обращение волнового фронта света при его вынужденном рассеянии, «Вестник МГУ. Сер. физика, астрономия», 1978, т. 19, № 4, с. 137; А н а н ь е в Ю. А., Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М., 1979.
О. Ю. Носач, В. В. Рагульский.
общая теория относительности (ОТО), современная физ. теория пр-ва, времени и тяготения; окончательно сформулирована А. Эйнштейном в 1915. В основе ОТО лежит эксперим. факт равенства инертной массы (входящей во второй закон Ньютона) и гравитац. массы (входящей в закон тяготения) для любого тела, приводящий к эквивалентности принципу. Равенство инертной и гравитац. масс проявляется в том, что движение тела в поле тяготения не зависит от его массы. Это позволяет ОТО трактовать тяготение как искривление пространственно-временного континуума. Т. о., ОТО явл. теорией тяготения, построенной на основе теории относительности (см. Тяготение).
ОБЪЕКТИВ (от лат. objectus — предмет), обращённая к объекту часть оптич. системы или самостоят. оптич. система, формирующая действительное изображение оптическое объекта. Это изображение либо рассматривают в окуляр, либо получают на плоской (реже на искривлённой) поверхности фотогр. светочувствит. слоя, фотокатода передающей телевиз. трубки или электронно-оптического преобразователя, матового стекла или экрана. Конструктивно О. делятся на три класса: наиб. распространённые линзовые (рефракторы, диоптрические) , зеркальные (рефлекторы, катоптрические), зеркально-линзовые (катадиоптрические; подробно о них см. в ст. Зеркально-линзовые системы). По назначению О. разделяют на: О. зрительных труб и телескопов, к-рые дают уменьшенное изображение; О. микроскопов, дающие увеличенное изображение; фотогр. и проекц. О., дающие в зависимости от конструкции и способа применения уменьшенное или увеличенное изображение.
Важнейшими оптич. хар-ками О. являются: фокусное расстояние, к-рое при заданном удалении объекта от О. определяет увеличение оптическое О.; диаметр входного зрачка О.; относительное отверстие и выражающаяся через него светосила О.; поле зрения О. Кач-во формируемого О. изображения характеризуется разрешающей способностью О., коэфф. передачи контраста, коэффициентами интегр. и спектр. пропускания света, коэфф. светорассеяния в О., падением освещённости по полю изображения.
Объективы зрительных труб и телескопов. Расстояние до объектов, рассматриваемых в зрит. трубы и телескопы, предполагается очень большим. Поэтому объекты характеризуют не линейными, а угл. размерами. Соответственно хар-ками О. данной группы служат угл. увеличение g, угл. разрешающая способность а и угол поля зрения 2w=2w'/g, где 2w' — угол поля зрения следующей за О. части оптич. системы (обычно окуляра). В свою очередь g=f1/f2, где f1 — фокусное расстояние О., f2 — переднее фокусное расстояние последующей части системы. Разрешающая способность О. в угл. секундах определяется по ф-ле: a"=120"/D, где D — выраженный в мм диаметр входного зрачка О.
О. измерит. и наблюдат. зрит. труб и геодезич. приборов имеют входные зрачки диаметром неск. см. Малая величина поля зрения (не более 10— 15°, обычно меньше) большинства зрит. труб позволяет использовать О. сравнительно простых конструкций; напр., линзовые О. состоят, как правило, из двух склеенных линз (в них исправляют лишь сферическую аберрацию и хроматическую аберрацию), Менее употребительны О. из трёх и более линз, в к-рых устранены также кома и нек-рые др. аберрации оптических систем. С 70-х гг. 20 в. в геодезич. приборах начали использоваться менисковые системы. Относит. отверстия О. наблюдат. труб и геодезич. приборов варьируют в широких пределах (примерно от 1 : 20 до 1 : 5).
Диаметры линзовых и зеркально-линзовых О. телескопов ~0,5—1 м (макс. D=l,4 м). В телескопах-рефракторах используются двухлинзовые О. (также с исправлением лишь сферич. и хроматич. аберраций); в астрографах, предназначенных для фотографирования звёздного неба,— трёх- и четырёхлинзовые О.; в астрографах, как правило, исправляются
480
все аберрации, за исключением кривизны поля. Угол поля зрения О. астрографов достигает 6°; у двухлинзовых О. рефракторов он обычно тем меньше, чем больше их диаметр, составляя у самых больших менее 1°. Относит. отверстия больших рефракторов 1 : 20 — 1 : 10, у астрографов они больше и доходят до 1 : 1,4— 1 : 1,2. В телескопах, построенных по т. н. системе Шмидта, и в менисковых системах Максутова поле зрения достигает 5° при относит. отверстии ~ 1 : 3. Наибольший О. зеркального телескопа [рефлектор с параболич. зеркалом (БТА) Спец. астрофиз. обсерватории АН СССР на Сев. Кавказе] имеет D=6 м. Поле зрения О. самых больших рефлекторов не превышает неск. угл. минут; у О. рефлекторов, построенных по т. н. системе Ричи — Кретьена (с гиперболическим гл. зеркалом), поле зрения доходит до 1°. Аберрации подобных О. (кроме хроматических и сферических) значительны и исправляются введением дополнительных (коррекционных) линз и зеркал, т. н. компенсаторов.
К астр. О. относятся также О., применяемые в системах наблюдения за ИСЗ и для фотографирования метеоров. В них исправляются все аберрации, за исключением кривизны поля.
Фотографические объективы (к ним относятся и О., применяемые при киносъёмке и репродуцировании) отличаются от О. зрит. труб тем, что формируемые ими изображения должны быть резкими до края фотоплёнки (или иного приёмника), размеры к-рой могут быть сравнительно велики. Поэтому угол поля зрения резкого изображения у таких О. значительно
Рис. 1. Линзовые фотографические объективы .
больше, чем у О. зрит. труб и телескопов. Чтобы добиться резкости и высокого контраста неискажённого плоского изображения при больших углах поля зрения, необходимо тщательно исправлять все осн. аберрации, что усложняет О. На рис. 1 приведено неск. схем наиб. типичных линзовых фотообъективов.
По назначению фотогр. О. разделяют на О., используемые в любительской и профессиональной фотографии и кинематографии, репродукционные, телевизионные, аэрофото-съёмочные и др., а также О. для невидимых областей спектра — ИК и УФ. Среди О. одного и того же назначения различают нормальные (универсальные), светосильные, широкоугольные и длиннофокусные (телеобъективы). Наиболее распространены нормальные О., обеспечивающие резкое плоское изображение при умеренно больших относит. отверстии и поле зрения. Их фокусные расстояния ~40—150 мм, относит. отверстия 1:4—1:1,8, угол поля зрения для О. с фокусным расстоянием ~50 мм ок. 50°. Светосильные О. имеют относит. отверстия от 1:1,8 до 1:0,9. Угол поля зрения широкоугольных О. превышает 60° и доходит у нек-рых из. них до 180° (напр., показанный на рис. 1 объектив Гилля имеет поле зрения 180° при относит. отверстии 1 : 22). Особенно важную роль такие О. играют в аэрофотосъёмке. Фокусные расстояния широкоугольных О. обычно от 100 до 500 мм; их относит. отверстия характеризуются ср. и малыми значениями (1 : 5,6 и ниже). В них трудно исправлять такие аберрации, как дисторсия, кривизна поля и астигматизм. Значит. искажения эффекта перспективы характерны для изображений, формируемых такими О.
К длиннофокусным относят фотогр. О. с углом поля зрения обычно менее 30° и значениями фокусных расстояний ~100—2000 мм. Такие О. применяют для съёмки удалённых объектов в крупном масштабе; их относит. отверстия не превышают 1:5,6—1:4,5.
Широко применяются т. н. панкратические О. с переменным фокусным расстоянием (таковы мн. киносъёмочные О.); изменение этого расстояния осуществляется перемещением отд. компонент О., при к-ром его относит. отверстие обычно остаётся неизменным. Подобные О., в частности, позволяют менять масштаб изображения без изменения положения объекта и плоскости изображения (при смещении компонент О. и изменении его фокусного расстояния меняется положение главных плоскостей О.; см. Кардинальные точки). По оптико-коррекционным св-вам панкратич. О. делятся на: 1) варио-объективы, оптич. схема к-рых корригируется в отношении всех аберраций как единое целое; 2) трансфокаторы — системы, состоящие из собственно О. и устанавливаемой перед ним афокальной насадки, аберрации к-рой исправляются отдельно. Получение изображений высокого кач-ва в панкратич. О. достигается за счёт увеличения числа линз и компонент. Такие О.— сложные системы, состоящие из 11—20 линз. Для уменьшения потерь света совр. фотогр. О. просветляют (см. Просветление оптики).
Проекционные О. однотипны с фотографическими и отличаются от них в принципе лишь обратным направлением лучей света. Из них выделяют О. для диапроекции в проходящем свете и О. для эпипроекции в отражённом свете (см. Проекционный аппарат). Особую подгруппу, также относимую к фотообъективам, составляют репродукционные О., применяемые для получения изображений плоских предметов, чертежей, карт и т. п. Проекционные О., репродукционные О. и фотообъективы в случаях, когда они расположены близко к объекту, характеризуют не угловым, а линейным увеличением (масштабом изображения в собственном смысле), линейными размерами поля зрения и числовой апертурой. В этом отношении они сходны с О. микроскопов.
Объективы микроскопов всегда находятся в непосредств. близости от объекта. Их фокусные расстояния невелики: от 30—40 мм до 2 мм. К основным оптич. хар-кам О. микроскопов относятся: числовая апертура А, равная n1sih1, где n1 — показатель преломления среды, в к-рой находится объект, u1 половина угла раствора светового пучка, попадающего в О. из точки объекта, лежащей на оптич. оси О.; линейное увеличение b; линейные размеры 2l поля зрения, резко отображаемого О.; расстояние от плоскости объекта до плоскости изображения. Значением А определяется как освещённость изображения, прямо пропорциональная А2, так и линейный предел разрешения микроскопа, т. е. наименьшее
Рис. 2. Типичная оптич. схема объектива микроскопа.
различаемое расстояние на объекте. Если объект находится в воздухе (n=1, «сухой» О.), то А не может превышать единицы (фактически не более 0,9). Помещая объект в сильнопреломляющую (n>1), т. н. иммерсионную, жидкость, примыкающую к поверхности первой линзы О., добиваются того, что А достигает значений 1,4—1,6 (см. Иммерсионная система). У совр. микроскопов b доходит до 90—100; полное увеличение микроскопа Г=bГ', где Г' — угл. увеличение окуляра. Линейное поле зрения 2l связано о диаметром D диафрагмы поля зрения окуляра соотношением 2l=D/b. По мере увеличения A и b растёт сложность
481
конструкции О., т. к. требования к кач-ву изображения очень велики: разрешающая способность О. практически не должна отличаться от разрешающей способности для идеального (безаберрационного) О. Этому условию удовлетворяют конструкции наиб. совершенных О. микроскопов — т. н. планахроматов и планапохроматов. На рис. 2 показана типичная схема планапохромата.
Особые группы О. составляют: О. спектральных приборов, во многом близкие фотообъективам; спец. О. для использования с лазерами и т. д.
• Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., [ч.] 1—2, М.—Л., 1948—52; С л ю с а ре в Г. Г., Методы расчета оптических систем, 2 изд., Л., 1969; Русинов М. М., Фотограмметрическая оптика, М., 1962; Микроскопы, М., 1969; Ми х е л ь К., Основы теории микроскопа, пер. с нем., М., 1955.
ОБЪЕМ УДЕЛЬНЫЙ вещества, объём, занимаемый ед. массы в-ва. О. у. v — величина, обратная плотности: v=1/r . Для однородного в-ва v=V/m, где V — объём в-ва, m — его масса. Единицы О. у.: 1 м3/кг (СИ) и 1 см3/г (СГС система единиц); 1 м3/кг=103 см3/г.
ОБЪЕМНАЯ ВЯЗКОСТЬ (вторая вязкость), величина, феноменологически характеризующая процесс диссипации энергии при объёмных деформациях среды. В отличие от обычной стоксовой, или сдвиговой, вязкости, характеризующей необратимую передачу энергии поступат. движения среды от одних слоев к другим, О. в. характеризует квазиравновесный обмен энергией между поступат. и внутр. степенями свободы в каждой ч-це в-ва, т. е. релаксац. процесс
(см. Релаксация акустическая). О. в. проявляется, напр., при распространении звуковых и особенно УЗ волн в жидкостях и газах. Величина коэфф. О. в. x так же, как и коэфф. сдвиговой вязкости h, определяет величину поглощения звука. Если при распространении звука равновесное состояние среды практически не нарушается, что справедливо, когда время релаксации очень мало по сравнению с периодом звук. волны, то коэфф. О. в. не зависит от частоты. Если же при распространении звука термодинамич. равновесие нарушается, то x принимает аномально большие значения и становится ф-цией частоты звука.
Для определения коэфф. О. в. обычно пользуются данными по поглощению и дисперсии звука. Величина x зависит от темп-ры и давления: она обычно уменьшается при повышении темп-ры и увеличивается при повышении давления. Коэфф. О. в. для жидкостей обычно больше, чем для газов, в ср. на 1—3 порядка.
• Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Механика сплошных сред, 2изд.,М., 1954,
§ 78; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А — Свойства газов, жидкостей и растворов, М., 1968.
А. Л. Полякова.
ОБЪЁМНАЯ СИЛА (массовая сила),
сила, действующая на все ч-цы (элем. объёмы) данного тела и пропорц. массе ч-цы. Пример О. с.— силы тяготения.
ОБЪЁМНОЙ УПРУГОСТИ МОДУЛЬ, отношение гидростатич. напряжения к относит. изменению объёма (см. Модули упругости).
ОБЪЁМНЫЙ ЗАРЯД, то же, что пространственный заряд.
ОБЪЁМНЫЙ РЕЗОНАТОР электромагнитный, обычно замкнутая полость с хорошо проводящими стенками, внутри к-рой могут существовать свободные эл.-магн. колебания. Наиболее распространены О. р. цилиндрич., сферич. и тороидальной формы. Период собственных колебаний T=2p/w (w — круговая частота) не превышает времени прохождения волны между наиболее отдалёнными стенками; T£l/c (с — скорость распространения света в заполняющей О. р. среде, обычно в воздухе, в вакууме). Поэтому в ДВ диапазонах О. р. оказываются слишком громоздкими (I ~l=сТ), и только начиная с СВЧ диапазона (l£10—20 см) их применение технически оправдано. С другой стороны, именно в этом диапазоне колебат. системы с сосредоточенными параметрами становятся низкодобротными из-за больших омич. потерь или потерь на излучение.
Отыскание нормальных колебаний (колебат. мод) эл.-магн. поля внутри замкнутой полости состоит в решении Максвелла уравнений при определённых граничных условиях на стенках; в частности, на поверхности идеального проводника должна обращаться в нуль тангенциальная компонента электрич. поля Et. Бесконечное, но счётное множество собств. значений этой задачи образует спектр собств. частот О. р., а соответствующие им решения дают пространств. распределения электрич. Е и магн. Н полей (моды).
Простейший О. р.— отрезок радиоволновода, закрытый двумя идеально проводящими торцевыми «крышками», перпендикулярными оси Oz. Граничные условия на торцах удовлетворяются, если между стенками укладывается целое число (q) волноводных полуволн, а также если поле Е всюду внутри О. р. направлено вдоль координаты z и не зависит от неё, т. е. при kz=(p/l)q, где kz — продольное волн. число, q=0, 1,2,...,l — длина О. р. Поскольку каждая из волноводных мод характеризуется ещё и спектром поперечных волн. чисел cnm, то полный спектр волноводного О. р. определяется соотношением
Норм. колебания волноводного О. р. классифицируются по типам соответствующих волноводных мод. Различают колебания типа TEnmq и колебания типа TMnmq. Индексы п, т, q указывают число полуволн, укладывающихся вдоль трёх измерений О. р. В случае TEnmq-колебаний вектор Е поляризован в поперечной плоскости z=const, в случае TMnmq-колебаний в этой плоскости лежит вектор Н. Иногда их обозначают Hnmq и Enmq,
Рис. 1. Простейшие виды колебаний (моды) в цилиндрическом объёмном резонаторе. Стрелки указывают направление силовых линий электрического (сплошные линии) и магнитного (пунктир) полей.
указывая на присутствие в полях продольных составляющих векторов Н и Е (рис. 1).
Одной и той же собств. частоте О. р. могут соответствовать две или более линейно независимых моды. Самым высоким числом вырожденных мод (12) обладают частоты wnmq (n¹m¹q) в сферич. или кубич. О. р. Внесение небольших неоднородностей в О. р. уменьшает число вырожденных мод, образуя систему, как бы состоящую из n связанных колебат. контуров с близкими частотами.
Чаще всего О. р. используются в режиме осн. колебания, обладающего
Рис. 2. Переход от цилиндрич. резонатора с модой типа E010 путём плавных деформаций стенок к резонатору, а к-ром магн. и электрич. поля пространственно разделены, почти как в колебательном контуре. Сплошные линии — силовые линии электрич. поля, пунктир — магн. поля.
наинизшей собств. частотой. В цилиндрич. О. р. длины l и радиуса а при l<2,04а главным явл. колебание E010 (1-й индекс относится к вариации поля по углу а, 2-й — по радиусу r, 3-й — вдоль оси цилиндра oz, рис. 1), имеющее собств. частоту w010=2,04c/a. Поля в нём (Ez¹0, Hаlfa¹0) распределены, как в колебательном LC-контуре, в к-ром конденсатор С
482
и самоиндукция L составляют единое целое (рис. 2). Небольшими деформациями границ О. р. можно придавать ему технологически различные, но топологически эквивалентные формы. С ростом длины при l>2,04а осн. колебанием становится H111 (Нz¹0, Нr¹0, Er¹0, Ea¹0) с частотой
несмотря на то что оно имеет более сложную структуру, чем «конкурирующее» с ним колебание Н011 (Hz¹0, Нr¹0, Еa¹0) с частотой
Потери энергии в среде, заполняющей полость, и поглощение в экранирующих стенках приводят к затуханию собств. колебаний. Если потери невелики, их можно учесть с помощью метода возмущений. В первом приближении все потери аддитивны. Добротность Q О. р. определяется как отношение запасённой энергии W к потерям энергии Р за период колебаний; напр., добротность Q из-за поглощения в среде равна: Q1=e'/2e" (e' и e" — действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости), из-за поглощения в стенках Q2»V/Sd (V — объём полости, S — её поверхность, d — толщина скин-слоя, см. Скин-эффект). Суммарная добротность QS определяется из соотношения:
1/QS=Sn1/Qn. (2)
Добротности О. р. на осн. колебаниях в диапазоне СВЧ достигают 103, а при использовании сверхпроводящих экранов (см. Сверхпроводимость) могут достигать 106.
Возбуждение О. р., как и радиоволноводов, происходит с помощью петель, штырей, щелей, отверстий и т. п. (см. Антенна). О. р. с металлич. стенками широко применяются в технике СВЧ как частотные фильтры и резонансные колебат. системы генераторов, усилителей, приёмных устройств, ускорителей, спектр-анализаторов и др. Но, начиная с частот ~1011 Гц, О. р. при работе на осн. моде становятся слишком малыми (l ~1 мм), и поскольку толщина скин-слоя 8 пропорц. Öl, а размеры О. р. уменьшаются пропорц. А, его добротность ухудшается по закону Q~Öl. Применение же больших О. р. с возбуждением высших мод затруднено из-за очень плотного спектра собств. частот. Поэтому в миллиметровом, субмиллиметровом и оптич. диапазонах О. р. вытеснены открытыми резонаторами, в к-рых осуществляется разрежение спектра за счёт высвечивания поперечных мод с большими индексами m и n через открытые участки боковых поверхностей (см. Квазиоптика, Оптический резонатор}. • Никольский В. В., Электродинамика и распространение радиоволн, 2 изд., М., 1978; Вайнштейн Л. А., Электромагнитные волны, М., 1957; Лебедев
И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1,
М., 1970; Каценеленбаум Б. 3.,
Высокочастотная электродинамика, М., 1966.
А. Г. Литвак, М. А. Миллер.
ОВЕРХАУЗЕРА ЭФФЕКТ, резкое возрастание интенсивности ядерного магнитного резонанса (ЯМР) при насыщении уровней электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в том же в-ве. Теоретически предсказан А. У. Оверхаузером (A. W. Overhauser, США) в 1953. Экспериментально наблюдался в 1953 вначале в металлах (Т. Карвер и Ш. Шлихтер, 1953, США), затем в ПП, свободных радикалах и жидкостях с парамагн. примесями.
О. э.— следствие магн. вз-ствия эл-нов и ядра атомов или ионов таких парамагнетиков, в к-рых возможно установление равновесной электронной и яд. намагниченности в сильном пост. магн. поле. При насыщении ЭПР это вз-ствие вызывает перераспределение ядер по уровням, увеличивая разность их населённостей и вероятность перехода. О. э. лежит в основе метода двойного электронно-ядерного резонанса.
Если длительно поддерживать насыщение ЭПР, то наступит стационарное состояние, при котором отношение населённостей яд. перехода Nя+/Nя- будет такое же, как отношение населённостей Nэ+/Nэ- электронного перехода, т. е. населённость нижнего яд. уровня возрастает и возникает сильная поляризация ядер (см. Ориентированные ядра).
•Хуцишвили Г. Р., Эффект Оверхаузера и родственные явления, «УФН», 1960, т. 71, в. 1. См. также лит. при ст. Электронный парамагнитный резонанс и Ядерный магнитный резонанс.
ОДНОДОМЕННЫЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ЧАСТИЦЫ, малые ч-цы ферромагн. в-в, являющиеся одиночными доменами. При уменьшении размеров многодоменных ч-ц они могут стать однодоменными, если их свободная энергия в этом состоянии меньше, чем в многодоменном. Критич. размер Dкр, ниже к-рого ч-ца обладает одно-доменной структурой, зависит в первую очередь от значения намагниченности насыщения Js и коэфф. магнитной анизотропии К. Величина Dкр возрастает с увеличением К и уменьшением Js. Для большинства ферромагнетиков Dкр~10-4—10-6 см. О. ф. ч. характеризуются нек-рыми особенностями магн. св-в. Их намагниченность остаточная Jr=Js. Перемагничивание О. ф. ч. происходит необратимым вращением вектора намагниченности Js. Если О. ф. ч. обладают высокой магн. анизотропией (напр., за счёт анизотропии формы ч-ц или магн. кристаллографич. анизотропии), то процесс вращения Js затруднён и коэрцитивная сила Нс велика. В магнитно-одноосных О. ф. ч. Jr и Нс имеют максимальное значение вдоль оси лёгкого намагничивания, т. к. поворот вектора Js из этого направления требует наибольшей работы магнитного поля.
Для намагничивания до насыщения ферромагн. образца, состоящего из суспензии О. ф. ч., вкрапленных в диамагн. матрицу, требуется поле значительно меньшей напряжённости, чем в случае многодоменных ч-ц. Создание в подобном конгломерате О. ф. ч. магнитной текстуры, при к-рой оси лёгкого намагничивания ч-ц выстроены вдоль одного направления (оси текстуры), приводит к увеличению Jr и Нс вдоль этой оси. С увеличением концентрации О. ф. ч. в конгломерате растёт значение Jr. Магнитные материалы из микропорошков с О. ф. ч. (Fe, Fe—Со и др.) широко применяются для изготовления пост. магнитов в приборостроении.
• Вонсовский С. В., Магнетизм. М., 1971.
ОДНООСНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кристаллы, в к-рых происходит двойное лучепреломление при всех направлениях падающего на них луча света, кроме одного, наз. оптической осью кристалла. См. Кристаллооптика.
ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ, раздел электронной спектроскопии, методы к-рого основаны на измерении энергии и интенсивности токов оже-электронов, эмиттированных из атомов, молекул и тв. тел при оже-эффекте. Энергия оже-электронов определяется природой испускающих их атомов и их хим. окружением, что позволяет определять атомы в соединениях и получать информацию об их хим. состоянии. О.-с. применяют как для фундам. исследований, так и для элементного анализа. В зависимости от способа возбуждения атомов — электронным, фотонным, ионным пучками — различают электронную, фотоэлектронную и ионную О.-с. (соотв. ЭОС, ФОС и ИОС). Спектры оже-электронов получают и регистрируют с помощью оже-спектрометров. Наиболее распространены электронные оже-спектрометры на базе анализаторов энергии эл-нов типа цилиндрич. зеркала и четырёхсеточного анализатора с тормозящим полем (рис. 1). Электронный пучок от электронной пушки направляется на образец, находящийся в вакуумной камере (до 10-10 мм рт. ст.), В спектрометрах первого типа (их чувствительность на два порядка выше, чем спектрометров второго типа) потенциал внеш. цилиндрич. электрода анализатора 2 искривляет траектории оже-электронов в зависимости от их энергии. В результате каждому значению потенциала будет соответствовать определ. энергия оже-электронов, попавших в электронный умножитель 6. В спектрометрах второго типа энергия электронов, попадающих на коллектор анализатора 2, зависит от задерживающего потенциала на сетках. Обычно регистрируют не энергетич. распределение числа N эмиттированных эл-нов
483
по энергиям ξ, а производную dN(ξ)/dξ (рис. 2), что повышает чувствительность метода.
О.-с. газов используется гл. обр. в фундам. исследованиях (для изучения механизма самого оже-эффекта,
Рис. 1. Схемы электронных оже-спектрометров с элсктростатич. анализатором типа цилиндрич. зеркала (а) и с четырёхсеточным анализатором с тормозящим полем (б): 1 — исследуемый образец; 2 — энергетич. анализатор эл-нов; 3 — электронная душка; 4 — электронная пушка, создающая наклонно падающий пучок; 5 — ионная пушка для послойного распыления образца; 6 — электронный умножитель.
Рис. 2. Спектр оже-электронов стали, содержащей Ni, Cr, С, Р, О.
основных и возбуждённых состоянии дважды ионизованных атомов, разл. явлений, связанных с процессом нач. возбуждения атома). О.-с. может быть использована и для хим. анализа газов, но систематич. исследования аналитич. возможностей метода пока не проводились. Наибольшее применение О.-с. получила для элементного анализа приповерхностного слоя тв. тела толщиной в неск. ат. слоев. Для получения информации о более глубинных слоях используют послойное распыление исследуемого образца ионами инертных газов. На основе ЭОС и ФОС проводят хим. анализ всех элементов периодич. таблицы (кроме Не и Н). Методы ИОС не чувствительны к нек-рым элементам. Т. к. вероятность безызлучат. переходов падает с ростом ат. номера элемента, эффективность анализа атомов лёгких элементов выше, чем тяжёлых. Чувствительность методов О.-с. составляет ~1012 ат/см3.
Важной хар-кой явл. форма оже-линий, а также изменения энергий оже-электронов (сдвиги оже-линий) в зависимости от хим. состояния атома или его хим. окружения. Это позволяет наряду с элементным анализом получать информацию о хим. состоянии атома.
Совр. оже-спектрометры в большинстве случаев могут работать в сканирующем режиме и давать информацию о распределении отд. элементов по поверхности образца. Спектрометры с четырёхсеточным анализатором позволяют сочетать методы О.-с. с дифракцией медленных эл-нов (см. Электронография), что даёт возможность не только исследовать элементный состав приповерхностных слоев монокрист. образцов, но и получать сведения об их структуре и её изменениях.
• Методы анализа поверхностей, М., 1979; Карлсон Т. А., Фотоэлектронная и ожеспектроскопия, пер. с англ., Л., 1981.
В. В. Кораблёв.
ОЖЕ-ЭФФЕКТ, процесс, включающий в себя заполнение эл-ном вакансии, образованной на одном из внутр. у ровней энергии атома, с передачей безызлучат. путём выделенной при этом энергии эл-ну другого (вышележащего) уровня и переводом его в возбуждённое состояние. Если переданная энергия достаточна, то возбуждённый эл-н покидает атом (оже-электрон). В результате О.-э. в атоме вместо одной (первичной) вакансии возникают две новые (вторичные) на более высоких уровнях энергии. Первичная вакансия может быть образована, напр., при облучении атома фотонами, эл-нами, ионами соответствующих энергий.
В обозначении оже-переходов сначала указывают уровень, на к-ром образована первичная вакансия, затем уровень, эл-н к-рого заполнил эту
вакансию, и последним — уровень, к-рый покинул оже-электрон (напр., КL1М1-, KM2M2-переходы). Оже-электроны обычно делят на серии и группы: серия характеризует положение первичных вакансий (напр., К-, L-серии), группа — положение вторичных (напр., К— L1M2-, К — M2N1-группы).
Уровни энергии и оже-переходы в металлах: 1 — КL1М2-переход; 2 — КL1L2-переход; 3 — KL2L2-nepexoд; 4 — L1M2V-nepexод; 5 — L1VV-переход (переходы 4 и 5 происходят с участием валентной зоны).
О.-э. может наблюдаться не только в изолированных атомах, но и в конденсированных средах. В тв. теле наряду с переходами между внутр. уровнями энергии атома наблюдаются переходы с участием эл-нов валентной зоны (рис.).
Обычно оже-электроны экспериментально наблюдают в виде потоков эл-нов с определ. энергиями, не зависящими от энергии возбуждающих ч-ц. Первичная вакансия заполняется эл-ном вышележащего уровня за время 10-14—10-17 с, это приводит к тому, что мин. ширины оже-линий составляют неск. эВ (см. Ширина спектральных линий). В тех случаях, когда переходы включают эл-ны валентной зоны, её энергетич. структура также влияет на ширину и форму оже-линий. В хим. соединениях могут наблюдаться переходы с участием уровней энергии разл. атомов, входящих в соединение, в атомах, адсорбированных на подложках,— уровней энергии атомов адсорбата и подложки.
О.-э. проявляется во всех случаях (наряду с излучат. процессами), когда возникает вакансия на одном из внутр. уровней энергии атомов. В природе они могут создаваться косм. ч-цами, блуждающими эл-нами, в эксперим. установках — с помощью специально создаваемых потоков фотонов, эл-нов или ионов. Переходы ат. ядра из возбуждённого состояния в нормальное могут сопровождаться передачей энергии одному из внутр. эл-нов атома — происходят процессы, аналогич. О.-э.
