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

Содержание Гравитационная неустой­чивость Гравитационная постоянная Гравитационное взаимодей­ствие Гравитационное излучение Гравитационное смещение Гравитационный коллапс Нейтронизация •вещества) Гравитационный радиус И. Д. Новиков. К. П. Широков.

Подобный материал:

• 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.

ГОРЯЧИЕ ЭЛЕКТРОНЫ (горячие дырки), подвижные носители заряда в тв. проводнике, энергетич. распреде­ление к-рых заметно отличается (в сторону больших энергий) от равно­весного распределения, определяемого Ферми — Дирака статистикой или Больцмана статистикой. Носители заряда становятся «горячими» при протекании электрич. тока через про­водник под действием достаточно сильного электрич. поля.

При протекании тока электрич. поле ускоряет большее число носителей, а тормозит меньшее, и тем самым сооб­щает электронному газу дополнит. энергию. В то же время, если ср. энергия эл-нов выше равновесного значения, к-рое в невырожденном элек­тронном газе равно (³/₂)/kТ, электрон­ный газ передаёт энергию фононам при рассеянии на них. Степень «ра­зогрева» носителей заряда, т. е. уве­личение их ср.энергии ξ по сравнению с равновесным значением, зависит от величины поля Е и подвижности носи­телей тока , а также от скорости передачи ими энергии фононам, к-рая характеризуется временем рассеяния энергии _е. По порядку величины ξ- ³/₂kT  е_еЕ², где е — заряд эл-на. При темп-pax Т > во (_D — Дебая температура), когда рассея­ние носителей на фононах с энергией k_D (в частности, на оптич. фононах) велико, _г мало (в ПП _e ~ 10^-11с). Поэтому характерная величина поля Е_р, при к-ром разогрев носителей ста­новится значительным, также велика: E_р 5г 10³ В/см. При Т <<_D, когда носители рассеивают энергию только на ДВ акустич. фононах, _e гораздо больше (3•10^-7 с в InSb n-типа при Т ~4—6 К), а напряжённость элект­рич. поля, при к-рой разогрев носи­телей уже значителен, составляет: E_р~10^-1 —1В/см.

135


Разогрев носителей с ростом поля приводит к изменению электропро­водности а ПП и отклонению его вольт-амперной хар-ки от закона Ома. Эфф. подвижность носителей тока изменяется, т. к. время рассеяния им­пульса, как правило, зависит от энергии носителя, к-рая в ср. растёт с ростом электрич. поля. Кроме того, Г. э., приобретая достаточно большую энергию, могут переходить в более высокие зоны проводимости, в к-рых их подвижность значительно отличает­ся (обычно в меньшую сторону) от подвижности в ниж. зонах (см. Зонная теория). Напр., это имеет место в GaAs n-типа, InP n-типа и др. ПП. Изменяется и концентрация носителей либо из-за ударной генерации элект­ронно-дырочных пар или ударной ио­низации примесей Г. э., либо из-за изменения скорости рекомбинации го­рячих носителей или скорости захвата их примесными центрами. Обычно захват носителей происходит ионами примеси, знак заряда к-рых противо­положен знаку заряда носителей. При этом скорость захвата уменьшается с разогревом, и концентрация носителей и электропроводность ПП растут. Однако иногда примесные центры заря­жены одноимённо с носителями заряда и на больших расстояниях отталки­вают их по закону Кулона. Тогда носитель, чтобы оказаться захвачен­ным, должен преодолеть потенциаль­ный барьер, вследствие чего скорость захвата растёт (время жизни умень­шается) с увеличением энергии Г. э. В результате концентрация носителей и электропроводность а уменьшаются с ростом электрич. поля (наблюдается, напр., в Ge n-типа с примесями Cu и Au).

При достаточно сильном падении а с ростом электрич. поля на вольтамперной хар-ке появляется т. н. па­дающий участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, она становится N-образной (см. Ганна эффект). В тех же случаях, когда , наоборот, сильно растёт, может наблюдаться S-образная хар-ка и, как следствие, шнурование тока. Когда при приближении к нек-рой величине напряжения ток очень круто растёт, говорят об электрич. пробое.

Нагрев эл-нов приводит и к др. эффектам: к эмиссии Г. э. из ненагре­тых ПП, к анизотропии электропро­водности и коэфф. диффузии в кри­сталлах кубич. сингонии в сильных нолях (в слабых полях они изотроп­ны), к росту и анизотропии флуктуа­ции электрических (спектр. плотности шума, измеренные вдоль и поперёк тока, разные).

