«ШАРМ» , то же, что «очарование».
ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ, интервал частот v (или длин волн l=c/v), характеризующий спектр. линии в спектрах оптических атомов, молекул и др. квант. систем. Каждому излучательному квантовому переходу между дискр. уровнями энергии ξk н ξi соответствует нек-рый интервал Dnki частот, близких к частоте перехода nki=(ξk-ξi)/h=(ξk-ξi)/2pћ. Значение Dnki определяет Ш. с. л.— степень немонохроматичности данной спектр. линии. Контур спектр. линии I(n) (зависимость интенсивности испускания или поглощения от частоты) обычно имеет максимум при частоте перехода nki или
Симметричный контур спектр. линии. Частоте nki соответствует макс. интенсивность I (n)ki испускания; Dnki — ширина спектр. линии.
вблизи неё (рис.); за Ш. с. л. принимают разность частот, к-рым соответствует уменьшение интенсивности по сравнению с максимальной вдвое (её наз. иногда полушириной спектр. линии).
Ш. с. л. Dnki без учёта Доплера эффекта определяется суммой ширин уровней энергии ξk и ξi: Dnki=(Dξk-Dξi)/h»(1/tk+1/ti)/2p,
т. е. Dnki тем больше, чем меньше времена жизни tk, и ti квант. системы на уровнях k и i. Радиационная (естественная) Ш. с. л. (Dnki)рад=(Ak+Ai)/2p (где Ak и Ai — полные вероятности спонтанных переходов с уровней ξk и ξi на все нижележащие уровни), она очень мала и обычно Ш. с. л. для атомов и молекул определяется в осн. уширением их уровней энергии при вз-ствии с окружающими ч-цами (в газе и плазме — при столкновениях), а также уширением спектр. линий вследствие эффекта Доплера. В зависимости от типа уширения получается симметричный или асимметричный контур спектр. линий (на рисунке показан симметричный, т. н. дисперсионный, контур, характерный для радиац. уширения).
• Гайтлер В., Квантовая теория излучения, пер. с англ., М., 1956; С о б е л ь м а н И. И., Введение в теорию атомных спектров, 2 изд., М., 1977.
ШИРИНА УРОВНЯ, неопределённость энергии квантовомеханич. системы (атома, молекулы и др.), обладающей дискр. уровнями энергии ξk в состоянии, к-рое не явл. строго стационарным. Ш. у. (Dξk), характеризующая размытие уровня энергии, его уширение, зависит от ср. длительности пребывания системы в данном состоянии — времени жизни на уровне (tk) и, согласно неопределённостей соотношению для энергии и времени, равна: Dξk»ћ/tk. Для строго стационарного состояния системы tk=¥ и Dξk=0. Время жизни tk, а следовательно, и Ш. у. обусловлены возможностью квантовых переходов системы в состояния с другими энергиями. Для свободной системы (напр., для изолированного атома) спонтанные излучат. переходы с уровня ξk, на нижележащие уровни ξi (ξi<ξk) определяют радиационную, или естественную, Ш. у.:
(Dξ)рад»ћAk, где Ak=SiAki — полная вероятность спонтанного испускания с уровня ξk, Aki— Эйнштейна коэффициенты для спонтанного испускания. Уширение уровня может быть вызвано также спонтанными безызлучат. переходами, напр. для радиоакт. ат. ядра альфа-распадом. Ширина ат. уровня очень мала по сравнению с энергией уровня. В др. случаях (напр., для возбуждённых ядер, вероятность квант. переходов к-рых обусловлена испусканием нейтронов и очень велика) Ш. у. может стать сравнимой с расстоянием между уровнями. Любые вз-ствия, увеличивающие вероятность перехода системы в др. состояния, приводят к дополнительному уширению уровней. Примером может служить уширение уровней атома (иона) в плазме в результате его столкновения с ионами и электронами. В общем случае полная Ш. у. пропорц. сумме вероятностей всех возможных переходов с этого уровня — спонтанных и вызванных разл. вз-ствиями.
Ш. у. определяет ширину спектр. линий.
• См. лит. при ст. Ширина спектральных линий.
М. А. Ельяшевич.
ШКАЛА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА, часть отсчётного устройства прибора, представляющая собой совокупность отметок (точек, штрихов, расположенных в определ. последовательности) и проставленных у нек-рых из них чисел отсчёта или др. символов, соответствующих ряду последоват. значений измеряемой величины. Параметры шкалы — её пределы, цена деления (разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам) и др.— определяются пределами измерений прибора, чувствительностью прибора и требуемой точностью отсчёта. В зависимости от конструкции отсчётного устройства отметки шкалы могут располагаться по окружности, дуге или прямой линии, а сама шкала — быть равномерной, квадратичной, логарифмической и т. д. Осн. отметки шкалы, соответствующие числам отсчёта, наносятся более длинными (или толстыми) линиями. Показания отсчитываются невооружённым глазом при расстоянии между делениями до 0,7 мм, при меньших — при помощи лупы или микроскопа. Для оценивания долей делений шкалы применяют дополнит. шкалы — нониусы. Ш. и. п. стандартизованы ГОСТом 5365—73.