О.-э. наз. по имени франц. физика П. Оже (P. Auger), открывшего в 1925 V-образные пары электронных треков при наблюдении в камере Вильсона ионизации под действием рентг. излучения.
Частным случаем О.-э. явл. эффект Костера — Кронига, когда первичная
484
и одна из вторичных вакансий принадлежат одной и той же оболочке.
О. э. применяется в оже-спектроскопии.
• Burhop Е. Н. S., The Auger effect and other radiationless transition, Cambr 1952; П а р и л и с Э. С., Эффект Оже, Таш., 1969.
В. В. Кораблёв.
ОККЛЮЗИЯ (от позднелат. occlusio — запирание, скрывание), поглощение газов тв. металлами или расплавами с образованием тв. или жидких р-ров или хим. соединений (нитридов, гидридов и т. д.). ОКОЛОЗВУКОВОЕ ТЕЧЕНИЕ, течение газа, при к-ром ч-цы его движутся в рассматриваемой области со скоростями, близкими к местной скорости звука. О. т. может быть всюду дозвуковым или всюду сверхзвуковым, но чаще всего оно бывает смешанным, т. е. включает области как с дозвук., так и со сверхзвук. скоростями.
С изучением О. т. связан ряд важных практич. проблем: полёты ракет и самолётов, работа компрессоров и турбин воздушно-ракетных двигателей, аэродинамич. труб и т. д.
ОКТАВА, единица частотного интервала, равна интервалу между двумя частотами (f2 и f1), логарифм отношения которых (при основании 2) log2(f2/f1)=1, что соответствует f2/f1=2; 1 О. = 1200 центов— 301 савар. Применяется в акустике.
ОКУЛЯР (от лат. oculus — глаз), обращённая к глазу наблюдателя часть оптич. системы (зрительной трубы, телескопа, бинокля, микроскопа и т. д.); служит для визуального рассматривания д е й с т в и т е л ь н о г о и з о б р а ж е н и я, к-рое формирует объектив или другая предшествующая О. часть системы, напр. сочетание объектива и оборачивающей системы. По своему действию О. сходен с лупой; отличие его от лупы, связанное с использованием О. в сложной системе, состоит в значительно меньшей апертуре пучка попадающих в него лучей.
Оптич. св-ва О. характеризуются: 1) фокусным расстоянием /', определяющим угловое увеличение оптическое Г''= 250/f' (250 мм — расстояние наилучшего видения); обычно О. имеют Г'~5—20, хотя в отд. случаях оно либо достигает 40—60 (с добавочной отрицат. линзой), либо составляет всего 1,5—3; 2) углом поля зрения 2w' в пр-ве изображений (углом между крайними лучами, выходящими из о); 3) расстоянием d от последней линзы О. до его в ы х о д н о г о з р а ч к а, к-рым явл. изображение объектива, даваемое О. (см. Диафрагма). Для наиб. удобного расположения глаза наблюдателя d должно быть 12—15 мм, а при наличии очков — до 25 мм.
От оптич. св-в О. зависят и общие хар-ки включающей его оптич. системы. Так, поле зрения в пр-ве объектов — угловое 2w для зрит. трубы и линейное 2'Z для микроскопов — выражается по ф-лам: tgw=tgw'/g и 2l=f'tgw'/b, где g — полное увеличение зрит. трубы, b — линейное увеличение объектива.
Первый О., применённый в 1609 Г. Галилеем, был простой отрицательной (рассеивающей) линзой. Этот О. имеет малые угол зрения и увеличение; используется гл. обр. в театральных биноклях.
Окуляры Гюйгенса (сер. 17 в.) и Рамсдена (кон. 18 в.), сконструированные из положит. линз, применяются до сих пор. Каждый из них составлен из двух плосковыпуклых линз (рис. 1). При всей их простоте для углов поля зрения ~35—45° в них неплохо исправлены осн. аберрации (см. Аберрации оптических систем) и достаточно расстояние до выходного зрачка. Их фокусное расстояние не меньше 15—20 мм. Окуляр Рамсдена отличается от окуляра Гюйгенса тем, что его передний фокус действителен, вследствие чего в передней фокальной плоскости (с промежуточным изображением) можно совместить шкалу и крест нитей для измерит. целей. С кон. 19 в. были разработаны ш и р о к о у г о л ь н ы е О. с полем зрения 65—70°, а в дальнейшем усложнение конструкций позволило создать О. с углами поля зрения до 100° и более (рис. 2). Стали применяться О.
Рис. 1. Двухлинзовые положительные окуляры: вверху — окуляр Гюйгенса; внизу — окуляр Рамсдена.
Рис. 2. Схема многолинзового широкоугольного окуляра.
Рис. 3. Автоколлимационный окуляр.
большой оптической силы, у к-рых отношение расстояния до выходного зрачка d к фокусному расстоянию превышает единицу.
В сочетании с апохроматич. объективами в микроскопах используют т. н. компенсационные О., к-рые исправляют хроматич. разность
увеличений. Часто применяются а в т о к о л л и м а ц и о н н ы е О. (рис. 3), вблизи фокальной плоскости к-рых располагают малую призмочку П, направляющую свет от источника И на перекрестье нитей, затем в объектив и далее на зеркало. От зеркала свет отражается и собирается в фокусе О., где наблюдается одновременно крест нитей и его изображение, что позволяет с большой точностью определить направление нормали к зеркалу.
• Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 2, М.—Л., 1952; Слюсарев Г. Г., Методы расчета оптических систем, 2 изд., Л., 1969.
Г. Г. Слюсарев.
ОМ (Ом, W), единица СИ электрич. сопротивления. Названа в честь нем. физика Г. Ома (G. Ohm). 1 Ом равен сопротивлению проводника, между концами к-рого при силе тока 1 А возникает напряжение 1 В; 1 Ом=1,11X10-12 ед. СГСЭ=109 ед. СГСМ (см. СГС система единиц).
ОМА ЗАКОН, устанавливает зависимость между силой тока I в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) U между двумя фиксиров. точками (сечениями) этого проводника:
U=rI. (1)
Коэфф. пропорциональности r, зависящий от геом. и электрич. св-в проводника и от темп-ры, наз. омич. сопротивлением или просто сопротивлением данного участка проводника. О. з. открыт в 1826 нем. физиком Г. Омом.
В общем случае зависимость между I и U нелинейна, однако на практике всегда можно в определ. интервале напряжений считать её линейной и применять О. з.; для металлов и их сплавов этот интервал практически неограничен.
О. з. в форме (1) справедлив для участков цепи, не содержащих источников эдс. При наличии таких источников (аккумуляторов, термопар, генераторов и т. д.) О. з. имеет вид:
rI=U+ξ, (2)
где ξ — эдс всех источников, включённых в рассматриваемый участок цепи. Для замкнутой цепи О. з. принимает вид:
rпI=ξ, (3)
где rп=r+ri — полное сопротивление цепи, равное сумме внеш. сопротивления r и внутр. сопротивления ri источника эдс. Обобщением О. з. на случай разветвлённой цепи явл. 2-е Кирхгофа правило.
О. з. можно записать в дифф. форме, связывающей в каждой точке проводника плотность тока j с полной напряжённостью электрич. поля. Потенц. электрич. поле напряжённости Е, создаваемое в проводниках микроскопич. зарядами (эл-нами, ионами) самих проводников, не может поддер-
485
живать стационарное движение свободных зарядов (ток), т. к. работа этого поля на замкнутом пути равна нулю. Ток поддерживается неэлектростатич. силами разл. происхождения (индукционного, хим., теплового и т. д.), к-рые действуют в источниках здс и к-рые можно представить в виде нек-рого эквивалентного непотенц. поля с напряжённостью Eст, наз. сторонним. Полная напряжённость поля, действующего внутри проводника на заряды, в общем случае равна E+Eст. Соответственно дифф. О. з. имеет вид:
rj=E+Eст или j=s(E+Eст), (4)
где r — уд. сопротивление материала проводника, а s=1/r — его уд. электропроводность.
О. з. в комплексной форме справедлив также для синусоидальных квазистационарных токов:
zI=ξ, (5)
где z — полное комплексное сопротивление: z=r+ix, r — активное сопротивление, а х — реактивное сопротивление цепи. При наличии индуктивности L и ёмкости С в цепи квазистационарного тока частоты w х=wL-1/wС.
• Курс физики, под ред. Н. Д. Папалекси, т. 2, М.—Л., 1948; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики); Физические основы электротехники, пер. с англ., под ред. К. М. Поливанова, М.—Л., 1950.
ОМЕГАТРОН, масс-спектрометр, в к-ром разделение ионов, различающихся величиной отношения массы М к заряду е, происходит при их движении во взаимно перпендикулярных переменном электрич. и постоянном магн. полях. Разрешающая способность О. уменьшается с ростом М. О. используется для определения состава и измерения парц. давлений остаточных газов в вакуумных системах.
ОМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ, контакт ПП — металл, ток через к-рый подчиняется закону Ома (т. е. пропорционален напряжению).
ОММЕТР, прибор для измерения электрического (омического) сопротивления. В зависимости от диапазона измерений различают микроомметры, мегомметры, тераомметры. В простейших О. с магнитоэлектрическим измерительным механизмом реализуется метод вольтметра-амперметра: при пост. напряжении источника питания сила тока, протекающего через подвижную рамку механизма, и отклонение указателя определяются измеряемым сопротивлением. Осн. недостаток таких О.— зависимость их показаний от напряжения источника питания, поэтому перед применением рассматриваемого О. нач. положение указателя обязательно корректируется. О. с логометром нечувствительны к отклонению напряжения питания от номин. значения (в пределах примерно
±20%). При измерении больших сопротивлений (100 Ом — 10 МОм) измеряемое сопротивление включается последовательно с рамкой логометра (рис. 1, о), при измерении меньших сопротивлений — параллельно (рис. 1, б). Источники питания О. с электроизмерит. механизмом — сухие гальванич. элементы, встраиваемые в О.,
Рис. 1. Схема логометрич. омметра: а — для измерения больших сопротивлений rх; б — для измерения малых сопротивлений r'х; Л — логометр; rх и r0, r'0 — измеряемое и образцовые сопротивления; Uпит — питающее напряжение.
либо магнитоэлектрич. генераторы с ручным приводом (в мегомметрах). О. с электроизмерит. механизмом позволяют измерять сопротивления, не превышающие неск. тысяч МОм. Для измерений больших сопротивлений используются электронные О. (тераомметры). Они, как правило, состоят
Рис. 2. Схема электронного омметра: а — с прямой шкалой (ноль на шкале слева); б — с обратной шкалой (ноль на шкале справа); rx и r0 — измеряемое и образцовое сопротивления; Uпит — питающее напряжение; V — электронный вольтметр.
из делителя напряжения, образованного образцовым и измеряемым сопротивлениями, и электронного вольтметра, измеряющего напряжение на одном из плеч делителя (рис. 2). Широкое распространение получили цифровые О. (см. Цифровой электроизмерительный прибор), входные цепи к-рых обычно представляют собой мост измерительный. Шкалы О. неравномерны. Погрешность измерений выражается в % от длины шкалы.
Выпускаемые О. с электроизмерительным механизмом имеют верхний предел измерений от 100 мкОм до 1000 МОм, осн. погрешность 1—5%; у цифровых О. диапазон измерений 10-3—1010 Ом, осн. погрешность 0,05— 1,0%; у электронных О. верхний предел измерений до 1017 Ом, осн. погрешность 1—2,5% (для сверхбольших сопротивлений — до 10—15%).
Техн. требования к О. стандартизованы в ГОСТе 22261—76 и ГОСТе 23706—79.
• Электрические измерения. Общий курс, 4 изд., Л., 1973; П о л у л я х К. С., Электронные измерительные приборы, М., 1966; Справочник по электроизмерительным приборам, 2 изд., Л., 1977. В. П. Кузнецов.
ОМ-МЕТР (Ом•м, W•m), ед. СИ уд. электрич. сопротивления; 1 Ом•м — уд. электрич. сопротивление, при к-ром цилиндрич. проводник площадью сечения 1 м2 и длиной 1 м имеет сопротивление 1 Ом; 1 Ом•м=102 ОмXсм=102Ом•мм2/м=1,11•10-10ед. СГСЭ=1011 ед. СГСМ. ОНДУЛЯТОР (франц. ondulateur, от onde — волна), устройство, в к-ром создаются периодич. поля, действующие на проходящие через него заряж. ч-цы с периодич. силой, удовлетворяющей условию: среднее за период значение силы равно нулю. Движущаяся заряж. ч-ца, попав в О., совершает периодич. колебательно-поступат. движение, т. е. явл. осциллятором, движущимся равномерно и прямолинейно; такая ч-ца испускает ондуляторное излучение. Наиболее распространённые траектории ч-цы в О.— синусоиды и спирали.
По виду создаваемых полей О. делятся на два типа. В О. 1-го типа поля периодически изменяются в пр-ве или во времени [знакопеременное магн. поле (рис.), винтовое магн. поле, ВЧ электрич. поле, поле эл.-магн. волны и т. д.]. В О. 2-го типа действуют статические фокусирующие магн. и электрич. поля (однородное магн. поле,
Схема ондулятора со знакопеременным магн. полем. Траектория ч-цы е лежит в плоскости, перпендикулярной рисунку. Стрелками указаны направления магн. силовых линий. l0 — длина периода траектории ч-цы а ондуляторе.
скрещённые однородные электрич. и магн. поля, квадрупольное электрич. поле и т. д.). Длина периода траектории ч-цы в О. 1-го типа задаётся периодом поля О., зависит от угла и координаты вхождения ч-цы в О. и в релятивистском случае не зависит от её энергии. В О. 2-го типа длина периода траектории ч-цы определяется фокусирующими св-вами полей (градиентом, величиной), амплитудой колебания ч-цы (задаётся углом и координатой ее вхождения в О.), энергией ч-цы.
Природными О. явл. кристаллы. Внутрикрист. электрич. поле, усреднённое по поверхностям плоскостей, параллельных кристаллографическим, или по длинам прямых, параллельных осям кристалла, явл. фокусирующим для заряж. ч-цы (см. Каналирование
486
частиц). В то же время усреднённое внутрикрист. электрич. поле явл. периодич. ф-цией расстояния, отсчитываемого по прямой, пересекающей кристаллографич. плоскости. Поэтому если угол и координата вхождения ч-цы в кристалл таковы, что она пересекает кристаллографич. плоскости, то кристалл подобен О. 1-го типа. Длина периода траектории ч-цы в этом случае определяется межплоскостным расстоянием и углом между вектором ср. скорости ч-цы и кристаллографич. плоскостями. Если же нач. условия таковы, что ч-цы попадают в режим плоскостного или осевого каналирования, то кристалл подобен О. 2-го типа.
О. находят широкое применение. Они могут служить источниками излучения, использоваться для усиления эл.-магн. волн (см. Лазеры на свободных электронах) и ускорения ч-ц эл.-магн. волной; О. применяются в масс-спектрометрах для разделения изотопов, в системах ввода ионов в магн. ловушки, для сепарации пучка ч-ц, для создания угл. разброса ч-ц пучка, создания сгруппированных пучков. С помощью О. можно осуществлять оптич. индикацию пучков электронных и протонных синхротронов и накопителей и управлять их параметрами.
В источниках индуцированного ондуляторного излучения, ондуляторных линейных ускорителях, устройствах для группировки (банчировки) ч-ц в ускорителях, системах индикации пучков и в др. установках может оказаться целесообразным применение О. с плавно меняющимися параметрами— длиной периода траектории ч-цы, величинами магн. и электрич. полей и т. д. В таком О. можно, напр., добиться увеличения времени резонансного вз-ствия ч-ц с эл.-магн. волной, расширения диапазона частот спектра спонтанного ондуляторного излучения.
• См. лит при ст. Ондуляторное излучение.
Е. Г. Бессонов.
электромагнитное излучение, испускаемое ускоренными заряж. ч-цами в ондуляторах; излучение равномерно и прямолинейно движущегося осциллятора. Различные типы источников О. и., состоящих из ускорителя или накопителя ч-ц (чаще эл-нов) и ондулятора, могут испускать спонтанное некогерентное, спонтанное когерентное и индуцированное О. и.
Скорость ч-цы в ондуляторе можно представить в виде суммы скоростей: постоянной vп и периодической переменной Dv(t+T)=Dv(t) (T — период колебаний ч-цы в ондуляторе, t — время). Одиночная ускоренная ч-ца, пройдя через ондулятор, испускает цуг эл.-магн. волн, длительность к-рого Dt зависит от угла q между vп и направлением наблюдения. На расстояниях R>>Kl0 (l0 — длина периода
траектории ч-цы в ондуляторе, К — число периодов)
Dt=(Kl0/cbп))1-bпcosq), (1)
где bп=vп/с. Испущенный ч-цей цуг содержит К периодов, и, следовательно, круговая частота осн. гармоники О. и. w1=2pK/Dt. В общем случае цуги волн О. и. на интервале Dt не явл. гармоническими и излучение происходит на неск. гармониках, кратных основной. Частоты wk k-той гармоники определяются в соответствии с Доплера эффектом ф-лой:
wk=kW/(1-bпcosq), (2)
где W=2pяbпс/l0 — частота колебаний ч-цы в ондуляторе. При q=0 частоты О. и. максимальны. Вследствие конечной длительности цугов, О. и., испускаемое ч-цей в нек-ром направлении, распределено в интервале частот Dwk., к-рый определяет естеств. ширину линии wk:
Dwk/wk»1/kK. (3)
При K>>1 О. и., наблюдаемое под заданным углом 6, монохроматично и имеет частоту, соответствующую (2). Осн. часть энергии, испускаемой релятив. ч-цей, сосредоточена вблизи направления её мгнов. скорости v в узком диапазоне углов
где ξ — энергия ч-цы, m — её масса, b — v/c; g наз. релятив. фактором ч-цы.
Вектор v изменяет своё направление относительно vп в нек-ром диапазоне углов Да. Если Da<<1/g, то ч-ца при движении в ондуляторе излучает в основном в направлении, близком к направлению vп, т. е. в диапазоне углов Д6, определяемых (4). С увеличением Da растёт ускорение ч-цы v, а следовательно, и полная интенсивность О. и.
При Da>1/g О. и. испускается в больший диапазон углов: Dq>Da. В направлении наблюдения (определяемом единичным вектором n) излучение испускается эффективно только в том случае, когда угол между n и v не превышает 1/g. При этом число гармоник О. п. резко возрастает, что приводит к уширению его спектра и сдвигу в более коротковолновую (жёсткую) область. При Da>>1/g спектр О. и. становится близким к спектру синхротронного излучения. Величина спектр. плотности потока энергии О. и., испускаемого ч-цей в направлении vп, достигает макс. значения при Da»1/g (условие оптим. генерации).
Хар-ки О. и. пучка ч-ц зависят от угл. и энергетич. разброса ч-ц, размеров и формы пучка, а также от вида О. и. Фазы эл.-магн. волн. испускаемых разл. ч-цами пучка, для спонтанного некогерентного О. и. явл. случайными ф-циями времени, для спонтанного когерентного они скоррелированы между собой, а для индуцированного О. и.— скоррелированы между собой, а также и с фазой усиливаемой волны. Степенью фазовых корреляций (синфазностью) О. и. отд. ч-ц пучка в значит. степени определяются интенсивность, направленность, монохроматичность и степень поляризации О. и.
В источниках спонтанного некогерентного О. и. ч-цы пучка излучают независимо друг от друга. Интенсивность излучения такого пучка пропорц. его току г. В условиях оптим. генерации поток dnф/dt эквивалентных фотонов О. и. (поток полной, т. е. усреднённой по углам, энергии фотонов, делённый на макс. энергию одного фотона), испускаемых эл-нами в ондуляторах с поперечными гармонич. полями, равен
dnф/dt»aKi/e, (5)
где a=е2/ћс»1/137, е — заряд эл-на. В этих условиях при K=102 один эл-н, пройдя через ондулятор, испускает один фотон; пучок эл-нов с i=0,1 А создаёт поток dnф/dt=4•1017 фотонов в с. Для l0=3 см макс. энергия фотонов при этом составляет ок. 300 эВ, если ξ=1 ГэВ, и ок. 30 кэВ при ξ=10 ГэВ.
Источники О. и. с такими параметрами целесообразно создавать на основе синхротронов и накопителей эл-нов, в прямолинейных промежутках к-рых устанавливаются ондуляторы. В этом случае достигается высокая эффективность источников за счёт многократного прохождения ч-ц через ондулятор: эл-ны, потеряв энергию на излучение, восстанавливают её при движении в ускоряющей системе синхротрона (накопителя) и затем вновь попадают в ондулятор — происходит т. н. рекуперация энергии. Спонтанное О. и. может применяться в тех же областях исследований, что и синхротронное излучение: в рентг. микроскопии, рентг. структурном анализе, ат. и мол. спектроскопии, спектроскопии кристаллов, рентг. литографии, медицине и др. По сравнению с синхротронным излучением оно обладает более высокими интенсивностью, направленностью, степенью монохроматичности и поляризации.
В рассмотренных источниках длина периода траектории ч-цы в ондуляторе l0³1 см, т. к. она должна быть больше его апертуры, определяемой поперечными размерами пучка (³1 мм). Более жёсткое излучение (энергия квантов ћw11макс»ξ) при меньшей эффективности генерации можно получить, используя ондуляторы, в к-рых l0<<1 см. Ими могут служить эл.-магн. волны и кристаллы. Через кристалл ч-цы проходят однократно, поэтому кристаллы устанавливаются на краю рабочей области синхротро-
487
нов, на выходе линейных ускорителей эл-нов, а также в электронных каналах протонных синхротронов. Поляризованные фотонные пучки, испускаемые эл-нами в поле поляризованной волны или в кристалле (когерентное тормозное излучение, каналированное излучение), используются в яд. физике и физике высоких энергий.
В источниках спонтанного когерентного О. и. используют пучок ч-ц, предварительно сгруппированный (сбанчированный) в сгустки длиной £l=2pс/w, находящиеся друг от друга на расстоянии, равном или кратном l. В таком пучке излучения отд. ч-ц скоррелированы по фазе. Совр. техника группирования пучков позволяет осуществлять генерацию когерентного О. и. с l³1 нм.
В источниках индуцированного О. и. используют как сбанчированные, так и однородные по плотности пучки ч-ц. В ондулятор подаётся внеш. эл.-магн. волна, напр. свет. Если сгустки пучка ч-ц, сгруппированного на входе в ондулятор, попадают в тормозящие фазы электрич. поля Е эл.-магн. волны (поперечная составляющая скорости ч-цы, определяемая в основном полем ондулятора, направлена под острым углом к Е), то они отдают свою кинетич. энергию эл.-магн. волне, усиливая её (обратный Комптона эффект). Энергия усиленной волны представляет собой сумму энергий внеш. излучения, спонтанного когерентного О. и. и индуцированного О. и. Энергия последнего не равна нулю только в той области, где существует усиливаемая волна. Это означает, что индуцированное О. и. испускается в направлении распространения внеш. волны. Если поле излучения сгустков ч-ц |Eч|<<|E|, то все др. хар-ки индуцированного О. и. совпадают с хар-ками усиливаемой волны.
Ч-цы однородного пучка попадают " как в тормозящие, так и в ускоряющие фазы. Т. к. энергия ч-ц, находящихся в ондуляторе в разл. фазах волны, изменяется по-разному, то они начинают двигаться с разл. продольными скоростями и группируются в сгустки. Если нач. энергия ч-ц пучка выше нек-рой равновесной энергии, то ч-цы группируются в тормозящих фазах волны и, следовательно, усиливают её.
Источники О. и. всех видов обладают общей важной хар-кой — возможностью плавной регулировки частоты. В малом диапазоне частот (~10%) это достигается изменением bп.
Идея генерации спонтанного О. и. была впервые высказана и обоснована В. Л. Гинзбургом в 1947. Теоретически было показано, что О. и. должно обладать рядом преимуществ перед синхротронным излучением: монохроматичностью в заданном направлении, более высокой спектр. плотностью потока энергии излучения. Предложена
схема рекуперации энергии. Дальнейшее развитие теория спонтанного О. и. получила в работах Г. Моца (1951—53, США), им были построены первые источники спонтанного некогерентного и спонтанного когерентного О. и., исследованы св-ва О. и. этих источников, визуально наблюдалась цветная радужная картина О. и. в оптич. диапазоне, согласующаяся с теоретически полученной зависимостью частоты от в. В 1958—59 Р. Твиссом (Австралия), Моцем, Р. Пантелом, Дж. Шнайдером (США) и А. В. Гапоновым-Греховым высказана и обоснована идея источников индуцированного О. и. Первые источники индуцированного О. и. были созданы и исследованы на длине волны l»10 см (1960, амер. физик Р. М. Фпллипс).
• Бессонов Е. Г., Вопросы теории и экспериментального исследования ондуляторного излучения, в сб.: Труды 6 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, 1978, т. 2, Дубна, 1979; Тернов И. М., Михайлин В. В., Халилов В. Р., Синхротронное излучение и его применения, М., 1980; Калашников Н. П., Ремизович В. С., Рязанов М. И., Столкновения быстрых заряженных частиц в твердых телах, М., 1980; Бессонов Е. Г., Серов А. В., Ондуляторный группирователь пучков заряженных частиц, «ЖТФ», 1982, т. 52, в. 2.
Е. Г. Бессонов.
ОНСАГЕРА ТЕОРЕМА, одна из осн. теорем термодинамики неравновесных процессов; установлена в 1931 амер. физиком Л. Онсагером (L. Onsager). В термодинамич. системах, в к-рых имеются градиенты темп-ры, концентраций компонентов, хим. потенциалов и др., возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, хим. реакций и т. д. Эти процессы характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями хим. реакций и т. п. Они наз. общим термином «п о т о к и» (обозначаются Ji), а вызывающие их причины (отклонения термодинамич. параметров от равновесных значений) — термодинамическими силами (Xk). Связь между Ji и Xk, если термодинамич. силы малы, записывается в виде линейных ур-ний:
где онсагеровские кинетические коэффициенты Lik определяют вклад разл. термодинамич. сил Хk в создание потока Ji. Соотношения (1) иногда наз. феноменологич. ур-ниями, a Lik — феноменологич. коэффициентами; значения Lik, рассчитывают или находят опытным путём. Термодинамич. потоки и силы могут быть скалярами (в случае объёмной вязкости), векторами (при теплопроводности, диффузии) и тензорами (при сдвиговой вязкости).
Согласно О. т., если нет магн. поля и вращения системы как целого, то
Lik=Lki. (2) Если же на систему действует внеш. магн. поле Н или система вращается с угл. скоростью w, то
Lik(H)=Lki(-H), Lik(w)=Lki(-w). (3)
Это связано с тем, что Лоренца сила и Кориолиса сила не изменяются при изменении направления скоростей ч-ц лишь в том случае, если одновременно меняется на противоположное направление магн. поля или соотв. скорости вращения. Это св-во симметрии используется при выводе О. т. Соотношения симметрии (2) и (3), к-рые иногда наз. соотношениями взаимности Онсагера, устанавливают связь между кинетич. коэффициентами при т. н. перекрёстных процессах, напр, между коэфф. термодиффузии и коэфф. Дюфура эффекта (обратная термодиффузия), между коэфф. перекрёстных хим. реакций.
О. т. явл. следствием микроскопич. обратимости движения ч-ц (к-рая выражается в инвариантности ур-ний движения ч-ц системы относительно обращения времени) с учётом изменения направления магн. поля. Кроме того, Онсагер при выводе своей теоремы использовал общую теорию флуктуации и гипотезу о том, что их затухание подчиняется в ср. обычным макроскопич. законам.
• См. лит. при ст. Термодинамика неравновесных процессов.
Д. Н. Зубарее.
ОПАЛЕСЦЕНЦИЯ КРИТИЧЕСКАЯ, резкое усиление рассеяния света чистыми в-вами в критических состояниях, а также р-рами жидкостей или газов при достижении ими критических точек растворимости. o.к. объяснена в 1907 польск. физиком М. Смолуховским, показавшим, что при критич. темп-ре сжимаемость в-ва сильно возрастает, в связи с чем энергия теплового движения его ч-ц становится достаточной для «внезапного» сильного увеличения числа микроскопич. флуктуации плотности. В результате этого среда, практически прозрачная при темп-pax выше и ниже критической, в критическом состоянии становится мутной средой.
ОПЕРАТОРЫ в квантовой теории, понятие, широко используемое в матем. аппарате квант. механики и квант. теории поля. О. служат для сопоставления с определ. волновой функцией (или вектором состояния) y другой определ. ф-ции (вектора) y'. Соотношение между y и y' записывается в виде y' =L^y, где L ^— О. В квант. механике физ. величинам L (координате, импульсу, энергии и др.) ставятся в соответствие О. L (оператор координаты, импульса и т. д.), действующие на y. Простейшие виды О., действующие на волн. ф-цию y(х) (где х — координата ч-цы),— О. умножения (напр., О. координаты х^, x^y=xy) и О. дифференцирования (напр., О. р^х проекции импульса на ось х, рх^y=-iћдy/дx). Если y — вектор, компоненты к-рого можно представить в виде столбца
488
чисел, то О. представляет собой квадратную таблицу — матрицу.
В квант. механике в осн. используются линейные О., к-рые обладают
след. св-вом: если L^y1=y'1 и L^y2=y'2,
то
L^(с1y1+с2y2)=c1y'1+c2y'2, где c1 и с2 — комплексные числа.
Св-ва О. L^ определяются ур-нием L^yn=lnyn, где ln — числа. Решения этого ур-ния yn наз. собственными функциями (собств. векторами) О. £. Собств. волн. ф-ции (собств. векторы состояния) описывают в квант. механике такие состояния, в к-рых физ. величина L (соответствующая О. £) имеет определ. значение ln. Числа ln наз. собственными значениями О. L^, а их совокупность — спектром О. Спектр может быть непрерывным или дискретным; в первом случае ур-ние, определяющее yn, имеет решение при любом значении ln (в определ. области), во втором — решения существуют только при определ. дискр. значениях ln. Спектр О. может быть и смешанным: частично непрерывным, частично дискретным. Напр., О. координаты и импульса имеют непрерывный спектр, а О. энергии в зависимости от хар-ра действующих в системе сил — непрерывный, дискретный или смешанный спектр. Дискр. собств. значения О. энергии наз. уровнями энергии.
