Агрегатное состояние в-ва, в к-ром его ч-цы не связаны или весьма слабо связаны силами вз-ствия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём
| Вид материала | Документы |
- 2. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов, 52.42kb.
- Магия и технология – за и против (или наоборот – вместе или порознь) Гилдор Карнесир, 243.69kb.
- Тема: Инновации и инновационные процессы, 158.08kb.
- Т. И. Розбицкая Музыка в жизни и творчестве И. С. Тургенева Все виды искусства так, 46.59kb.
- Ii этап Команда «исследователи» моу «сош №2», 94.86kb.
- 1 Использование ресурсов минерально-сырьевой базы края и охрана недр, 291.61kb.
- Позиционирования (gps), 196.2kb.
- Конспект тема: Бизнес план и его роль в современном предпринимательстве, 598.08kb.
- Задания для второго (районного, городского) этапа Всероссийской олимпиады школьников, 68.78kb.
- Курсовые работы на III и IV курсах обязательно должны быть связаны, 86.91kb.
Пучки, отражённые от разных слоев, усиливают друг друга, если они синфазны, т. е. разность хода между ними равна (условие Липмана — Брэгга). Условие автоматически выполняется лишь для той длины волны, в свете к-рой регистрировалась голограмма. Это приводит к избирательности голограммы по отношению к длине волны источника, в свете к-рого происходит восстановление волн. фронта. Возникает возможность восстанавливать изображение с помощью источника света со сплошным спектром (лампа накаливания, Солнце). Если голограмма экспонировалась в свете, содержащем неск. спектр. линий (напр., синюю, зелёную и красную), то для каждой длины волны образуется своя трёхмерная интерференц. структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что приведёт к восстановлению не только структуры волны, но и её спектр. состава, т. е. к получению цветного изображения. Трёхмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не дают волны нулевого порядка.
Источники света в голографии должны создавать когерентное излучение достаточно большой яркости. Временная когерентность определяет макс. разность хода l между предметным и опорным пучками, допустимую без уменьшения контраста интерференц. структуры. Эта величина определяется шириной спектральной линии излучения (степенью монохроматичности): l=2/,. Пространств. когерентность излучения определяет способность создавать контрастную интерференц. картину световыми волнами, испущенными источником в разных направлениях. Для теплового источника она зависит от его размеров. Контраст К интерференц. картины в случае кругового источника диаметром d0 равен:
где I1 — ф-ция Бесселя 1-го порядка, в — угол при вершине образованного лучами конуса. Положив К1/2,
имеем d01/2(/) , что и определяет
максимально возможную протяжённость теплового источника света.
Лазерное излучение обладает высокой пространств. и врем. когерентностью при огромной мощности излучения. Для Г. стационарных объектов обычно используются лазеры непрерывного излучения, генерирующие в одной поперечной моде, в частности гелий-неоновый лазер (= 6328. Å) и аргоновый (=4880 Å, 5145 А). Для получения голограмм быстропротекающих процессов обычно применяют импульсные рубиновые лазеры (=6943 Å).
Светочувствительные материалы. Г. предъявляет к регистрирующим материалам ряд требований, из к-рых важнейшее — достаточно высокая разрешающая способность. Макс. пространств. частота структуры реализуется во встречных пучках (=180°). Для гелий-неонового лазера и фотоэмульсии с показателем преломления n=l,5 =4700 лин/м. Наиболее подходящий для Г. фотоматериал — фотопластинки ВРЛ, ЛОИ, ПЭ (последние два типа имеют разрешающую способность макс >5000 лин/мм) и фотоплёнка ФПГВ ( ~ 3000 лин/мм). Помимо галогеносеребряных фотоматериалов, применяют и др. среды, в т. ч. допускающие многократное повторение цикла запись — стирание, а в нек-рых случаях и регистрацию голограмм в реальном времени. К их числу относятся термопластики, халькогенидные фотохромные стёкла, диэлектрич. и ПП кристаллы. Голограммы могут также регистрироваться на магн. плёнках, жидких кристаллах, фотополимерах, фоторезистах, на нанесённых на подложку слоях металлов, на хромированной желатине и т. д.