К. П. Широков.
ШКАЛА ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ, принятая по соглашению последовательность значений, присваиваемых физ. величине по мере её возрастания (или убывания). Обычно эта последовательность определяется принятым методом измерений величины. Примеры: температурные шкалы, шкалы твёрдости по Роквеллу, Виккерсу, Бринеллю.
К. П. Широков.
ШЛИРЕН-МЕТОД, то же, что теневой метод.
ШМИДТА ЧИСЛО [по имени австрийского учёного В. М. Шмидта (W. М. Schmidt)], один из подобия критериев движений жидкостей или газов, в к-рых существенны процессы внутр. трения и диффузии. Ш. ч.— диффуз. аналог Прандтля числа — представ-
854
ляет собой отношение коэфф. кинематич. вязкости v жидкости или газа к коэфф. диффузии D. Ш. ч. Sc=v/D характеризует относительную роль мол. процессов переноса кол-ва движения и переноса массы примеси диффузией. В совершенных (подчиняющихся Клапейрона уравнению) газах Sc=1, т. к. v=D. В реальных газах. Ш. ч. может отличаться от единицы. Ш. ч. часто наз. диффуз. числом Прандтля и обозначают PrD.
ШНУРОВАНИЕ ТОКА, возникновение в диэлектриках и ПП в сильных электрич. полях токовой нити (шнура) с радиусом R, меньшим поперечного размера образца. Плотность тока в шнуре больше, чем в окружающем объёме. Несмотря на то что сечение токового шнура обычно во много раз меньше площади сечения образца, может оказаться, что практически весь ток протекает в шнуре. Ш. т. возникает, если вольтамперная характеристика (ВАХ) проводника настолько сильно отклоняется от закона Ома, что принимает S-образную форму (см. Отрицательное дифференциальное сопротивление). Такая ВАХ характерна для веществ, удельная электропроводность которых быстро растёт с увеличением темп-ры (из-за увеличения концентрации носителей заряда или их подвижности): нагревание за счёт джоулева тепла приводит к увеличению проводимости и аномальному росту тока. Состояния с однородным по сечению распределением плотности тока j неустойчивы на падающем участке S-образной хар-ки, когда заданный (сопротивлением нагрузки) ток I больше I1, но меньше I2 (рис.). В этом интервале токов устойчивым является состояние с токовым шнуром. Толщина l переходного слоя от области высокой плотности тока в шнуре к окружающей его области с низкой плотностью тока определяется теплопроводностью, диффузией носителей заряда и т. п. При больших I, когда R>>l, с ростом тока лишь увеличивается R, напряжение же U не меняется (рис.) и равно т. н. напряжению поддержания пробоя. При этом характеристика — вертикальная прямая. Её наличие является характерным признаком Ш. т.
Зависимость тока I от напряжения U при шнуровании тока. Сплошные кривые — устойчивые участки ВАХ: нижний и верхний соответствуют однородному распределению плотности тока, средний — образованию токового шнура; пунктир — неустойчивые участки; стрелками показаны скачки напряжения, сопровождающие возникновение и исчезновение шнура при увеличении и уменьшении тока в проводнике (когда его сопротивление меньше сопротивления нагрузки в электрич. цепи).
Ш. т. сопровождает пробой полупроводников и диэлектриков. При очень больших j в шнуре джоулев нагрев в нём приводит к разрушению материала проводника.
• Волков А. Ф., Коган Ш. М., Физические явления в полупроводниках с отрицательной дифференциальной проводимостью, «УФН», 1968, т. 96, в. 4, с. 633.
Ш. М. Коган.
ШОТКИ БАРЬЕР, потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое ПП, граничащем с металлом; исследован нем. учёным В. Шотки (W. Schottky; 1939). Для возникновения Ш. б. необходимо, чтобы работы выхода эл-нов из металла Фм и полупроводника Фп были разными. При контакте ПП n-типа с металлом, имеющим Фм>Фп, металл заряжается отрицательно, а ПП — положительно, т. к. эл-нам легче перейти из ПП в металл, чем обратно (при контакте ПП р-типа с металлом, обладающим Фм<Фп, металл заряжается положительно, а ПП — отрицательно). Возникающая при установлении равновесия между металлом и ПП контактная разность потенциалов равна: Uк=(Фм- Фп)/e (е — заряд эл-на). Из-за большой электропроводности металла электрич. поле в него не проникает, и разность потенциалов Uк создаётся в приповерхностном слое ПП. Направление электрич. поля в этом слое таково, что энергия осн. носителей заряда в нём больше, чем в толще ПП.