Собств. ф-ции и собств. значения О. физ. величин должны удовлетворять определ. требованиям. Т. к. непосредственно измеряемые физ. величины всегда принимают веществ. значения, то соответствующие квантовомеханич. О. должны иметь веществ. собств. значения. Поскольку при измерении физ. величины в любом состоянии y должно получаться одно из возможных собств. значений О. этой величины, необходимо, чтобы произвольная волн. ф-ция (вектор состояния) могла быть представлена в виде линейной комбинации собств. ф-ций (векторов) yn О. этой физ. величины; другими словами, совокупность собств. ф-ций (векторов) должна представлять полную систему. Этими св-вами обладают собств. ф-ции и собств. значения т. н. самосопряжённых, или эрмитовых, О.
С О. можно производить алгебр. действия. В частности, под произведением О. L^1 и L^2 понимается такой О. L^=L^1L^2, действие к-рого на y даёт
L^y=y"', если L^2y=y' и L^1y'=y". Произведение О. в общем случае зависит от порядка сомножителей, т. е. L^1L^2¹L^2L^1. Этим алгебра О. отличается от обычной алгебры чисел. Возможность перестановки порядка сомножителей в произведении двух О. тесно связана с возможностью физ. системы находиться в состоянии, в к-ром соответствующие О. физ. величины имеют точно определ. значения
(или с возможностью одноврем. измерения физ. величин, к-рым отвечают эти О.). Необходимым и достаточным условием одноврем. измеримости физ. величин L1 и L2 явл. равенство L^1L^2= L^2L^1 (см. Перестановочные соотношения).
Ур-ния квант. механики могут быть формально записаны точно в том же виде, что и ур-ния классич. механики (гейзенберговское представление в квант. механике), если заменить физ. величины, входящие в ур-ния классич. механики, соответствующими им О. Различие между квант. и классич. механикой сведётся тогда к различию алгебр. Поэтому О. в квант. механике иногда наз. q-числами, в отличие от c-чисел, т. е. обыкновенных чисел, с к-рыми имеет дело классич. механика.
О. можно также возводить в степень, образовывать из них ряды и рассматривать ф-ции от О. Произведение эрмитовых О. в общем случае не явл. эрмитовым. В квант. механике используются и неэрмитовы О., важным классом к-рых явл. унитарные О., не меняющие норм («длин») векторов и «углов» между ними. Неизменность нормы вектора состояния даёт возможность интерпретации его компонент как амплитуд вероятности и исходной и преобразованной ф-ции. Поэтому действием унитарного О. описывается изменение квантовомеханич. системы с течением времени, а также её смещение как целого в пр-ве, поворот, зеркальное отражение и др. Выполняемые унитарными О. преобразования (унитарные преобразования) играют в квант. механике такую же роль, какую в классич. механике играют канонич. преобразования (см. Канонические уравнения механики).
В квант. механике применяется также О. комплексного сопряжения, не являющийся линейным. Произведение такого О. на унитарный О. наз. антиунитарным О. Антиунитарные О. описывают преобразование обращения времени и некоторые др.
В теории квант. систем, состоящих из тождеств. ч-ц, широко применяется метод вторичного квантования. В нём рассматриваются состояния с перем. числом частиц и вводятся О., действие к-рых на вектор состояния с данным числом ч-ц приводит к вектору состояния с изменённым на единицу числом ч-ц (О. рождения и уничтожения ч-ц). О. рождения или уничтожения ч-цы в данной точке х, y^(x), формально подобен волн. ф-ции y(x), как q- и с-числа, отвечающие одной и той же физ. величине соответственно в квант. и классич. механике. Такие О. образуют квантованные поля, играющие фундам. роль в релятив. квант. теориях (квант. электродинамике, теории элем. ч-ц).
• См. лит. при ст. Квантовая механика, Квантовая теория поля.
В. В. Берестецкий.
ОПТИКА (греч. optike — наука о зрительных восприятиях, от optos — видимый, зримый), раздел физики, в к-ром изучаются оптическое излучение (свет), процессы его распространения и явления, наблюдаемые при вз-ствии света и в-ва. Оптич. излучение представляет собой эл.-магн. волны, и поэтому О.— часть общего учения об электромагнитном поле (электродинамики). Оптич. диапазон длин волн охватывает ок. 20 октав и ограничен с одной стороны рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое разграничение условно и в значит. степени определяется общностью техн. средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. По традиции О. принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую.
Геометрическая оптика, не рассматривая вопроса о природе света, исходит из эмпирич. законов его распространения и использует представление о распространяющихся независимо друг от друга световых лучах, преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптич. св-вами и прямолинейных в оптически однородной среде.
Методы геом. О. позволяют изучить условия формирования оптич. изображений объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить мн. явления (миражи, радуги), связанные с прохождением оптич. излучения в различных, в т. ч. оптически неоднородных, средах (см., напр., рефракция света). Наибольшее значение геом. О. (с частичным привлечением волн. О.) имеет для расчёта и конструирования оптич. приборов — от очковых линз до сложных объективов и огромных астр. инструментов. Благодаря развитию и применению вычислит. математики, методы таких расчётов достигли высокого совершенства и сформировалось отд. направление, получившее назв. вычислительной оптики.
По существу, не рассматривает физ. природу света и фотометрия. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия света человеческим глазом. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая механизмы зрения.
Физическая оптика рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные эл.-магн. волны, основано на результатах огромного числа эксперим. исследований дифракции света, интерференции света, поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия). Совокупность явлений, в к-рых
489
проявляется волн. природа света, изучается в крупном разделе физ. О,— волновой оптике. Её матем. основанием служат общие ур-ния классич. электродинамики — Максвелла уравнения. Св-ва среды при этом характеризуются макроскопич. матер. константами — значениями диэлектрической проницаемости 8 и магнитной проницаемости m, входящими в ур-ния Максвелла в виде коэффициентов. Эти величины однозначно определяют показатель преломления n среды: n=Öem.
Феноменологическая волн. О., не рассматривая связь величин e и m (обычно известных из опыта) со структурой в-ва, позволяет объяснить все эмпирич. законы геом. О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической волновая О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только тогда, когда размеры формирующих или рассеивающих световые пучки систем много больше длины волны X, но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волн. О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика, в к-рой процессы распространения, преломления и отражения описываются в рамках геом. оптики, но при этом учитывается и волн. природа из лучения. Геом. и волн. подходы формально объединяются в геом. теории дифракции, в к-рой, кроме падающих, отражённых и преломлённых лучей, постулируется существование разл. типа дифрагированных лучей.
Огромную роль в развитии волн. О. сыграло установление связи величин e и m с мол. и крист. структурой в-ва (см. Кристаллооптика, Металлооптика). Это позволило объяснить все явления, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптич. хар-ками, а также зависимость от l, (дисперсию) оптич. св-в сред, влияние на световые явления давления, темп-ры, звука, электрич. и магн. полей и др.
В классической волн. О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно оптич. процессы описываются линейными дифф. ур-ниями. Однако во мн. случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо и показатель преломления оказывается зависящим от напряжённости электрич. поля световой волны (нелинейная поляризуемость в-ва). Это приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектр. состава света, проходящего через нелинейную среду (генерация оптических гармоник), к вз-ствию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, а в среде — выделенных направлений преимущественного вз-ствия световых волн (параметрич. явления, см. Параметрический генератор света) и т. Д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой, получившей особенно большое развитие в связи с созданием лазеров.
Хорошо описывая распространение света в матер. средах, волн. О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта, фотохим. превращений молекул, спектров оптических и пр.) и общие термодинамич. соображения о вз-ствии эл.-магн. поля с в-вом привели к выводу, что элем. система (атом, молекула) может испускать или поглощать энергию лишь дискр. порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения v. Поэтому световому эл.-магн. полю необходимо сопоставить поток квантов света — фотонов. В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квант. системой в элем. акте вз-ствия с оптич. излучением, равна энергии фотона, а в более сложном — сумме или разности энергий неск. фотонов (см. Многофотонные процессы). Явления, в к-рых при вз-ствии света и в-ва проявляются квант. св-ва элем. систем, изучаются в квантовой оптике методами, развитыми в квантовой механике и квантовой электродинамике.
Двойственность природы света (наличие у него одновременно характерных черт, присущих и волнам и ч-цам) явл. частным проявлением корпускулярно-волнового дуализма. Исторически концепция корпускулярно-волн. дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция микрочастиц) и лишь затем экспериментально подтвердилась для радиоизлучения (квантовая электроника). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физ. О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров характеризуется временной и пространственной упорядоченностью (когерентностью), высокой монохроматичностью (Dv/v~10-14, см. Монохроматическое излучение) и предельно
малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка. Последнее позволяет при фокусировке получать не достижимые ни для каких других источников плотности излучения (~1018 Вт-см-2•ср-1). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физ. О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая оптика), сформировалась как самостоят. раздел нелинейная оптика, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т. д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием интенсивных световых потоков на в-во. Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптич. элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптич. материалов, пропускающих без их повреждений интенсивные световые потоки (силовая оптика).
Все разделы оптики имеют многочисл. практич. применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, историч. и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основе геом. О. и фотометрии, учитывающей законы физиол. О. Геом. О. решает задачи получения в разл. условиях стигматических изображений, соответствующих объектам как по геом. форме, так и по распределению яркости, а также исследует причины искажений изображения и их уровень в реальных оптич. системах (см. Аберрации оптических систем). Геом. О. с привлечением физ. О. устанавливает разрешающую способность приборов и систем, учитывает зависимость показателя преломления от l (дисперсию света) и т. д.
Новые возможности получения оптич. образов без применения фокусирующих систем даёт голография, основанная на однозначной связи формы тела с пространств. распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него (рассеянных им) световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии используют монохроматич. излучение. В месте регистрации изображения на рассеянное телом излучение накладывают дополнительное когерентное поле и фиксируют (напр., на фоточувствит. слое) возникающую при этом интерференц. картину. При рассматривании полученной т. о. плоской голограммы в когерентном (монохроматическом) свете или объёмной голограммы в белом свете получается объёмное изображение предмета. Развитие голографии связано с появлением лазеров, позволяющих получать интенсивные когерентные световые поля. Она находит применение при решении мн. научных и техн. проблем (изучение св-в плазмы, исследование сдвигов и напряжений в телах и т. д.).
490
Оптич. явления и методы применяются для аналитич. целей и контроля в разл. областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа, основанные на связи структуры атомов и молекул с хар-ром их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света. По виду спектров можно установить мол. и ат. состав, агрегатное состояние, темп-ру в-ва, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового её направления — лазерной спектроскопии.
Интерферометры применяются для измерений длин волн и изучения спектров, определения показателей преломления прозрачных сред, абс. и относит. измерений длин, измерений угл. размеров звезд и др. косм. объектов. В пром-сти интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателей преломления непостоянства темп-ры, давления или состава в-ва и т. д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными хар-ками, расширившие возможности интерференц. методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.
Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры в-ва с помощью многочисл. поляризационных приборов. По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в в-ве, флуктуациях концентрации р-ров, о внутри- и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т. д. Применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений, возникающих в тв. телах (напр., при механич. нагрузках), по изменению поляризации прошедшего через тело света, а также метод исследования св-в поверхности тел по измерению поляризации при отражении света (эллипсометрия). В кристаллооптике поляризац. методы используются для изучения структуры кристаллов, в хим. пром-сти — как контрольные методы при производстве оптически активных веществ (см. также Сахариметрия), в оптич. приборостроении — для повышения точности отсчётов приборов (напр., фотометров).
Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в кач-ве диспергирующего элемента (монохроматоры, спектрографы, спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция света на ультразвуке в прозрачных средах позволяет определить упругие константы в-ва, а также создать акустооптич. модуляторы света (см. Модуляция света).
Оптич. методы, основанные на анализе рассеяния света (особенно мутными средами), имеют большое значение для мол. физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в р-рах, определять размеры и мол. массу макромолекул полимеров, а также ч-ц в коллоидных системах, взвесях и аэрозолях. Ценные сведения о структуре уровней энергии молекул и св-вах в-ва даёт изучение комбинационного рассеяния света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света, открытого благодаря использованию лазеров.
Очень широка сфера практич. применения приборов, основанных на квант. оптич. явлениях,— фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, фотосопротивлений, фотодиодов, электронно-оптических преобразователей и др. усилителей яркости изображения, передающих и приёмных телевиз. трубок и т. д. Фотоэлементы используются не только для регистрации излучения, но и как устройства, преобразующие лучистую энергию Солнца в электрич. энергию (т. н. солнечные батареи). Фотохим. процессы лежат в основе фотографии. На основе изучения изменений оптич. св-в в-в под действием света (фотохромизм) разрабатываются новые системы записи и хранения информации для нужд вычислит. техники и созданы защитные светофильтры, автоматически усиливающие поглощение света при возрастании его интенсивности. Получение мощных потоков монохроматического лазерного излучения с разными длинами волн открыло пути к разработке методов лазерного разделения изотопов и стимулирования направленного протекания хим. реакций, позволило О. найти новые, нетрадиционные применения в биофизике (воздействие лазерных световых потоков на биол. объекты на мол. уровне) и медицине. Благодаря возможности с помощью лазеров концентрировать на площадках с линейными размерами ~10 мкм большие мощности излучения, интенсивно развивается оптич. метод получения высокотемпературной плазмы с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Успехи О. стимулировали развитие оптоэлектроники. Первоначально её задачи сводились к простой замене электронных элементов в счётно-решающих и др. устройствах оптическими. Затем (70-е гг. 20 в.) стали разрабатываться принципиально новые подходы к решению задач вычислит. техники и обработки информации, исходящие из методов голографии, и предлагаться новые техн. решения, основанные на применении микрооптич. устройств (интегральная оптика). С появлением лазеров новое развитие получили оптич. дальнометрия (см. Светодальномер), оптическая локация и оптическая связь. В них используются элементы и устройства, принципы действия к-рых основаны на изменении хар-ра поляризации света при его прохождении через электро- или магнитоактивные среды (см. Магнитооптика, Керра эффект, Поккельса эффект, Фарадея эффект, Электрооптика). Методами оптич. локации было уточнено расстояние до Луны, ведётся слежение за ИСЗ; по линиям лазерной оптич. связи осуществляются телефонные переговоры и передаются изображения. Создание световодов с малым затуханием повлекло за собой разработки систем кабельной оптич. видеосвязи.
Исторический очерк. О.— одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на протяжении всего своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э., и это св-во использовалось в Древнем Египте при строит. работах. Пифагор (в 6 в. до н. э.) высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими ч-цам. Аристотель (4 в. до н. э.) полагал, что свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он занимался атмосферной О. и считал причиной появления радуг отражение света каплями воды. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геом. О.— прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения. Евклид (3 в. до н. э.) в трактатах по О. рассматривал возникновение изображений при отражении от зеркал. Гл. вклад греков, явившийся первым шагом в развитии О. как науки, состоит не в их гипотезах о природе света, а в том, что они нашли законы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умели ими пользоваться.
Следующий важный шаг развития О. состоял в понимании законов преломления света (диоптрика) и был сделан лишь много веков спустя. В ср. века хорошо были известны эмпирич. правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки. По нек-рым данным, ок. 1590 3. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый микроскоп. Первые же наблюдения с помощью телескопа, построенного итал. учёным Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астр. открытий. Однако точные законы преломления света были эксперим. установлены лишь ок. 1620 голл. учёным В. Снеллем (см. Снелля закон преломления) и франц. учёным Р. Декартом, изложившим их в «Диоптрике» (1637).
491
Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа) был завершён фундамент построения геом. О.
Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции света (итал. учёный Ф. Гримальди; опубликовано в 1665), интерференции света, а также двойного лучепреломления (дат. учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геом. О., и с работами англ. учёных И. Ньютона, Р. Гука и голл. учёного X. Гюйгенса. Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком ч-ц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механич. св-вами среды — переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых ч-ц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их вз-ствием с матер. телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т. к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном и следовавшую из классич. опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация — «изначальное» св-во света, объясняемое определ. ориентацией световых ч-ц по отношению к образуемому ими лучу.
Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между мн. акустич. и оптич. явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (нем. астроном И. Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук — конечной; первое её эксперим. определение произвёл в 1676 дат. астроном О. Рёмер). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О. явя. установление им принципа, согласно к-рому каждая точка фронта волн. возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн (Гюйгенса — Френеля принцип); их огибающая представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волн. истолкование законов отражения и преломления, причём из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n21=v1/v2 (где v1 и v2 — скорость света в 1-й и 2-й средах). Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Однако, сформулировав фундам. принцип волн. О., Гюйгенс не разработал последовательную волн. теорию света, к-рая могла бы противостоять воззрениям Ньютона, поэтому корпускулярная «теория истечения» сохраняла господствующее положение в О. до нач. 19 в. Победа волн. О. связана с работами англ. учёного Т. Юнга и франц. учёного О. Френеля. В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. Полосы равной толщины) и послуживший основой для понимания всех интерференц. явлений. Френель, используя принцип Гюйгенса, дал удовлетворительное волн. объяснение прямолинейности распространения света и объяснил многочисл. дифракц. явления. В опытах Френеля и франц. учёного Д. Ф. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и независимо от него Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из к-рой Френель построил теорию кристаллооптич. явлений. Т. о., все известные к тому времени оптич. явления получили волн. интерпретацию. Вместе с тем детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теор. построений (так, эфир приходилось наделять св-вами тв. состояния и в то же время допускать, что в нём могут свободно перемещаться тела). Эти трудности были разрешены лишь при последоват. развитии учения англ. физиком Дж. К. Максвеллом об эл.-магн. поле. Основываясь на открытии англ. физика М. Фарадея, Максвелл пришёл к выводу, что свет есть эл.-магн., а не упругие волны.
Первым указанием на непосредств. связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1848) вращения плоскости поляризации света в магн. поле (Фарадея эффект). Далее было установлено, что отношение эл.-магн. и электростатич. единиц силы тока по абс. величине и размерности совпадает со скоростью света с (нем. физики В. Вебер и Ф. Кольрауш, 1856). Максвелл теоретически показал, а нем. физик Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения эл.-магн. поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачной среде скорость света v=c/n=Ö(e/m), т. е. определяется диэлектрич. и магн. проницаемостями среды. Открытие в 1862 франц. физиком Ф. Леру существования в узких участках спектра аномальной дисперсии (показатель преломления n увеличивался с ростом длины волны l), к-рая, как показал впоследствии нем. физик А. Кундт, свойственна очень мн. в-вам и связана с поглощением ими света,
привело к представлению о в-ве как совокупности осцилляторов, с к-рыми взаимодействует свет (нем. физик В. Зельмейер, 1872). В 90-х гг. 19 в. нем. физики П. Друде, Г. Гельмгольц и в особенности голл. физик X. Лоренц при создании электронной теории строения в-ва объединили идею об осцилляторах и эл.-магн. теорию света. Плодотворное представление об эл-нах как об осцилляторах, к-рые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать мн. оптич. явления, в т. ч. нормальную и аномальную дисперсии, т. к. в электронной теории значение e зависит от частоты (длины волны) внеш. поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский, 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяются поведением эл-нов в атомах, явилось открытие в 1896 голл. физиком П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магн. поля на частоты излучения и поглощения атомов (Зеемана эффект). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина светового давления, мысль о к-ром впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях давление света было впервые продемонстрировано и измерено П. Н. Лебедевым в 1899. Построение эл.-магн. теории света и дополнение её электронной теорией вз-ствия света и в-ва явилось крупнейшим этапом в развитии О.
Эл.-магн. теория света стала отправным пунктом при создании относительности теории. Эксперим. основаниями для этого были данные оптич. опытов с движущимися средами и движением наблюдателя относительно источника излучения, противоречившие теор. представлениям. Юнг в 1804 показал, что волн. теория требует для объяснения явления аберрации света неподвижного, не увлекаемого Землёй эфира. Напротив, Френель в 1818 нашёл, что для независимости показателя преломления тел от их движения (наблюдения Араго, 1810) необходимо, чтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплён Физо опытом (см. Скорость света). Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Однако классич. Майкельсона опыт, впервые выполненный в 1881 и неоднократно повторяющийся со всё большей точностью, не обнаружил такого увлечения («эфирного ветра»). Этот и ряд др. опытов, противоречивших представлениям о среде — переносчике эл.-магн. колебаний, нашли объяснение в созданной А. Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905), при-
492
ведшей к кардинальному пересмотру мн. положений классич. физики, в частности окончательно устранившей необходимость в эфире и др. гипотетич. средах-переносчиках.
Плодотворность классич. электродинамич. теории света Максвелла — Лоренца неоднократно подтверждалась и в дальнейшем, напр. в истолковании И. Е. Таммом и И. М. Франком (1937) природы Черенкоеа — Вавилова излучения, в выдвижении Д. Га-бором (1947) идеи голографии (с записью волн. поля в одной плоскости), в разработке метода голографии с записью в трёхмерной среде, начало к-рому положили работы Ю. Н. Денисюка (1962), и т. д.
Несмотря на успехи электродинамич. теории, выяснилось, что она явно недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчётливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн равновесного теплового излучения (излучения абсолютно чёрного тела). Рассматривая эту принципиальную проблему, нем. физик М. Планк пришёл к заключению (1900), что элементарная колебат. система (атом, молекула) отдаёт волн энергию эл.-магн. полю или получает её от него не непрерывно, а порциями, пропорциональными частоте колебаний, квантами. Развитие идеи Планка, противоречащей классич. представлениям, не только дало удовлетворит. решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы всей совр. квант. физики. Работы Планка и Эйнштейна (1905), к-рый приписал квантам света — фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули О. мн. черты корпускулярных представлений.
Интенсивность эл.-магн. поля в квант. О. определяет вероятность обнаружения фотона, а структура поля отражает квант. структуру ансамбля элем. излучателей (атомов, молекул) и распределение актов излучения во времени. Т. о., при сохранении физ. смысла поля фотоны, возникающие в актах испускания света и существующие только при движении со скоростью света, приобрели черты матер, ч-ц. При поглощении фотона он перестаёт существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс. Если, взаимодействуя с другой ч-цей, фотон не поглощается, то он изменяет свою энергию и импульс (сохраняя абс. величину скорости) в соответствии с законами соударения двух матер. тел. Фотонные представления позволили Эйнштейну объяснить осн. законы фотоэффекта, впервые исследованные А. Г. Столетовым в 1888—90, и дать ясную трактовку фотохим. превращений. Они дают наглядное истолкование существованию коротковолновой границы в тормозном излучении эл-нов (макс. энергия фотона
равна энергии эл-на), Комптона эффекту (открытому в 1923), стоксовскому сдвигу частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационному рассеянию света (открытому в 1928 Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом и независимо от них инд. физиком Ч. В. Раманом) и огромному числу др. явлений вз-ствия света с в-вом, известных ко времени формирования квант. теории и открытых в последующие годы. Поэтому переход к квант. представлениям был следующим существ. шагом в О., к-рую в её дальнейшем развитии нельзя рассматривать изолированно от квант. физики вообще.
В совр. О. квант. представления не противополагаются волновым, а сочетаются на идейной основе квантовой механики и квантовой электродинамики, развитых в трудах Н. Бора (Дания), М. Борна и В. Гейзенберга (Германия), В. Паули (Швейцария), Э. Шредингера (Австрия), англ. физика П. Дирака, Э. Ферми (США), Л. Д. Ландау, В. А. Фока и др. Квант. теория позволила дать интерпретацию спектрам атомов, молекул и ионов, объяснить воздействие электрич., магн. и акустич. полей на спектры, установить зависимость хар-ра спектра от условий возбуждения и т. д. Примером обратного влияния О. на развитие квант. теории может служить открытие собств. момента кол-ва движения — спина и связанного с ним собственного магн. момента у эл-на (С. А. Гаудсмит, США, Дж. Уленбек, Нидерланды, 1925) и др. ч-ц и ядер атомов, повлёкшее за собой установление Паули принципа (1926) и истолкование сверхтонкой структуры спектров (Паули, 1928).
Т. о., построение двух из наиболее фундам. теорий совр. физики — квант. механики и спец. теории относительности — основывалось на наблюдении и анализе оптич. явлений.
Наиболее важное событие совр. О.— эксперим. обнаружение и создание методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул, предсказанного Эйнштейном в 1916. Вынужденно испущенный фотон дублирует фотон, вызвавший переход и, если имеется запас возбуждённых систем, превышающий число поглощающих (т. н. активная среда с инверсной населённостью энергетич. состояний атомов или молекул), этот процесс может многократно повторяться — происходит усиление исходного светового потока (оптич. сигнала). Добавление к такому квантовому усилителю оптической обратной связи (напр., путём возвращения части излучения с помощью системы зеркал) превращает его в оптический квант. генератор—лазер. Первые квант. генераторы (в сантиметровом диапазоне длин волн — мазеры) были созданы А. М. Прохоровым, Н. Г. Басовым и амер. физиком Ч. Таунсом в 1954—55. В 1961 был построен первый лазер на рубине, в следующем году — первый газовый лазер на смеси гелия и неона, а в 1963 — полупроводниковые лазеры. Важность этих основополагающих работ была немедленно оценена, и за ними последовали многочисл. исследования св-в вынужденного излучения и возможностей его генерации. Используя разл. методы получения инверсной населённости, строят лазеры на твёрдых, жидких, газообразных и плазменных средах. Их появление стимулировало развитие традиц. областей О. и привело к возникновению совершенно новых научных и техн. направлений (нелинейная и параметрическая О., силовая О., оптич. обработка материалов), позволило распространить методы О. на решение задач, немыслимых для неё раньше (напр., проблема управляемого термоядерного синтеза), и тем самым подтвердило динамичность О., свойственную наукам, находящимся на переднем крае знаний.
•Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Б о р н М., В о л ь ф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; С о р о к о Л. М., Основы голографии и когерентной оптики, М., 1971; Вломберген Н., Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966; Действие излучения большой мощности на металлы, под ред. А. М. Бонч-Бруевича и М. А. Бльяшевича, М., 1970; Гарбуни М., Физика оптических явлений, пер. с англ., М., 1967; А х м а н о в С. А., X о х л о в Р. В., Проблемы нелинейной оптики, М., 1964; Вавилов С, И., Экспериментальные основания теории относительности, М.—Л., 1928; Е л ь я ш е в и ч М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962; Зоммерфельд А., Оптика, пер. с нем., М., 1953; Лоренц Г. А., Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения, пер. с англ., 2 изд., М., 1956; Вавилов С. И., Микроструктура света, М., 1950; Клаудер Дж., Сударшан Э., Основы квантовой оптики, пер. с англ., М., 1970.
А. М. Бонч-Бруевич.
оптика неоднородных сред, раздел физ. оптики, в к-ром изучаются явления, сопровождающие распространение оптического излучения в оптически неоднородных средах, показатель преломления n к-рых не постоянен, а зависит от координат. Оптич. неоднородностями явл. поверхности или объёмы внутри среды, на (в) к-рых изменяется п. Независимо от физ. природы неоднородности она всегда отклоняет свет от его первонач. направления. На поверхностях, разделяющих среды с разными n, происходит отражение света и преломление света; на микронеоднородностях, n к-рых отличается от n окружающей среды,— рассеяние света. Существ. роль в О. н. с. играет интерференция света между рассеянными, отражёнными и преломлёнными световыми волнами, а также падающей волной. Оптически неоднородными явл. мутные среды; в них размеры оптич. неоднородностей чаще всего превышают длину световой волны l. Если неоднородность среды вызвана присутствием в ней мелкодисперсных коллоидных
493
ч-ц, размеры к-рых сравнимы с l, то среда кажется совершенно прозрачной; однако наблюдение под углом
~90° к направлению падающего света обнаруживает свечение среды, обусловленное интенсивным рассеянием света (Тиндаля эффект).
К неоднородным средам относятся также в-ва без инородных включений, в к-рых изменения n в большом числе микрообъёмов, приводящие к рассеянию света, вызваны флуктуациями плотности среды в результате хаотического теплового движения её молекул или турбулентностью среды.
Интенсивность I света, рассеиваемого непоглощающими диэлектрич, ч-цами, пропорц. l-p, где p — параметр, зависящий от отношения размеров ч-ц к l. При рассеянии света на тепловых флуктуациях, размеры к-рых Много меньше l, I~l-4 (Рэлея закон). Для ч-ц, размеры к-рых много больше l, параметр р близок к 0, и рассеяние определяется геом. эффектами преломления света на поверхностях раздела объёмов. В этом случае I не зависит от X, что и наблюдается при рассеянии света в туманах и облаках —
они имеют белый цвет. На изучении рассеяния света неоднородностями в газах, жидкостях и тв. телах основаны методы нефелометрии и ультрамикроскопии (см. Ультрамикроскоп), позволяющие определять концентрацию неоднородностей и изучать их природу (а в нефелометрии — и их размеры). Особый раздел О. н. с. составляет оптика тонких слоев.
• Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); III и ф р и н К. С., Рассеяние света в мутной среде, М.— Л., 1951; Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М.—Л., 1951; III и ш л о в с к и й А. А., Прикладная физическая оптика, М., 1961; Фабелинский И. Л., Молекулярное рассеяние света, М., 1965.
Л. Н. Капорский.
ОПТИКА ТОНКИХ СЛОЕВ, раздел физ. оптики, в к-ром изучается прохождение света через один или последовательно через неск. непоглощающих слоев в-ва, толщина к-рых соизмерима с длиной световой волны. Специфика О. т. с. заключается в том, что в ней определяющую роль играет интерференция света между световыми волнами, частично отражёнными от верхних и нижних границ слоев. В результате интерференции происходит усиление или ослабление проходящего или отражаемого света, причём эффект зависит от вносимой оптической толщиной слоев разности хода лучей, длины волны (или набора длин волн) света, угла его падения и т. д.
Тонкие слои могут быть образованы на массивной подложке из стекла, кварца или др. оптич. среды с помощью термич. испарения в-ва и его осаждения на поверхность подложки, хим. осаждения, катодного распыления или хим. реакций материала подложки с выбранным в-вом. Для получения таких слоев используют (в скобках указаны показатели преломления в-в): окислы — Аl2О3 (1,59), SiO2, (1,46), TiO2 (2,2—2,6); фториды — MgF2 (1,38), CaF2 (1,24), LiF (1,35); сульфиды — ZnS (2,35), CdS (2,6); нек-рые др. соединения; полупроводники — Si (3,5), Ge (4,0).