Применения. Записанные на голограмме световые волны при их восстановлении создают полную иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала. В пределах телесного угла, охватываемого голограммой, изображение объекта можно осматривать с разных направлений, т. е. оно явл. трёхмерным. Эти св-ва Г. используются в лекционных демонстрациях, при создании объёмных копий произведений искусства, голографич. портретов (изобразительная Г.). Трёхмерные св-ва голографич. изображений используются для исследования движущихся ч-ц, капель дождя или тумана, треков яд. ч-ц в пузырьковых камерах и искровых камерах. При этом голограмму создают с помощью импульсного лазера, а изображения восстанавливают в непрерывном излучении.
Объёмность изображения делает перспективным создание голографич. ки-
132
но и телевидения. Гл. трудность — создание огромных голограмм, через к-рые как через окно одновременно могло бы наблюдать изображение большое число зрителей. Эти голограммы должны быть динамическими, т. е. меняться во времени в соответствии с изменениями, происходящими с объектом. Пока голографич. кино используется только в физ. эксперименте для исследования быстропротекающих процессов. Голографич. телевидение также встретилось с трудностями создания динамич. сред в передающей и приёмной частях телевиз. системы. Другая трудность состоит в недостаточно большой полосе пропускания телевиз. канала, к-рую необходимо увеличить на неск. порядков для передачи трёхмерных движущихся сцен. С помощью Г. решается проблема визуализации акустич. полей (см. Голография акустическая) и эл.-магн. полей в радиодиапазоне (см. Радиоголография).
Если поместить голограмму на то место, где она экспонировалась, и осветить опорным пучком, то восстановится волна, рассеивавшаяся объектом во время экспозиции. Если же объект не убирать, то можно одновременно наблюдать две волны: непосредственно идущую от объекта и восстановленную голограммой. Эти волны когерентны и могут интерферировать. Если с объектом происходят к.-л. изменения, ведущие к фазовым искажениям рассеянной им волны (напр., деформация или изменение коэфф. преломления), то это скажется на виде наблюдаемой картины. Появятся интерференц. полосы, форма к-рых однозначно связана с изменениями. На этом основана голографич. интерферометрия, где, как и в обычной интерферометрии, происходит сравнение неск. волн. Наблюдаемая интерференц. картина указывает на различие форм сравниваемых волн, однако в обычной интерферометрии они формируются одновременно или с очень небольшой временной задержкой, макс. величина к-рой определяется временем когерентности (10-4— 10-5 с). Голограмма же позволяет зафиксировать световую волну и восстановить её копию в любой момент времени. Поэтому голографич. интерферометрия не связана с требованием одновременности формирования волн. Эта же особенность снизила требования к качеству оптич. деталей, т. к. обе интерферирующие волны, проходя по одному и тому же каналу, одинаково искажаются погрешностями оптики.
С помощью голограммы можно восстановить интерференц. картины световых волн, рассеянных объектом в разных направлениях. Это позволяет изучать пространств. неоднородности показателя преломления. Одним из первых применений голографич. интерферометрии было исследование механич. деформаций.
Г. применяется для хранения и обработки информации. Информация об объекте, записанная в виде интерференц. структуры, однородно распределена на большой площади. Это обусловливает высокую плотность записи информации и её большую надёжность. Обработка записанного на голограмме массива информации световым пучком происходит одновременно по всей голограмме (с огромной скоростью).
С помощью голографич. устройств осуществляются различные волн. преобразования, в т. ч. обращение волн. фронта с целью исключения аберраций (см. Обращённый волновой фронт).
Записывая голограммы в средах со спец. св-вами, можно воспроизводить состояние поляризации предметной волны и даже её изменение во времени.
Голограмма может быть изготовлена не только оптич. методом, но и рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы используются для получения объёмных изображений не существующих ещё объектов. Машинные голограммы сложных оптич. поверхностей служат эталонами для интерференц. контроля поверхностей изделий.