Г. э. возникают также: 1) при инжекции носителей из контакта двух проводников под действием приложен­ного к ним напряжения, 2) при ге­нерации носителей светом с энергией

фотонов, превышающей ширину за­прещённой зоны ПП на величину, большую, чем величина характерной тепловой энергии носителей (фото­разогрев).

• Б о н ч-Б р у е в и ч В. Л., Калаш­ников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977; Конуэлл Э., Кинетические свойства полупроводников в сильных элек­трических полях, пер. с англ., М., 1970; Денис В., П о ж е л а Ю., Горячие эле­ктроны. Вильнюс, 1971. См. также лит. при ст. Полупроводники. Ш. М. Коган.

ГРАВИТАЦИОННАЯ МАССА (тя­жёлая масса), физ. величина, характе­ризующая св-ва тела как источника тяготения; равна инертной массе. См. Масса.

ГРАВИТАЦИОННАЯ НЕУСТОЙ­ЧИВОСТЬ, нарастание со временем отклонений от ср. значения плотности и скорости движения в-ва в косм. пр-ве под действием сил тяготения. При первоначально близком к одно­родному распределению в-ва (газа, плазмы) Г. н. должна приводить к образованию сгустков в-ва. Теория Г. н. разработана для однородной среды, а также для простейших геом. конфигураций: плоского слоя; ци­линдрически симметричных конфигу­раций, неоднородных по радиусу; тон­кого диска. Развитие Г. н. (гравитац. возмущений) в простых конфигура­циях исследуется с целью объяснить происхождение скоплений галактик, отд. галактик и их внутр. структуры, звёзд и скоплений звёзд.

Силам тяготения, стремящимся скон­центрировать в-во, противодействуют силы упругости в-ва (определяемые градиентом давления) и др. негравитац. силы (эл.-магн., центробежные, вызванные вращением сгустка, и др.). Для однородной среды силы тяготения пропорц. размеру сгустка l, тогда как сила упругости пропорц. 1/l. Поэтому при больших l силы тяготе­ния велики по сравнению с силами упругости, и сгусток больших разме­ров сжимается. Напротив, при малых l действие сил тяготения слабее дейст­вия сил упругости. Т. о., среда устой­чива относительно распада на отд. малые сгустки и неустойчива относи­тельно образования сгустков больших размеров. Если рассматривать лишь силы тяготения и упругости, то критич. значение l_J, отделяющее область устойчивости от области Г. н., т. н. длина волны Джинса, равно: l_Jа_звpi/g, где а_зв — скорость звука, G — гравитационная постоянная,  — плотность в-ва. Аналогичные ф-лы для критич. размера l_J могут быть получены и при учёте вращения, тур­булентности, эл.-магн. и др. сил, противодействующих силам тяготения и повышающих гравитац. устойчи­вость в-ва. Возмущения больших мас­штабов (l>>l_J) на фоне стационарно­го ср. распределения в-ва нарастают со временем экспоненциально (про­порц. е^t, где  ~ G), а в расши­ряющейся (сжимающейся) среде — по степенному закону (пропорц. t^,

где t — время с начала расширения, а значение а определяется из ур-ния состояния в-ва). Следовательно, су­ществующие на начальных стадиях расширения малые по амплитуде неод­нородности растут со временем; это положение привлекается для объяс­нения возникновения галактик в тео­рии расширяющейся Вселенной. Когда небольшие вначале неоднородности вы­растают настолько, что относит. ве­личина возмущения плотности стано­вится порядка единицы (/ ~ 1), наступает нелинейная стадия роста неоднородностей и возможно образо­вание галактик и скоплений галак­тик. Всё большее развитие получает числ. моделирование этих нелинейных процессов.

• Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; их же, Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971; Происхождение и эволюция галактик и звезд, М., 1976.

ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ,

фундаментальная физ. константа G, входящая в закон тяготения Ньютона F=GmM/r², где m и М — массы притягивающихся тел (матер. точек), r — расстояние между ними, F — сила притяжения, G= 6,6720(41)X10^-11 Н•м²•кг^-2(на 1980). Наиболее точно значение Г. п. определяется динамич. методом — по изменению пе­риода колебаний крутильных весов, вы­званному приближением притягиваю­щихся масс.

ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙ­СТВИЕ элементарных частиц, наиболее слабое из всех известных фундам. вз-ствий. Наблюдательные проявления Г. в. связаны с его дальнодействующим хар-ром и когерентным усиле­нием гравитац. эффектов в макроскопич. масштабах (см. Тяготение). В ма­кропроцессах эффекты Г. в. характе­ризуются гравитационной постоянной G6,67•10^-8 см³г^-1 с-². В нерелятив. случае потенц. энергия U Г. в. двух ч-ц определяется их массами m¹ и m₂ и расстоянием r между ними по закону всемирного тяготения Ньюто­на: U=-Gm₁m₂/r. Если воспользова­ться этим законом для оценки Г. в. элем. ч-ц, то, напр., Г. в. для двух протонов на расстоянии r=10^-13 см U 1,7•10^-42 эрг 10^-36 МэВ, что в 10³⁶ раз меньше их электростатичес­кого (кулоновского) вз-ствия на том же расстоянии. Поскольку Г. в. ока­зывается столь слабым на характер­ных малых расстояниях, доступных изучению в совр. экспериментах, эф­фекты Г. в. в процессах элем. ч-ц обычно не учитываются. Релятив. классич. теорией Г. в. явл. общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна, к-рая в нерелятив. случае в пределе слабых гравитац. полей переходит в теорию тяготения Ньютона. В очень сильных гравитац. полях могут про­исходить квант. процессы образова­ния ч-ц, аналогичные процессам рож­дения пар в сильных эл.-магн. полях. Теор. описание таких процессов рас­сматривается на основе ОТО.

136


Из постоянных G, h и с может быть составлена величина размерности

массы: m_пл=hc/G 10^-5 г. Эта т.н. планковская масса характеризует энер­гию m_плс² 10¹⁹ ГэВ, при к-рой дол­жен осуществляться переход к квант. описанию Г. в.; при меньших энер­гиях справедливо классич. описание процессов Г. в.

ОТО связывает Г. в. с общими св-вами метрики пространства-времени. Квантование Г. в. может привести к появлению у пространства-времени дискр. св-в(см. Квантование простран­ства-времени), причём комптоновскую длину волны l_пл=h/m_плс10^-33 см можно интерпретировать как фунда­ментальную длину, а время t_пл=h/m_плс² 10^-43 с — как элем. вре­менной интервал.

Последоват. квант. теория Г. в. ещё не построена. В системе ед. h=с=1 гравитац. постоянная G явл. размер­ной константой с размерностью обрат­ного квадрата массы, поэтому квант. описанию Г. в. отвечала бы неперенормируемая теория. Точно такую же размерность имеет фермиевская кон­станта G_F эфф. вз-ствия слабых токов (G_F=10^-5/m²_p, где m_р — масса прото­на). Согласно единой калибровочной теории слабого и эл.-магн. вз-ствий (т. н. электрослабому вз-ствию; см. Слабое взаимодействие), величина Л—

= hc⁵/G_F300 ГэВ характеризует переход к полной симметрии этих вз-ствий. В совр. калибровочных тео­риях сильного вз-ствия (квантовой хромодинамике) и электрослабого вз-ствия эффекты Г. в. не учитывают­ся. В моделях «великого объедине­ния» сильного, слабого и эл.-магн. вз-ствий характерный масштаб масс, при к-ром происходит восстановление симметрии, оказывается ~10¹⁴ — 10¹⁶ ГэВ, т. е. всего на неск. порядков меньше, чем m_плс². Это наводит на мысль, что в единых калибровочных теориях при энергиях ~ 10¹⁹ ГэВ может происходить переход к пол­ной симметрии всех фундам. вз-ствий, т. е. объединение всех четырёх фун­дам. вз-ствий элем. ч-ц, включая Г. в. В одном из подходов решение этой проблемы связывают с супергра­витацией. При этом с квант. процес­сами Г. в. связаны не только ч-цы со спином 2 — гравитоны, но и ч-цы со спином ³/₂ — «гравитино» и со спи­ном 1 — «грави-фотоны». Интересным следствием существования «грави-фотонов» могли бы быть эффекты антигравитации. Другой подход к объединению Г. в. и остальных вз-ст­вий мог бы быть связан с наличием в теории фундаментальной длины l_пл, что приводило бы к дискретным квант. св-вам пространства-времени и давало бы, напр., автоматич. обрезание УФ расходимостей.

М. Ю. Хлопов.

ГРАВИТАЦИОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, свободное (не связанное с источника­ми) гравитац. поле, к-рое (подобно эл.-магн. излучению) в виде волн распространяется в пр-ве со скоростью света. Г. и. возникает при неравно­мерном движении масс (тел). Суще­ствование гравитац. волн следует из общей теории относительности Эйн­штейна (см. Тяготение). Эксперимен­тально Г. и. не обнаружено из-за его крайне слабого вз-ствия с в-вом. Эффект излучения гравитац. волн очень слаб в земных лаб. условиях, однако в нек-рых катастрофических астрофиз. явлениях, напр. при вспыш­ке сверхновой звезды, столкновении пульсаров, энергия, уносимая Г. и., может составлять сотые доли от пол­ной энергии звезды. Во мн. лаборато­риях мира создаются спец. антенны для обнаружения всплесков Г. и. от таких источников. Всплески длитель­ностью 10^-3—10^-4 с, вызванные аст­рофиз. катастрофами в соседних с на­шей галактиках, можно ожидать с частотой один раз в месяц. Гравитац. волна должна вызывать в направле­нии, перпендикулярном её распро­странению, относит. смещения сво­бодных «пробных» масс и переменные механич. натяжения в протяжённых телах. Этот эффект и используется при разработке гравитац. антенн. Трудность обнаружения Г. и. с по­мощью таких антенн ясна из след. оценки: амплитуда относит. удлине­ния протяжённого тела (гравитац. антенны), по расчётам, лежит в пре­делах 10^-19—10^-21. Для регистрации столь малых смещений в одних типах антенн применяются лазерные интер­ферометры, в других — криогенная электроника.

Обнаружение Г. и. от внеземных источников будет одновременно озна­чать открытие нового канала астро­физ. информации.

• Мизнер Ч., Торн К., Уипер Дж., Гравитация, пер. с англ., т. 1—3, М., 1977; Брагинский В.Б.,Руденко В.Н., Релятивистские гравитационные экспери­менты, «УФН», 1970, т. 100, в. 3, с. 395.

В. Б. Брагинский.

ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ (поле тяготения), см. Тяготение.

ГРАВИТАЦИОННОЕ СМЕЩЕНИЕ, изменение частоты эл.-магн. излуче­ния при его распространении в грави­тационном поле. См. Красное сме­щение.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ, пере­менное гравитац. поле, к-рое излуча­ется ускоренно движущимися массами, «отрывается» от своего источника и, подобно эл.-магн. излучению, рас­пространяется в пространстве со скоростью света. См. Гравитационное излучение.

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС, процесс гидродинамич. сжатия тела под действием собств. сил тяготения. Этот процесс в природе возможен толь­ко у достаточно массивных тел, в част­ности у звёзд. Необходимое условие Г. к.— понижение упругости в-ва внутри звезды, к-рое приводит к более быстрому нарастанию при сжатии сил тяготения по сравнению с силами

внутр. давления. Это связано с рас­ходом энергии на расщепление ядер и рождение ч-ц, в т. ч. нейтрино (см. Нейтронизация •вещества), и потерями энергии с нейтрино, уходящими из звезды. В течение эволюции звезды условия, ведущие к Г. к., осуществ­ляются дважды: 1) при образовании звезды из межзвёздной пыли и газа, 2) при исчерпании термояд. горючего и достижении в центре звезды высоких значений плотности (~10⁷ — 10¹⁰ г/см³) и темп-ры (Т ~ 10⁹— 10¹⁰ К). В первом случае Г. к. оста­навливается после начала в звезде термояд. реакций водородного цикла, ведущих к интенсивному выделению энергии. Второй случай возможен только у достаточно массивных звёзд с М > М_Ч 1,2 m_солн (M_Ч — т. н. пре­дел Чандрасекара, m_солн — масса Солн­ца). Как показывает гидродинамич. теория, Г. к. развивается катастрофич. образом — скорости сжатия близ­ки к скоростям свободного падения. Г. к. или заканчивается остановкой в состоянии горячей нейтронной звезды ( ~ 10¹⁴ г/см³, Т ~ 10¹¹ К), если масса М 2—3 m_солн, или переходит безостановочно в релятивист­ский Г. к. (при М>2—3 m_солн), при­водящий к образованию чёрной дыры. Очень важную роль при Г. к. играет мощное нейтринное излучение, порож­даемое гл. обр. обычными бета-проессами (см. Бета-распад, Нейтрин­ная астрофизика). Фактически нейт­ринное излучение определяет всю ди­намику Г. к., в частности скорости сжатия, время коллапса, темп-ру и плотность в-ва в случае остановки коллапса. Св-ва чёрной дыры описы­ваются общей теорией относительно­сти, поскольку около коллапсирующей звезды изменяются св-ва простран­ства-времени. За исключением ран­них стадий развития Вселенной, Г. к.— единств. путь рождения чёр­ных дыр. Г. к. звёзд может сопровож­даться сбросом внеш. оболочки, что связывается со вспышками сверхно­вых звёзд. Теория предсказывает сброс оболочки у коллапсирующих звёзд сравнительно небольших масс (М ~ M_Ч). Хар-р сброса зависит от структуры оболочки, наличия в ней вращения и магн. поля. При сбросе оболочки, сопровождающем Г. к. центр. части звезды, образуются в большом кол-ве разл. хим. элементы (происходит нуклеосинтез).

