Дальтона законы
Вид материала | Закон |
- Вопросы к Госэкзамену по курсу общей физики из раздела, 17.7kb.
- Направление: Искусство и гуманитарные науки, 1316.91kb.
- Законы сохранения и принципы симметрии, 283.17kb.
- Программа профильного курса для 10-11-х классов средней общеобразовательной школы Ивлев, 503.96kb.
- Законы делимости (дискретности) в мире животных и растений. Законы наследственности, 276.87kb.
- Законы Кеплера законы движения планет, 184.9kb.
- Авторское право. Терминология, 213.44kb.
- Законы ману, 3773.29kb.
- Исследование о влиянии эволюционной теории на учение о политическом развитии народов, 10156.41kb.
- Исследование о влиянии эволюционной теории на учение о политическом развитии народов, 6089.9kb.

Рис. 4. Поля упругих напряжений вокруг краевых дислокаций в кристалле кремния, выявленные методом фотоупругости. Дислокации пронизывают пластинку кремния перпендикулярно к плоскости рисунка.
Между предельными случаями краевой и винтовой Д. возможны любые промежуточные. В общем случае линия Д. может представлять собой произвольную пространств. кривую, вдоль к-рой вектор Бюргерса остаётся постоянным (и равным к.-л. вектору трансляции решётки), хотя ориентация Д. может изменяться.
Линии Д. не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петли, либо разветвляться на неск. Д., либо выходить на поверхность кристалла.

Рис. 5. а и б — отталкивающиеся и притягивающиеся дислокации; в и г — аннигиляция притягивающихся дислокаций.
Плотность Д. в кристалле определяется как ср. число линий Д., пересекающих внутри тела площадку в 1 м2, или как суммарная длина Д. в 1 м3. Плотность Д. обычно колеблется от 106 до 107 на 1 м2 в наиб. совершенных монокристаллах и до 1015—1016 на 1 м2 в
сильно искаженных (наклёпанных) металлах (см. ниже).
Участки кристалла вблизи Д. находятся в упругонапряжённом состоянии. Напряжения убывают обратно пропорц. расстоянию от Д. Поля напряжений вблизи отдельных Д. выявляются (в прозрачных кристаллах с низкой плотностью Д.) с помощью поляризов. света (рис. 4). Величина упругой энергии, обусловленной полем напряжений Д., пропорц. b2 и составляет обычно ~10-13 Дж на 1 м длины Д. При сближении двух Д. с одинаковыми векторами b (рис. 5, а) упругие напряжения около Д. увеличиваются и Д. отталкиваются. При сближении Д. с противоположными векторами Бюргерса их упругие поля взаимно компенсируются (рис. 5, б, в, г); Д. притягиваются и аннигилируют.
Движение дислокаций. Поскольку Д. обладает собств. полем напряжений, она под действием внешних приложенных к кристаллу напряжений испытывает силу, под действием к-рой приходит в движение, результатом чего является взаимное «проскальзывание» ат. плоскостей —пластич. деформация.
При перемещении Д. в плоскости скольжения в каждый данный момент разрываются и пересоединяются связи не между всеми атомами на плоскости скольжения, а только между теми атомами, к-рые находятся у линии Д. (рис. 6). Поэтому пластическая деформация сдвига может происходить при сравнительно малых внеш. напряжениях. Эти напряжения на неск. порядков ниже, чем напряжение, при к-ром может пластически деформироваться совершенный кристалл без Д. путём разрыва всех межат. связей в плоскости скольжения (теор. прочность на сдвиг, см. Пластичность).
Движение краевых Д. по нормали к плоскости скольжения (п е р е п о л з а н и е) осуществляется путём присоединения или отрыва вакансий от края плоскости (рис. 7). Оно связано с диффузионным переносом массы, пластич. деформацией и происходит при высоких темп-рах.