Энергетич. схема контакта металл — ПП: а — ПП n-типа и металл до сближения; б и в — идеальный контакт металла с ПП n- и р-типов; г — реальный контакт металла с ПП n-типа; М — металл; П — полупроводник; Д — диэлектрич. прослойка; С — поверхностные электронные состояния; ξv, ξc, ξвак — уровни энергии эл-на у потолка валентной зоны, у дна зоны проводимости и в вакууме; ξF — энергия Ферми; Фп — работа выхода ПП, Фм — металла; U — разность потенциалов при поверхностном слое ПП.
Это означает, что в ПП n-типа энергетич. зоны в приконтактной области изгибаются вверх, а в ПП р-типа — вниз (рис.). В результате в ПП вблизи контакта с металлом, при Фм>Фп для ПП n-типа или при Фм<Фп для ПП р-типа, возникает Ш. б. высотой Ф0.
В реальных структурах металл — ПП это соотношение не выполняется, т. к. на поверхности ПП или в тонкой диэлектрич. прослойке, часто возникающей между металлом и ПП, обычно есть локальные электронные состояния; находящиеся в них эл-ны экранируют влияние металла так, что внутр. поле в ПП определяется этими поверхностными состояниями и высота Ш. б. зависит от Фм менее резко, чем это следует из приведённых выше ф-л. Как правило, наибольшей высотой обладают Ш. б., получаемые нанесением на ПП n-типа плёнки Au. На высоту Ш. б. оказывает также влияние сила «электрического изображения» (см. Шотки эффект).
Ш. б. обладает выпрямляющими св-вами. Ток через Ш. б. при наложении внеш. электрич. поля создаётся почти целиком осн. носителями заряда. Величина тока определяется скоростью прихода носителей из объёма к поверхности или, в случае ПП с высокой подвижностью носителей, током термоэлектронной эмиссии. Контакты металл — ПП с Ш. б. используются в CBЧ детекторах и смесителях, транзисторах, фотодиодах и в др. приборах.
• Стриха В. И., Бузанева Е. В., Радзиевский И. А., Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки, М., 1974; С т р и х а В. И., Теоретические основы работы контакта металл — полупроводник, К., 1974; Милнс А., Фойхт Д., Гетеропереходы и переходы металл -полупроводник, пер. с англ., М., 1975.
Т. М. Лифшиц.
ШОТКИ ЭФФЕКТ, уменьшение работы выхода эл-нов из тв. тел под действием внешнего ускоряющего их электрич. поля. Ш. э. проявляется в росте тока термоэлектронной эмиссии в режиме насыщения, в уменьшении энергии поверхностной ионизации и в сдвиге порога фотоэлектронной эмиссии в сторону больших длин волн. Ш. э. возникает в электрич. полях Е, достаточно больших для рассасывания пространств. заряда у поверхности эмиттера (Е~10—100 В•см-1), и существен до полей E~106 В•см-1, после чего начинает преобладать просачивание эл-нов сквозь потенц. барьер, образующийся на границе тела (автоэлектронная эмиссия). Теория Ш. э. для металлов создана нем. учёным В. Шотки (1914). Для объяснения Ш. э. достаточно рассмотреть силы, действующие на эл-н вблизи поверхности металла, начиная с расстояний х>а (а — межат. расстояние), когда можно отвлечься от ат. структуры поверхности. Из-за большой электропроводности металла его поверхность эквипотенциальна, силовые линии электрич. поля перпендикулярны ей. Поэтому эл-н с зарядом — е, находящийся на расстоянии х от поверхности, взаимодействует с ней так, как если бы он индуцировал в металле на глубине — x своё «электрич. изображение», т. е. заряд +е. Сила их притяжения F=е2/16pe0x2, где e0 — электрическая постоянная. Энергия эл-на в поле этой силы
855
фэи=- e2/16pe0x. (1)
Внеш. электрич. поле Е уменьшает эту энергию на величину еЕх. Ход потенц. энергии эл-на вблизи поверхности принимает вид (рис.):
Ф=(-е2/16pe0х-eЕх), (2)
и потенц. порог на границе металла превращается в потенц. барьер с вершиной при x=xм= (е/16pe0E)1/2. При Е£ 5•106В•см-1 xм³8Å(а~ЗÅ).
Ход потенц. энергии эл-на вблизи границы металл — вакуум при отсутствии внеш. поля (Фэи ) и при наличии электрич. поля Е, ускоряющего эл-ны (Ф): DФ— уменьшение потенц. барьера под действием поля; х — расстояние до поверхности металла; ξF — энергия Ферми металла (штриховкой показаны заполненные электронные состояния в металле); Ф0— работа выхода металла при отсутствии внеш. поля;xм — расстояние от вершины потенц. барьера до поверхности металла при наличии внеш. поля.