Одно из важнейших практич. применений О. т. с.— уменьшение отражат. способности поверхностей оптич. деталей (линз, пластин и пр.; подробнее см. в ст. Просветление оптики). Нанося многослойные покрытия из большого (13—17 и более) числа чередующихся слоев с высоким и низким n, изготовляют зеркала с большим отражения коэффициентом, обычно в сравнительно узкой спектр. области (не только в диапазоне видимого света, но и в УФ и ИК диапазонах). Коэфф. отражения таких зеркал (50—99,5%) зависит как от длины волны, так и от угла падения. С помощью многослойных покрытий разделяют падающий свет на прошедший и отражённый практически без потерь на поглощение; на этом принципе созданы эфф. с в е т о д е л и т е л и (полупрозрачные зеркала). Системы из чередующихся слоев с высоким и низким n используют и как интерференц. поляризаторы, отражающие составляющую света, поляризованную перпендикулярно плоскости его падения, и пропускающие параллельно поляризованную составляющую. Степень поляризации в проходящем свете достигает для многослойных поляризаторов 99%. О. т. с. позволила создать получившие широкое распространение интерференц. светофильтры, полоса пропускания к-рых может быть сделана очень узкой — существующие многослойные светофильтры выделяют из спектр. области шириной в 500 нм интервалы длин волн 0,1—0,15 нм. Тонкие диэлектрич. слои применяют для защиты металлич. зеркал от коррозии и при исправлении аберраций линз и зеркал (см. Аберрации оптических систем). О. т. с. лежит в основе многих других оптич. устройств, измерит. приборов и спектр. приборов высокой разрешающей способности. Светочувствит. слои фотокатодов и болометров б. ч. представляют собой тонкослойные покрытия, эффективность к-рых существенно зависит от их оптич. св-в. О. т. с. применяется в лазерах и квант. усилителях света; при создании приборов высокого разрешения (напр., при изготовлении интерферометров Фабри — Перо); при изготовлении дихроичных зеркал, используемых в цветном телевидении; в интерференц. микроскопии (см. Микроскоп) и т. д. К эффектам О. т. с. относятся также Ньютона кольца, Полосы равного наклона, Полосы равной толщины.
• Розенберг Г. В., Оптика тонкослойных покрытий, Л., 1958; Крылова Т. Н., Интерференционные покрытия, Л., 1973.
Л. Н. Капорский.
ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, способность среды вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через неё оптического излучения (света). Впервые обнаружена в 1811 франц. учёным Д. Ф. Араго в кварце. В 1815 франц. учёный Ж. Б. Био открыл О. а. чистых жидкостей (скипидара), а затем р-ров и паров многих, гл. обр. органич., в-в. Он же установил (см. Био закон), что: 1) для р-ра угол j поворота плоскости поляризации линейно зависит от толщины l слоя р-ра и концентрации с активного в-ва: j=[a]lс (коэфф. [a] наз. удельной О. а.); 2) поворот происходит либо по часовой стрелке (j>0), либо против неё (j<0), если смотреть навстречу ходу лучей света. Соответственно оптически активные вещества, проявляющие естественную О. а., разделяют на правовращающие (положительно вращающие) и левовращающие (отрицательно вращающие). Это условное деление применимо в широких интервалах длин волн излучения. Оно теряет смысл лишь вблизи полос собственного (резонансного) поглощения среды; в 1896 франц. физик Э. Коттон обнаружил, что в одном и том же в-ве j имеет разл. знаки по разные стороны от полос резонансного поглощения. Нек-рые в-ва оптически активны лишь в крист. состоянии (кварц, киноварь и др.), так что их О. а.— св-во кристалла в целом; для них, в отличие от р-ров, удельная О. а. обозначается просто а, и ф-ла Био записывается в виде: j=al. Другие в-ва активны в любом агрегатном состоянии; это означает, что их О. а. определяется строением отд. молекул. Удельная О. а. зависит не только от рода в-ва, но и от его агрегатного состояния, давления, темп-ры, типа растворителя и пр.
От естеств. О. а. отличают искусственную, или наведённую, О. а., проявляющуюся лишь при помещении оптически неактивного в-ва в магн. поле (Фарадея эффект; см. также Верде постоянная). Знак вращения в эффекте Фарадея зависит как от магн. св-в среды, так и от того, вдоль поля или против него распространяется излучение. Если линейно поляризованный свет, прошедший через слой в-ва с естеств. О. а., отражается и проходит через тот же слой в обратном направлении, восстанавливается исходная поляризация, а в среде с наведённой О. а. в аналогичном опыте угол поворота удвоится.
Феноменологич. теорию О. а. развил в 1823 франц. физик О. Ж. Френель, объяснивший О. а. различием показателей преломления среды n+ и n- для право- и левополяризованных по кругу компонент линейно поляризованного света (см. Поляризация света). Полученное Френелем выражение для угла поворота плоскости поляризации имеет вид: j= (l/l)(n+—n-), где l — длина волны излучения в вакууме; т. о., ф может быть значитель-
494
ным даже при очень малом различии n+ и n-, если l>>l, как это обычно бывает. Этим объясняется чрезвычайно высокая чувствительность методов, основанных на измерении О. а. (напр., при определении различий в показателе преломления они в 10 000 раз чувствительнее самых точных интерферометрич. методов).
Развитие теории О. а. тесно связано с изучением её д и с п е р с и и — зависимости a (или │a│) от l, (т. н. в р а щ а т е л ь н о й д и с п е р с и и). Ещё Био установил, что в исследованных им случаях а тем меньше, чем больше l (j~l-2). Такая дисперсия характерна для н о р м а л ь н о й О. а.— вдали от длин волн l0, на к-рых в оптически активном в-ве происходит резонансное поглощение. Коттон, изучавший О. а. для излучений с l, близкими к l0, обнаружил аномальную О. а.— увеличение а с ростом l. Им обнаружено также различие поглощения показателей при этих длинах волн для право- и левополяризованных по кругу лучей — т. н. к р у г о в о й д и х р о и з м, или Коттона эффект, вследствие к-рого свет, исходно поляризованный линейно, превращается в эллиптически поляризованный.
Исследования О. а. показали, что для её объяснения существен учёт изменения поля световой волны на расстояниях порядка размеров а молекулы (иона) в-ва (см. Пространственная дисперсия). (При описании многих других оптич. явлений таким изменением можно пренебречь, т. к. a/l~10-3, но как раз этот параметр определяет различие между n+ и n-.) Теория О. а. мол. паров в рамках классической электронной теории была разработана в 1915 нем. физиком М. Борном и независимо от него швед. физиком К. В. Озееном, к-рые показали, что наряду с асимметрией молекул следует учитывать несинфазность микротоков, наведённых полем световой волны в разных участках молекул (при всей малости а/l). Квант. теорию О. а. паров построил в 1928 бельг. учёный Л. Розенфельд. И в этой, более строгой с позиций совр. науки, теории рассматриваются процессы, связанные с конечным размером молекул (происходящие на расстояниях ~а). Для объяснения О. а. оказалось необходимым учитывать вз-ствие электрич. и магн. дипольных моментов, наведённых в молекуле полем проходящей волны. Теория О. а. мол. сред, активных лишь в крист. фазе, тесно связана с теорией экситоное, так как О. а. таких в-в определяется хар-ром волн поляризации в этих кристаллах. О теории наведённой О. а. см. Магнитооптика, Фарадея эффект.
Совр. теории О. а. качественно правильно описывают это явление, однако количеств. теория дисперсии О. а. сталкивается со значит. трудностями в связи со сложностью изучаемых объектов.
О. а. обнаруживают широкие классы в-в, в особенности органических. Хар-р дисперсии О. а. весьма чувствителен к разл. факторам, определяющим внутри- и межмолекулярные вз-ствия. Поэтому методы, основанные на измерении О. а., используются в физ., хим., биол. и др. научных исследованиях, а также и в промышленности.
• Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М.—Л., 1951.
С. Г. Пржибельский.
ОПТИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ, различие оптич. св-в среды в зависимости от направления распространения в ней оптического излучения (света) и его поляризации (см. Поляризация света). О. а. проявляется в двойном лучепреломлении, дихроизме, изменении эллиптичности поляризации света и во вращении плоскости поляризации, происходящем в оптически активных в-вах. Естественная О. а. кристаллов обусловлена неодинаковостью по разл. направлениям поля сил, связывающих атомы решётки. Естественная оптич. активность в-в, к-рые проявляют её в любом агрегатном состоянии, связана с асимметрией строения отд. молекул таких в-в и обусловленным ею различием во вз-ствии этих молекул с излучением разл. поляризаций, а также с особенностями возбуждённых состояний эл-нов и «ионных остовов» в оптически активных кристаллах. Наведённая (и с к у с с т в е н н а я) О. а. возникает в средах, от природы оптически изотропных под действием внеш. полей, выделяющих в таких средах определ. направление. Это может быть электрич. поле (см. Керра эффект), магнитное поле (Коттона — Мутона эффект, Фарадея эффект), поле упругих сил (см. Фотоупругость), а также поле сил в потоке жидкости.
С. Г. Пржибельский.
ОПТИЧЕСКАЯ ДЛИНА ПУТИ между точками А и В прозрачной среды, расстояние, на к-рое свет (оптическое излучение) распространился бы в вакууме за то же время, за какое он проходит от А до В в среде. Поскольку скорость света в любой среде меньше его скорости в вакууме, О. д. п. всегда больше реально проходимого светом расстояния (или, в предельном случае вакуума, равна ему). В оптич. системе, состоящей из р однородных сред (траектория луча света в такой системе — ломаная линия), О. д. п. равна сумме Splknk, где lk — расстояние, пройденное светом в k-той среде (k=1, 2, ..., р), nk — преломления показатель этой среды. В среде с плавно меняющимся n (траектория луча в такой среде — кривая линия) О. д. п.
есть ∫BAn(l)dl, где dl — бесконечно
малый элемент траектории луча. Понятие «О. д. п.» играет большую роль в оптике, особенно в геометрической оптике и кристаллооптике, позволяя сопоставлять пути, проходимые светом в средах, в к-рых скорости его распространения различны. Геом. место точек, для к-рых О. д. п., отсчитываемая от одного источника, одинакова, наз. поверхностью световой волны; световые колебания на этой поверхности находятся в одинаковой фазе. О. д. п. луча света между двумя произвольными точками пр-ва предметов и пр-ва изображений наз. эйконалом. См. также Разность хода лучей, Ферма принцип.
• Тудоровский А. И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 1, М.—Л., 1948; Л а н д с б е р г Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., М., 1973.
ОПТИЧЕСКАЯ ИНДИКАТРИСА, см. Индикатриса в оптике.
ОПТИЧЕСКАЯ ЛЕВИТАЦИЯ, см. в ст. Световое давление.
ОПТИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИЯ, совокупность методов обнаружения и измерения координат удалённых объектов, а также распознавания их формы с помощью эл.-магн. волн оптич. диапазона — от УФ до дальних ИК. Основой О. л. явл. метод измерения расстояний до объекта с помощью оптич. излучения (см. Светодальнометрия). Этот метод был предложен А. А. Лебедевым ещё в 1934 и осуществлён в 1936 им же с сотрудниками. Однако создание оптич. локаторов с большой дальностью действия, высокими точностью и разрешающей способностью стало возможным только с появлением мощных источников когерентного оптич. излучения — лазеров.
В О. л. используются те же принципы определения координат, что и в радиолокации: измерение расстояний из неск. опорных точек или измерение расстояний и пеленга (азимута) из одной точки. Отражённый от объекта луч лазера улавливается зеркалом, фокусируется и направляется на матрицу фотоприёмника для определения угл. координат и одновременно на ФЭУ (или др. детектор) для определения дальности объекта. Электрич. сигналы с фотоприёмника подаются в следящую систему, управляющую положением передающей и приёмной оптич. систем локатора.
Осн. преимущества оптич. локаторов перед радиолокаторами — большая точность определения угл. координат объектов (по максимуму отражённого сигнала) и высокая разрешающая способность по дальности. Напр., при использовании лазерного луча с углом расходимости 10' погрешность определения угл. координат объекта составляет <1' (у радиолокаторов 25—30'); при длительности светового импульса 10 нс разрешение по дальности может достигать неск. см. Кроме того, оптич. локатор обладает высокой угл. разрешающей способностью, т. е. способностью различать два соседних равноудалённых объекта, обусловленной очень высокой направленностью
495
излучения. Это даёт возможность решать задачу распознавания формы объектов. О. л. позволяет с высокой точностью (до неск. десятков см) производить картографирование земной поверхности, поверхности Луны, определять расстояние до облаков, самолётов, космических, надводных и подводных объектов, исследовать распределение инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере.
Существ. недостаток оптич. локаторов — затруднит. использование их в сложных метеорол. условиях (дождь, туман и т. п.) для локации объектов на далёких расстояниях.
•Волохатюк В. А., Кочетков В. М,, Красовский Р. Р., Вопросы оптической локации, М., 1971;Курикша А. А., Квантовая оптика и оптическая локация, М., 1973.
И. Ф. Усольцев.
ОПТИЧЕСКАЯ НАКАЧКА, возбуждение квант. системы (атома, молекулы и др.) с более низкого уровня энергии на более высокий уровень под действием света. См. Квантовая электроника, Лазер.
ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ, 1) парамагнитных атомов — упорядочение с помощью анизотропного оптического излучения направлений механич. моментов и связанных с ними магн. моментов парамагн. атомов газа. Открыта франц. физиком А. Кастлером в 1953. О. о. явл. частным случаем оптической накачки — перевода в-ва в энергетически неравновесное состояние в процессах поглощения им света. Различают собственно О. о., при к-рой ат. газ приобретает не равный нулю макроскопический магн. момент, и в ы с т р а и в а н и е, характеризующееся появлением анизотропного распределения магн. моментов атомов при сохранении нулевого макроскопического магн. момента газа.
Собственно ориентация достигается при резонансном поглощении или рассеянии атомами циркулярно поляризованного света. Процесс ориентации в простейшем случае можно рассматривать как следствие сохранения момента кол-ва движения (спина) в системе фотон — атом. Поляризованный по правому (левому) кругу фотон (см. Поляризация света) обладает проекцией механич. момента кол-ва движения, равной +h (-h), и при поглощении атомом фотона последний передаёт ему этот момент. В газе парамагн. атомов это приводит к преимуществ. ориентации механич. моментов эл-нов и, следовательно, магн. моментов атомов (см., напр., Магнетон).
Выстраивание осуществляется неполяризованным или линейно поляризованным излучением, для к-рого проекция спина фотона может с равной вероятностью быть равной +h и -h. Парамагн. атомы, поглотившие такие фотоны, окажутся выстроенными параллельно и антипараллельно лучу
света, т. е. появится анизотропия в распределении направлений магн. моментов при нулевом макроскопическом магн. моменте.
О. о. регистрируется по изменению поглощения газом ориентирующего света (по мере ориентации поглощение, как правило, уменьшается, см. Просветления эффект), а также по возникающей оптической анизотропии (дихроизму, двойному лучепреломлению, вращению плоскости поляризации). Непосредственно О. о. осуществлена с парами металлов первых трёх групп элементов таблицы Менделеева, а также с атомами инертных газов в мета-стабильных состояниях и нек-рыми ионами. Нек-рые парамагн. атомы, особенности электронного строения к-рых исключают их прямую О. о., могут ориентироваться косвенно — при соударениях с другими, уже ориентированными атомами (спиновый обмен). Возможна также О. о. носителей зарядов в ПП и примесных парамагн. центров в кристаллах. Воздействие «внутреннего» магн. поля ориентированных электронных оболочек может приводить к ориентации магн. моментов ядер атомов (см. Ориентированные ядра), к-рая сохраняется значительно дольше, чем электронная ориентация атомов. В связи с этим ядерную О. о. используют для создания квантовых гироскопов. Ориентированные атомы применяют для изучения слабых меж-ат. вз-ствий и вз-ствий эл.-магн. полей с атомами. Квантовые магнитометры с О. о. (обычно электронной) позволяют регистрировать крайне малые (~10-8 Э) изменения напряжённости магн. поля в диапазоне от нуля до неск. сотен Э.
• Скроцкий Г. В., Изюмова Т. Г., Оптическая ориентация атомов и ее применения, «УФН», 1961, т. 73, в. 3, с. 423; С о h e n -Т а n n о u d j i С., К a s t l е r А., Optical pumping, «Progress in Optics», 1986, v. 5, p. 1—81.
Е. Б. Александров.
2) О. о. спинов эл-нов проводимости в полупроводниках — возникновение преимущественного направления у спинов эл-нов при освещении полупроводника циркулярно поляризованным светом. При правой поляризации света (по часовой стрелке) спины ориентируются в направлении, противоположном световому лучу, при левой поляризации — вдоль него. О. о. обнаружена франц. физиком Ж. Лампелем и англ. физиком Р. Р. Парсонсом (1968—69) и теоретически объяснена М. И. Дьяконовым и В. И. Перелем (1971). При генерации носителей циркулярно поляризованным светом в результате спин-орбитального взаимодействия момент импульса фотона передаётся системе электрон — дырка.
Мерой О. о. явл. разность концентрации эл-нов (дырок) со спинами, направленными вдоль луча и навстречу ему, отнесённая к их полной концентрации. После выключения света эта величина убывает в результате рекомбинации неравновесных носителей и спиновой релаксации внутри каждой
зоны (дырки обычно релаксируют быстрее, чем эл-ны). О. о. может быть зарегистрирована по поляризации ре-комбинационного излучения. Вз-ствие эл-нов с ат. ядрами в условиях О. о. приводит к появлению яд. намагниченности. Т. к. время жизни ориентированных ядер на много порядков превышает аналогичное время для эл-нов, то легче наблюдать яд. намагниченность (методом ядерного магн. резонанса), чем намагниченность неравновесного электронного газа. Магн. поле, перпендикулярное световому лучу, разрушает О. о. (э ф ф е к т X а н л е). Метод О. о. используется для изучения зонной структуры ПП, времён жизни носителей, механизмов рекомбинации и спиновой релаксации. • Дьяконов М. И. [и др.], Ориентация электронных спинов в полупроводниках, «УФН», 1971, т. 105, в. 4.
Э, М. Эпштейн.
3) О. о. ядер — см. в ст. Ориентированные ядра.
ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ линзы (вогнутого или выпуклого зеркала), прямая линия, являющаяся осью симметрии преломляющих поверхностей линзы (отражающей поверхности зеркала); проходит через центры этих поверхностей перпендикулярно к ним. Оптич. поверхности, обладающие О. о., наз. осесимметричными (см. Зеркало оптическое, Линза). О. о. оптической системы — общая ось симметрии всех входящих в систему линз и зеркал.
ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ КРИСТАЛЛА, направление в кристалле, по к-рому луч света распространяется, не испытывая двойного лучепреломления. См. Кристаллооптика.
ОПТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ (D), мера непрозрачности слоя в-ва толщиной l для световых лучей; характеризует ослабление оптического излучения в слоях разл. в-в (красителях, светофильтрах, р-рах, газах и т. п.). Для неотражающего слоя О. п. равна: D = lgI0/I=kll, где I — интенсивность излучения, прошедшего поглощающую среду; /о — интенсивность излучения, падающего на поглощающую среду; kl — поглощения показатель среды для излучения с длиной волны l, связанный с уд. показателем поглощения cl, в Бугера — Ламберта — Вера законе соотношением kl= 2,303 cl,. О. п. может быть определена и как логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту t слоя в-ва: D=lg(1/t). Введение О. п. удобно при вычислениях, т. к. она меняется на неск. единиц, тогда как величина I0/I может для разл. образцов и на разл. участках спектра изменяться на неск. порядков. О. п. смеси нереагирующих друг с другом в-в равна сумме О. п. отд. компонентов.
Л. Н. Капорский.
ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, передача информации с помощью света. Простейшие (малоинформативные) виды О. с. использовались с кон. 18 в. (напр., семафорная азбука). С появлением
496
лазеров возникла возможность перенести в оптич. диапазон средства и принципы получения, обработки и передачи информации, разработанные для радиодиапазона. Необходимость передачи всё большего объёма информации и вместе с тем практически полное исчерпание ёмкости радиодиапазона придают проблеме О. с. важное значение. Осн. принципиальные преимущества О. с. по сравнению с радиосвязью — высокая направленность излучения, обеспечивающая повышенную помехозащищённость и скрытность связи, и большая ширина полосы частот для передачи информации.
С целью введения информации излучение оптич. генератора модулируют по требуемому закону (см. Модуляция света). При помощи выходного оптич. узла излучение формируется в малорасходящийся пучок, достигающий входного оптич. узла, к-рый фокусирует его на фотоприёмник. С фотоприёмника электрич. сигналы поступают в узлы обработки информации. При выборе несущей частоты должны учитываться условия распространения оптич. излучения в среде передачи, техн. хар-ки лазеров, модуляторов, приёмников оптического излучения. В системах О. с. находят применение два способа приёма сигналов — прямое детектирование и гетеродинный приём (см. Детектирование света).
Системы О. с. делятся на о т к р ы т ы е наземные системы и наземные системы, использующие з а к р ы т ы е световодные каналы для связи между АТС, ЭВМ, для внутриобъектовой и междугородной связи.
Работы с открытыми линиями О. с. в приземных слоях атмосферы с использованием лазеров показали, что надёжность связи сильно зависит от атм. условий, определяющих оптич. видимость на трассе распространения. Это ограничивает применение открытых линий О. с. относительно малыми расстояниями (неск. км). Однако открытые линии О. с. перспективны как средство связи между Землёй и космосом. Напр., с помощью лазерного луча можно передавать информацию на расстояние ~108 км со скоростью до 105 бит/с, в то время как микроволн. техника при этих расстояниях обеспечивает скорость передачи только ~10 бит/с. О. с. в космосе возможна на расстояниях до 1010 км, однако построение косм. линий О. с. технически весьма сложно.
В земных условиях наиб. перспективны системы О. с., использующие закрытые волоконные световоды с малыми оптич. потерями (затухание сигнала ~1 дБ/км в ближней ИК области). Скорость передачи информации в многомодовых волоконных световодах ограничена по сравнению с открытыми линиями до 104 бит/с вследствие межмодовой дисперсии, а в одномодовых световодах — дисперсией материала световода. Применение кварцевого стекла, легированного Ge, P, В и др.
элементами, позволило свести почти к нулю дисперсию материала световодов в области длин волн 1,26—1,32 мкм и передавать по одномодовым световодам и световодам с оптим. профилем показателя преломления (см. Световод) информацию со скоростью 107—108 бит/с на расстоянии ~100 км без применения ретрансляторов.
Волоконно-оптич. линии связи, помимо широкой полосы пропускания, обладают и др. преимуществами; они не требуют дефицитных цветных материалов, невосприимчивы к эл.-магн. помехам, имеют малый вес и габариты.
Разработка эфф. световодных структур и технологии изготовления световодов большой протяжённости, широкополосных высокочувствительных приёмных устройств, долгоживущих (>104 ч) источников излучения (лазерные диоды, светодиоды), по-видимому, сделают О. с. способной конкурировать со связью по существующим кабельным и релейным магистралям уже в ближайшем десятилетии. Во мн. странах успешно прошли испытания экспериментальных волоконно-оптич. систем связи в телефонной сети. В перспективе системы О. с. со световодными линиями по своим информативным возможностям и стоимости на ед. информации могут стать осн. видом магистральной и внутригородской связи.
• Чернышев В. Н., Шереметьев А. Г., К о б з е в В. В., Лазеры в системах связи, М., 1966; П р а т т В. К., Лазерные системы связи, пер. с англ., М., 1972; Основы волоконно-оптической связи, под ред. М. К. Барноски, пер. с англ., М., 1980; Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 1, М., 1978.
А. В. Невский, М. Ф. Стельмах, Е. М. Дианов.
ОПТИЧЕСКАЯ СИЛА (Ф), характеризует преломляющую способность осесимметричных линз и систем таких линз. О. с.— величина, обратная фокусному расстоянию системы: Ф=n'/f'=-n/f, где n' и n — показатель преломления сред, расположенных соотв. за и перед системой; f' и f — заднее и переднее фокусные расстояния системы, отсчитываемые от её главных плоскостей (см. Кардинальные точки оптической системы). Для системы, находящейся в воздухе (n=n'»1), Ф=1/f'. О. с. измеряется в диоптриях (м-1), она положительна для собирающих систем и отрицательна для рассеивающих. Особенно широко понятием «О. с.» пользуются в очковой оптике (см. также Линза, Очки).
ОПТИЧЕСКАЯ ТЕОРЕМА, в квантовой теории связывает мнимую часть (Im) амплитуды f(q, ξ) упругого рассеяния вперёд (т. е. на угол q=0) с полным сечением σ(ξ) рассеяния ч-цы на силовом центре или на др. ч-це:
Imf(0, ξ)=(p/4 )σ(ξ)
(р, ξ — импульс и энергия налетающей ч-цы в системе центра инерции). Впервые О. т. была сформулирована в физ. оптике и выражала мнимую
часть показателя преломления (описывающую поглощение света) через полное сечение рассеяния света на рассеивающих центрах — осцилляторах. В квант. теории О. т. вытекает из унитарности условия. С помощью О. т. в методе дисперсионных соотношений входящие в них вещественная (Re) и мнимая части амплитуды рассеяния вперёд выражаются через две непосредственно измеряемые на опыте хар-ки — дифференциальное (dσ/dW) и полное сечение рассеяния:
В. П. Павлов.
ОПТИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА среды t, безразмерная величина, характеризующая ослабление оптического излучения в среде за счет поглощения и рассеяния света. Для оптически однородной среды t=el, где e — объёмный ослабления показатель среды, l — геом. длина пути светового луча в ней.
В неоднородной среде t=∫edl. О. т. слоя среды связана с его прозрачностью Т соотношением t=-lnT, a с его регулярной оптической плотностью D=- lgТ соотношением D=0,434t. Понятием О. т. пользуются при изучении мутных сред, в теории переноса излучения.
ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА, среды, обладающие естественной оптической активностью. О. а. в. подразделяются на два типа. Относящиеся к 1-му из них оптически активны в любом агрегатном состоянии (сахара, камфора, винная кислота), ко 2-му — оптически активны только в крист. фазе (кварц, киноварь). У в-в 1-го типа оптич. активность обусловлена асимметричным строением их молекул, 2-го типа — асимметричным строением кристалла, асимметрией поля сил, связывающих ч-цы в крист. решётке, при одинаковости самих ч-ц. Кристаллы О. а. в. всегда существуют в двух формах — правой и левой; при этом решётка правого кристалла зеркально симметрична решётке левого и никакими поворотами и перемещениями не может быть пространственно совмещена с нею. Оптич. активность правой и левой форм О. а. в. 2-го типа имеет разные знаки (и одинакова по абс. величине при одинаковых внеш. условиях), поэтому их наз. оптическими антиподами (иногда нестрого так называют и кристаллы О. а. в. 1-го типа).
Молекулы правого и левого О. а. в. 1-го типа явл. оптическими изомерами: они сами (а не образованные из них кристаллы) представляют собой зеркальные отражения друг друга. Их можно отличить одну от другой, в то время как молекулы
497
оптич. антиподов (О. а. в. 2-го типа) просто неразличимы (идентичны). Физ. и хим. св-ва чистых оптич. изомеров совершенно одинаковы в отсутствии к.-л. асимметричного агента, реагирующего на зеркальную асимметрию молекул. Продукт хим. реакции без участия такого агента — всегда смесь оптич. изомеров в равных кол-вах, т. н. р а ц е м а т. Физ. св-ва рацемата и чистых оптич. изомеров зачастую различны. Напр., темп-pa плавления рацемата неск. ниже, чем чистого изомера. Рацемат разделяют на чистые изомеры либо отбором только левых или только правых кристаллов, либо в хим. реакциях с участием асимметричных агентов — чистого изомера или асимметричного катализатора, либо микробиологически. Последнее свидетельствует о наличии асимметричных агентов в биол. процессах и связано со специфическим и не нашедшим пока удовлетворит. объяснения св-вом живой природы строить белки из левых оптич. изомеров аминокислот — 19 из 20 жизненно важных аминокислот оптически активны. (Применительно к О. а. в. 1-го типа термины «левый» и «правый» условны в том смысле, что не соответствуют непосредственно направлению вращения плоскости поляризации в них, в отличие от этих же терминов для О. а. в. 2-го типа.) Физиол. и биохим. действие оптич. изомеров часто совершенно различно. Напр., белки, синтезированные искусств. путём из правых аминокислот, не усваиваются организмом; бактерии подвергают брожению лишь один из изомеров, не затрагивая другой; левый никотин в неск. раз ядовитее правого никотина. Удивительный феномен преимуществ. роли только одной из форм оптич. изомеров в биол. процессах может иметь фундам. значение для выяснения путей зарождения и эволюции жизни на Земле.
С. Г. Пржибельский.
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, совокупность оптич. деталей — линз, призм, пластинок, зеркал и т. п., скомбинированных между собой определ. образом для получения оптич. изображения или для преобразования светового потока, идущего от источника света. О. с. явл. обязательной частью оптич. и оптико-электронных приборов.
ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, квантовые стандарты частоты, в к-рых частотным репером служит сверхузкая спектр. линия излучения лазера. В О. с. ч. используются газовые лазеры в сочетании с устройством для сравнения с частотой эталона или стандарта частоты радиодиапазона. О. с. ч. способны фиксировать определ. значение частоты w с погрешностью Dw/w~10-15, в 102 раз меньше погрешности, достижимой в эталонах частоты СВЧ диапазона (см. Квантовые стандарты частоты).
Первые О. с. ч. были лазерами, стабилизированными по «провалу Лэмба», образующемуся в спектр. линии активного газа (предсказан У. Ю. Лэмбом в 1932, обнаружен А. Джаваном и У. Р. Беннетом в 1933, США). Долговременная погрешность частоты таких О. с. ч. не спускалась ниже 10-8 из-за относительно большой плотности и темп-ры генерирующего газа. Возможность наблюдения сверхузких линий в спектрах поглощения позволила за период с 1967 по 1973 снизить погрешность до 10-14. Для получения сверхузких линий применяются ячейки, наполненные газом, находящимся при низких давлении и темп-ре. Такая ячейка помещается внутрь оптического резонатора лазера. Под влиянием стоячей волны лазера в центре его спектр. линии (форма и ширина к-рой определяются доплеровским уширением, см. Доплера эффект) возникает пик, ширина к-рого зависит только от однородной ширины спектральной линии газа, находящегося в поглощающей ячейке (относит. ширина пика ~10-14).