Рис. 6. Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и пересоединением межат. связей атомов у линии дислокации.
Подвижность дислокаций. Движению Д. препятствует не только прочность разрываемых межат. связей, но и рассеяние фононов и электронов проводимости в упруго искажённой области кристалла, окружающей движущиеся Д. Движению Д. мешают также упругое вз-ствие с др. Д. и с примесными атомами, межзёренные границы в поликристаллах, ч-цы др. фазы в распадающихся сплавах, двойники (см. Двойникование) и др. дефекты в кристаллах. На преодоление этих препятствий тратится часть работы внеш. сил. Т. о., кристалл с Д. «мягче» бездефектного кристалла, но если он «набит» Д. и др. дефектами настолько, что они мешают друг другу, то
164

Рис. 7. Переползание краевой дислокации. Атомы лишней полуплоскости переходят в вакантные узлы решётки.
кристалл снова становится «жёстким».
Образование и исчезновение дислокаций. Обычно Д. возникают при образовании кристалла из расплава или из газообразной фазы (см. Кристаллизация). Методы выращивания бездислокац. монокристаллов очень сложны и разработаны только для немногих в-в. После тщательного отжига кристаллы содержат обычно 108—109 Д. на 1 м2. Притягивающиеся Д. с противоположными векторами Бюргерса, лежащие в одной плоскости скольжения, при сближении уничтожают друг друга (аннигилируют, рис. 5, б, в, г). Если такие Д. лежат в разных плоскостях скольжения, то для их аннигиляции требуется переползание. Поэтому при высокотемпературном отжиге, способствующем переползанию, плотность Д. понижается. Искривление ат. плоскостей вблизи Д. изменяет сечение рассеяния рентг. лучей и эл-нов. На этом основаны рентг. и электронно-микроскопич. методы наблюдения Д. (рис. 8).
Основными механизмами размножения Д. в ходе пластич. деформации являются т. н. источники Франка — Рида и двойное поперечное скольжение. Источником Франка — Рида может служить отрезок Д., закрепленный на концах. Под приложенным напряжением он прогибается,

Рис. 8. Электронно-микроскопич. снимок дислокац. структуры кристалла хрома после высокотемпературной деформации
пока не отщепится замкнутая петля Д. и восстановится исходный отрезок. При двойном поперечном скольжении точками закрепления служат концы отрезков винтовой Д., вышедшей в др. плоскость скольжения и повернувшей затем в плоскость, параллельную первичной.
Дислокационная структура деформированных кристаллов. Разрушение. С ростом пластич. деформации число
Д. растёт, ср. расстояния между ними сокращаются, их поля упругих напряжений взаимно перекрываются и скольжение Д. затрудняется (деформац. упрочнение). Чтобы скольжение Д. могло продолжаться, приложенное внеш. напряжение необходимо повысить. При дальнейшем размножении Д. внутр. напряжения могут достигать значений, близких к теор. прочности. При превышении предела прочности наступает разрушение кристалла — зарождаются и растут микротрещины (рис. 9).

Рис. 9. Ат. плоскости, окаймляющие трещину в кристалле фталоцианида меди: а — электронно-микроскопич. фото/рафия (межплоскостное расстояние 12,6 А); б — схема расположения ат. плоскостей.
Влияние дислокаций на физические свойства кристаллов. Д. влияют не только на такие механич. св-ва, как пластичность и прочность, для к-рых присутствие Д. явл. определяющим, но и на др. физ. св-ва кристаллов. Напр., с увеличением плотности Д. возрастает внутреннее трение, изменяются оптич. св-ва, повышается электросопротивление металлов. Д. увеличивают ср. скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и др. процессы, связанные с диффузией, уменьшают
хим. стойкость кристалла, так что в результате обработки поверхности кристалла спец. в-вами (травителями) в местах выхода Д. образуются видимые ямки. На этом основано выявление Д. в непрозрачных материалах методом избирательного травления (рис. 10).