• К о л ь е р Р., Беркхарт К., Лин Л., Оптическая голография, пер. с англ., М., 1973; Денисюк Ю. Н., Принципы голографии, Л., 1978; Островский Ю. И., Б у т у с о в М. М., Островская Г. В., Топографическая интерферометрия, М., 1977; Островский Ю. И., Голография и ее применение, Л., 1973; В ь е н о Ж.-Ш., Смигильский П.. Р у а й е Ж., Оптическая голография, пер. с франц., М., 1973; Г у д м е н Дж., Введение в Фурье-оптику, пер. с англ., М., 1970; Оптическая голография. Сб. статей, под ред. Ю. Н. Денисюка, Л., 1979; Голография. Методы и аппаратура, М., 1974; Ярославский Л. П., Мерзляков Н., Цифровая голография, М., 1982; Денисюк Ю. Н., Голография — что мы знаем о ней сегодня, «Природа», 1981, № 8.
Ю. И. Островский.
ГОЛОГРАФИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ, интерференционный способ получения изображения предметов с помощью акустич. волн. Осн. принцип получения акустических голографич. изображений подобен оптич. голографии: сначала регистрируется поле стоячих волн, образованных интерференцией двух звук. волн — рассеянной предметом и нек-рой опорной, а затем по полученной записи (акустич. голограмме) восстанавливается либо исходное изображение предмета, либо структура рассеянного этим предметом звук. поля на нек-ром расстоянии от него.
Поскольку скорость звука невелика, а большинство акустич. приёмников звука линейны (а не квадратичны, как в оптике), то, в отличие от оптич. голографии, в Г. а. можно вообще отказаться от использования опорной волны (регистрация мгновенного распределения акустич. поля) либо вводить её искусственно уже в электрич. канале. Восстановление акустич. голограммы обычно осуществляется в когерентном свете видимого
диапазона, поэтому запись акустич. голограммы осуществляется на спец. носителях, параметры к-рых могут изменять либо амплитуду, либо фазу проходящих через них световых волн. В кач-ве носителей используют фотоплёнки, термопластики, кристаллы с электрооптич. эффектом и т. п. Чтобы акустич. голограмму сделать видимой, используют разл. методы визуализации звуковых полей.
Акустич. голограмму поля можно записать в виде последовательности электрич. сигналов на магн. ленте, а их обработку (восстановление) осуществить с помощью вычислит. машины (т. н. цифровые методы восстановления акустич. голограмм). Полученное изображение затем выводится на графический или полутоновый дисплей.
Выбор оптич. или цифровых методов восстановления акустич. голограмм определяется: диапазоном частот, требуемым быстродействием, объёмом входной информации (числом точек в изображении) и допустимыми искажениями в восстановленном изображении. Оптич. методы восстановления могут быть использованы практически в любом диапазоне частот, они дают возможность получения акустич. изображений со скоростью ~16— 20 кадров/с при числе точек ~5000X5000. Их недостатки — невысокая точность (от 3 до 5%) и искажения в продольных размерах восстановленного изображения, связанные с тем, что практически невозможно уменьшить размер акустич. голограммы в зв/св раз ( — длина волны соотв. звука и света).
Цифровые методы обычно используются в НЧ звук. диапазоне и пока не позволяют получить изображение в масштабе реального времени. Число точек обычно не превышает 1024X1024. Однако они обеспечивают по сравнению с оптич. восстановлением большую точность и восстановление неискажённых изображений.
Рис. 1. Схема голографич. устройства с матричной двухмерной антенной: 1 — антенна; 2 — устройство параллельного формирования голограмм; 3 — устройство отображения голограммы на трубке с мишенью из электрооптич. кристалла; 4 — оптич. система восстановления изображения; 5 — индикатор, дающий изображение предмета; 6 — задающий генератор; 7 — излучатель; 8 — предмет.
Для оптич. восстановления акустич. голограмм часто пользуются устройством с приёмной антенной в виде двухмерной матрицы приёмников звука (рис. 1), электрич. сигналы
133
с к-рых с помощью коммутатора модулируют силу тока электронно-лучевой трубки. Мишень трубки выполняют из прозрачного для света электрооптич. кристалла типа ДКДП. Электронный луч изменяет локальный коэфф. преломления крист. мишени в соответствии с интерференц. картиной рассеянного акустич. поля. Направляя на мишень световой поток от лазера, можно наблюдать в нек-рой области пр-ва восстановленное акустич. изображение предмета. В подобных устройствах число приёмных элементов в антенне должно быть достаточно велико, что создаёт техн. трудности при их практич. реализации.