Уменьшение работы выхода за счёт действия электрич. поля равно: DФ=е(еE/4pe0)1/2. В результате Ш. э. термоэлектронный ток j в режиме насыщения возрастает по закону: j=j0ехр(е3Е/4pe0k2Т2)1/2, а частотный порог фотоэмиссии ћw0 сдвигается на величину D(ћw0)=DФ.
В случае, когда эмитирующая поверхность неоднородна и на ней имеются «пятна» с разл. работой выхода, над её поверхностью возникает электрич. поле пятен. Это поле тормозит эл-ны, вылетающие из участков катода с меньшей, чем у соседних, работой выхода. Внеш. электрич. поле складывается с полем пятен и, возрастая, устраняет тормозящее действие последнего. Вследствие этого эмиссионный ток из неоднородного эмиттера растёт при увеличении Е быстрее, чем в случае однородного эмиттера (аномальный Ш. э.).
Влияние электрич. поля на эмиссию эл-нов из полупроводников более сложно. Электрич. поле проникает в них на большую глубину (от сотен до десятков тысяч ат. слоев). Поэтому заряд, индуцированный эмитированным эл-ном, расположен не на поверхности, а в слое толщиной порядка дебаевского радиуса экранирования rэ. Для х>rэ применима ф-ла (1), но лишь для полей во много раз меньших, чем у металлов (Е£102—104В•см).
Кроме того, поле, проникая в ПП, вызывает в нём перераспределение зарядов, что приводит к дополнит. уменьшению работы выхода. Обычно, однако, на поверхности ПП имеются электронные поверхностные состояния. При достаточной их плотности (~1013 см-2) находящиеся в них эл-ны экранируют внеш. поле. В этом случае, если заполнение и опустошение поверхностных состояний под действием поля вылетающего эл-на происходит достаточно быстро, то Ш. э. такой же, как и в металлах. Ш. э. рассматривается и при протекании тока через контакт металл —ПП (см. Шотки барьер).
• Schottky W., «Physikalische Zeitschrift», 1914, Bd 15, S. 872; Добрецов Л. Н., Гомоюнова М. В., Эмиссионная электроника, М., 1966; Ненакаливаемые катоды, М., 1974.
Т. М. Лифшиц, А. Я. Шульман.
ШПОЛЬСКОГО ЭФФЕКТ, возникновение квазилинейчатых спектров сложных органич, соединений в специально подобранных растворителях при низких темп-рах. Впервые это явление наблюдали в 1952 Э. В. Шпольский и его сотрудники Л. А. Климова и А. А. Ильина. Растворитель должен быть химически нейтральным по отношению к внедрённым молекулам, не взаимодействовать с ними и быть оптически прозрачным в области поглощения и испускания внедрённых молекул (такими св-вами обладает, напр., жидкий н-парафин). Исследуемое в-во растворяют в нём в малых концентрациях (10-5—10-7 г/см3), затем р-р охлаждают до темп-ры ниже точки кристаллизации растворителя (в случае н-парафина — до -196°С или ниже). В этих условиях исследуемые молекулы изолированы друг от друга и жёстко закреплены в растворителе. Вследствие этого их электронно-колебат. спектры испускания и поглощения (см. Молекулярные спектры) состоят не из широких полос, как в обычных условиях, а из серий узких спектральных линий, напоминают ат. спектры (их называют квазилинейчатыми спектрами) и обладают ярко выраженной индивидуальностью.
Квазилинейчатые спектры имеют хорошо развитую колебат. структуру, что позволяет определять частоты колебаний молекул не только в основном, но и в возбуждённых состояниях. С их помощью исследуют структуру индивидуальных сложных органич. соединений, физ. и хим. св-ва свободных сложных органич. радикалов; процессы фотохимии органич. соединений; жизненно важные соединения (хлорофилл и его аналоги — порфирины); канцерогенные соединения; индивидуальные органич. соединения земной коры с целью изучения образования в ней углеводородов и разработки новых методов поиска нефти и др. полезных ископаемых. Спектр. анализ смесей на основе Ш. э. позволяет определять одновременно неск.
индивидуальных соединений в смеси и обладает абсолютной чувствительностью до 10-11 г.
Л. Ф. Уткина.
ШРЕДИНГЕРА УРАВНЕНИЕ, основное динамич. ур-ние нерелятив. квант. механики; предложено австр. физиком Э. Шрёдингером (Е. Schrődinger) в 1926. В квант. механике Ш.у. играет такую же фундам. роль, как ур-ния движения Ньютона в классич. механике и Максвелла уравнения в классич. теории электромагнетизма. Ш. у. описывает изменение во времени состояния квант. объектов, характеризуемого волновой функцией. Если известна волн. ф-ция y в нач. момент времени, то, решая Ш. у., можно найти y в любой последующий момент времени t.