Рис 10. Ряды дислокаций в плоскостях скольжения в кристалле LiF, выявленные. методом травления. Косые ряды — краевые дислокации, вертикальный ряд — винтовые.
• Б ю р е н X. Г. в а н, Дефекты в кристаллах, пер. с англ., М., 1962; Ф р и д е л ь Ж., Дислокации, пер. с англ., М., 1967; И н д е н б о м В. Л., Орлов А. Н., Физическая теория пластичности и прочности, «УФН»,
1962, т. 76, в. 3, с. 557; К о т т р е л л А. X., Теория дислокаций, пер. с англ., М., 1969; X и р т Дж., Лоте И., Теория дислокаций, пер. с англ., М., 1972. А. Н. Орлов.
ДИСПЕРСИИ ЗАКОН, 1) зависимость частоты со волны от её волнового вектора k (см. Дисперсия волн).
2) В квант. теории твёрдого тела Д. з.— зависимость энергии ξ квазичастицы от её квазиимпульса р: ξ=ξ(р). Периодич. строение кристаллов приводит к тому, что ξ(р) — периодич. ф-ция: ξ(p+2hb)=ξ(p), где b — произвольный вектор обратной решётки. Д. з. позволяет определить скорость квазичастицы v= dξ/dp, её эффективную массу и движение во внеш. силовых полях (слабых по сравнению с внутриатомными).
Знание Д. з. достаточно для вычисления термодинамич. хар-к тв. тела как «газа» квазичастиц. Так, энергия U газа квазичастиц в кристалле объёма V при темп-ре Т равна:

(интегрирование ведётся в пределах одной ячейки обратной решётки). Для вычисления термодинамич. хар-к удобно пользоваться плотностью энергетич. состояний v(ξ), т. е. числом состояний на ед. интервал энергии (ξ, ξ+dξ). Вблизи осн. состояния, где энергетич. состояние кристалла определяется квазичастицами:

Здесь j — тип квазичастицы; dSj — элемент площади на изоэнергетич. поверхности ξj(p)=ξ, по к-рой ведётся интегрирование; vj=│дξj/dp│.
Д. з. необходим для понимания кинетич. явлений в конденсиров. средах. Эффективность вз-ствия квазичастиц в большой мере зависит от их Д. з. В частности, нек-рые процессы столкновений (или взаимопревращений) квазичастиц запрещены, т. к. при этом для определённых Д. з. не выполняются законы сохранения квазиимпульса и энергии.
Д. з. квазичастиц вычисляют, исходя из симметрии кристалла или структуры среды и из предположений о силах, действующих между её атомами. Д. з. квазичастиц — бозонов определяют гл. обр. методом неупругого рассеяния нейтронов (см. Нейтронография) и фотонов (см., напр., Мандельштама — Вриллюэна рассеяние), а также по резонансным эффектам. Все эти методы объединяет общая идея: рождение или гибель бозона сопровождается изменением энергии и импульса др. ч-цы с известным Д. з. Законы сохранения квазиимпульса и энергии квазичастицы позволяют определить её Д. з.
165
Для фермионов Д. з. определяют, как правило, по поведению проводников в сильном пост. магн. поле (см. Де Хааза — ван Альфена эффект, Циклотронный резонанс, Размерные эффекты). Общая идея этих методов — выделение небольшой группы квазичастиц — фермионов, ответственных за эффект. При движении в магн. поле энергия заряж. ч-цы не изменяется, т. е. ч-ца движется по изоэнергетич. поверхности, форма и размеры к-рой проявляются в наблюдаемых эффектах, если между столкновениями ч-ца успеет неск. раз описать траекторию. Этому благоприятствует увеличение магн. поля.
3) В теории квант. жидкостей Д. з.— зависимость энергии элем. возбуждения жидкости от импульса (см. Сверхтекучесть, Ферми-жидкость).
• См. лит. при ст. Квазичастица.
М. И. Каганов.
ДИСПЕРСИОННЫЕ ПРИЗМЫ, то же, что спектральные призмы.
ДИСПЕРСИОННЫЕ СООТНОШЕНИЯ,
соотношения между величинами, описывающими реакцию физ. системы на внеш. воздействие. Д. с. не зависят от конкретного механизма вз-ствия системы с внеш. воздействием и явл. прямым следствием принципа причинности, заключающегося в данном случае в том, что реакция системы по времени не может опережать внеш. воздействие.
Д. с. впервые были получены в теории дисперсии света как связь между показателями преломления и поглощения света в среде (или между действит. и мнимой частями диэлектрич. проницаемости — Крамерса — Кронига соотношения). В квант. механике и квант. теории поля (КТП) Д. с. выступают как связь между вещественной (Re) и мнимой (Im) частями амплитуд процессов. (Строгое доказательство Д. с. в КТП было впервые дано Н. Н. Боголюбовым в 1956.) Напр., для амплитуды рассеяния f двух ч-ц как ф-ции энергии ξ, f(ξ), Д. с. записываются в виде:

(Р — символ гл. значения интеграла), причём интегрирование ведётся по области энергии, где Imf0. В нек-рых случаях Д. с. допускают непосредств. проверку, к-рая в сущности означает проверку принципа причинности. Напр., для рассеяния на нулевой угол (рассеяние вперёд) мнимая часть амплитуды благодаря оптической теореме пропорц. полному сечению процесса, измеряемому экспериментально. Несколько более сложная процедура позволяет измерить также и веществ. часть амплитуды. Подставляя результаты этих измерений в Д. с. типа (*), можно судить, в какой степени выполняется это равенство.
Проведённая проверка показала, что вплоть до энергий, соответствующих расстояниям 5•10-16 см, равенство (* ), а следовательно, и принцип причинности выполняются.
Другая область применения Д. с. в теории элем. ч-ц связана с использованием унитарности условия и перекрёстной симметрии, к-рые позволяют выразить мнимую часть амплитуды одного процесса через амплитуды других процессов. Напр., в определ. области энергий мнимая часть формфактора протона связывается с амплитудой аннигиляции р+р ++-. Т. о. удаётся установить взаимосвязь между разл. физ. процессами. Возникающая система ур-ний оказывается настолько широкой, что практически включает все возможные процессы, происходящие с элем. ч-цами, и не поддаётся матем. разрешению. В ряде случаев, однако, с помощью разл. приближений удаётся сузить систему взаимосвязей процессов и получить важные физ. результаты. В частности, на основе такого дисперс. анализа формфактора протона было получено предсказание существования -мезона, к-рый вскоре был обнаружен экспериментально.
Несмотря на то что программа полного построения амплитуд процессов в рамках дисперс. подхода не нашла окончат. решения, Д. с. прочно вошли в аппарат теории элем. ч-ц и КТП и служат мощным инструментом исследования св-в амплитуд процессов.
• Боголюбов Н. Н., Медведев Б. В., Поливанов М. К., Вопросы теории дисперсионных соотношений, М., 1958; Хагедорн Р., Причинность и дисперсионные соотношения, пер. с англ., «УФН», 1967, т. 91, в. 1, с. 151.
А. В. Ефремов.
ДИСПЕРСИЯ ВОЛН (от лат. dispersio — рассеяние), зависимость фазовой скорости vф гармонич. волны от её частоты . Простейшим примером явл. Д. в. в линейных однородных средах, характеризуемая т. н. дисперс. уравнением (законом дисперсии); оно связывает частоту и волн. число k плоской гармонич. волны: =(k) (а в анизотропных средах — частоту и волн. вектор k). Дисперс. уравнение может иметь неск. ветвей, к-рым соответствуют разл. типы волн (моды). Напр., в изотропной плазме — это ветви, относящиеся к эл.-магн., плазменным и ионно-звук. волнам.
Если фазовая скорость волн в нек-ром частотном интервале постоянна, говорят, что в этом интервале Д.в. отсутствует. Примером волн без дисперсии явл. эл.-магн. волны в вакууме. В большинстве случаев Д. в. обусловлена микромасштабными св-вами среды (колебаниями атомов и молекул, их тепловым движением, крист. структурой и т. д.), такие среды наз. диспергирующими. Различают временную (частотную) и пространственную дисперсию. Временная — определяется запаздыванием (инерцией) отклика к.-л. физ. величины (напр., электрич. поляризации или механич. смещения) на приложенное внеш. воздействие (электрич. поле или давление). Пространственная Д. в. возникает, когда поведение элемента среды зависит от воздействия не только на него, но и на соседние элементы, т. е. имеет место нелокальность отклика среды на внеш. воздействие. Во мн. случаях, однако, вклад дисперсий обоих типов в закон дисперсии =kvф(, k) формально неразличим. Д. в. наз. нормальной или отрицательной, если показатель преломления n=const/vф растёт