Описанная схема (и ей подобные) используется в осн. в диапазоне звуковых и низких УЗ частот от 1 до 300—500 кГц. В более ВЧ диапазоне методы регистрации голограмм основываются на пространств. носителях, чувствительных к интенсивности звука. Наибольшее распространение получили способы, основанные на методе поверхностного рельефа. Звук. волна, падающая на отражающую поверхность воды, деформирует её, формируя рельеф, представляющий собой акустич. голограмму, к-рая при освещении её светом восстанавливает изображение (рис. 2).
При получении голографич. изображений предметов всегда следует помнить, что акустич. изображения могут быть неадекватны оптическим, даже если длины волн достаточно близки.
Рис. 2. Схема безлинзовой УЗ голографии: 1 — излучатели; 2 — акустич. линзы; 3 — предмет; 4 — кювета с водой; 5 — полупрозрачное зеркало; 6 — оптич. система восстановления; 7 — плоскость регистрации изображения.
Поскольку в Г. а. используются длины волн, как правило, большие, чем световые, то восстановленные звук. изображения предметов обычно имеют зернистую структуру и худшее разрешение. Для ликвидации этих явлений используют широкополосное излучение и звук. освещение с разл. сторон (аналог белого света и диффузной подсветки) для того, чтобы убрать зеркальные блики.
Благодаря св-ву акустич. волн распространяться на большие расстояния без затухания, Г. а. применяется в геофизике для исследования строения земной коры, поиска полезных ископаемых, получения изображений морского дна, в гидролокации.
Методы Г. а. используются в медицинской диагностике вследствие относительной безвредности УЗ умеренной мощности: визуализация мягких тканей, сосудов, новообразований, изображений внутр. органов.
• Бахрах Л. Д., Гаврилов Г. А., Голография, М., 1979; Б а б и н Л. В., Г у р е в и ч С. Б., Акустическая голография, «Акуст. ж.», 1974, т. 17, в. 4; С в е т В. Д., Методы акустической голографии. [Обзор], Л., 1976; Применения голографии, пер. с англ., М., 1973.
В. Д. Свет.
ГОЛОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ, механич. системы, в к-рых все связи (см. Связи механические) явл. геометрическими (голономными), т. е. налагающими ог-
раничения только на положения (или на перемещения за время движения) точек и тел системы, но не на величины их скоростей. Напр., двойной маятник (рис., а) явл. Г. с.; в нём связи (нити) налагают ограничения только на положения или перемещения грузов М1 и М2, но не на их скорости, к-рые при движении могут иметь любые значения. Связь, налагающая ограничения на скорости точек и тел системы, т. е. устанавливающая между этими скоростями определ. соотношения, наз. кинематической. Однако если эти соотношения можно свести к геометрическим, т. е. к соотношениям между перемещениями (или координатами) точек и тел системы, то такая связь также явл. голономной. Напр., при качении без скольжения колеса радиуса R по прямолинейному рельсу (рис., б) скорость v центра колеса и угл. скорость колеса связаны соотношением v=R, но его можно свести к геом. соотношению s=R между перемещением s=AA1 центра и углом поворота колеса. Следовательно, это Г. с.
Кинематич. связи, не сводящиеся к геометрическим, наз. неголономными, а механич. системы с такими связями — неголономными системами. Разделение механич. систем на голономные и неголономные очень существенно, т. к. ряд ур-ний, позволяющих сравнительно просто решать задачи механики (напр., Лагранжа уравнения механики), применим только к Г. с.
С. М. Taps.
ГОМЕОПОЛЯРНАЯ СВЯЗЬ, то же, что ковалентная связь.
ГОМОГЕННАЯ СИСТЕМА (от греч. homogenes — однородный), термодинамич. система, св-ва к-рой (состав, плотность, давление и др.) изменяются в пр-ве непрерывно. Гомогенными могут быть газовые смеси, жидкие или тв. р-ры и др. системы. Различают физически однородные и неоднородные Г. с. У однородных Г. с. с-ва в разл. частях системы одинаковы, у неоднородных — различны. Однако благодаря непрерывному изменению св-в в неоднородной Г. с., в отличие от гетерогенной системы, нет частей, ограниченных поверхностями раздела, на к-рых хотя бы одно св-во изменялось скачком (система однофазна). Примером физически неоднородной Г. с. может служить газ в ноле тяготения — его плотность непрерывно изменяется с высотой.