Для ч-цы массы т, движущейся под действием силы, порождаемой потенциалом V(x, у, z, t), Ш. у. имеет вид:
где D=д2/дx2+д2/дy2+д2/дz2 — т. н. оператор Лапласа (х, у, z — координаты). Это ур-ние наз. в р е м е н н ы м Ш. у.
Если V не зависит от времени, то решения Ш. у. можно представить в виде:
где ξ — полная энергия квант. системы, a y(x, у, z) удовлетворяет с т а ц и о н а р н о м у Ш. у:
Для квант. систем, движение к-рых происходит в огранич. области пр-ва, решения Ш. у. существуют только для нек-рых дискр. значений энергии: ξ1, ξ2,. . ., ξn, . . .; члены этого ряда (в общем случае бесконечного) нумеруются набором целых квант. чисел п. Каждому значению ξn соответствует волн. ф-ция yn(x, у, z), и знание полного набора этих ф-ций позволяет вычислить все измеримые хар-ки квант. системы.
Ш. у. явл. матем. выражением фундам. св-ва микрочастиц — корпускулярного-волнового дуализма, согласно к-рому все существующие в. природе ч-цы материи наделены также волн. св-вами. Ш. у. удовлетворяет соответствия принципу и в предельном случае, когда длины волн де Бройля значительно меньше размеров, характерных для рассматриваемого движения, позволяет описать движение ч-ц по законам классич. механики. Переход от Ш. у. к ур-ниям классич. механики, описывающей движения ч-ц по траекториям, подобен переходу от волн. оптики к геометрической. Аналогия между классич. механикой и геом. оптикой, к-рая явл. предельным случаем волновой, сыграла важную роль в установлении Ш. у.
С матем. точки зрения Ш. у. есть волн. ур-ние и по своей структуре
856
подобно ур-нию, описывающему колебания нагруж. струны. Однако, в отличие от решений ур-ния колебаний струны, к-рые дают геом. форму струны в данный момент времени, решения y(x, у, z, t) Ш. у. прямого физ. смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волн. ф-ции, а именно величина rn(х, у, z, t) =│yn(x, у, z, t)│2, равная вероятности нахождения ч-цы (системы) в момент t в квант. состоянии n в точке пр-ва с координатами х, у, z. Эта вероятностная интерпретация волн. ф-ции — один из осн. постулатов квант. механики. •Шредингер Э., Новые пути в физике. Статьи и речи, М., 1971. См. также лит. при ст. Квантовая механика.
Л. И. Пономарёв.
ШТАРКА ЭФФЕКТ, расщепление спектр. линий атомов, молекул и др. квант. систем в электрич. поле. Открыт в 1913 нем. физиком Й. Штарком (J. Stark), явл. результатом сдвига и расщепления на подуровни уровней энергии под действием электрич. поля Е (штарковское расщепление, штарковские подуровни; термин «Ш. э.» относят также к сдвигу и расщеплению уровней энергии).
Ш. э. получил объяснение на основе квант. механики. Атом (или др. квант. система), находясь в состоянии с определ. энергией ξ, приобретает во внеш. поле Е дополнит. энергию Dξ вследствие поляризуемости его электронной оболочки и возникновения индуцированного дипольного момента. Уровень энергии, к-рому соответствует одно возможное состояние атома (невырожденный уровень), в поле Е характеризуется энергией ξ+Dξ, т. е. смещается. Разл. состояния вырожденного уровня энергии могут приобретать разные дополнит. энергии Dξa (a=1, 2,. . ., g, где g — степень вырождения уровня; см. Атом). В результате вырожденный уровень расщепляется на штарковские подуровни, число к-рых равно числу разл. значений Dξa. Так, уровень энергии атома с заданным значением момента кол-ва движения М=ћÖ(J(J+1) (где J = 0, 1, 2,. . . — квантовое число полного момента кол-ва движения) расщепляется на подуровни, характеризуемые разными значениями магн. квант. числа mJ, к-рое определяет величину проекции М на направление Е. Значениям -mJ и +mJ соответствует одинаковая дополнит. энергия Dξ, поэтому штарковские подуровни (кроме подуровня с m=0) дважды вырождены (в отличие от Зеемана эффекта, для к-рого все подуровни не вырождены).
Различают линейный Ш. э. (Dξ пропорц. Е; рис. 1) и квадратичный Щ. э. (Dξ пропорц. Е2; рис. 2). В первом случае получается симметричная относительно первичной линии картина расщепления, во втором — несимметричная. Линейный Ш. э. характерен для атомов Н в не слишком сильных полях и составляет
Рис. 1. Зависимость величины расщепления уровня энергии Dξ от напряжённости электрич. поля Е при линейном эффекте Штарка (расщепление уровня энергии атома Н, определяемого гл. квант. числом n= 3, на 5 подуровней).