с частотой (дn/д>0, дvф/д<0), и аномальной или положительной при выполнении обратных неравенств. Из причинности принципа следует, что в отсутствии потерь энергии (в недиссипативных средах) чисто временная Д. в. всегда нормальная, аномальность появляется лишь в полосах поглощения. Однако в средах с пространств. дисперсией это правило может нарушаться.
Понятие Д. в. применимо к любым нормальным волнам в направляющих системах, напр. в волноводах. При этом Д. в. обусловлена конфигурацией волноводов, неоднородностями сред, метрикой пр-ва и т. д. В простейших случаях удаётся обобщить понятия Д. в. и на нелинейные волны, когда можно разделить параметры, ответственные за нелинейность и дисперсию в среде.
В линейных средах Д. в. всегда приводит к размыванию волн. возмущения (см. Групповая скорость, Волновой пакет); при наличии нелинейности возможно конкурирующее сжатие волн. пакета. В результате могут возникать стационарные нелинейные волны, как периодические, так и уединённые (напр., солитоны).
Д. в. обусловливает мн. природные явления и широко используется в технике. Напр., все разновидности радуг объясняются спектр. расщеплением (из-за дисперсии света) и дифракцией солн. лучей в дождевых каплях. Д. в. в ионосферной плазме определяет частоту радиосигналов, отражающихся в данном слое ионосферы (см. Распространение радиоволн). На Д. в. основаны принципы действия мн. радиотехн., оптич. и др. устройств: рефрактометров, антенн с частотным сканированием диаграмм направленности и т. д. См. также Дисперсия звука.
• Уизем Дж., Линейные и нелинейные волны, пер. с англ., М., 1977; Б о р н М., Вольф Э., Основы оптики, пер. с англ., 2 изд., М., 1973.
А. Я. Басович, М. А. Миллер.
ДИСПЕРСИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ, см. в ст. Диэлектрическая проницаемость.
ДИСПЕРСИЯ ЗВУКА (дисперсия скорости звука), зависимость фазовой скорости гармонич. звук. волн от их частоты. Д. з. может быть обусловлена
166
как физ. св-вами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в к-ром авук. волна распространяется. Д. з., связанная с физ. св-вами среды, возникает, когда воздействие акустич. волны приводит к неравновесному состоянию среды, возбуждая её внутр. степени свободы (колебат. и вращат. движения молекул), процессы ионизации и диссоциации молекул, хим. реакции, перестройку структуры жидкости, процессы взаимодействия ультразвука с электронами проводимости в металлах и ПП, магнитоупругие явления и т. д. Выравнивание энергии между поступат. и внутр. степенями свободы происходит за нек-рое время, наз. временем релаксации р (см. Релаксация акустическая). Если период Т звук. волны мал по сравнению с р (высокие частоты), то за время Т<<p внутр. степени свободы не успевают возбудиться, поэтому среда будет вести себя так, как будто внутр. степени свободы отсутствуют. Если же 7>>р (низкие частоты), то часть энергии поступат. движения успеет перераспределиться на внутр. степени свободы. При этом, вследствие уменьшения энергии поступат. движения, упругость среды и скорость звука также будут меньше, чем в случае высоких частот. Т. о., при наличии релаксации скорость звука увеличивается с ростом частоты (рис.).