ГОМОПЕРЕХОД, в отличие от гетероперехода — контакт двух областей с разными типами проводимости или концентрациями легирующей примеси в одном и том же кристалле полупроводника. Различают p — n-переходы, в к-рых одна из двух контактирующих областей легирована донорами, а другая — акцепторами (см. Электронно-дырочный переход), n+—n-переходы (обе области легированы донорной примесью, но в разл. степени) и p+—p-переходы (обе области легированы акцепторной примесью).
Э. М. Эпштейн.
ГОМОЦЕНТРИЧЕСКИЙ ПУЧОК ЛУЧЕЙ в оптике, пучок световых лучей, в к-ром или сами лучи, или их продолжения пересекаются в одной точке. Волновая поверхность, соответствующая Г. п. л., явл. сферой; её центр и есть точка пересечения Г. п. л. Изображение оптическое, получаемое с помощью к.-л. оптич. системы, точно воспроизводит форму объекта лишь в том случае, если Г. п. л. после прохождения через данную систему снова превращается в Г. п. л.; только при этом условии каждой точке объекта соответствует одна определённая точка изображения.
ГОНИОМЕТР (от греч. gonia — угол и metreo — измеряю), прибор для измерения углов между гранями кристаллов. До открытия рентгеноструктурного анализа гониометрич. метод был основным для описания и идентификации кристаллов. В отражательном оптич. Г. кристалл, приклеенный к вращающейся оси, освещается, и лучи, отражённые от разных граней, поочерёдно наблюдаются в зрит. трубу. В более совершенных двухкружных Г. (Фёдорова, Гольдшмидта, Чапского) кристалл или зрит. трубу можно вращать вокруг двух осей.
• Флинт Е. Е., Практическое руководство по геометрической кристаллографии, 3 изд., М., 1956; его же, Начала кристаллографии, М., 1952.
М. П. Шаскольская.
ГОРЕНИЕ, сложная хим. реакция, протекающая в условиях прогрессивного самоускорения, связанного с накоплением в системе теплоты или катализирующих продуктов реакции.
134
При Г. могут достигаться высокие (до неск. тыс. К) темп-ры, причём часто возникает излучающая свет область — пламя. К Г. относятся, напр., разл. экзотермич. реакции высокотемпературного окисления топлива, разложение взрывчатых в-в (ВВ), озона, ацетилена, соединения ряда в-в с хлором, фтором и др. Г. в большинстве случаев состоит из многих элем. хим. процессов и тесно связано с явлениями тепло- и массопереноса.
Отличит. особенность Г.— протекание хим. реакции в условиях её самоускорения. Механизмов самоускорения два — тепловой и ц е п н о й. При тепловом типе Г. скорость хим. реакции резко возрастает с ростом темп-ры и выделяющаяся в реакции теплота всё более её ускоряет. При цепном Г. самоускорение происходит вследствие лавинообразного роста (в процессе разветвлённо-цепной реакции) концентрации активных ч-ц— атомов или радикалов, стимулирующих хим. превращение.
Характерное св-во процесса Г.— способность к распространению в пр-ве. Благодаря процессам переноса (диффузии и теплопроводности) теплота или активные центры, накапливающиеся в горящем объёме, могут передаваться в соседние участки горючей смеси и инициировать там Г. В результате возникает движущийся фронт горения. Его скорость распространения наз. линейной скоростью Г. и. Массовая скорость Г. m=u, где — плотность исходной смеси. В отличие от детонации, где хим. реакция начинается вследствие быстрого и сильного сжатия в-ва ударной волной (см. Взрыв), скорость Г. невелика (~10-3—10 м/с), поскольку определяется сравнительно медленными процессами диффузии и теплопроводности. Если движение среды турбулентно, то скорость Г. увеличивается вследствие интенсивного турбулентного перемешивания.