Рис. 2. Зависимость величины расщепления уровней энергии Dξ от напряжённости электрич. поля Е при квадратичном эффекте Штарка.
тысячные доли эВ для Е~104В/см. Уровень энергии атома Н с заданным значением гл. квант. числа n симметрично расщепляется на 2n-1 равноотстоящих подуровней (рис. 3). Компоненты штарковского расщепления поляризованы. При наблюдении в направлении, перпендикулярном направлению Е, появляются продольно поляризованные p-компоненты и поперечно поляризованные s-компоненты. При наблюдении вдоль Е p-компоненты не появляются, а на месте
Рис. 3. Расщепление линии Нa водорода в поле Е. Различно поляризованные компоненты (линии я и а) возникают при определ. комбинациях подуровней.
s-компонент возникают неполяризованные компоненты. Интенсивности разных компонент различны. Линейный Ш. э. наблюдается также для водородоподобных атомов и для сильно возбуждённых уровней др. атомов. Иногда Ш. э. приводит к появлению запрещённых линий.
Для многоэлектронных атомов типичен квадратичный Ш. э. Величина его невелика — в полях ~ 105 В/см расщепление ~10-4 эВ. Для достаточно симметричных молекул, обладающих постоянным дипольным моментом, характерен линейный Ш. э., в др. случаях обычно наблюдается квадратичный Ш. э.
Важный случай Ш. э.— расщепление электронных уровней энергии иона в крист. решётке под действием внутрикрист. поля, к-рое может достигать сотых долей эВ. Это поле учитывается в спектроскопии кристаллов и в квант. электронике.
Ш. э. наблюдается и в перем. электрич. поле, причём изменение положения штарковских подуровней может быть использовано для изменения частоты квант. перехода в квант. устройствах (штарковская модуляция; см., напр., Микроволновая спектроскопия). Влияние быстропеременного электрич. поля на уровни энергии атомов (ионов) определяет, в частности, штарковское уширение спектр. линий в плазме, к-рое позволяет оценить концентрацию в ней заряж. ч-ц (напр., в атмосферах звёзд).
М. А. Ельяшевич.
ШТЕРНА — ГЕРЛАХА ОПЫТ показал, что проекция магнитного момента атома на направление магн. поля принимает дискр. значения (пространственно квантована). Поставлен в 1922 нем. физиками О. Штерном (О. Stern) и В. Герлахом (W. Gerlach) с целью проверки теор. ф-лы пространств. квантования проекции mz магн. момента атома m0 на направление z внеш. магн. поля Н: mz=m0m, где m=0, ±1, ±2, . . .
В первых опытах исследовалось прохождение атомов Ag в сильно неоднородном вдоль z магн. поле (рис.). В таком поле атомы, обладающие магн. моментом, должны отклоняться от направления их первонач. распространения.
Схема опыта Штерна—Герлаха: И — источник атомов; К — щели, формирующие пучок; N, S — полюса пост. магнита, создающего неоднородное магн. поле; П — пластинка, на к-рую оседают атомы; D — величина отклонения пучка от первонач. направления. Опыт производится в вакууме.
В Ш.— Г. о. ат. пучок расщеплялся на две компоненты, симметрично расположенные относительно первонач. направления. Это означает, что атомы Ag обладают магн. моментом m0, проекция к-рого mz в поле Н принимает два значения: mz=±m0, что согласуется с теор. ф-лой (m=±1).
В опыте использовались атомы Ag в осн. состоянии, во внеш. электронной оболочке к-рого находится лишь один эл-н. Это означает, что магн. момент атома может быть связан только с существованием собств. магн. момента эл-на. Ш.— Г. о. и другие, более ранние эксперименты привели Дж. Ю. Уленбека и С. Гаудсмита (1925, Нидерланды) к гипотезе су-
857
ществования у эл-на собств. механич. момента — спина.
а. В. Колпаков.
ШУБНИКОВА — ДЕ ХААЗА ЭФФЕКТ, осциллирующая зависимость электрич. сопротивления r монокрист. проводников от обратного магн. поля H-1 (рис.), наблюдаемая при низких темп-рах. Открыт Л. В. Шубниковым и голл. физиком В. де Хаазом (W. de Haas) в 1930 в монокристаллах Bi. Период осцилляции D зависит от ориентации поля H относительно кристаллографич. осей: D=│e│2pћ/cSextr(eF). Здесь е — заряд эл-на, Sextr(ξF) — экстремальная по проекции квазиимпульса на магн. поле площадь сечения Ферми поверхности. С ростом темп-ры амплитуда осцилляции экспоненциально убывает. Для наблюдения эффекта необходимо, чтобы выполнялись условия: eћ/m*c>kT и eH/m*с> t (m* — эффективная масса, t — время релаксации эл-нов). Ш.— де X. э.— результат квантования движения эл-нов в плоскости, перпендикулярной Н.