• Зельдович Я. Б., Нови­ков И. Д., Теория тяготения и эволюция звезд, М., 1971; Новиков И. Д., Грави­тационный коллапс, в кн.: Физика космоса, М., 1976 (Маленькая энциклопедия).

В. С. Имшенник.

ГРАВИТАЦИОННЫЙ РАДИУС, в об­щей теории относительности (см. Тя­готение) — радиус сферы, на к-рой сила тяготения, создаваемая сфериче­ской, невращающейся массой m, цели­ком лежащей внутри этой сферы, стре-

137


мится к бесконечности. Г. p. (r_g) определяется массой тела : r_g= 2Gm/c², где G — гравитационная постоянная. Г. р. обычных астрофиз. объектов ничтожно малы по сравне­нию с их действит. размерами; так, для Земли r_g 0,9 см, для Солнца rg  3 км. Если тело сжать до разме­ров Г. р., то никакие силы не смогут остановить его дальнейшего сжатия под действием сил тяготения. Такой про­цесс, наз. релятивистским гравитаци­онным коллапсом, может происходить с достаточно массивными звёздами (как показывает расчёт, с массой примерно больше двух солн. масс) в конце их эволюции; если, исчерпав ядерное «горючее», звезда не взры­вается и не теряет массу, то, сжимаясь до размеров Г. р., она должна испыты­вать релятив. гравитац. коллапс. При гравитац. коллапсе из-под сферы ра­диуса r_g не может выходить никакое излучение, никакие ч-цы, вторая космич. скорость на r_g равна скорости света. С точки зрения внеш. наблю­дателя, находящегося далеко от звез­ды, с приближением размеров звез­ды к r_g время неограниченно замедля­ет темп своего течения. Поэтому для такого наблюдателя радиус коллапсирующей звезды приближается к Г. р. асимптотически, никогда не стано­вясь меньше его,

И. Д. Новиков.

ГРАВИТАЦИЯ (от лат. gravitas — тяжесть), то же, что тяготение.

ГРАВИТОН, квант гравитац. поля (поля тяготения), обладающий нуле­выми массой и электрич. зарядом и спином 2 (в ед. h). Экспериментально пока не обнаружен.

ГРАД (гон), единица плоского угла, равная 1/100 прямого угла, обознача­ется ^g. 1^g=0,0157 радиан=0,900° (угл. градусов). l°=1,111^g.

ГРАДУИРОВКА средств измерений, метрологич. операция, при помощи к-рой средство измерений (меру или измерит. прибор) снабжают шкалой или градуировочной таблицей (кри­вой). Отметки шкалы должны с требу­емой точностью соответствовать зна­чениям измеряемой величины, а таб­лица (кривая) отражать связь эффекта на выходе прибора с величиной, под­водимой к входу (напр., зависимость эдс термопары термоэлектрич. термо­метра от темп-ры рабочего спая). Г. производится с помощью более точ­ных, чем градуируемые, средств изме­рений, по показаниям к-рых устанав­ливают действит. значения измеряе­мой величины. Точные средства изме­рений градуируют индивидуально, менее точные снабжают типовой шка­лой, напечатанной заранее, или стан­дартной таблицей (кривой) градуиров­ки.

К. П. Широков.

ГРАДУС (от лат. gradus — шаг, сту­пень, степень) температурный, общее наименование разл. ед. темп-ры, соот­ветствующих разным температурным шкалам. Различают Г. шкалы Кель­вина, или кельвин (К), градус Цельсия (°С), Реомюра (°R), Фаренгейта (°F), Ранкина (°Ra). 1K=1°C=0,8°R=l,8°F=l,8°Ra. Кельвин — одна из осн. ед. СИ.