Ещё более узкие (~10-15) спектр. линии можно получить методом «пленения» ч-ц, ограничивая их движение областями с размерами, меньшими, чем длина световой волны К. Для этого разреженный газ помещают в поле интенсивной трёхмерной стоячей световой волны.
Для сравнения частоты с частотой, фиксируемой О. с. ч., необходимы сложные устройства, содержащие «умножители» и «синтезаторы» частоты, перекрывающие область частот от СВЧ до частоты О. с. ч. Такие устройства позволяют измерять частоту вплоть до коротковолновой границы ИК диапазона. В будущем О. с. ч., по-видимому, станут основой эталонов частоты и откроют путь к созданию единого эталона частоты (времени) и длины.
• Летохов В. С., Проблемы лазерной
спектроскопии, «УФН», 1976, т. 118, в. 2, с. 199.
М. Е. Жаботинский.
ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП, см. в ст. Квантовый гироскоп.
ОПТИЧЕСКИЙ ЗАТВОР, устройство, обеспечивающее пропускание и (или) перекрытие светового потока в течение определённого, заранее заданного времени (выдержки). По назначению О. з. подразделяют на: предохранительные, закрывающие оптич. тракт и препятствующие засветке светочувствит. элементов оптич. системы (прибора); высокоскоростные О. з., обеспечивающие прохождение светового потока через оптич. систему в течение очень малого, заранее заданного времени; высокоскоростные О. з. периодич. действия, предназначенные для открывания и закрывания оптич. тракта с большой частотой. По принципу действия О. з. разделяют на механические (электромеханические), взрывного типа, О. з., использующие полное внутреннее отражение, электрооптические на основе Керра эффекта и Поккельса эффекта, магнитооптические на
основе Фарадея эффекта. Мин. время, в течение к-рого О. з. механич. типа обеспечивает прохождение светового потока или полностью перекрывает его, ограничено инерцией подвижных частей затвора и составляет не менее 10-4 с. О. з. взрывного типа позволяет открывать (закрывать) оптич. тракт за время 10-5—10-6 с. Наибольшее быстродействие (10-9—10-10 с)может быть получено при использовании в кач-ве О. з. Керра ячеек или кристаллов, обладающих эффектом Поккельса. О. з.— составная часть мн. оптич. приборов, фотоаппаратов, скоростных кинокамер. О. з. периодич. действия используются в модуляторах света (см. Модуляция света).
В технике генерирования сверхкоротких лазерных импульсов для изменения добротности резонатора применяют пассивные О. з., использующие элементы (стёкла, р-ры), коэфф. пропускания к-рых резко меняется под действием светового излучения.
• См. лит. при ст. Модуляция света.
Л. Н. Капорский.
ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР, то же, что лазер.
ОПТИЧЕСКИЙ КОНТАКТ, контакт двух тщательно отполированных поверхностей тв. тел, сближенных на расстояние, меньшее длины волны света (порядка десятков А). О. к. приводит к высокопрочному сцеплению тел, обусловленному силами вз-ствия между молекулами, адсорбированными из воздуха на контактирующих поверхностях (в случае О. к. в воздухе). В прочности О. к. существ. роль играет вода, проникающая под действием капиллярных сил в микрошероховатости контактного слоя. С возрастанием её кол-ва прочность О. к. на разрыв увеличивается, а сдвиговая — надает. Показатель преломления О. к. зависит от показателей преломления приведённых в контакт тел и кол-ва воды в слое. Коэфф. отражения О. к. стёкол с равными показателями преломления ~10-4—10-7. При слабом неравномерном нагревании О. к. легко нарушается.
Важной разновидностью О. к. явл. глубокий О. к., получающийся при спекании специально обработанных поверхностей. Прочность такого О. к., применяемого для неразъёмного соединения деталей, сравнима с макроскопич. прочностью контактирующих тел. О. к. применяется для устранения отражения и рассеяния света от поверхности раздела сред, а также для получения высокопрочных соединений в оптич. технологии.
• Золотарев В. М. [и др.]. Исследование механизма контактного взаимодействия плоских поверхностей диэлектриков, «ФТТ», 1978, т. 20, № 1, с. 177.
В. М. Золотарёв.
ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР, см. Пирометры.
ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, устройство для преобразования частоты лазерного излучения, принцип действия к-рого ос-
498
нован иа нелинейности поляризации среды в сильном световом поле (см. Нелинейная оптика). Увеличение частоты осуществляется с помощью оптич. умножителей частоты и генераторов суммарных частот. Процесс удвоения частоты наблюдается в средах с квадратичной нелинейностью. По мере распространения световой волны в такой среде вдоль направления фазового синхронизма (см. Параметрический генератор света) происходит перекачка энергии от волны осн. частоты w в энергию волн 2-й гармоники 2w. Интенсивности осн. волны и 2-й гармоники зависят от отношения l/lнл, где l — расстояние, к-рое прошёл свет в среде, а lнл — характерная длина, на к-рой происходит перекачка 50% энергии осн. волны во 2-ю гармонику (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость относительных интенсивностей излучения на осн. частоте w и на частоте 2-й гармоники 2w от отношения I/Iнл
Напр., при преобразовании частоты излучения неодимового твердотельного лазера с плотностью мощности излучения ~106 Вт/см2 в кристалле ниобата лития lнл=3 см. Наиболее эффективно удвоение частоты осуществляется в О. п. ч. с нелинейным кристаллом, помещённым между зеркалами резонатора лазера
Рис. 2. Схема впутрирезонаторной генерации 2-й гармоники (R — коэфф. отражения зеркал, зависящий от частоты).
(рис. 2). Кристалл располагают в области с мин. шириной сфокусированного пучка осн. излучения, т. к. эффективность преобразования пропорц. плотности мощности осн. излучения.
Рис. 3. Схема установки для каскадной генерации 5-й гармоники: КДР — нелинейные кристаллы дигидрофосфата калия; Ф1—Ф3— узкополосные фильтры.
Для умножения частоты используются и генераторы высших гармоник. Однако в большинстве случаев оказывается более эффективным использование неск. каскадов удвоения частоты, т. е. последовательное многократное удвоение частоты в кристаллах с квадратичной нелинейностью (рис. 3).
В генераторах суммарных частот волны с разл. частотами w1 и w2 преобразуются в квадратично нелинейной среде в волну с частотой w1+w2. Генераторы суммарных частот используются как источники перестраиваемого излучения (гл. обр. в УФ диапазоне) и для преобразования ИК излучения в видимое (преобразование сигналов и изображений).
Уменьшение частоты осуществляется с помощью параметрических генераторов света, генераторов разностных частот и комбинационных лазеров. Параметрич. генераторы — один из наиб. перспективных источников мощного перестраиваемого по частоте когерентного излучения в диапазоне длин волн l>1 мкм. Если в параметрич. генераторе сигнальная волна возникает из шумов, то в генераторе разностных частот волны с частотами w1 и w2 преобразуются на кристалле с квадратичной нелинейностью в излучение с частотой w1-w2. Генераторы разностных частот применяются в ИК диапазоне, они работают как в непрерывном режиме, так и в импульсном с наносекундной и пикосекундной длительностью импульсов.
Другой метод получения перестраиваемого излучения в ИК области состоит в использовании вынужденного комбинационного рассеяния света. Ширина комбинационных резонансов в тв. телах во много раз меньше ширины разрешённых переходов. Поэтому несмотря на то, что в основе комбинационных лазеров лежат вз-ствия, основанные на кубич. нелинейности, их эффективность достаточно велика.
О.п.ч. позволяют получить когерентное эл.-магн. излучение практически во всей области от вакуумного УФ диапазона до субмиллиметрового. Так, с помощью умножителей частоты получено излучение с l=53,3 и 38,8 нм, в то время как наименьшая длина волны, полученная путём прямой генерации, равна 116 нм. Генераторы разностных частот дают возможность получить когерентное излучение практически во всём ИК диапазоне от l=1 мкм до субмиллиметровых волн.
• Цернике Ф., Мидвинтер Дж., Прикладная нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1978; Справочник по лазерам, пер. с англ., т. 2, М., 1978.
А. В. Андреев.
ОПТИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ, то же, что световой пробой.
ОПТИЧЕСКИЙ РАЗРЯД, то же, что световой пробой.
ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР, устройство, в к-ром могут возбуждаться стоячие или бегущие эл.-магн. волны оптич. диапазона. О. р. представляет собой совокупность неск. зеркал и явл. открытым резонатором, в отличие от большинства объёмных резонаторов, применяемых в диапазоне СВЧ. Для l<0,1 см использование закрытых объёмных резонаторов, имеющих размеры порядка l, затруднительно из-за
малости их размеров и больших потерь энергии в станках. Использование же объёмных резонаторов с размерами l>l, также невозможно из-за возбуждения в них большого числа собств. колебаний, близких по частоте, в результате чего резонансные линии перекрываются, и резонансные св-ва практически исчезают. Однако оказалось, что при удалении части стенок объёмного резонатора б. ч. его собств. колебаний сильно затухает и лишь малая часть их (при надлежащей форме оставшихся стенок) затухает слабо. В результате спектр образовавшегося открытого О. р. сильно разрежен.
Простейшим О. р. явл. интерферометр Фабри — Перо, состоящий из двух плоских параллельных зеркал. Если допустить, что между этими зеркалами, расположенными на расстоянии L друг от друга, нормально к ним распространяется плоская волна, то в результате отражения её от зеркал в пр-ве между ними образуются стоячие волны. Условие резонанса имеет вид: L=ql/2, где q — целое число, наз. продольным индексом колебания (продольные моды). Собств. частоты О. р. образуют арифметич. прогрессию с разностью с/2L (эквидистантный спектр). В действительности из-за влияния краёв О. р. поле колебаний зависит от поперечных координат и характеризуется разл. поперечными индексами m и n, определяющими число осцилляции электрич. и магн. полей в поперечных направлениях и распределение токов на поверхности зеркал (рис. 1). Чем больше индексы m и n, тем число осцилляции больше и тем выше затухание колебания, обусловленное излучением в пр-во, т. е. в сущности дифракцией света на краях зеркал.
Рис. 1. Распределение токов, текущих по поверхности прямоуг. зеркала, для колебаний с индексами m=2 и n=1.
Резонансная кривая плоского О. р. имеет вид, изображённый на рис. 2. Поскольку коэфф. затухания растёт с увеличением m и n быстрее, чем частотный интервал между соседними колебаниями,
Рис, 2. Резонансная кривая оптич. резонатора (схематически).
то резонансные кривые, отвечающие большим m и n, перекрываются и соответствующие колебания
499
не проявляются. Коэфф. затухания, вызванного излучением, зависит как от индексов m и n, так и от числа N зон Френеля, видимых на зеркале диаметром R из центра др. зеркала, находящегося от первого на расстоянии L: N=R2/2Ll. При N~1 остаётся 1 — 2 колебания, сопутствующие осн. колебанию.
О. р. с плоскими зеркалами чувствительны к деформациям и перекосам зеркал, что ограничивает их применение. Этого недостатка лишены О. р. со сферич. зеркалами, в к-рых лучи, неоднократно отражаясь от вогнутых зеркал, не выходят за пределы огибающей поверхности — каустики. Поскольку волн. поле быстро убывает вне каустики при удалении от неё, излучение из сферич. О. р. с каустикой гораздо меньше, чем излучение из плоского О. р. Разрежение спектра в этом случае реализуется благодаря тому, что размеры каустики, ограничивающей поле, возрастают с ростом т и п. Для колебаний с большими m и n каустика оказывается расположенной вблизи края зеркал или вовсе не формируется, и эти колебания дают большой вклад в излучение. Такие сферич. О. р. наз. устойчивыми, т. к. параксиальный луч при отражении не уходит из приосевой области (рис. 3, а). Устойчивые О. р. применяются в газовых лазерах и др.
Иногда используются неустойчивые О. р., в к-рых внеш. каустика образоваться не может; луч, проходящий вблизи оси резонатора под малым углом к ней, после отражений неограниченно удаляется от оси. На рис. 3, б дана диаграмма устойчивости О. р. при разл. соотношениях между радиусами R1 и R2 зеркал и расстоянием L между ними. Незаштрихованные области соответствуют наличию каустик, заштрихованные — большому затуханию. Точки (на рисунке кружочки), соответствующие резонаторам с плоскими П и концентрическим К зеркалами, лежат на границе заштрихованных и незаштрихованных областей; С — софокусное, С' — плоское и вогнутое зеркала (половина софокусного резонатора). На границе между устойчивыми и неустойчивыми О. р. расположены софокусные О. р., в к-рых фокусы обоих зеркал (отстоящие на расстоянии R1/2 и R2/2 от соответствующего зеркала) совпадают, в т. ч. телескопический О. р., состоящий из малого выпуклого и большого вогнутого зеркал. Потери на излучение в неустойчивых О. р. для колебаний высших типов в них значительно больше, чем для осн. колебания. Это позволяет добиться одномодовой генерации лазера и связанной с ней высокой направленностью излучения.
Существуют различные дополнит. методы разрежения спектра (с е л е к ц и и м о д), связанные с измерением профиля краёв зеркал, с применением линз, системы связанных О. р. и др.
Рис. 3. a — образование каустики у резонатора со сферич. зеркалами; б — диаграмма устойчивости О. р.
Селекция продольных мод (имеющих одинаковое поперечное распределение поля) требует применения дисперсионных элементов (призм, дифракц. решёток, эталона Фабри — Перо).
Рис. 4. Кольцевые оптич. резонаторы: а, б, в — изотропные; г — анизотропный (1 — газоразрядные трубки, 2 — ячейка Фарадея, 3 — полуволновая пластина).
Но они вносят в О. р. большие потери и используются только в тех случаях, когда усиление активной среды лазера велико (напр., в лазерах на красителях). Селекция продольных мод возможна также при введении в О. р. анизотропных элементов (кристаллы с двойным лучепреломлением, оптически активные в-ва и др.). Для селекции поперечных мод применяется диафрагмирование пучка внутри О. р. При использовании кольцевых О. р. (рис. 4) осн. проблемой явл. уменьшение вз-ствия между встречными волнами. Для этого волны «разводят» по частоте с помощью невзаимных анизотропных элементов, а их поляризации стараются сделать ортогональными.
• Вайнштейн Л. А., Открытые резонаторы и открытые волноводы, М., 1966; Ананьев Ю. А., Угловое расхождение излучения твердотельных лазеров, «УФН», 1971, т. 103, в. 4; его же. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М., 1979.
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, сеет в широком смысле слова; электромагнитные волны, длины к-рых заключены в диапазоне от единиц нм до десятых долей мм (диапазон частот ~3•1011—3•1017 Гц). К О. и., помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения, относятся инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Физ. св-ва О. и. и методы его исследования характеризуются значит. степенью общности. В частности, именно в оптич. диапазоне начинают отчётливо проявляться одновременно и волновые, и корпускулярные св-ва эл.-магн. излучения. Волновые св-ва О. и. обусловливают дифракцию светя, интерференцию света, поляризацию света и мн. др. явления. В то же время ряд оптич. явлений невозможно понять, не привлекая представления об О. и. как о потоке быстрых ч-ц — фотонов. Эта двойственность природы О. и. сближает его с др. объектами микромира и находит общее объяснение в квантовой механике (см. также Корпускулярно-волновой дуализм).
Скорость распространения О. и. в вакууме (скорость света) с»3•1010 см/с. В любой другой среде скорость О. и. меньше. Значение показателя преломления среды, определяемое отношением этих скоростей (в вакууме и среде), в общем случае неодинаково для разных длин волн О. п., что приводит к дисперсии О. и. (см. Дисперсия света).
Различные виды О. и. классифицируют по след. признакам: по особенностям испускания атомами и молекулами (тепловое излучение, люминесценция), степени однородности спектр. состава (монохроматическое, немонохроматическое), упорядоченности ориентации электрич. и магн. векторов (естественное, поляризованное линейно, по кругу, эллиптически), рассеяния потока излучения (направленное, диффузное, смешанное) и т. д.
Падающий на поверхность к.-л. тела поток О. и. частично отражается (см. Отражение света), частично проходит через тело и частично поглощается в нём (см. Поглощение света). Поглощённая часть энергии О. и. преобразуется гл. обр. в теплоту, повышая темп-ру тела. Однако возможны и др. виды преобразования энергии О. и.— фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия), фотолюминесценция, фотохим. превращения.
О роли О. и. и оптич. методов исследования в науке и технике см. в ст. Оптика.
Ю. С. Черняев.
ОПТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ, см. Изображение оптическое.
ОПТИЧЕСКОЕ СТЕКЛО, однородное стекло, предназначенное для изготовления прозрачных элементов оптич. систем. Осн. требование к О. с.— неизменность фронта световой волны при её распространении в толще О. с.— удовлетворяется благодаря высокой хим. и физ. однородности О. с. Неоднородности и пороки О. с.— свили, плавные изменения показателя преломления, пузыри, включения — устраняются в процессе производства на
500
стадии синтеза О. с. или отбором годных участков стекла. Хим. неоднородности устраняются в осн. за счёт механич. размешивания и взаимодиффузии компонентов расплава О. с. Механич. напряжения и двулучепрелоление устраняются отжигом заготовок О. с.
В зависимости от назначения различают бесцветное, цветное и люминесцирующее О. с. Вьгсокопрозрачное бесцветное О. с., нормируемое по показателю преломления, как правило, предназначено для использования в оптич. системах, формирующих изображение. В 80-гг. 20 в. в мировых каталогах приняты три осн. хар-ки О. с.: показатель преломления nе для зелёной линии ртути (lе=546,07 нм), ср. дисперсия nF-nc, где nF и nc — показатели преломления соотв. синей и красной линий кадмия lf=479,99 нм, lc=643,85 нм), и коэфф.
Диаграмма Аббе: ЛК — лёгкий крон; ФК — фосфатный крон; К — крон; БК — баритовый крон; ТК — тяжёлый крон; СТК — сверхтяжёлый крон; ОК — особый крон; КФ — кронфлинт; Ф — флинт и т. п.: ЛФ, ТБФ, ТФ, СТФ, ОФ.
дисперсии ve=(ne-1)/(nF-nc) (коэфф. Аббе). В зависимости от величин этих хар-к О. с. делят на типы. На диаграмме ne-ve (т. н. диаграмме Аббе, рис.) представлены эти типы. Каждому О. с. определённых хим. состава и оптич. постоянных присвоена марка, обозначающая тип стекла и номер в пределах этого типа, напр. К8, БК6, СТК19. Советский каталог бесцветного О. с. содержит 120 марок тех типов. Разнообразие типов О. с. позволяет рассчитывать светосильные оптич. системы без аберраций (см. Аберрации оптических систем). Пары О. с. типа К и Ф достаточно для создания объектива-ахромата (см. Ахромат). Соответствующим подбором О. с. даётся полностью устранить хроматич. аберрации и создать объективы-апохроматы (см. Хроматическая аберрация, Апохромат). Цветное О. с., специально
окрашенное, нормируемое по спектру поглощения, используется в оптич. системах для поглощения света в требуемом спектр. диапазоне. Отечеств. каталог цветного О. с. содержит обозначение типа О. с., условно характеризующее область его прозрачности,
и номер, напр. УФС1 (ультрафиолетовое стекло 1). Люминесцирующее О. с. (генерирующее) :явл. твёрдым люминофором и предназначено для использования в кач-ве активной среды твердотельных лазеров. Такие О. с. нормируются по виду
концентрации активатора, времени затухания люминесценции, коэфф. поглощения на определённой длине волны излучения и по степени однородности. Отечеств. промышленность выпускает силикатные и фосфатные люминесцирующие стёкла, активированные преим. неодимом, с разл. концентрациями активатора, разл. величинами сечения индуцированного излучения, фото- и радиационной стойкости и лучевой прочности.
• ГОСТ 3514—76. Стекло оптическое бесцветное; ГОСТ 9411—75. Стекло оптическое цветное.
М. Н. Толстой, Е. И. Галант.
ОПТОЭЛЕКТРОНИКА, область электроники, охватывающая проблему одновременного использования оптич. и электрич. методов обработки, передачи и хранения информации. О. отличается от вакуумной электроники (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, электронно-лучевые приборы) и ПП электроники (см. Полупроводниковые приборы) наличием оптической связи.
Осн. элементы О.: источники света (лазеры, светоизлучающие диоды), оптич. среды (активные и пассивные) и фотоприёмники. Различают когерентную О. и оптронику. Сущность оптропики состоит в замене электрич. связей оптическими. Преобразование сигналов в оптронике осуществляется параметрич. методом. Её основной структурный элемент — о п т р о н — прибор, состоящий из источника и приёмника света, связанных оптически. Оптроны осуществляют усиление и преобразование электрич. и оптич. сигналов, переключение, модуляцию и др.
С к о г е р е н т н о й О. связаны новые принципы и методы построения больших систем вычислит. техники, оптич. связи, запоминания и обработки информации, не имеющих аналогов в традиционной радиоэлектронике.
Величины уд. электросопротивлений r и энергий активации UA электропроводности разл. органич. полупроводников и металлов.
Сюда относятся машины с т. н. картинной логикой, сверхбыстродействующие вычислит. системы со скоростью обработки информации 109— 1011 операций в 1 с, устройства памяти большой ёмкости (1010—1012 бит), лазерное телевидение, функциональная когерентная О. (см. Интегральная оптика) и др.
• Свечников С. В., Элементы оптоэлектроники, М., 1971; Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроника. [Сборник], под ред. Э. И. Адировича, Таш., 1972; Георгобиани А. Н., Широкозонные полупроводники АII и ВIV и перспективы их применения, «УФН», 1974, т. 113, в. 1.
С. В. Свечников.
ОРБИТАЛЬНЫЙ МОМЕНТ, момент импульса микрочастицы, обусловленный её движением в силовом поле, обладающем сферической симметрией. Название «О. м.» связано с наглядным представлением о движении ат. эл-на в сферически симметричном поле ядра по определённой замкнутой орбите.
Согласно квант. механике, О. м. ml квантован, т. е. его величина, а также проекция на произвольно выбранную в пр-ве ось (ось z) могут принимать лишь определённые дискр. значения: M2l=ћ2l(l+1), Mlz = mtћ, где l=0, 1, 2,...— орбитальное (азимутальное), а m=-1, l-1, . . . , -l — магнитное квантовые числа. Классификация состояний микрочастиц по значениям l играет большую роль в теории атома и ат. ядра, в теории столкновений.
М. А. Ельяшевич.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ, твёрдые органич. в-ва, к-рые имеют (либо приобретают под влиянием внеш. воздействий) электронную или дырочную проводимость и положит. температурный коэфф. электропроводности (см. Полупроводники). О. п. характеризуются наличием в молекулах системы сопряжённых связей. Подвижные носители заряда в О. п. образуются в результате возбуждения p-электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. Энергия, необходимая для образования носителей заряда в О. п., снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле, и в полимерах может быть
порядка энергии теплового движения.
К О. п. относятся органич. красители, ароматич. соединения, полимеры с сопряжёнными связями, нек-рые природные пигменты (хлорофилл, b-каротин и др.), мол. комплексы с переносом заряда, а также ион-радикальные соли. О. п. существуют в виде монокристаллов, поликрист. или аморфных порошков и плёнок. Уд. сопротивление при комнатной темп-ре колеблется от 1018 Ом•см (нафталин, антрацен) до 10-2 Ом•см (ион-радикальные соли, рис.). У О. п. с низкой электропроводностью наблюдается фотопроводимость.
О. п. обладают особенностями, к-рые определяются мол. хар-ром их струк-
501
туры и слабым межмол. вз-ствием: 1) поглощение света вызывает возбуждение молекул, к-рое может мигрировать по кристаллу в виде экситонов (экситоны Френкеля); 2) образование носителей заряда под действием света связано с распадом экситонов (на поверхности кристалла, на структурных дефектах и примесных атомах, при вз-ствии экситонов друг с другом), а также с ионизацией высоковозбуждённых молекул; 3) зоны проводимости узки (~0,1 эВ), подвижность носителей заряда, как правило, мала (~1 см2/В•с); 4) наряду с зонным механизмом электропроводности осуществляется прыжковая проводимость. В кристаллах ион-радикальных солей межмол. вз-ствие резко анизотропно, что приводит к высокой анизотропии оптич. и электрич. св-в и позволяет рассматривать такие О. п., как квазиодномерные проводники.
О. п. находят применение в кач-ве светочувствит. материалов в микроэлектронике. Исследование О. п. важно для понимания процессов преобразования и переноса энергии в сложных физ.-хим. системах и в особенности в биол. тканях. С О. п., в частности с ион-радикальными солями, связана перспектива создания сверхпроводников с высокой критической температурой.
• Органические полупроводники, 2 изд., М., 1968; Богуславский Л. И., Ванников А. В., Органические полупроводники и биополимеры, М., 1968; Гутман Ф., Л а й о н с Л., Органические полупроводники, пер. с англ., М., 1970.
А. Д. Розенштейн, Е. Л. Франкевич.
ОРЕОЛ (франц. aureole, от лат. corona aureola — золотой венец), световой фон вокруг изображения источника оптического излучения, наблюдаемый глазом или регистрируемый приёмником света. Причина появления О.— рассеяние света на малые углы в среде, через к-рую свет проходит. Величина О., его окраска и яркость зависят от размеров ч-ц среды, их физ. природы и оптической толщины среды. Рассеяние на малые углы, приводящее к образованию О., особенно сильно в средах, размеры ч-ц к-рых больше длины волны l излучения (э ф ф е к т М и). Если размеры ч-ц значительно превышают l, интенсивность такого рассеяния не зависит от l и поэтому рассеянный свет уже не характеризуется насыщенным цветом. Этим объясняется, напр., «белый цвет» О., окружающего солн. диск (смешение лучей с разными l даёт белый свет). О. существенно влияет на разрешающую способность фотогр. материалов и люминесцентных экранов. Хар-р О. учитывается при измерении прозрачности рассеивающих сред; в частности, изменение яркости и спектр. распределения света в солн. О. служит критерием чистоты и прозрачности атмосферы.
• См. лит. при ст. Мутные среды, Рассеяние света.
Л. Н. Капорский.
ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА, совокупность ат. ядер, спины к-рых направлены не хаотически, а преимущественно под определ. углом к выбранному направлению. Т. к. со спином ядра связаны дипольный магнитный и квадрупольный электрич. моменты, деформация формы ядра и др. хар-ки (см. Ядро атомное), то О. я. обладают анизотропными св-вами. Экспериментально наблюдая эту анизотропию, можно определить хар-ки ядер и яд. реакций, зависящие от спина.
Для ядер со спином I возможны 2I+1 проекций m спина на выбранное направление (m=-I,-I+1, . . ., +I). Спиновое состояние системы одинаковых ядер характеризуется распределением вероятностей Wm обнаружить ядро в состоянии с проекцией спина т. Для полного описания спинового состояния системы достаточно знания 2I вероятностей, т. к. SmWm=1. Для хаотич. ориентации спинов все значения Wт равновероятны: Wm=1/(2I+1). Для О. я. Ece Wm различны, но в большинстве экспериментов с О. я. важны только два т. н. параметра ориентации f1 и f2, связанные с Wm соотношениями:
Параметр f1, наз. поляризацией, характеризует преимущественную ориентацию спинов по выбранному направлению (f1>0) или против него (f1<0), а параметр f2, наз. в ы с т р о е н н о с т ь ю, характеризует преимущественную ориентацию вдоль (f2>0) или поперёк (f2<0) выбранной оси (безотносительно к её направлению). Выстроенностью могут обладать только ядра со спином I³1.
Наиболее распространённые методы получения О. я. основаны на использовании «упорядочивающего» действия сильных магн. полей на магнитные дипольные моменты ядер. Т. к. магн. моменты ядер малы, тепловое движение легко разрушает эту упорядоченность. Поэтому используются очень низкие темп-ры (T<0,1 К). В т. н. динамич. методах О. я. получаются при T>0,1 К при облучении специально подобранных материалов поляризованным эл.-магн. излучением (о п т и ч е с к а я о р и е н т а ц и я я д е р).
• Хуцишвили Г. Р., Ориентированные ядра, «УФН», 1954, т. 53, в. 3; Методы определения основных характеристик атомных ядер и элементарных частиц, пер. с англ., М., 1965; Джеффрис К., Динамическая ориентация ядер, пер. с англ., М., 1965.
В. П. Алфименков, В. И. Лущиков.
ОСВЕЧИВАНИЕ, одна из световых величин, применяемая в фотометрии импульсной, равная интегралу от силы света импульсного источника по времени в пределах рассматриваемого интервала времени. Единица О.— кандела-секунда (к•с). В системе энергетич. величин аналогичная величина наз. энергетическим освечиванием и измеряется В Дж-ср-1.
Д. Н. Лазарев.
ОСВЕЩЁННОСТЬ в точке поверхности, отношение светового потока, падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента. О. Е связана с силой света I точечного источника, удалённого от заданной точки на расстояние l, соотношением: E=Icosq/l2, где q — угол падения света. .Единицы О.— люкс и фот (1 фот = 104 лк). В системе энергетических фотометрии. величин аналогичная величина наз. энергетической освещённостью или облучённостью.
Д. Н. Лазарев.
ОСИ ДЕФОРМАЦИИ главные, см. Деформация механическая.
ОСИ ИНЕРЦИИ главные, три взаимно перпендикулярные оси, проведённые через к.-л. точку тела и обладающие тем св-вом, что если их принять за координатные оси, то центробежные моменты инерции тела относительно этих осей будут равны нулю. Если тв. тело, закреплённое в одной точке, приведено во вращение вокруг оси, к-рая в данной точке явл. главной О. и., то тело при отсутствии внеш. сил будет продолжать вращаться вокруг этой оси, как вокруг неподвижной. Понятие о главных О. и. играет важную роль в динамике тв. тела.
ОСИ НАПРЯЖЕНИЙ главные, см. Напряжение механическое.