Ш.— де X. э. используется для определения формы Ферми поверхности, а также эфф. массы эл-нов проводимости в ПП.
• См. лит. при ст. Твёрдое тело, Металлы.
М. И. Каганов.
ШУМ, беспорядочные колебания разл. физ. природы, отличающиеся сложностью временной и спектр. структуры. Под акустич. Ш. понимают разного рода нежелат. помехи восприятию речи, музыки и т. д. Источниками акустич. слышимого и неслышимого Ш. могут быть любые колебания в тв., жидких и газообразных средах; осн. источники — разл. двигатели и механизмы.
Ш. играет существ. роль и во мн. областях науки и техники: оптике, радиотехнике, радиолокации, радиоастрономии, теории информации, вычислит. технике, медицине и др. Радиоэлектронные Ш.— случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, возникающие в результате неравномерной эмиссии эл-нов в электровакуумных приборах (напр., дробовой шум), неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителей тока в ПП приборах, теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум, см. Флуктуации электрические), теплового излучения Земли и земной атмосферы, а также планет, Солнца, межзвёздной среды и т. д. (шумы космоса). Ш. ограничивает чувствительность радиоприёмной аппаратуры.
Ш., независимо от физ. природы, отличается от периодич. колебаний случайным изменением мгновенных значений величин, характеризующих данный процесс.
Часто Ш. представляет собой смесь случайных и периодич. колебаний. Для описания Ш. и их источников применяют разл. матем. модели в соответствии с их временной, спектр. и пространств. структурой. Для количеств. оценки Ш. пользуются усреднёнными параметрами, определяемыми на основании статистич. законов, учитывающих структуру Ш. в источнике и св-ва среды, в к-рой он распространяется. Ш. подразделяются на статистически стационарные и нестационарные. Стационарный Ш. характеризуется постоянством ср. параметров: интенсивности (мощности), распределения интенсивности по спектру (спектр. плотность), автокорреляционной функции (среднее по времени от произведения мгновенных значений двух Ш., сдвинутых друг относительно друга на время задержки). Практически наблюдаемый Ш., возникающий в результате действия мн. отд. независимых источников (напр., Ш. толпы людей, моря, производств. станков, Ш. на выходе радиоприёмника и др.), явл. квазистационарным. Ш. с медленно меняющимися параметрами или длящийся короткие промежутки времени (меньше, чем время усреднения в измерит. устройствах) явл. нестационарным. К таким Ш. относят, напр., уличный шум проходящего транспорта, отд. стуки в производств. условиях, модулированный Ш. в радиоустройствах.
Исследование акустич. Ш. преследует разнообразные цели: изучение источников Ш. для уменьшения их вредного воздействия на человека и на разл. системы; изыскание способов и средств наилучшего (оптимального) обнаружения, приёма и измерения параметров слабых сигналов в присутствии Ш.; повышение точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации и др. Для измерения хар-к Ш. применяются шумомеры, частотные анализаторы, коррелометры и др.
В ряде случаев Ш. используются как источник информации. Напр., в военно-мор. технике по Ш., создаваемому на ходу подводными лодками и надводными кораблями, их обнаруживают и пеленгуют; в радиоастрономии по Ш. в определ. диапазонах частот исследуют радиоизлучение звёзд и др. косм. образований. Шумоподобные сигналы применяются в радио- и акустич. технике для разл. измерений. В речи встречаются согласные, к-рые по своим свойствам явл. шумовыми.
Качеств. особенности ощущения при восприятии акустич. Ш. органами слуха и организмом в целом зависят от его интенсивности (см. Громкость звука) и спектр. состава. Для предотвращения вредного действия акустич. Ш. на организм человека предпринимают ряд организац., техн. и медицинских мер, устраняют или ослабляют причины, порождающие Ш. на месте его образования, предотвращают его распространение от источников Ш. и др. Кроме вредного воздействия Ш. на человека, известно благотворное, успокаивающее влияние на него акустич. Ш., напр. Ш. мор. прибоя, Ш. леса.
• Борьба с шумом, под ред. Е. Я. Юдина, М., 1964; Акустика океана, под ред. Л. М. Бреховских, М., 1974; Б е н д а т Дж., Основы теории случайных шумов и ее применения, пер. с англ., М., 1965; Шум и вибрация, под ред. Н. И. Карповой, Л., 1976; Ш и р м а н Я. Д., М а н ж о с В. Н., Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех, М., 1981.