Различают две стадии Г.— воспламенение и последующее сгорание (догорание) в-ва. Воспламенение может быть вынужденным (зажигание), кроме того, может наблюдаться самовоспламенение. В зависимости от агрегатного состояния исходного в-ва и продуктов Г. различают гомогенное Г., Г. взрывчатых в-в, гетерогенное Г.
При гомогенном Г. исходные в-ва и продукты Г. находятся в одинаковом агрегатном состоянии. К этому типу относится Г. газовых смесей (природного газа, водорода и т. п. с окислителем — обычно кислородом воздуха), Г. негазифицирующихся конденсиров. в-в (напр., термитов — смесей алюминия с окислами разл. металлов), а также изотермич. Г.— распространение цепной разветвлённой реакции в газовой смеси без значит. разогрева. На рисунке изображена структура фронта горения в смеси газообразных горючего и окислителя. Хим. реакция происходит в
очень узкой зоне (~10-5 м) при темп-ре, близкой к темп-ре Г.: Т= T0+Q/cp (Т0 — темп-pa исходной смеси, Q — теплота сгорания, ср — теплоёмкость газа при пост. давлении р). В зоне подогрева темп-pa газа растёт за счёт теплоты, выделившейся при
Изменение скорости тепловыделения w, концентраций продуктов горения Р и горючего (или окислителя) F, темп-ры Т во фронте гомогенного горения: 1 — зона подогрева; 2 — зона хим. реакции; 3 — продукты горения; х — пространств. координата.
Г. предыдущих порций смеси. В этой зоне происходит также убывание (вследствие диффузии) концентрации исходного в-ва так, что хим. реакция идёт в очень обеднённой смеси. Скорость тепловыделения w имеет резкий максимум, связанный с тем, что в начале реакции низка темп-pa, а в конце её нет горючего. Скорость Г. u ~ /, ~ехр(E/RT), где — коэфф. температуропроводности; — характерное время хим. реакции в зоне Г., к-рое определяется в осн. энергией активации Е и темп-рой Г.; R — универс. газовая постоянная.
При Г. негазифицирующихся конденсиров. в-в диффузия обычно не происходит и процесс распространения Г. идёт только за счёт теплопроводности. При изотермич. Г., напротив, осн. процессом переноса явл. диффузия.
Г. взрывчатых веществ связано с переходом в-ва из конденсиров. состояния в газ. При этом на поверхности раздела фаз происходит сложный физ.-хим. процесс, при к-ром в результате хим. реакции выделяются теплота и горючие газы, догорающие в зоне Г. на нек-ром расстоянии от поверхности. Процесс Г. усложняется явлением диспергирования — переходом части конденсированного ВВ в газовую фазу в виде небольших частичек или капель.
При гетерогенном Г. исходные в-ва (напр., тв. или жидкое горючее и газообразный окислитель) находятся в разных агрегатных состояниях. Важнейшие техн. процессы гетерогенного Г.— Г. угля, металлов, сжигание жидких топлив в нефтяных топках, двигателях внутр. сгорания, камерах сгорания ракетных двигателей. Процесс гетерогенного Г. обычно очень сложен. Хим. превращение сопровождается дроблением горючего в-ва и переходом его в газовую фазу в виде капель и ч-ц, образованием окисных плёнок на ч-цах металла, турбулизацией смеси и т. д.
Важной особенностью процесса Г. явл. наличие критич. условий. Распространение Г. возможно лишь для определённых, характерных для данной горючей системы, областей изменения параметров (состава смеси, темп-ры и давления, условий теплоотвода во внеш. среду и др.). Критич. значения этих параметров наз. пределами Г. За этими пределами Г. прекращается. При эксперим. исследовании Г. обычно изучают зависимость скорости Г. от разл. параметров Г., дисперсности компонентов, структуры фронта Г., скорости хим. реакции, пределов Г. При этом используются разл. оптич. методы (высокоскоростная киносъёмка, голография), микротермопары, манометрич. и калориметрич. бомбы.
• Математическая теория горения и взрыва, М., 1980; Хитрин Л. Н., Физика горения и взрыва, М., 1957; Льюис Б., Эльбе Г., Горение, пламя и взрывы в газах, пер. с англ., М., 1948; Вильямс Ф. А., Теория горения, пер. с англ., М., 1971. См. также лит. при ст. Взрыв.
Б. В. Новожилов.