ОСЛАБИТЕЛЬ СВЕТА, оптич. устройство, предназначенное для ослабления светового потока или, в общем случае, потока излучения. О. с. изготовляют в виде сеток, диафрагм, рассеивающих пластин, вращающихся дисков с вырезами, твёрдых, жидких или газообразных поглощающих (абсорбционных) светофильтров, интерференционных светофильтров, клиньев фотометрических. О. с., не изменяющие относительного спектр. распределения проходящего через них света, наз. н е й т р а л ь н ы м и (неселективными), изменяющие — наз. с е л е к т и в н ы м и. Последние служат для исправления спектр, состава или цветности излучения, в частности для выделения широких или узких участков спектра или их исключения. О. с. применяются при световых измерениях и в спектрометрии (напр., для уравнивания интенсивности световых пучков или изменения спектр. чувствительности приёмников), а также в полиграфии, кинофототехнике и т. п.
• Мешков В. В., Основы светотехники, ч. 2, М.—Л., 1961.
ОСЛАБЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЬ, экстинкции показатель среды, величина, обратная расстоянию, на к-ром поток излучения, образующего параллельный пучок, ослабляется за счёт поглощения и рассеяния света в среде в 10 раз (десятичный О. п.) или в е раз (натуральный О. п.). О. п.— сумма показателей поглощения и рассеяния среды. О. п. зависит от набора частот n (длин волн l), излучения, а при большой интенсивности потока — и от её величины (см. Нелинейная оптика). Как и показатели поглощения и рассеяния, О. п. может быть отнесён к
502
объёму среды либо к массе ослабляющего в-ва; соотв. говорят об объёмном и массовом О. п. См. также Оптическая толщина,
ОСМОС (от греч. osmos — толчок, давление), диффузия в-ва (обычно растворителя) через полупроницаемую мембрану, разделяющую р-р и чистый растворитель (или два р-ра разной концентрации). Перенос молекул растворителя обусловлен осмотическим давлением. Выравнивание концентраций р-ра по обе стороны мембраны, пропускающей малые молекулы растворителя, но не пропускающей более крупные молекулы растворённого в-ва, возможно лишь при односторонней диффузии растворителя. Поэтому О. всегда идёт от чистого растворителя к раствору (или от разбавл. р-ра к концентрированному). Если мембрана проницаема не только для растворителя, но и для нек-рых растворённых в-в, может происходить диффузия последних в р-р (на этом основана, напр., очистка полимеров от низкомол. примесей).
Впервые О. наблюдал в 1748 франц. химик Ж. А. Нолле. О. имеет важное значение в биол. процессах, применяется в лаб. технике для исследований хар-к молекул полимеров и т. д.
• См. лит. при ст. Осмотическое давление.
ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ (диффузное давление), термодинамич. параметр, характеризующий стремление р-ра к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем вследствие встречной диффузии молекул растворителя и растворённого в-ва. Если р-р отделён от растворителя полупроницаемой мембраной, то возможна лишь односторонняя диффузия — всасывание растворителя через мембрану в р-р (см. Осмос). В этом случае О. д. можно измерить: оно равно избыточному давлению, к-рое необходимо приложить со стороны р-ра, чтобы прекратить осмос.
О. д. обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворённого в-ва. Тенденция системы к выравниванию хим. потенциалов всех её частей и к переходу в состояние с более низким уровнем свободной энергии и вызывает осмотич. перенос в-ва. О. д. в идеальных и предельно разбавл. р-рах не зависит от природы растворителя и растворённых в-в; при пост. темп-ре оно определяется только числом «кинетич. элементов» (ионов, молекул, ассоциатов или коллоидных ч-ц) в ед. объёма р-ра.
Первые измерения О. д. произвёл нем. ботаник В. Пфеффер (1877), исследуя водные р-ры сахара. Его данные позволили голл. химику Я. X. Вант-Гоффу установить в 1887 зависимость О. д. от концентрации растворённого в-ва, совпадающую по форме с Бойля — Мариотта законом для идеальных газов. Оказалось, что О. д. (p) численно равно давлению, к-рое оказало бы растворённое в-во, если бы оно при данной темп-ре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму р-ра. Для разбавл. р-ров недиссоциирующих в-в найденная закономерность с достаточной точностью описывается ур-нием: pV=nRT, где n — число молей растворённого в-ва в объёме V р-ра и R — универсальная газовая постоянная. В случае диссоциации молекул в-ва в правую часть ур-ния вводится множитель i>1 — коэффициент Вант-Гоффа; при ассоциации в-ва i<1. О. д. реального р-ра (p') всегда выше, чем идеального (я"), причём отношение p'/p"= g, наз. осмотическим коэффициентом, увеличивается с ростом концентрации. Р-ры с одинаковым О. д. наз. изотоническими или изоосмотическими. Так, разл. кровезаменители и физиол. р-ры изотоничны относительно внутр. жидкостей организма. Если один р-р в сравнении с другим имеет более высокое О. д., его наз. гипертоническим, а имеющий более низкое О. д.— гипотоническим.
О. д. измеряют с помощью осмометров. Различают статич. и динамич. методы измерений. Первый основан
Принципиальная схема осмометра: А —камера для р-ра: Б — камера для растворителя: М — мембрана. Уровни жидкости в трубках при осмотич. равновесии: а и в — в условиях равенства внеш. давлений в камерах А и Б, когда pa=pб, при этом столб жидкости Н уравновешивает осмотич. давление; б — в условиях неравенства внеш. давлений, когда pА-pБ=p.
на измерении избыточного гидростатич. давления по высоте столба жидкости Н в трубке осмометра (рис.) после установления осмотич. равновесия и при равенстве внеш. давлений pа и pб в камерах A и Б. Второй метод сводится к измерению скоростей v всасывания и выдавливания растворителя из осмотич. ячейки при разл. значениях избыточного давления Dp=pA-рБ с последующей интерполяцией полученных данных к v=0 при Dp=p. Мн. осмометры позволяют использовать оба метода. В кач-ве мембраны обычно применяют плёнки из целлофана, природных и синтетич. полимеров, пористые керамич. и стеклянные перегородки. Осн. приложения осмометрии— определение мол. массы М полимеров по соотношению: p/с=RТ(1/M+Ac), где с — концентрация полимера в р-ре, А — коэфф., зависящий от строения макромолекулы.
О. д. может достигать значит. величины. Напр., 4%-ный р-р сахара при комнатной темп-ре имеет О. д. ок. 0,3 МПа, а 53%-ный — ок. 10 МПа; О. д. морской воды — ок. 0,27 МПа.
•Мелвин-Хьюз Э. А., Физическая химия, пер. с англ., кн. 1—2, М., 1962; Курс физической химии, под ред. Я. И. Герасимова, 2 изд., т. 1 — 2, М.—Л., 1969—73.
ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ квантовой системы, состояние атома, молекулы и др. квант. систем с наименьшей возможной внутр. энергией. Является устойчивым. Электроны в атоме, находящемся в О. с., наиб. прочно связаны с ат. ядром. Из О. с. квант. система, поглотив квант энергии, может перейти в возбуждённое путём квантового перехода. Уровень энергии, соответствующий О. с., также наз. основным.
ОСНОВНОЙ ТОН, тон, к-рый создаёт акустич. система, когда колеблется с наинизшей возможной для неё частотой. Высота О. т. определяется частотой основного собственного колебания системы, а следовательно, самой природой этой системы. Термин «О. т.» применяют также для обозначения составляющей с наинизшей частотой при разложении сложного периодич. колебания в ряд по синусоидальным компонентам.
ОСНОВНЫЕ И НЕОСНОВНЫЕ НОСИТЕЛИ заряда в полупроводниках, электроны проводимости в полупроводниках n-типа и дырки в полупроводниках р-типа. В невырожденном собственном ПП равновесные концентрации эл-нов n и дырок р равны: n=р=niºÖ(NcNv)exp(-ξg/2kT), где Nc и Nv — эфф. плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне, ξg — ширина запрещённой зоны. Величина ni зависит только от темп-ры Т и давления. В примесных ПП n и p связаны соотношением: np=n2i. Т. о., при увеличении равновесной концентрации основных носителей (напр., при легировании ПП соответствующей примесью) концентрация неосновных носителей убывает и наоборот. В неравновесных условиях (напр., при освещении ПП) может увеличиваться концентрация как основных, так и неосновных носителей. Основные носители определяют тип проводимости ПП (электронный или дырочный). В равновесных условиях концентрация неосновных носителей обычно мала (<<ni). Внеш. воздействиями (освещением, облучением быстрыми ч-цами, инжекцией носителей заряда и т. п.) её можно увеличить во много раз. На этом основана работа большинства полупроводниковых приборов. Концентрацию основных носителей определяют, измеряя электропроводность и коэфф. Холла (см. Холла эффект), а также магнитооптич. методами. Концентрацию неосновных носителей определяют, измеряя ток через электронно-дырочный переход и др. • См. лит. при ст. Полупроводники.
Э. М. Эпштейн.
ОСНОВНЫЕ ЦВЕТА, три цвета, оптич. сложением (смешением) к-рых в определ. кол-вах можно получить цвет, на глаз совершенно неотличимый от любого данного цвета. Ограничивающим условием для О. ц. явл. их линей-
503
ная независимость, т. е. ни один из них не может быть представлен в виде суммы к.-л. кол-в двух других. Набор О. ц. образует трёхмерную колориметрич. систему. Число возможных систем О. ц. бесконечно. См. ст. Колориметрия.
ОСЦИЛЛОГРАФ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ, прибор для регистрации изменяющихся электрич. токов, напряжений или мощности, в к-ром в кач-ве чувствит. элемента используется спец. гальванометр. О. э. применяют также для регистрации неэлектрич. величин, предварительно преобразованных измерит. преобразователем (датчиком) в электрич. сигнал.
Наиболее распространён с в е т о л у ч е в о й О. э., осн. частями к-рого явл.: осциллографич. зеркальный гальванометр, оптич. система, лентопротяжный механизм, устройство для визуального наблюдения регистрируемых сигналов, отметчик времени. Луч света от источника поступает через оптич. систему на зеркальце, прикреплённое к подвижной части гальванометра. Одна часть отражённого зеркальцем луча поступает на систему развёртки (вращающийся зеркальный барабан) и затем фокусируется для визуального наблюдения на матовом экране. Другая часть отражённого луча через фокусирующее устройство поступает на равномерно движущийся светочувствит. материал. При протекании тока через гальванометр его подвижная часть поворачивается, что приводит к поперечному (к направлению движения светочувствит. материала) отклонению отражённого луча, пропорциональному регистрируемой величине. В результате регистрируется изменение физ. величины во времени. Как правило, О. э.— многоканальный прибор, позволяющий одновременно регистрировать несколько (до 60) перем. физ. величин.
Для регистрации токов и напряжений используют гальванометры магнитоэлектрич. системы — петлевые или рамочные. Петлевые гальванометры (в зазоре пост. магнита один виток, обтекаемый током) имеют относительно низкую чувствительность (постоянная по току 0,2•10-4—60•10-4 А•м/мм) и широкий диапазон рабочих частот (до 15 кГц). Рамочные гальванометры (в зазоре пост. магнита рамка из неск. витков, обтекаемых током) обладают высокой чувствительностью (постоянная по току 0,2•10-7—80•10-4А•м/мм), но относительно узким диапазоном рабочих частот (до 5 кГц). Для регистрации электрич. мощности применяют ферродинамич. гальванометры. Погрешность измерений у О. э. не регламентируется, и они требуют индивидуальной градуировки перед каждым применением или после смены гальванометров. Требования к О. э. стандартизованы в ГОСТе 9829—81.
НЕКОТОРЫЕ ТИПЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ОСЦИЛЛОГРАФОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
• Основы электроизмерительной техники, М., 1972; Справочник по электроизмерительным приборам, 2 изд., Л., 1977.
В. П. Кузнецов.
ОСЦИЛЛОГРАФ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ, прибор для наблюдения функциональной связи между двумя или более величинами (электрическими или преобразованными в электрические), характеризующими к.-л. физ. процесс. Сигналы параметра и функции подают на взаимно перпендикулярные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки и наблюдают, измеряют и фотографируют графич. изображение зависимости на экране трубки (осциллограмму). При исследовании временной зависимости исследуемый сигнал А поступает на вход усилителя вертикального отклонения (рис.).
Горизонтальное перемещение луча создаётся генератором развёртки.
Для одновременного исследования двух или более сигналов используются многолучевые О. э., а также многоканальные электронные коммутаторы, встраиваемые в тракт вертикального отклонения. Электронный коммутатор обеспечивает получение изображения неск. сигналов на однолучевой трубке при последоват. подключении источников этих сигналов к тракту вертикального отклонения.
О. э. делятся на универсальные, запоминающие, стробоскопические, ско-
ростные и специальные (см. табл.), Универсальные О. э. построены по схеме рисунка. Запоминающие О. э. имеют электронно-лучевую трубку с накоплением заряда. Они сохраняют изображение сигнала длительное время и удобны для исследования однократных и редко повторяющихся процессов. Скорость записи достигает неск. тысяч км/с. Время воспроизведения записанного изображения 1 — 30 мин. Запоминающие О. э., как правило, обладают св-вом сохранять изображение при выключении осциллографа и последующем его включении.
В стробоскопических О.э. используется принцип последоват. стробирования мгновенных значений сигнала для преобразования (сжатия) его спектра; при каждом повторении сигнала отбирается мгновенное значение сигнала в одной точке. К приходу след. сигнала точка отбора перемещается по сигналу и т. д. Стробоскопические О. э. наиболее широкополосны и позволяют исследовать периодические сигналы длительностью 10-11 с.
Скоростные О.э. имеют трубки с вертикально отклоняющей системой типа «бегущей волны». Они характеризуются широкополосностью и большой скоростью записи, не имеют усилителя в тракте вертикального отклонения и, в отличие от стробоскопических, позволяют исследовать не только периодические, но и однократные быстропротекающие процессы. С п е ц и а л ь н ы е О. э. служат для исследования телевизионных или высоковольтных сигналов и т. п.
ОСЦИЛЛЯТОР (от лат. oscillo -качаюсь), физическая система, совершающая колебания. Термином «О.» пользуются для любой системы, если описывающие её величины периодически меняются со временем.
К л а с с и ч е с к и й О.— механич. система, совершающая колебания около положения устойчивого равновесия (напр., маятник, груз на пружине). В положении равновесия потенц. энергия U системы имеет минимум. Если отклонения х от этого положения малы, то в разложении U(х) по степеням х можно принять U(x) = kx2/2 (k — постоянный коэфф.); при этом квазиупругая сила F=-dU/dx=-kx.
504
Такие О. наз. г а р м о н и ч е с к и м и, их движение описывается линейным ур-нием mx=-kx, решение к-рого имеет вид: х=Аsin(wt+j), где m — масса О., w=Ök/m — частота, А — амплитуда колебаний, j — нач. фаза, t — время. Полная энергия гармонич. О, ξ=mw2А2/2 — это сумма периодически меняющихся в противофазе кинетич. (Т) и потенц. энергий, ξ=T+U не зависит от времени. Когда отклонение х нельзя считать малым, в разложении U(x) необходим учёт членов более высокого порядка — ур-ние движения становится нелинейным, а О. наз. а н г а р м о н и ч е с к и м.
Понятие О. применяется также к немеханич. колебат. системам. В частности, колебательный контур явл. алектрич. О. Колебания напряжённостей электрич. и магн. полей в плоской эл.-магн. волне также можно описывать с помощью понятия О.
Квантовый О. В квант. механике задача о линейном (с одной степенью свободы) гармонич. О. решается с помощью Шрёдингера уравнения (с U=kx2/2). Решение существует лишь для дискр. набора значений энергии ξn=ћÖ(k/m(n+1/2)), n=0, 1, 2, ... Важной особенностью энергетич. спектра О. явл. то, что уровни энергии ξn расположены на равных расстояниях. Т. к. отбора правила разрешают в данном случае переходы только между соседними уровнями, то, хотя квант. О. имеет набор собств. частот wn=ξn/ћ, излучение его происходит на одной частоте w, совпадающей с классической: w=Ö(k/m). В отличие от классич. О. наименьшее возможное значение энергии (при n=0) квант. О. равно не нулю, а ћw/2 (нулевая энергия).
Понятие О. играет важную роль в теории тв. тела, эл.-магн. излучения, колебат. спектров молекул.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика. Электродинамика, М., 1969 (Краткий курс теоретической физики, кн. 1); их же, Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Квантовая механика, 3 изд., М., 1974 (Теоретическая физика, т. 3).
ОСЬ ВРАЩЕНИЯ мгновенная, у твёрдого тела, имеющего неподвижную точку (напр., у гироскопа), проходящая через эту точку ось, поворотом вокруг к-рой тело перемещается из данного положения в положение к нему бесконечно близкое. Мгновенная О. в. непрерывно изменяет своё направление в пр-ве. См. Вращательное движение.
ОСЬ ЛЁГКОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ, направление в ферро- или ферримагн. образце, вдоль к-рого работа намагничивания образца до насыщения, производимая внеш. магн. полем, минимальна. Если внеш. поле на образец не действует, то намагниченность в каждом домене образца направлена вдоль О. л. н. (см. Ферромагнетизм). В ферромагн. монокристаллах О. л. н. совпадают с гл. кристаллографич. осями (напр., в Fe с тетрагональными типа [100], в Ni с тригональными [111], в Со с гексагональной [0001], см. Кристаллы). При наложении на ферромагн. монокристалл внеш. напряжений (сжатие, растяжение) направления О. л. н. могут измениться, а в поликрист. образце образоваться новые оси. Наличие О. л. н.— следствие магнитной анизотропии ферромагнетиков.
• Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971, е. 776 — 78.
ОСЬ НЕЙТРАЛЬНАЯ в сопротивлении материалов, линия в поперечном сечении изгибаемой балки (см. Изгиб бруса), в точках к-рой норм. напряжения равны нулю. О. н. делит сечение
на две части, в одной из к-рых норм. напряжения явл. растягивающими, а в другой — сжимающими. Если ab (рис.) — линия, через к-рую проходит плоскость действия поперечных сил, явл. одной из гл. центр. осей инерции изображённого на рисунке поперечного сечения, то О. н. mn будет второй гл. центр. осью. Если помимо поперечных сил на брус действует растягивающая (сжимающая) сила, О. н. смещается. Геом. место всех О. н. образует нейтр. слой балки.
ОТБОРА ПРАВИЛА, правила, определяющие возможные квантовые переходы для атомов, молекул, ат. ядер, взаимодействующих элем. ч-ц и др. О. п. устанавливают, какие переходы разрешены (вероятность перехода велика) и какие запрещены строго (вероятность перехода равна нулю) или приближённо (вероятность перехода мала); соотв. О. п. разделяют на строгие и приближённые. При хар-ке состояний системы с помощью квантовых чисел О. п. определяют возможные изменения этих чисел при переходе рассматриваемого типа.
О. п. связаны с симметрией квант. систем, т. е. с неизменностью (инвариантностью) их св-в при определ. преобразованиях, в частности координат и времени, и с соответствующими сохранения законами. Переходы с нарушением строгих законов сохранения энергии, импульса (для реальных переходов), момента импульса, электрич. заряда и т. д. замкнутой системы абсолютно исключаются.
Для излучат. квант. переходов между стационарными состояниями атомов и молекул очень важны строгие О. п. для квант. чисел J и mJ, определяющих возможные значения полного момента импульса М и его проекции Мz [M2=ћ2J/(J+1), Mz=ћmJ]. Эти правила связаны с равноправием в пр-ве всех направлений (для любой точки — сферич. симметрия) и всех направлений, перпендикулярных выделенной оси z (аксиальная симметрия), и соответствуют сохранению момента импульса и его проекции на ось z. Из законов сохранения полного момента импульса и его проекции для системы, состоящей из микрочастиц и из испускаемых, поглощаемых и рассеиваемых фотонов, следует, что при квант. переходе J и mJ могут изменяться в случае электрич. и магн. дипольных излучений (см. Излучение) лишь на 0, ±1, а в случае электрич. квадрупольного излучения (а также в случае комбинационного рассеяния света) на 0, ±1, ±2.
Другое важное О. п. связано с законом сохранения полной чётности для изолированной квант. системы (этот закон нарушается лишь слабым взаимодействием). Квант. состояния атомов, всегда имеющих центр симметрии, а также тех молекул и кристаллов, к-рые имеют такой центр, делятся на чётные и нечётные по отношению к пространств. инверсии (отражению в центре симметрии, т. е. к преобразованию координат х®-х, у®-y, z®-z); в этих случаях справедлив т. н. альтернативный запрет для излучательных квант. переходов: для электрического дипольного излучения запрещены переходы между состояниями одинаковой чётности (т, е. между чётными или между нечётными состояниями), а для дипольного магнитного и квадрупольного электрического излучений (и для комбинац. рассеяния) — переходы между состояниями разл. чётности (т. е. между чётными и нечётными состояниями). В силу этого запрета можно наблюдать, в частности в ат. спектрах астр. объектов, линии, соответствующие магн. дипольным и электрич. квадрупольным переходам, обладающим очень малой вероятностью по сравнению с дипольными электрич. переходами (т. н. запрещённые линии).
Наряду с точными О. п. по J и mJ существенны приближённые О. п. при дипольном излучении атомов для квант. чисел, определяющих величины орбитальных и спиновых моментов эл-нов и проекций этих моментов. Напр., для атома с одним внеш. эл-ном орбитальное (азимутальное) квант. число l, определяющее величину орбит, момента эл-на Ml [M2l=ћ2l(l+1)], может изменяться на ±1 (Dl=0 невозможно, т. к. состояния с одинаковыми l имеют одинаковую чётность: они чётные при чётном l и нечётные при нечётном I). Для сложных атомов квант, число L, определяющее полный орбит. момент всех эл-нов, подчинено приближённому О. п. DL = 0, ±1, а квант. число S, определяющее полный спиновый момент всех эл-нов (и мультиплетность c=2S+1),— приближённому О. п. DS=0, справедливому, если не учитывать спин-орбитальное взаимодействие. Учёт этого вз-ствия нарушает последнее О. п., и появляются т. н. интеркомбинац. переходы, вероятности к-рых
505
тем больше, чем больше ат. номер элемента.
Для молекул имеются специфич. О. п. для электронных, колебат. и вращат. молекулярных спектров, определяемые симметрией равновесных конфигураций молекул, а для кристаллов — О. п. для их электронных и колебат. спектров, определяемые симметрией крист. решётки (см. Спектроскопия кристаллов).
В физике элем. ч-ц, кроме общих законов сохранения энергии, импульса, момента импульса, имеются дополнит. законы сохранения, связанные с симметриями фундам. вз-ствий ч-ц — сильного, эл.-магн. и слабого. Процессы превращений элем. ч-ц подчиняются строгим законам сохранения электрич. заряда Q, барионного заряда В и лептонного заряда L, к-рым соответствуют строгие О. п.: DQ=DB=DL=0 (это означает, что при достигнутой точности измерений нарушения этих О. п. не обнаружены). Существуют также приближённые О. п. Из изотопической инвариантности сильного вз-ствия следует О. п. по полному изотопич. спину I, DI=0; это О. п. нарушается эл.-магн. и слабым вз-ствиями. Для сильного и эл.-магн. вз-ствий справедливо О. п. по странности S(DS=0), «очарованию» С(DC=0), «красоте» b(Db=0). Слабое взаимодействие протекает с нарушением этих О. п. Имеются и др. О. п. (см. Элементарные частицы).
М. А. Ельяшевич.
ОТВЕРДЕВАНИЕ, фазовый переход в-ва из жидкого состояния в кристаллическое (твёрдое); то же, что кристаллизация.
ОТВЕРДЕВАНИЯ ПРИНЦИП, положение статики, согласно к-рому состояние равновесия изменяемой механич. системы не нарушается при отвердевании системы. К изменяемым относятся любые системы материальных точек, системы тв. тел, соединённых шарнирами, стержнями или нитями, и системы ч-ц деформируемой среды — деформируемого тв. тела, жидкости или газа. О. п. устанавливает, что если изменяемая система находится в равновесии, то ото состояние равновесия не может быть нарушено присоединением дополнит. связей между точками и телами системы. На основании О. п. в число необходимых (но недостаточных) условий равновесия изменяемой или деформируемой системы, находящейся под действием данных сил, входят все условия равновесия абсолютно тв. тела, находящегося под действием тех же сил. Следовательно, при составлении необходимых условий равновесия любую изменяемую систему можно рассматривать как абсолютно тв. тело. Этим пользуются в инженерной практике при изучении равновесия изменяемых систем.
С. М. Тарг.
ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ, термодинамические системы, к-рые обмениваются с окружающей средой в-вом, а также энергией и импульсом. К наиболее важному типу О. с. относятся хим. системы, в к-рых непрерывно протекают хим. реакции (извне поступают реагирующие в-ва, а продукты реакций отводятся). Биол. системы, живые организмы можно также рассматривать как открытые хим. системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физ. и хим. кинетики.
Св-ва О. с. описываются наиб. просто вблизи состояния термодинамич. равновесия. Если отклонение О. с. от термодинамич. равновесия мало, то неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: темп-рой, хим. потенциалами компонентов системы и др. (но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени). Степень неупорядоченности таких О. с., как и системы в равновесном состоянии, характеризуется энтропией. Энтропия О. с. в неравновесном (локально-неравновесном) состоянии определяется, в силу аддитивности энтропии, как сумма значений энтропии отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии (см. Локальное термодинамическое равновесие).
Отклонения термодинамич. параметров от их равновесных значений (т е р м о д и н а м и ч е с к и е с и л ы) вызывают в системе потоки энергии и в-ва (см. Переноса явления). Процессы переноса приводят к росту энтропии системы (производству энтропии).
Согласно второму началу термодинамики, в замкнутой изолированной системе энтропия, возрастая, стремится к своему равновесному макс. значению, а производство энтропии — к нулю. В отличие от замкнутой системы в О. с. возможны стационарные состояния с пост. энтропией при пост. производстве энтропии, к-рая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние характеризуется постоянством скоростей хим. реакций и переноса реагирующих в-в и энергии. При таком «проточном равновесии» производство энтропии в О. с. минимально (Пригожина теорема). Стационарное неравновесное состояние играет в термодинамике О. с. такую же роль, какую играет термодинамич. равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия О. с. в этом состоянии хотя и удерживается постоянной (производство энтропии компенсируется её отводом), но это стационарное значение энтропии не соответствует её максимуму (в отличие от замкнутой изолированной системы).
Наиболее интересные св-ва О. с. выявляются при нелинейных процессах, когда в О. с. возможно осуществление термодинамически устойчивых неравновесных (в частном случае стационарных) состояний, далёких от состояния термодинамич. равновесия и характеризующихся определённой пространственной или временной упорядоченностью (структурой), к-рую наз. д и с с и п а т и в н о й, т. к. её существование требует непрерывного обмена в-вом и энергией с окружающей средой. Нелинейные процессы в О. с. и возможность образования структур исследуются на основе ур-ний хим. кинетики: баланса скоростей хим. реакций в системе со скоростями подачи реагирующих в-в и отвода продуктов реакций. Накопление в О. с. активных продуктов реакций или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовалась положительная обратная связь; ускорение реакции под воздействием либо её продукта (хим. автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. Подобно тому как в колебат. контуре с положит. обратной связью возникают устойчивые саморегулирующиеся незатухающие колебания (автоколебания), в хим. О. с. с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся хим. реакции. Автокаталитич. реакции могут привести к неустойчивости хим. процессов в однородной среде и к появлению у О. с. стационарных состояний с упорядоченным в пр-ве неоднородным распределением концентраций. В О. с. возможны также концентрационные волны сложного нелинейного хар-ра. Теория О. с. представляет особый интерес для понимания физико-хим. процессов, лежащих в основе жизни, т. к. живой организм— это устойчивая саморегулирующая О. с., обладающая высокой организацией как на молекулярном, так и на макроскопич. уровне. Подход к живым системам, как к О. с., в к-рых протекают нелинейные хим. реакции, создаёт новые возможности для исследования процессов мол. самоорганизации на ранних этапах появления жизни.
Теория О. с.— одно из направлений общей теории систем, к к-рым относятся, напр., рассматриваемые в кибернетике системы переработки информации, транспортные узлы, системы энергоснабжения и др. Подобные системы хотя и не явл. термодинамическими, но описываются системой ур-ний баланса, в общем случае нелинейных и сходных с аналогичными ур-ниями для физико-хим. и биол. О. с. Для всех подобных систем существуют общие проблемы регулирования и оптим. функционирования.
• Зубарев Д. Н., Неравновесная статистическая термодинамика, М., 1971; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967; Гленсдорф П.,
506
Пригожий И., Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуации, пер. с англ., М., 1973; Шредингер Э., Что такое жизнь? С точки зрения физика, пер. с англ., 2 изд., М., 1972; П а с ы н с к и й А. Г., Биофизическая химия, М., 1963; Волькенштейн М. В., Биология и физика, «УФН», 1973, т. 109, в. 3; П р и г о ж и н И., Н и к о л и с Ж., Биологический порядок, структура и неустойчивости, пер. с англ., там же; Э й г е н М., Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул, пер. с англ., М., 1973; Хакен Г., Синергетика, пер. с англ., М., 1980.
Д. Н. Зубарев.
ОТКРЫТЫЙ РЕЗОНАТОР, колебательная система, образованная совокупностью зеркал, в к-рой могут поддерживаться слабо затухающие эл.-магн. колебания с длиной волны l во много раз меньшей, чем размеры зеркал и расстояния между ними. Первые О. р. в виде двух плоских параллельных зеркал предложил в 1958 А. М. Прохоров, а затем амер. учёные Р. Дикке, А. Л. Шавлов и Ч. Таунс. По сравнению с замкнутыми объёмными резонаторами тех же размеров О. р. имеет более редкий спектр собств. частот. В нём легко удаётся реализовать дополнит. разрежение спектра введением спец. селектирующих элементов или подбором формы зеркал. О. р. применяется в кач-ве высокодобротной .резонансной системы в приборах оптического, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. См. Оптический резонатор, Квазиоптика.