С. Г. Гершман.
ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА, эффективная величина, служащая мерой мощности шумов в радиоприёмных устройствах. Ш. т. Тш равна темп-ре абсолютно чёрного тела или согласованного сопротивления, при к-рой мощность его теплового шума равна мощности шумов данного устройства. Отношение Тш к T0=300 К наз. относит. Ш. т. или шумовым числом. Понятием Ш. т. пользуются в радиофизике для оценки уровня шумов электровакуумных и полупроводниковых приборов, предназначенных для усиления и преобразования электрич. сигналов; антенн; в радиоастрономии при описании источников косм. радиоизлучения; для определения шумового вклада, вносимого радиоприёмным устройством в полезный сигнал в процессе его обработки. Ш. т. реальных объектов определяется обычно сравнением с эталонными шумовыми генераторами.
• См. лит. при ст. Флуктуации электрические.
И. Т. Трофименко.
ШУМОМЕР, прибор для объективного измерения уровня громкости звука (шума). Ш. содержит ненаправленный измерит. микрофон, усилитель, корректирующие фильтры, детектор и стрелочный индикатор. Схема Ш. выбрана так, чтобы его св-ва приближались к св-вам человеческого уха. Чувствительность уха зависит от частоты звука, а вид этой зависимости изменяется с изменением интенсивности измеряемого шума (звука). Поэтому в Ш. имеются три комплекта фильтров, обеспечивающих нужную форму частотной хар-ки на трёх уровнях громкости. Шкала А отвечает хар-ке при малой громкости ~40 фон (используется в диапазоне 20—55 фон), В — средней громкости ~70 фон (55 — 85 фон) и С — большой громкости (85—140 фон). Хар-ка при большой громкости равномерна в полосе частот 30—8000 Гц. Шкала А применяется также для измерения уровня громкости звука, выраженного в децибелах с пометкой А, т. е. дБ (А), при любой громкости. Величиной уровня громкости звука в дБ (А) пользуются при нормировании громкости шума в промышленности, жилых домах и на транспорте. Шкала выходного прибора градуируется в дБ относительно
858
стандартного звук. давления 2•10-5 Па по одной из трёх шкал: А, В или С.
• Беранек Л., Акустические измерения, пер. с англ., М., 1952; Измерение шума машин и оборудования, М., 1968.
ШУМОПЕЛЕНГАТОР, устройство для обнаружения источника звука или шума и определения направления (пеленга) на него; применяются гл. обр. в гидролокации. Работают Ш. в области звук., ультразвук. и инфразвук, частот. Ш. подразделяются на стационарные, к-рые устанавливаются на дне океана (моря) на спец. опорных конструкциях или неподвижных (на якоре) буях, и подвижные — на подводных лодках, на нек-рых типах надводных кораблей, в контейнерах, опускаемых в воду с вертолёта, на свободно плавающих (дрейфующих) буях.
Ш. состоит из приёмника звука, компенсатора, фильтра, усилителя и индикатора. Приёмником звука чаще всего явл. акустич. антенна, состоящая из неск. (до сотен штук) гидрофонов, обладающих нужной диаграммой направленности (см. Направленность акустических излучателей и приёмников). Компенсатор служит для поворота оси диаграммы направленности антенны на шумящий объект и определения её направления. При использовании вращающейся антенны компенсатор обычно отсутствует. Фильтр Ш. пропускает определ. полосу звук. частот. Выделение низких частот способствует увеличению дальности действия Ш., а высоких — улучшению отношения сигнал/помеха и повышению точности пеленгования. Усилитель увеличивает амплитуду принимаемых сигналов до нужного для индикации уровня. Индикатором может быть телефон, динамик, электроннолучевой прибор.
Существуют устройства, сопрягаемые с Ш., с помощью к-рых посредством анализа спектра принимаемого акустич. сигнала производится классификация шумящих объектов (подводная лодка, надводный корабль, торпеда и т. п.). Точность пеленгования целей Ш. может достигать долей градуса, а дальность действия — десятков км.
• Тюрин А. М., Сташкевич А. П., Таранов Э. С., Основы гидроакустики, Л., 1966.
С. А. Барченков,
ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА, антенна в виде щели в металлическом экране. Как правило, щель прорезается поперёк линий токов, наводимых в сплошном экране электромагнитным полем (или под достаточно большим углом к ним). Это приводит к искажению распределения тока в экране и возникновению на щели перем. напряжения (перем. электрич. поля), благодаря чему и происходит излучение. Последнее может быть найдено как излучение нек-рого фиктивного «магн. тока», текущего по экрану вдоль щели. Поэтому Щ. а. наз. магнитной. Щ. а. используются часто для возбуждения волноводов, объёмных резонаторов, а также в кач-ве первичных облучателей в сложных антеннах.