Быстрее всего рост скорости происходит при частотах, близких к частоте релаксации р=1/ (дисперс. область). Для большинства сред р лежит в области УЗ и гиперзвуковых частот. Если с0 — скорость звука при малых частотах (<<1), а c — при очень больших (>>1), то скорость звука для произвольной частоты со описывается ф-лой:

Такая зависимость с () характерна для всех релаксац. процессов в однородных средах. Д. з. сопровождается также повышенным поглощением звука сравнительно с поглощением, обусловленным сдвиговой вязкостью и теплопроводностью.
Д. з. в газах связана с возбуждением колебат. и вращат. степеней свободы молекул, а в жидкостях — с колебательной и поворотно-изомерной релаксациями и перестройкой внутр. структуры жидкости, а также с процессами диссоциации, хим. реакциями и т. д. В тв. телах Д. з. обычно появляется, когда акустич. волна взаимодействует с к.-л. видами внутр. возбуждений, и под её воздействием происходит изменение состояния эл-нов проводимости, системы спинов, спиновых волн и др.
Величина Д. з., определяемая как =(с-c0)/c0, может сильно различаться для разных в-в. Так, напр., в углекислом газе 4%, в бензоле 10%, в морской воде <0,01, а в очень вязких жидкостях и в высокополимерных соединениях скорость звука может изменяться на десятки процентов. Частотный диапазон, в к-ром имеет место Д. з., также различен для разных в-в. Так, в углекислом газе при нормальном давлении и темп-ре 18°С р=28 кГц, в морской воде р=120 кГц. В четырёххлористом углероде, бензоле, хлороформе и др. область релаксации попадает в область частот ~109— —1010 Гц.
К Д. з. того же типа, но не носящей релаксац. хар-ра, приводят теплопроводность и вязкость среды. Эти виды Д. з. обусловлены обменом энергией между областями сжатий и разрежений в звук. волне и особенно существенны для микронеоднородных сред. Д. з. может проявляться также в среде с вкрапленными неоднородностями (резонаторами), напр. в воде, содержащей пузырьки газа. В этом случае при частоте звука, близкой к резонансной частоте пузырьков, часть энергии звук. волны идёт на возбуждение колебаний пузырьков, что приводит к Д. з. и к возрастанию поглощения звука.
Как правило, Д. з. лгала, за исключением нек-рых спец. случаев, таких, как неоднородная среда (напр., пузырьки газа в воде) или очень высокие частоты.
Принципиально другим типом Д. з. явл. «геометрическая» дисперсия, обусловленная наличием границ тела или среды. Она появляется при распространении волн в стержнях, пластинах, в любых волноводах акустических. Для изгибных волн Д. з. наблюдается в тонких пластинах и стержнях (их толщина должна быть много меньше, чем длина волны). При изгибании тонкого стержня упругость на изгиб тем больше, чем меньше изгибаемый участок. При распространении изгибной волны длина изгибаемого участка определяется длиной волны звука. Поэтому с уменьшением длины волны (с повышением частоты) увеличивается упругость, а следовательно, и скорость распространения волны. Фазовая скорость такой волны пропорц. .
При распространении звука в волноводах звук. поле можно представить как суперпозицию нормальных волн, фазовые скорости к-рых для прямоугольного волновода с жёсткими стенками определяются соотношением:

где n=1, 2, 3, . . .— номер нормальной волны, с — скорость звука в свободном пр-ве, d — поперечный размер волновода. Фазовая скорость нормальной волны всегда больше скорости звука в свободной среде и уменьшается с ростом частоты.
Д. з. обоих типов приводит к расплыванию формы звук. импульса при его распространении. Это особенно важно для гидроакустики, атмосферной акустики и геоакустики, где имеют дело с распространением звука на большие расстояния, а также для УЗ линий задержки.
• Михайлов И. Г., Соловьев А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, М., 1968, т. 5, М., 1973, гл. 4; Труэлл Р., Эльбаум Ч., Ч и к Б., Ультразвуковые методы в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972.
А. Л. Полякова.