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ионизирующего излучения, отношение поглощённой дозы D0 «образцового» излучения, вызывающего определённый биол. эффект, к поглощённой дозе D данного вида излучения, вызывающего тот же эффект: h=D0/D. За образцовое обычно принимается рентгеновское излучение с энергией фотона ξ=200 кэВ (для него h=1). Т. к. зависимость т) от ξ слабая, то с точностью 10—20% можно считать h=1 для любого эл.-магн. излучения с ξ³10—20 кэВ. О. б. э. сложным образом зависит от вида излучения, его энергии, биол. эффекта, а также от условий облучения и наблюдения, напр. от временного режима облучения и времени наблюдения, темп-ры и парциального давления кислорода. Поэтому О. б. э. определена только для конкретных радиобиологических экспериментов. Прибл. диапазон возможных значений О. б. э.— 0,1—20.
• См. лит. при ст. Дозиметрия.
Г. В. Радзиевский.
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ, движение точки (или тела) по отношению к подвижной системе отсчёта, к-рая перемещается определ. образом относительно нек-рой другой, основной системы отсчёта, условно наз. неподвижной. Скорость точки в О. д. наз. относительной скоростью vот, а ускорение — относит. ускорением wот. Движение всех точек подвижной системы относительно неподвижной наз. в этом случае переносным движением, а скорость и ускорение той
точки подвижной системы, с к-рой в данный момент времени совпадает движущаяся точка,— переносной скоростью vпер и переносным ускорением wпер. Наконец, движение точки (тела) по отношению к неподвижной системе отсчёта наз. сложным или абсолютным, а скорость и ускорение этого движения — абс. скоростью va и абс. ускорением wа. Напр., если с пароходом связать подвижную систему отсчёта, а с берегом — неподвижную, то для шарика, катящегося по палубе парохода, движение по отношению к палубе будет О. д., а по отношению к берегу — абсолютным. Соответственно скорость и ускорение шарика в первом движении будут vот и wот, а во втором — va и wа. Движение же всего парохода по отношению к берегу будет для шарика переносным движением, а скорость и ускорение той точки палубы, к-рой в данный момент времени касается шарик, будут vпер и wпер (шарик рассматривается как точка). Зависимость между соответствующими скоростями и ускорениями даётся в классич. механике равенствами:
va =vот+vпер;
wа =wот + wпер +wкор, (1) где wкор — Кориолиса ускорение. Ф-лами (1) широко пользуются в кинематике при изучении движения точек и тел.
В динамике О. д. наз. движение по отношению к неинерциальной системе отсчёта, для к-рой законы механики Ньютона несправедливы. Чтобы ур-ния О. д. материальной точки сохранили тот же вид, что и в инерциальной системе отсчёта, надо к силе F вз-ствия точки с др. телами присоединить т. н. переносную силу инерции Jпер=-mweпер и Кориолиса силу инерции Jкор=-mwкop, где, m — масса точки. Тогда
mwот=F+Jпер+Jкор. (2)
При О. д. системы материальных точек аналогичные ур-ния составляются для всех точек системы. Этими ур-ниями или следствиями из них пользуются для изучения О. д. под действием сил разл. механич. устройств (в частности, гироскопов), устанавливаемых на подвижных основаниях (на кораблях, самолётах, ракетах), а также для изучения движения тел по отношению к Земле в случаях, когда требуется учесть её суточное вращение.
• См. лит. при ст. Кинематика и Динамика.
С. М. Тарг.
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОТВЕРСТИЕ, отношение диаметра действующего отверстия объектива к его фокусному расстоянию. Квадрат О. о. определяет освещённость в плоскости изображения и наз. геом. светосилой объектива.
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ПРИНЦИП, фундаментальный физ. закон, согласно к-рому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояние движения или покоя определяется здесь по отношению к произвольно выбранной инерциальной системе отсчёта (и. с. о.); физически эти состояния равноправны. Эквивалентная формулировка О. п.: законы физики имеют одинаковую форму во всех и. с. о. Постулат о независимости скорости света в вакууме от движения источника и О. п. легли в основу специальной (частной) теории относительности Эйнштейна (см. Относительности теория).
И. Ю. Кобзарев
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ, физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физ. процессов. Универсальность пространственно-временных св-в, рассматриваемых О. т., позволяет говорить о них просто как о .св-вах пространства-времени. Наиболее общая теория пространства-времени наз. общей теорией относительности (ОТО) или теорией тяготения, т. к. согласно этой теории св-ва пространства-времени в данной области определяются действующими в ней полями тяготения. В излагаемой ниже частной теории относительности, основы к-рой были даны А. Эйнштейном в 1905, изучаются св-ва пространства-времени, справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегать действием тяготения. Т. о., логически частная О. т. есть частный случай ОТО; исторически построение ОТО было завершено Эйнштейном позже (в 1915), после чего и появился термин «частная О. т.». В рус. литературе последняя наз. также специальной О.т. (что соответствует букв. переводу нем. слова speziell —.специальный, частный) или просто О. т.
Основные черты О. т. Явления, описываемые О. т., наз. релятивистскими (от лат. relativus — относительный) и проявляются при скоростях движения тел, близких к скорости света в вакууме с=2,99792458(1,2)X 1010 см/с. При таких скоростях (их принято называть релятивистскими) зависимость энергии ξ тела от его скорости v описывается уже не ф-лой классич. механики ξкин = mv2/2, а релятив. ф-лой
ξ=mc2/Ö(1-v2/с2 ). (1) Масса т, входящая в эту ф-лу, наз. также массой покоя тела. Из (1) видно, что энергия тела стремится к бесконечности при v ®с, поэтому, если m¹0, скорость тела всегда меньше с, хотя при ξ>>mс2 она может стать сколь угодно близкой к ней. Это наблюдается, напр., в опытах на ускорителях заряж. ч-ц, в к-рых ч-цам сообщаются энергии, много большие mc2, и они поэтому движутся со ско-
507
ростью, практически равной с. Со скоростью света всегда движутся ч-цы, масса покоя к-рых равна нулю (фотоны, возможно, нейтрино). Скорость с явл. предельной скоростью передачи любых вэ-ствий и сигналов из одной точки пр-ва в другую.
Существование предельной скорости означает необходимость глубокого изменения обычных пространственно-временных представлений, основанных на повседневном опыте. Рассмотрим след. мысленный опыт. В вагоне, движущемся со скоростью v относительно полотна железной дороги, посылается световой сигнал в направлении движения. Скорость сигнала для наблюдателя в вагоне равна с. Если бы длины и промежутки времени, измеряемые любым наблюдателем, были одинаковы, то выполнялся бы закон сложения скоростей классич. механики, и для наблюдателя, стоящего у железнодорожного полотна, скорость сигнала была бы равна c+v, т. е. больше предельной. Противоречие устраняется тем, что для наблюдателя, относительно к-рого физ. система движется со скоростью v, все процессы в этой системе замедляются в 1/Ö(1-v2/c2) раз (это явление наз. замедлением времени), а продольные (вдоль движения) размеры тел во столько же раз сокращаются, и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются неодновременными для другого, движущегося относительно первого (т. н. о т н о с и т е л ь н о с т ь о д н о в р е м е н н о с т и). Учёт этих эффектов приводит к закону сложения скоростей, при к-ром предельная скорость одинакова для всех наблюдателей (см. ниже).
Характерное для О. т. явление замедления времени наблюдается при распадах нестабильных элем. ч-ц косм. лучей или получаемых с помощью ускорителей высоких энергий. Такие ч-цы движутся со скоростями, близкими к с, и, с точки зрения земного наблюдателя, их времена жизни, а следовательно, и проходимые ими от рождения до распада расстояния увеличиваются в тысячи и десятки тысяч раз.
Из релятив. ф-лы для энергии следует, что при малых скоростях (v<< с) энергия . тела равна: ξ=mc2+mv2/2. Второй член справа есть обычная кинетич. энергия, первый же член показывает, что покоящееся тело обладает запасом энергии ξ0=mc2, наз. э н е р г и е й п о к о я (т. н. принцип эквивалентности энергии и массы, или принцип эквивалентности Эйнштейна). В яд. реакциях и процессах превращений элем. ч-ц значит. часть энергии покоя может переходить в кинетич. энергию ч-ц. Так, источником энергии, излучаемой Солнцем, явл. превращение четырёх протонов в ядро гелия; масса ядра гелия меньше массы четырёх протонов на 5•10-26 г, поэтому при каждом таком превращении выделяется 4,5•10-5 эрг энергии, уносимой излучением. За счёт излучения Солнце теряет в 1 с 4•109кг своей массы.
О. т. подтверждена обширной совокупностью фактов и лежит в основе всех совр. теорий, рассматривающих явления при релятив. скоростях.
Принцип относительности и другие принципы инвариантности. Возникновение частной О. т. В основе О. т. лежит принцип относительности, согласно к-рому в физ. системе, приведённой в состояние свободного равномерного и прямолинейного движения относительно системы, условно наз. «покоящейся», для наблюдателя, движущегося вместе с системой, все процессы происходят в точности так же, как в покоящейся системе. Этот факт формулируют в виде утверждения об инвариантности законов природы относительно преобразований движения. Термин «принцип относительности» связан с тем, что если преобразованию движения подвергнуть систему движущихся тел, то все относительные движения этих тел останутся неизменными.
Наряду с принципом относительности из опыта известны и др. принципы инвариантности, или симметрии, законов природы. Любой физ. процесс происходит точно так же, 1) если осуществить его в любой др. точке пр-ва; эта симметрия выражает равноправие всех точек пр-ва, однородность пр-ва;
2) если систему, в к-рой происходит процесс, повернуть на произвольный угол; эта симметрия выражает равноправие всех направлений в пр-ве, изотропию пр-ва; 3) если повторить процесс через нек-рый произвольный промежуток времени; эта симметрия выражает однородность времени.
Т. о., имеет место инвариантность законов природы по отношению к четырём типам преобразований: 1) переносу в пр-ве, 2) вращению в пр-ве,
3) сдвигу во времени, 4) преобразованию движения. Симметрии 1—4 выполняются точно только в изолированной от внеш. воздействий системе, т. е. если можно пренебречь воздействием на систему внеш. факторов; для реальных систем они справедливы лишь приближённо.
Изучение св-в преобразований 1, 2 составляет предмет евклидовой геометрии трёхмерного пр-ва, если рассматривать её как физ. теорию, описывающую св-ва физ. объектов (при этом под переносом следует понимать преобразование параллельного переноса).
При скоростях тел v, сравнимых с с, обнаруживается тесная связь и матем. аналогия между преобразованиями 1, 3 и 2, 4. Это даёт основание говорить об О. т., в к-рой все преобразования 1—4 следует рассматривать совместно, как о геометрии пространства-времени. Содержанием О. т. явл. рассмотрение св-в преобразований 1—4 и следствий из соответствующих принципов инвариантности. Математически О. т. явл. обобщением геометрии Евклида — геометрией четырёхмерного Минковского пространства-времени.
Принцип относительности был известен (и справедлив) в классич. механике, но св-ва преобразований движения при v<< с и при v ~ с различны; при v<<с релятив. эффекты исчезают и преобразования движения переходят в преобразования Галилея, справедливые для классич. механики (см. Галилея принцип относительности).
Осн. понятие О. т.— точечное событие, т.е. нечто, происходящее в данной точке пр-ва в данный момент времени (напр., выстрел, распад элем. ч-цы). Это понятие явл. абстракцией — реальные события всегда имеют нек-рую протяжённость в пр-ве и во времени и могут рассматриваться как точечные только приближённо. Любой физ. процесс есть последовательность событий (С): C1, C2, . . ., Сn, . . . Справедливость симметрии 1—4 означает, что наряду с последовательностью (С) законы природы допускают существование бесконечного числа др. последовательностей (С), к-рые получаются из (С) соответствующим преобразованием и различаются положением событий в пр-ве и времени, но имеют одинаковую с (С) внутр. структуру. Напр., в случае симметрии 4 можно наглядно описать процесс (С) как происходящий в стоящем на земле самолёте, а процесс (С) как такой же процесс, происходящий в самолёте, летящем с пост. скоростью (относительно земли); разл. скоростям и направлениям движения соответствуют разл. последовательности (С). Преобразования, переводящие одну последовательность событий в другую, наз. активными (в отличие от п а с с и в н ы х преобразований, к-рые связывают координаты одного и того же события в двух системах координат; см. ниже). Совокупность всех возможных преобразований (1—4) с матем. точки зрения должны составлять группу; она наз. группой Пуанкаре. Преобразования группы Пуанкаре носят универс. хар-р: они действуют одинаково на события любого типа. Это позволяет считать, что они описывают св-ва пространства-времени, а не св-ва конкретных процессов. Преобразования Пуанкаре могут быть описаны разл. способами (так же, как можно описывать разл. способами движения в трёхмерном пр-ве); наиб. простое описание получается при использовании инерциальных систем отсчёта (и. с. о.) и связанных с ними часов. Роль и. с. о. в О. т. такая же, как роль прямоугольных декартовых координат в геометрии Евклида.
508
Осознание универс. справедливости принципа относительности для любых физ. явлений — результат сложного историч. развития. В 19 в. считалось, что принцип относительности справедлив только в механике, но несправедлив в оптике и в электродинамике, т. к. представлялось очевидным, что эл.-магн. волны (в т. ч. свет) — это волны в особой среде — эфире, заполняющем всё пр-во и определяющем привилегированную систему отсчёта, покоящуюся относительно эфира, в к-рой только и справедливы законы оптики и ур-ния электродинамики. Казалось очевидным, что в системе тел, движущейся относительно эфира, оптич. и эл.-магн. явления будут происходить иначе, чем в неподвижной, но все попытки обнаружить явление такого рода, предпринимавшиеся в 19 в. и в нач. 20 в., потерпели неудачу. Объяснение неудач искали, начиная с франц. физика О. Ж. Френеля, в динамике: используя конкретные динамич. законы, сформулированные в системе покоя эфира, показывали, что в данной системе тел эффекты, связанные с движением относительно эфира, компенсируются. Эта программа нашла известное завершение в работах голл. физика X. Лоренца и франц. математика А. Пуанкаре (1904—05), где было показано, что если принять лоренцовский вариант электродинамики эл-нов и предложенную Пуанкаре модель :эл-на, сжимаемого пост. давлением эфира, то компенсация будет точной и принцип относительности, понимаемый как невозможность обнаружения движения относительно эфира, выполняется. В 1905 в работе Пуанкаре были исследованы групповые св-ва преобразований движения и преобразований вращения с точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно эфира. Переход к совр. точке зрения, согласно к-рой в абсолютно пустом пр-ве нельзя определить покоящуюся систему отсчёта и все связанные преобразованиями движения и . с. о. равноправны, был сделан Эйнштейном в 1905. В его работе была развита последоват. теория измерений времени и координат в и. с. о. и обнаружен относит. хар-р релятив. замедления времени и сокращения масштабов. Матем. аппарат теории в полной форме был развит нем. учёным Г. Минковским в 1908.
Инерциальные системы отсчёта. С той степенью точности, с какой св-ва данной области пространства-времени описываются частной О. т., можно ввести и. с. о., в к-рых описание пространственно-временных закономерностей О. т. принимает особенно простую форму. Под системой отсчёта в этом случае можно подразумевать жёсткую систему тв. тел (или её мысленное продолжение), по отношению к к-рой определяются положения событий, траектории тел и световых лучей. Любая система отсчета, движущаяся
относительно данной и. с. о. равномерно и прямолинейно, без вращения, также будет инерциальной, а система отсчёта, вращающаяся или движущаяся ускоренно, уже не будет и. с. о. Таким образом, и. с. о. образуют выделенный класс систем отсчёта. В и. с. о. справедлив закон инерции, т. е. свободная ч-ца движется в и. с. о. прямолинейно и (при принятой синхронизации часов, см. ниже) равномерно. Требование выполнения закона инерции может быть принято как определение и. с. о. Первый закон Ньютона может рассматриваться при этом как утверждение о существовании таких систем отсчёта. Все и. с. о. равноправны, это равноправие явл. непосредств. выражением принципа относительности.
В области пространства-времени, в к-рой справедлива частная О. т., можно пользоваться и неинерц. системами отсчёта (так же, как можно пользоваться криволинейными координатами в геометрии Евклида), но при этом описание св-в пространства-времени оказывается более сложным.
В данной и. с. о. необходимо определить способ измерения времени и координат. В и. с. о. трёхмерная пространств. геометрия — евклидова, если прямые определить, напр., как траектории световых лучей, а расстояния измерять тв. масштабами. Поэтому в данной и. с. о. можно ввести декартовы прямоуг. координаты х, у, z. Для определения времени t события удобно представить, что в той точке, где оно произошло, находятся часы, покоящиеся в данной и. с. о. Если события происходят в разных точках А, В, то для сравнения их времён нужно синхронизировать часы в А и В, т. е. определить, что означает, что часы в А и В показывают одинаковое время. Обычное определение таково: пусть в момент tа по часам из А посылается сигнал в В, а в момент его прибытия в В посылается такой же сигнал из В в А ', если сигнал пришёл в Л в момент t'а , то принимается, что сигнал пришёл в 5 в момент tB=(tA+t'A)/2, и соотв. устанавливаются часы в В. При таком определении времена распространения сигнала из А в В и из В в А одинаковы и равны (t'а-ta)/2. Сигналами могут служить световые вспышки, звук. сигналы (если среда, в к-рой они распространяются, покоится по отношению к данной системе отсчёта), выстрелы из двух одинаковых орудий, установленных в А и В, и т. д., требуется лишь, чтобы условия передачи сигнала из А в A в и из В в А были одинаковыми. Целесообразность такого определения времени связана с тем, что в любой и. с. о. отсутствует к.-л. физически выделенное направление; описанная процедура синхронизации часов симметрична относительно А и В и поэтому не вносит анизотропии в способ описания. Отсутствие выделенного
направления проявляется в том, что синхронизация любыми сигналами приводит к одному и тому же результату; к такому же результату приводит медленный (с v<<с) перенос часов из А в В. При практич. измерениях времён и координат используются многочисленные косвенные методы при условии, что они дают тот же результат, что и описанные выше процедуры. В любой другой и. с. о. координаты и время измеряются с помощью таких же масштабов и часов, синхронизируемых таким же способом. Заранее не очевидно, что времена, определённые таким методом в двух разл. и. с. о., будут одними и теми же, и они действительно оказываются различными. После того как синхронизация произведена, могут измеряться скорости ч-ц и сигналов в данной и. с. о., в частности скорость распространения световых сигналов. Скорость света в любой и. с. о. всегда равна с.
Преобразования Лоренца. Рассмотренные активные преобразования непосредственно связаны с пассивными преобразованиями, описывающими связь между координатами и временем данного события в двух разл. и. с. о. В силу принципа относительности безразлично, сообщить ли телу скорость V по отношению к данной и. с. о. L или перейти к системе отсчёта L', движущейся со скоростью V относительно L,— закон преобразования координат и времени должен быть одним и тем же.
В силу справедливости симметрии 1—4 преобразования, связывающие координаты и времена события х, у, z, t и x', у', z', t', измеренные в двух и. с. о. L и L', должны быть линейными. Из симметрии 1—4 и требования, чтобы преобразования составляли группу, можно получить вид этих преобразований. Если система отсчёта L' движется относительно L со скоростью V, то при надлежащем выборе осей координат и начал отсчёта времени в L и L' (оси х и х' направлены по V, оси у и y', z и z' соотв. параллельны, начала координат О и О' совпадают при t=0 и часы в L' установлены так, что при t=0 часы в О' показывают время t'=0) преобразования координат и времени имеют вид:
где с — параметр преобразования, имеющий смысл предельной скорости движения (равной скорости света в вакууме). Этот параметр может быть определён из любого эффекта О. т. (напр., из замедления времени распада быстрого p-мезона). Справедливость кинематики и динамики, осно-
509
ванных на преобразованиях (2), подтверждена неисчислимой совокупностью эксперим. фактов.
Преобразования Лоренца (2) вместе с преобразованиями вращения вокруг начала координат образуют г р у п п у Л о р е н ц а; добавление к ней сдвигов во времени t' =t+a и в пр-ве х'=х+b (где a, b — произвольные постоянные размерности времени и длины) даёт группу Пуанкаре.
Т. к. законы природы должны иметь одинаковую форму во всех и. с. о., они должны сохранять свой вид при преобразованиях Лоренца. Это требование наз. принципом (постулатом) р е л я т и в и с т с к о й и н в а р и а н т н о с т и, или л о р е н ц-и н в а р и а н т н о с т и (лоренц-ковариантности), законов природы.
Из преобразований Лоренца вытекает релятив. закон сложения скоростей. Если ч-ца или сигнал движется в L по оси х со скоростью v, то в момент t x=vt и в системе L' скорость ч-цы v' = x'lt' равна:
Из этой ф-лы видна осн. черта релятив. кинематики — независимость скорости света от движения источника. Действительно, если скорость света, испущенного покоящимся в нек-рой и. с. о. L источником, есть с, v=c, то из (3) получим, что в и. с. о. L' скорость света v' также равна с. Т. к. направление оси произвольно, то отсюда следует независимость скорости света от движения источника. Это св-во скорости света однозначно определяет вид преобразований Лоренца: постулировав независимость скорости света от движения источника, однородность пр-ва и времени и изотропию пр-ва, можно вывести преобразования Лоренца.
Из преобразований Лоренца легко получить осн. эффекты О. т.: относительность одновременности, замедление времени, сокращение продольных размеров движущихся тел. Действительно, события 1, 2, одновременные в одной и. с. о. L, t1=t2, оказываются неодновременными в другой и. с. о. L', t'2-t'1=(x1-x2)V!c2Ö(1-V2/c2)¹0. Далее, когда часы, покоящиеся в L в точке x=0, показывают время t, то время t' по часам в L', пространственно совпадающим с часами в L в этот момент времени, есть
т. е., с точки зрения наблюдателя в L', часы в L отстают. В силу принципа относительности, с точки зрения наблюдателя в L', все процессы в L замедлены в такое же число раз.
Легко получить также, что размеры l всех тел, покоящихся в L, оказываются при измерении в L' сокращёнными в 1/Ö(1-V2/c2)раз в направлении V:
В частности, продольный диаметр сферы, движущейся со скоростью v относительно L, при измерении в L' будет в 1/Ö(1-v2/c2) раз короче, чем поперечный. (Заметим, что это сокращение не обнаружилось бы на мгновенной фотографии сферы: из-за разл. запаздывания световых сигналов, приходящих от разных точек сферы, её видимая форма остаётся прежней.)
Для и. с. о. пространственно-временные эффекты, определяемые преобразованиями Лоренца, относительны: с точки зрения наблюдателя в L, замедляются все процессы и сокращаются все продольные масштабы в L'. .Однако это утверждение несправедливо, если хотя бы одна из систем отсчёта неинерциальна. Если, напр., часы 1 перемещаются относительно L из А в В со скоростью v, а потом из В в А со скоростью -v, то часы 1 отстанут по сравнению с часами 2, покоящимися в A, в 1/Ö(1-v2/c2) раз; это можно обнаружить прямым сравнением, так что эффект абсолютен. Он должен иметь место для любого процесса; напр., близнец, совершивший путешествие со скоростью v, вернётся в 1/Ö(1-v2/с2) раз более молодым, чем его брат, остававшийся неподвижным в и. с. о. Это явление, получившее назв. парадокса близнецов, в действительности не содержит парадокса: система отсчёта, связанная с часами 1, не явл. инерциальной, т. е. эти часы испытывают ускорение при повороте в В по отношению к инерц. системе; поэтому часы 1 и 2 н е р а в н о п р а в н ы.
При малых скоростях v преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея х'=х-vt, y'=y, z' = z, t'=t, к-рые описывают связь между картинами разл. наблюдателей, известную из повседневного опыта: размеры предметов и длительность процессов одинаковы для всех наблюдателей.
Преобразования Пуанкаре оставляют инвариантной величину, наз. интервалом sAB между событиями А и В, к-рый определяется соотношением:
Математически инвариантность s аналогична инвариантности расстояния при преобразованиях движения в евклидовой геометрии. Величины ct, x, у, z можно рассматривать как четыре координаты события в четырёхмерном пространстве-времени Минковского: x0=ct. xl=x, x2=y, x3=z,
к-рые явл. компонентами четырёхмерного вектора.
С матем. точки зрения частная О. т. есть геометрия пространства-времени Минковского. (Если вместо х0 ввести мнимую координату x4=ix0=ict, то произвольное преобразование Пуанкаре можно записать в виде, полностью аналогичном ф-ле, описывающей вращения и сдвиги в трёхмерном пр-ве.) Вследствие того, что квадраты разностей временных и пространств. координат входят в (6) с разными знаками, знак s2 может быть различным, геометрия такого пр-ва отличается от евклидовой и наз. п с е в д о е в к л и д о в о й.
Законы сохранения в О. т. и релятивистская механика. В О. т., так же как в классич. механике, для замкнутой физ. системы сохраняется импульс р и энергия ξ. Трёхмерный вектор импульса вместе с энергией образует четырёхмерный вектор энергии-импульса с компонентами ξ/с, р. При преобразованиях Лоренца остаётся инвариантной величина
где т — масса покоя ч-цы. Из требований лоренц-инвариантиости следует, что зависимость энергии и импульса от скорости имеет вид:
Энергия и импульс ч-цы связаны соотношением p=ξv/c2. Оно справедливо также для ч-цы с нулевой массой покоя; тогда v=c и р=ξ/с.
Обсуждалась возможность существования объектов, движущихся со скоростью, большей скорости света в вакууме (т. н. тахионов). Формально это не противоречит лоренц-пнварнантности, но приводит к серьёзный затруднениям с выполнением принципа причинности.
Масса покоя т не явл. сохраняющейся величиной. В частности, в процессах распадов и превращений элем. ч-ц сумма энергий и импульсов ч-ц сохраняется, а сумма масс покоя меняется. Так, в процессе аннигиляции позитрона и эл-на в два фотона, е++е-®2g, сумма масс покоя изменяется на 2mе (mе — масса покоя эл-на).
В системе отсчёта, в к-рой тело покоится (такая система отсчёта наз. с о б с т в е н н о й), его энергия (энергия покоя) есть ξ0=mс2. Если тело, оставаясь в покое, изменяет своё состояние, получая энергию в виде излучения или тепла, то из релятив. закона сохранения энергии следует, что полученная телом энергия Dξ связана с увеличением его массы покоя соотношением Dξ=Dmс2. Величина ξ0=mс2 определяет макс. величину энергии, к-рая может быть «извлечена» из данного тела в системе отсчёта, в к-рой оно покоится.
Для движущегося тела величина
510
определяет его кинетич. энергию. При v<<с (9) переходит в нерелятив. выражение ξкин=mv2/2, при этом импульс p=mv. Из определения ξкин следует, что для любого процесса в изолированной системе выполняется равенство:
D(Sξкин) = -с2D(Sm). (10)
согласно к-рому увеличение кинетич. энергии пропорц. уменьшению суммы масс покоя. Это соотношение широко используется в яд. физике; оно позволяет предсказывать энерговыделение в яд. реакциях, если известны массы покоя участвующих в них ч-ц. Возможность протекания процессов, в к-рых происходит превращение энергии покоя в кинетич. энергию ч-ц, ограничена др. законами сохранения (напр., законом сохранения барионного заряда, запрещающим процесс превращения протона в позитрон и g-квант). Иногда вводят массу, определяемую как
mдвиж=m/Ö(1-v2/c2) (11)
При этом связь между импульсом и скоростью приобретает тот же вид, что и в ньютоновской механике: р=mдвижv. Так определ. масса отличается от энергии тела лишь множителем 1/с2. (В теор. физике часто выбирают ед. измерения, полагая с=1, тогда ξ=m.)
Осн. ур-ния релятив. механики имеют такой же вид, как и второй закон Ньютона и ур-ние энергии, только вместо нерелятив. выражений для энергии и импульса используются выражения (8):
где F — сила, действующая на тело. Для заряж. ч-цы, движущейся в эл.-магн. поле, F есть Лоренца, сила.
О. т. и эксперимент. Предположения о точечных событиях (означающее локальность вз-ствий), о справедливости принципа относительности, однородности времени и однородности и изотропии пр-ва с неизбежностью приводят к О. т. При этом абстрактно допустим предельный случай, соответствующий с=¥, однако такая возможность исключается экспериментом: доказано, что предельная скорость с есть скорость света в вакууме.
Каковы границы применимости О. т.? Отклонения от пространственно-временной геометрии О. т., связанные с гравитацией, наблюдаемы и рассчитываются в ОТО; никаких других ограничений применимости О. т. не обнаружено, хотя неоднократно высказывались предположения, что на очень малых расстояниях (напр., ~10-17 см) понятие точечного события, а следовательно, и О. т. могут оказаться неприменимыми (см. Квантование пространства-времени). Совр.
квант. теории фундам. вз-ствий (эл.-магн., слабого, сильного) целиком основаны на геометрии пространства-времени частной О. т. Из этих теорий с наиб. высокой точностью проверена квант. электродинамика лептонов, применимость к-рой установлена до расстояний 10-16 см. Отсюда следует, что по крайней мере до этих расстояний действует геометрия частной О. т. Неоднократно повторялись с высокой точностью классич. опыты, использовавшиеся для обоснования О. т. в первые десятилетия её существования (Майкельсона опыт и др.). Такого рода опыты сейчас представляют в основном историч. интерес, т. к. осн. массив подтверждений ОТО составляют данные, относящиеся к вз-ствиям релятив. элем. ч-ц, где справедливость кинематики частной О. т. проверена на обширном материале.
• Принцип относительности, [М.—Л., 1935]; Эйнштейн А., Собр. науч. трудов, [т.] 1—4, М., 1965—67; Паули В., Теория относительности, пер. с нем., М.—Л., 1947; Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); Т е й л о р Э. Ф., У и л е р Дж. А., Физика пространства-времени, пер. с англ., 2 изд., М., 1971.
И. Ю. Кобзарев.
ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ, величина, характеризующая способность поверхности тела или границы раздела двух сред отражать падающий на неё поток эл.-магн. излучения. Количеств. хар-ка О. с.— отражения коэффициент. О. с. зависит от угла падения и поляризации падающего излучения. Зависимость О. с. поверхности от длины волны излучения в области видимого света воспринимается глазом человека как окраска отражающей поверхности. См. Отражение света.
ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ПРИЗМЫ, одна из групп призм оптических; характеризуются тем, что вошедшее в призму оптическое излучение (свет) испытывает внутри неё отражение от одной или последовательно от неск. ограничивающих её плоских полированных поверхностей (граней). Как и мн. другие оптич. призмы, О. п. часто не явл. призмами в строго геом. смысле. От спектральных призм О. п. отличаются тем, что пространственно не разделяют проходящее излучение по его частотам (т. е. не вызывают дисперсии света); от поляризационных призм — отсутствием двойного лучепреломления (О. п. изготовляются б. ч. из оптически изотропных материалов). Луч света, падающий из окружающей среды на грань О. п. под нек-рым углом к ней, выходит обратно в среду из той же или другой грани под таким же углом (при этом исходное направление луча может измениться на угол w¹0; рис.). Отражение от граней О. п. в большинстве случаев явл. полным внутренним отражением; если угол падения луча на к.-л. грань меньше предельного, на эту грань снаружи наносится плёнка зеркально отражающего покрытия (се-
ребро, алюминий). Введение в пучок лучей О. п. оптически эквивалентно постановке на его пути плоскопараллельной пластинки с толщиной, равной расстоянию, проходимому лучами в материале призмы; при наклонном падении лучей на призму оно вызывает такое же поперечное смещение пучка и те же аберрации.
Наиболее распространённые отражат. призмы; w — угол отклонения луча; стрелки, перпендикулярные лучам, указывают ориентацию исходного изображения и изображения, преобразованного призмой.
Последние существенны лишь при работе с О. п. в сходящихся и расходящихся пучках лучей; если же О. п. расположена в параллельном пучке, её аберрации практически не сказываются на кач-ве изображения.
О. п. для видимого света изготовляются из оптич. стекла; для ИК излучения — из прозрачных для него спец. сортов стекла, из кремния, германия, флюорита, фтористого лития, йодистого цезия и др.; для УФ излучения — из кварца, флюорита, фтористого лития и др. Осн. типы О. п. изображены на рисунке.
О. п. используют для изменения направления пучка света, уменьшения длины оптич. системы и преобразования изображения — его поворота на 180° или получения зеркального отображения (см. Оборачивающая система). Ход лучей в главном сечении О. п. подчиняется т. н. правилу оборачивания: О. п. с чётным числом отражающих граней даёт прямое изображение (ромб, пентапризма), с нечётным — зеркальное или перевёрнутое (прямоуг. О. п., призма Дове). Это правило неприменимо, если отражения лучей происходят в разных сечениях; напр., в прямоуг. О. п. с крышей получают прямое изображение. (Любая О. п. может быть пре-
511
вращена в О. п. с крышей, если заменить одну из её отражающих граней двумя, угол между к-рыми составляет 90°. Назначение крышеобразных О. п.— обеспечить поворот изображения справа налево и наоборот.) Для одновременного выполнения неск. функций (изменение длины системы, направления лучей, оборачивание изображения) применяют сложные комбинации из неск. О. п., напр. системы Порро I и II рода.
ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН, переизлучение волн препятствиями с изменением направления их распространения (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут быть непрозрачные тела, в к-рых волны данной природы распространяться не могут, неоднородности среды (как резкие, так и плавные). Обычно на границе раздела сред одновременно с О. в. происходит преломление волн. При падении плоской монохроматич. волны на плоскую границу раздела двух однородных сред с разными св-вами происходит зеркальное О. в. Амплитуды, фазы и направления распространения отражённой и преломлённой (прошедшей) волн определяются на основе согласования волн. полей по разные стороны от границы в соответствии с граничными условиями. Требование непрерывности
Отражение и преломление волны на плоской границе раздела двух сред с разл. показателями преломления (n2>n1): а — лучевая картина; б — проекции волн. векторов падающей, отражённой и преломлённой волн на границу.
фазы приводит к универсальному закону — тангенциальные (параллельные границе) составляющие волновых векторов падающей, отражённой и
преломлённой волн k║п =k║отр=k║пр=k║ должны быть равны (рис., б). В случае изотропных неподвижных сред норм. составляющие k(^)отр=-k(^)п и допустима лучевая трактовка закона О. в.: 1) падающий и отражённый лучи лежат в одной нормальной к границе плоскости, 2) угол отражения qотр (между лучом и нормалью) равен углу падения qп (рис., а).
Интенсивность отражённой волны характеризуется отражения коэффициентом R, к-рый существенно зависит от природы волн, св-в обеих сред, поляризации волн и угла qп. Для расчёта R необходимо удовлетворить специфическим для волн данной природы граничным условиям. Напр., в случае эл.-магн. волн граничные условия требуют, чтобы на границе тангенциальные составляющие напряжённостей электрич. и магн. полей были равны (см. Френеля формулы). В акустике граничные условия требуют, чтобы на границе раздела были равны давления в обеих средах и норм. составляющие скорости ч-ц среды. В этом случае
где n=n2/n1=с1/с2 — относит. показатель преломления, m=r2/r1 — отношение плотностей сред.
При n<1 и углах падения, больших критического q*(sinq*=n), имеет место полное внутреннее отражение волн.
Идеальными отражающими экранами явл. зеркала — предельный случай границы раздела сред, когда n®¥ (абсолютно жёсткие стенки в акустике, идеально проводящие поверхности в электродинамике) или n®0 (абсолютно податливые или идеальные магн. стенки). И в том и в другом случае R®1.
Как отражённая, так и преломлённая волны явл., вообще говоря, результатом интерференции переизлучённых в толще обеих сред волн. Законы зеркального О. в. могут быть обобщены и приближённо сформулированы для участка границы, если выполняются условия применимости геометрической оптики и размеры неровностей границы много меньше длины волны l. Если размеры неровностей сравнимы с l, то при хаотич. расположении неровностей (шероховатая граница) имеет место диффузное рассеяние волн, а при периодическом, кроме отражённой в зеркальном направлении волны, возникают побочные волны, направление распространения к-рых зависит от l.
О. в. движущихся объектов происходит со смещением частоты (см. Доплера эффект), угол отражения при этом не равен углу падения. В средах с непрерывно меняющимися св-вами О. в. наблюдается, если характерные масштабы неоднородностей L£l. В плавно неоднородных средах L>>l О. в. мало, однако рефракция в них может привести к явлениям, сходным с О. в., напр. зеркальный мираж в пустыне (см. Рефракция звука, Рефракция света). В нелинейных средах волны большой интенсивности сами индуцируют неоднородности, при рассеянии на к-рых (вынужденное рассеяние) может возникать, напр., специфич. О. в. с обращением волнового
фронта (см. Обращённый волновой фронт).
О. в. лежит в основе многих природных явлений (эхо, миражи, звук. каналы в океане, радиоканалы в ионосфере и др.), техн. устройств и систем (волноводы, резонаторы, гидролокация и радиолокация). В нек-рых случаях О. в. приводит к вредным последствиям: повышению уровня шумов, гиперреверберации в залах, слепящим бликам, искажению телевизионных изображений. Для борьбы с паразитным О. в. применяются поглощающие покрытия, согласующие элементы (в волноводной технике), четвертьволновые плёнки («голубая оптика»), плавные в масштабе длины волны переходные слои и др.
В общем случае О. в. не может рассматриваться изолированно от явлений прохождения волн: преломления, поглощения, рассеяния, дифракции волн и преобразования в волны другой физ. природы или в волны с др. пространственной структурой. См. также Отражение света.
• См. лит. при ст. Волны.
М. А. Миллер, Г. В. Пермитин.
ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА, явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой вз-ствие света с в-вом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую среду. При этом по крайней мере первая среда должна быть прозрачна для падающего и отражаемого излучения. Несамосветящиеся тела становятся видимыми вследствие О. с. от их поверхностей.
Пространств. распределение интенсивности отражённого света определяется отношением размеров неровностей поверхности (границы раздела) к длине волны l падающего излучения. Если неровности малы по сравнению с l, имеет место правильное, или зеркальное, О. с. Когда размеры неровностей соизмеримы с l или превышают её (шероховатые поверхности, матовые поверхности) и расположение неровностей беспорядочно, О. с. диффузно. Возможно также смешанное О. с., при к-ром часть падающего излучения отражается зеркально, а часть — диффузно. Если же неровности с размерами ~l и более расположены регулярно, распределение отражённого света имеет особый хар-р, близкий к наблюдаемому при О. с. от дифракционной решётки. О. с. тесно связано с явлениями преломления света (при полной или неполной прозрачности отражающей среды) и поглощения света (при её неполной прозрачности или непрозрачности).
Зеркальное О. с. отличает определ. связь положений падающего и отражённого лучей: 1) отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль к отражающей поверхности; 2) угол отражения y равен углу падения j (рис. 1).
512
Интенсивность отражённого света (характеризуемая отражения коэффициентом) зависит от j и поляризации падающего пучка лучей, а также от соотношения преломления показателей n2 и n1 второй и первой сред. Для отражающей среды — диэлектрика
Рис. 1. Зеркальное отражение света: N — нормаль к отражающей поверхности (границе раздела); j — угол падения; y —угол отражения (j=y); Еp , Rp , Es, rs— компоненты амплитуд электрич. вектора падающей и отражённой волн. Стрелками показаны выбранные положительные направления амплитуд колебаний.
эту зависимость количественно выражают Френеля формулы. Из них, в частности, следует, что при падении света по нормали к поверхности коэффициента отражения не зависит от поляризации падающего пучка и равен (n2-n1)2/(n2+n1)2; в очень важном частном случае нормального падения из воздуха или стекла на границу их раздела (nвозд ~ 1,0; nст=1,5) он составляет »4%.
Хар-р поляризации отражённого света меняется с изменением j и различен для компонент падающего света, поляризованных параллельно
Рис. 2. Зависимость от угла падения j коэффициентов отражения rp и rs составляющих падающей волны, поляризованных соотв. параллельно и перпендикулярно плоскости падения. Кривые 1 относятся к случаю n2/n1=1,52 (верхняя шкала j), кривые 2—к случаю na/n1=9 (нижняя шкала j).
(p-компонента) и перпендикулярно (s-компонента) плоскости падения (рис. 2). При углах j, равных т. н. углу Брюстера (см. Брюстера закон), отражённый свет становится полностью поляризованным перпендикулярно плоскости падения (р-составляющая падающего света полностью преломляется в отражающую среду). Эту особенность зеркального О. с. используют в ряде поляризационных приборов. При j, больших, чем угол Брюстера, коэфф. отражения от диэлектриков растёт с увеличением j, стремясь в пределе к единице, независимо от поляризации падающего света. При зеркальном О. с., как следует из ф-л Френеля, фаза отражённого света в общем случае скачкообразно изменяется. Если j=0 (свет падает нормально к границе раздела), то при n2>n1 фаза отражённой волны сдвигается на p, при n2< n1 — остаётся неизменной. Сдвиг фазы в случае j¹0 может быть различен для р- и s-составляющих падающего света в зависимости от того, больше или меньше j угла Брюстера, а также от соотношения n2 и n1. О. с. от поверхности оптически менее плотной среды (n2<n1) при sinj³n2/n1 явл. полным внутренним отражением, при к-ром вся энергия падающего пучка лучей возвращается в первую среду. Зеркальное О. с. от поверхностей сильно отражающих сред (напр., металлов) описывается ф-лами, подобными ф-лам Френеля, с тем (весьма существенным) изменением, что n2 становится к о м п л е к с н о й, величиной, мнимая часть к-рой характеризует поглощение падающего света. Поглощение в отражающей среде приводит к отсутствию угла Брюстера и более высоким, чем у диэлектриков, значениям коэфф. отражения — даже при норм. падении он может превышать 90% (именно этим объясняется широкое применение гладких металлич. и металлизированных поверхностей в зеркалах).
Отличаются и поляризационные хар-ки отражённых от поглощающей среды световых волн. Хар-р поляризации отражённого света настолько чувствителен к параметрам отражающей среды, что на этом явлении основаны мн. оптич. методы исследования металлов (см. Металлооптика).
Диффузное О. с.— его рассеивание неровной поверхностью второй среды по всем возможным направлениям. Пространств. распределение отражённого потока излучения и его интенсивность различны в разных конкретных случаях и определяются соотношением между l и размерами неровностей, распределением неровностей по поверхности, условиями освещения, св-вами отражающей среды. Пространств. распределение диффузно отражённого света приближённо описывается Ламберта законом. Диффузное О. с. наблюдается также от сред, внутр. структура к-рых неоднородна, что приводит к рассеянию света в объёме среды и возвращению части его в первую среду. И поглощение и рассеяние света во второй среде могут сильно зависеть от l. Результатом этого явл. изменение с п е к т р а л ь н о г о состава диффузно отражённого света, что (при освещении белым светом) визуально воспринимается как окраска тел.
• Ландсберг Г, С., Оптика, 5 изд., М., 1976 (Общий курс физики); Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973; К и з е л ь В. А., Отражение света, М., 1973. Н. А. Войшвилло.
ОТРАЖЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТ, отношение потока излучения, отражённого телом, к упавшему на него потоку излучения. Иногда (напр., для
радиоволн) пользуются понятием амплитудного О. к.— отношения амплитуд отражённой и падающей волн. В общем случае О. к. есть сумма коэфф. зеркального отражения и диффузного отражения (см. Отражение света).
ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, свойство нек-рых элементов электрич. цепей, выражающееся в уменьшении падения напряжения V на них при увеличении протекающего тока I (или наоборот). О. д. с. характеризуется величиной R=(DV/DI)<0. Элемент с О. д. с. не потребляет электрич. энергию, а отдаёт её в цепь, т. е. явл. активным элементом. Это происходит за счёт входящего в его состав к.-л. источника, пополняющего запас энергии цепи.
О. д.с. может осуществляться лишь в нек-рой области значений токов и напряжений, за пределами которой (DV/DI>0.
О. д. с. указывает на наличие падающего участка АВ на вольт-амперной хар-ке элемента (рис.). Природа О. д. с. у разл. активных
элементов (туннельный диод, Ганна диод и др.) разнообразна. Если абс. величина О. д. с. элемента меньше суммы положит. сопротивлений остальных элементов цепи, то его роль сводится к частичной компенсации потерь в цепи. Если же О. д. с. превышает эту сумму, то это означает, что состояние электрической цепи неустойчиво и возможен её переход в др. состояние устойчивого равновесия или возникновение в ней колебаний.
В. В. Мигулин.
ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ, одноосные кристаллы, в к-рых скорость распространения обыкновенного луча света меньше, чем скорость распространения необыкновенного луча (см. Двойное лучепреломление). В кристаллографии О. к. наз. также жидкие включения в кристаллах, имеющие ту же форму, что и сам кристалл.
ОТРЫВНОЕ ТЕЧЕНИЕ, течение, в к-ром поток газа или жидкости, обтекающий тело, отрывается от его поверхности с образованием вихревой зоны. При дозвук. течении типичным случаем явл. возникновение О. т. у поверхности тела с образующими криволинейной формы (рис. 1), напр. у профиля крыла, сферы. Необходимое условие возникновения О. т.— наличие на поверхности тела вязкого пограничного слоя и повышение давления в направлении течения. В пределах толщины 8 пограничного слоя скорость течения убывает от значения v0 (скорость внеш. потока) на внеш. границе слоя до v=0 на поверхности
513
Рис. 1. Схема образования отрывного течения при обтекании дозвук. потоком тела с образующими криволинейной формы.
Рис. 2. а — плавное обтекание крыла; б — обтекание крыла с отрывом потока.
Рис. 3. Отрывное течение при сверхзвук. обтекании цилиндра с остриём.
тела, а давление остаётся таким же, как во внеш. потоке. Поэтому в непосредств. близости от поверхности тела, где скорость ч-ц близка к нулю, их кинетич. энергия оказывается недостаточной для преодоления повышающегося давления. В результате эта скорость становится равной нулю, а затем меняет направление на обратное. Возникновение возвратного течения приводит к значит. утолщению пограничного слоя и отрыву потока от стенки.
Образование областей О. т. существенно влияет на аэродинамические (или гидродинамические) хар-ки тел. Напр., аэродинамическое сопротивление шара, движущегося с дозвук. скоростью, в осн. определяется О. т.
на поверхности задней полусферы. Турбулизация ламинарного пограничного слоя уменьшает зону О. т. и в неск. раз уменьшает силу аэродинамич. сопротивления шара.
На верхней поверхности крыла самолёта при нек-ром угле атаки также возникает О. т. (рис. 2), область к-рого с увеличением угла атаки возрастает. При этом подъёмная сила крыла сначала перестаёт увеличиваться, а затем начинает уменьшаться.
При сверхзвук. скоростях течения возникают ударные волны, в к-рых давление резко возрастает. В случае, когда ударная волна образуется на поверхности с вязким пограничным слоем, возникает О. т. (рис. 3). При сверхзвук. течениях образование О. т. существенно влияет не только на аэродинамич. хар-ки тела, но и на его тепловой режим.
В большинстве случаев возникновение О. т. нежелательно. Для его предотвращения применяют отсос пограничного слоя, вдувание в пограничный слой газа с повышенной кинетич. энергией и уменьшение роста давления в направлении течения путём соответствующего подбора формы поверхности обтекаемого тела. Однако при сверхзвук. скоростях течения образование О. т. может оказаться и полезным. Напр., игла, помещённая перед затупленным телом (рис. 3), вызывая О. т., способствует уменьшению аэродинамич. сопротивления.
• Лойцянский Л Г., Механика жидкости и газа, 5 изд., М., 1978; Ч ж е н П., Отрывные течения, пер. с англ., т. 1, М., 1972.
М. Я. Юделович.
ОТСЧЁТНОЕ УСТРОЙСТВО измерительного прибора (аналогового или цифрового), часть прибора, предназначенная для отсчитывания его показаний. О. у. аналогового прибора обычно состоит из шкалы и указателя. По типу указателя О. у. подразделяются на стрелочные и световые. В стрелочных О. у. стрелка своим концом перемещается относительно отметок шкалы. Конец стрелки может быть копьевидным или выполненным в виде ножа или натянутой нити (рис. 1). В последних двух случаях шкалы снабжаются зеркалом для устранения погрешности отсчёта, вызванной параллаксом. В световых О. у. роль стрелки выполняет световой луч, отражённый от зеркала, скреплённого с подвижной частью прибора (рис. 2). Световое О. у. позволяет устранить погрешность от параллакса и повысить чувствительность прибора за счёт увеличения длины указателя и удвоения угла его поворота.
О. у. цифрового прибора позволяет получить показание непосредственно в цифровой форме. При этом погрешности отсчёта, характерные для О. у. со стрелочным показателем, исключаются. Для создания изображений цифр применяются цифровые индикаторы разл. конструкции (рис. 3): механические, электромеханические, световые и др.
К. П. Широков.
Рис. 1. Схемы стрелочных отсчётных устройств (а — щитовой прибор, б — переносный прибор): 1 — шкала; 2 — основание шкалы (пластина); 3 — копьевидная стрелка; 4 — зеркало; 5 — ножевидная стрелка; 6 — изображение стрелки в зеркале (изображение при отсчёте показаний должно быть совмещено со стрелкой).
Рис. 2. Световое отсчётное устройство: 1 — источник света; 2 — оптич. устройство, содержащее указатель 3, имеющий вид нити или стрелки; 4 — зеркало, укреплённое на подвижной части измерит. механизма; 5 — шкала с проектируемым на неё изображением нити.
Рис. 3. Отсчётные устройства цифровых приборов: а — механич. устройство, т. н. механич. счётчик оборотов (состоящий из неск. барабанов 1, связь между которыми осуществляется через трибки 2); б — механич. отсчётное устройство приборов сравнения (мостов, компенсаторов) с ручным уравновешиванием (1 — лимб с цифрами и рукояткой 3; 2 — крышка с окнами, в к-рых появляются цифры); в — цифровое отсчётное устройство с рассредоточенными цифровыми индикаторами (лампами накаливания); г — устройство с сосредоточенными индикаторами (цифры всех разрядов расположены в один ряд); 9 — набор элементов (светящихся точек или полос), создающих изображение цифр.
аддитивное квант. число, характеризующее адроны или кварки. Ч-цы с ненулевым значением «О.» наз. «очарованными» частицами. В кварковой модели адронов «О.» равно разности между числами «очарованных» кварков (с) и антикварков (с). «О.» сохраняется в сильном и эл.-магн. вз-ствиях; в распадах «очарованных» адронов, происходящих за счёт слабого вз-ствия, «О.» меняется на единицу. «ОЧАРОВАННЫЕ» ЧАСТИЦЫ, семейство адронов, обладающих квант. числом «очарование». Св-ва «О.» ч. легко
514
понять, если предположить существование нового, «очарованного» кварка — с-кварка (с — от первой буквы англ. слова charm — очарование) с электрич. зарядом +2/3 е. Тогда «очарование» равно разности между числами с-кварков н антикварков (с~), из к-рых построен адрон. Кварк с — тяжёлый, это проявляется в том, что «О.» ч. значительно тяжелее p- и К-мезонов, «построенных» из «неочарованных» кварков-антикварков. Для самых лёгких «очарованных» мезонов установлены обозначения D и F. Их кварковая структура следующая: D0=(cu~), D+=(cd~), F+=(cs~), D~0=(c~u), D-=(c~d), F-=(c~s), где u, d и s(u~, d~ и s~) — соотв. нуклонные и странный кварки (антикварки). Символы D, F относятся к псевдоскалярным частицам. Для векторных «очарованных» мезонов приняты символы D* и F*. Значения масс этих мезонов таковы:
m(D0)=1863,3(9) МэВ,
m(D*0)=2006,0(l,5) МэВ,
m(D+)=1868,4(9) МэВ,
m(D*+)=2008,6(l,0) МэВ,
m(F)=2039(2) МэВ,
m(F*)=2140(60) МэВ,
m(D+)-m(D*0)=5,0(8) МэВ,
m(D*+)-m(D*0}= 2,6(1,8) МэВ.
«О.» ч. распадаются на обычные адроны только за счёт слабого вз-ствия (т. н. слабый распад), поэтому D- и F-мезоны стабильны относительно сильного и эл.-магн. вз-ствий. Возбуждённые «очарованные» мезоны распадаются быстро — за счёт сильного или эл.-магн. вз-ствия, сохраняющих «очарование». Нек-рые из наблюдавшихся распадов «очарованных» мезонов: D®К+p-мезоны, D ®m+vm+Х, f®h+x, D*®D+p, D*®d+g (X — совокупность остальных частиц распада). Время жизни мезонов (т) равно:
t(D±)»8•10-13 с,
t(D0)»4•10-13 с,
t(F)»3•10-13с.
Наиболее полная информация об «очарованных» мезонах получена в опытах по аннигиляции пары е+е-в адроны, проведённых на встречных электрон-позитронных пучках. В этой реакции был, в частности, открыт y-мезон (см. Мезоны со скрытым «очарованием») с массой 3,768 ГэВ, к-рый распадается на пару DD~. Поскольку сечение рождения таких мезонов при резонансной энергии велико, они служат «фабрикой» D-мезонов.
Рождение «О.» ч. в реакциях с протонной или яд. мишенью изучено значительно хуже. Так, напр., не известны соответствующие сечения, но они могут быть ~10-28 см2 при нач. энергиях протонов 400 ГэВ. Однако первое, правда косвенное, указание на существование «О.» ч. было получено при изучении вз-ствий мюонных нейтрино с нуклонами мишени; в 1974 на ускорителе в Батейвии (США)
были наблюдены т. н. димюонные события:
vm+N®m+m+X,
когда в конечном состоянии наблюдают два мюона, а остальные ч-цы (X) не идентифицируются. Димюонные события естественно интерпретировать как рождение «О.» ч., напр. vm+N®m+D+X,
с последующим слабым лептонным (сопровождающимся испусканием лептонов) распадом D-мезона. Прямое свидетельство в пользу существования «О.» ч. было получено в 1976— 1977 в опытах по аннигиляции е+ е-.
Со времени открытия «О.» ч. их свойства интенсивно изучаются. Установлены массы «очарованных» мезонов и барионов, измерены их полные времена жизни и относительные вероятности различных каналов распада. Измерены сечения рождения «О.» ч. в столкновениях адронов, к-рые оказались значительно больше ожидаемых. Свойства «очарованных» барионов изучены хуже, чем «очарованных» мезонов. Между тем их спектр должен быть обширным. Должны существовать, напр., такие интересные экзотические объекты, как барион (ссс) с «очарованием» 3; его ожидаемая масса около 5 ГэВ.
Открытие «О.» ч. явилось триумфом теории, в особенности кварковой модели элем. ч-ц, к-рая предсказала существование новых ч-ц задолго до их эксперим. обнаружения. Условно развитие теор. представлений об «О.» ч. можно разбить на три этапа. В 60-х гг. существование «О.» ч. обсуждалось как возможное, но не обязат. расширение семейства известных кварков u, d, s, с (?). В 1972 в работе амер. физиков Ш. Глэшоу, Дж. Илиопулоса, итал. физика Л. Майани было показано, что должны существовать относительно лёгкие — с массой порядка неск. ГэВ — «О.» ч. с вполне определ. св-вами слабых распадов, связанными с тем, что «очарованные» кварки должны распадаться в осн. на странные кварки (s). Наконец, уверенность в существовании «О.» ч. и чёткие представления об их св-вах возникли после открытия в 1974 J/y-мезонов, к-рые были интерпретированы как связ. состояние «очарованных» кварка и антикварка (см. Мезоны со скрытым «очарованием»). Все имеющиеся эксперим. наблюдения укладываются в теор. схему. В частности, в распадах D-мезонов действительно образуются странные ч-цы — К-мезоны. В распаде F-мезона, в составе к-рого уже есть s-кварк, обнаружены h-мезоны, волн. ф-ция к-рых содержит значит. примесь состояния ss~.
«О.» ч. (как и мезоны со скрытым «очарованием») — важный объект для проверки совр. теории сильного вз-ствия — квантовой хромодинамики. В частности, благодаря большой массе с-кварка их описание в большинстве случаев проще, чем «обычных» ч-ц (содержащих только «лёгкие» u-, d-, s-кварки).
В то время как существование «очарованного» кварка необходимо для теории, дальнейшее расширение «семейства» кварков в рамках сложившихся представлений не явл. обязательным. Однако в 1977 выяснилось, что «очарованный» кварк не самый тяжёлый (см. Ипсилон-частицы).
Классификация кварков, понимание их спектра — одна из гл. проблем теории элем. ч-ц. Открытие «О.» ч. явилось очень важным эксперим. фактом, подтвердившим существование целого спектра кварков.
• Вайсергберг А. О., Определение времени жизни очарованных частиц, «Природа», 1981, № 4.
В. И. Захаров.
ОЧКИ, самый распространённый оптич. прибор для улучшения зрения при оптич. несовершенствах глаз (корригирующие О.) или для защиты глаз от разл. воздействий (защитные О.).
Человеческий глаз представляет собой естественную сложную и совершенную оптич. систему. Его способность фокусировать на сетчатке изображения не только удалённых, но и близких предметов наз. аккомодацией глаза. Если без аккомодации изображения удалённых предметов фокусируются на сетчатке, глаз наз. эмметропическим (нормальным), если перед ней — миопическим (близоруким), а в случае расположения изображения за сетчаткой — гиперметропическим (дальнозорким). Дальнозоркий глаз можно скорригировать с помощью положительной (собирающей) сферич. линзы, а близорукий — рассеивающей (отрицательной) линзы.
Оптическая сила корригирующих линз зависит от степени отклонения глаза от нормального и выражается в диоптриях (м-1).
Лучи, параллельные оптич. оси, могут вообще не собираться в точку на сетчатке глаза, а образовывать в двух плоскостях два отрезка прямой, перпендикулярных друг другу (астигматизм). Астигматич. глаз может быть исправлен цилиндрич. линзой определ. силы и с определ. направлением образующей цилиндра по отношению к глазу. Часто астигматизм сочетается с близорукостью или дальнозоркостью, и тогда для коррекции применяют с ф е р о т о р и ч е с к и е линзы (одна поверхность линзы сферическая, другая торическая) с двойной кривизной — радиусы кривизны в двух взаимно перпендикулярных направлениях должны быть различными.
С возрастом падает способность аккомодации и возникает необходимость в разных О. для чёткого различения близких и удалённых предметов. Такие О. можно совместить в одной оправе с
515
помощью линз, нижняя часть к-рых имеет одну оптич. силу, а верхняя — другую. Такие О. наз. б и ф о к а л ь н ы м и.
Для уменьшения разл. аберраций в очках применяются только специально рассчитанные менисковые линзы. Стёкла О. должны быть правильно расположены перед глазами на определ. расстоянии от роговицы и на расстоянии друг от друга, соответствующем расстоянию между зрачками. Очки т. н. спец. назначения применяются при тяжёлых комбинированных нарушениях зрения: призматические О.— для исправления косоглазия, телескопические (устроенные как небольшой бинокль) — при резком снижении остроты зрения. Разновидностью О. можно считать контактные линзы.
Защитные О. предохраняют глаза от механич. и хим. повреждений, а также от вредного воздействия
чрезмерно яркого или неблагоприятного по спектр. составу света, (при сварке и выплавке металлов, работе с лазерами и др. мощными источниками света и т. п.).
О. для защиты от воздействия излучений выполняются в виде светофильтров, нейтральных или селективных.
А. В. Луизов,
ОЧКИ ПОЛЯРОИДНЫЕ, очки с одним или двумя слоями поляроида. Очки с двумя слоями поляроида применяются как затемняющие светофильтры переменной плотности: сбоку очков выступает рычажок, с помощью к-рого можно два поляроида одновременно поворачивать относительно двух других, неподвижных. При параллельных поляроидах пропускание очков ~40%, при скрещённых оно становится минимальным (~0,01%).
Очки с одним слоем поляроида применяются либо для разделения изображений, либо для уменьшения
яркости бликов отражённого света. В первом случае плоскости поляризации обоих фильтров устанавливают взаимно перпендикулярно, чтобы в каждый глаз попадал свет только одной плоскости поляризации. Такие очки применялись в системе стереокино, в к-рой два кадра стереопары посылались на экран в поляризованном свете: плоскость поляризации каждого кадра соответствовала плоскости поляризации поляроида, через к-рый свет должен был пройти в соответствующий глаз. Во втором случае поляроидные фильтры имеют одинаковые направления плоскостей поляризации и не пропускают свет, поляризованный в перпендикулярной плоскости. Свет, отражённый под углом от диэлектрич. среды, в значит. степени поляризован. О. п. позволяют сильно ослабить этот отражённый свет, что даёт возможность, напр., заглянуть. в глубь воды.
А. В. Луизов.