[по имени амер физика И. А. Раби (I. I. Rabi)], резонансный метод исследования магн моментов ядер, атомов и молекул и внутримол

Вид материала

Документы

Содержание Радиочастотный масс-спект­рометр Радиус инерции Развёртка оптическая Фотограмма оптич. щелевой развёртки плаз­менного факела. Разложение силы Кривая размагничи­вания образца, обла­дающего остаточной, намагниченностью I 0 См. при ст. Намагничивание. N=1, для бесконечно длинного цилиндра в поперечном поле N=1/2) Размер единицы Размерностей анализ СГС системе единиц С, равный со­гласно законам механики 2 Размерностей теория Размерные эффекты Разностный метод измерений Разность потенциалов Разность хода Разреженных газов динами­ка Разрешённая зона Разрывные колебания ... Полное содержание

Подобный материал:

• 32. Эволюция понятия элементарная частица. Неизменность свойств ядер, атомов, молекул, 827.07kb.
• Молекулярная физика и термодинамика статистический и термодинамический методы Молекулярная, 12.67kb.
•  Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел, 156.85kb.
• X международная конференция Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул ampl, 299.2kb.
• Магнитные свойства молекул, 29.04kb.
• Моделирование структур молекул по Огжевальскому, 61.04kb.
• Десятая новая лекция аксиомы единства канарёв, 209.76kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности, 79.71kb.
• Молекулярная физика и термодинамика. Лекция №1 Молекулярно-кинетическая теория Основные, 10053.18kb.
• Вегето- резонансный тест Оценка по методу Кузьменко (метод Накатани) Диабат (метод, 12.28kb.

РАДИОФИЗИКА, раздел физики, охва­тывающий изучение и использова­ние эл.-магн. колебаний и волн ра­диодиапазона, а также распростра­нение развитых при этом принципов и методов в др. области физики и за её пределы. На шкале электромагнит­ных волн радиодиапазон занимает ин­тервал частот от 10⁴ до 10¹⁰ Гц (см. Радиоволны), и первоначально радиофиз. исследования придерживались этих границ. В зарубежной лит-ре

611


такому представлению о Р. ограни­ченно соответствует термин «радио­наука» (Radioscience). Co временем, однако, методы Р. проникли и в др. диапазоны частот от очень низких частот (ОНЧ) до -излучения, а также в область исследований волновых про­цессов не эл.-магн. природы (напр., в акустику).

Р. сформировалась в 30—40-е гг. благодаря бурному развитию радио­техники, радиосвязи, радио- и теле­вещания и др. Появление радиоло­кации и радионавигации потребовало освоения новых диапазонов частот и разработки общих физ. принципов генерации, излучения, распростране­ния и приёма радиоволн, модуляции и кодирования радиосигналов и т. д. В СССР развитие Р. связано с име­нами Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и созданной ими школы.

На первом этапе развитие Р. опи­ралось на общую теорию колебаний и волн, физ. электронику и электро­динамику. Теория колебаний создала матем. аппарат, позволяющий иссле­довать и управлять процессами в ко­лебат. системах (см. Колебаний и волн теория). Важную роль сыграли ис­следования нелинейных колебаний и особенно автоколебаний, лежащие в основе работы большинства генера­торов эл.-магн. колебаний радиодиа­пазона.

Быстродействие, простота управле­ния, высокие кпд, перекрытие всех диапазонов частот и мощностей, вы­сокая чувствительность, избиратель­ность и низкий уровень шумов и др. требования, предъявляемые к разл. радиотехнич. устройствам, могут быть удовлетворены только с привлечением разнообразных физ. явлений в газах и конденсированных средах. Поэтому радиофиз. исследованиям сопутство­вали, а иногда предшествовали: ас-следование электронной и ионной эмиссии (см. Эмиссионная электрони­ка), разработка методов управления движением заряженных ч-ц (см. Элект­ронная оптика), исследование вз-ствия эл.-магн. полей с электронными по­токами, с газоразрядной плазмой и электронно-дырочной плазмой в тв. теле (см. Плазма твёрдых тел), из­учение невзаимных хар-к ферритов и т. п. В результате развития пред­ставлений об автофазировке и авто­группировке эл-нов, о самосогласо­ванном синхронном вз-ствии частиц и эл.-магн. полей вместо вакуумных диодов, триодов и т. п. в коротко­волновых диапазонах появились такие приборы, как клистрон, магнетрон, лампа бегущей волны, лампа обратной волны и др.

Электродинамика, в основном опи­рающаяся на Максвелла уравнения в линейных средах, обеспечила пони­мание процессов излучения, распро­странения и приёма радиоволн. Это позволило создать разл. элементы радиотехнич. аппаратуры как в длин­новолновых диапазонах (системы с сосредоточенными параметрами — ко­лебат. контуры, фильтры, трансфор­маторы и т. п.), так и в коротковол­новых диапазонах, особенно на СВЧ, где практически все узлы — системы с распределёнными параметрами (ли­нии передачи, радиоволноводы, объ­ёмные резонаторы и т. п.). Создание множества типов антенн и расчёта трасс распространения радиоволн в атмосфере, земной коре, воде соста­вили содержание автономных раз­делов Р.

По мере развития Р. её методы стали проникать в др. области физики. В результате Р. как бы «разветвилась» на «физику для радио» и «радио для физики». Новые задачи, а также освоение диапазонов высоких частот привлекли в Р. идеи и методы из др. областей физики, в частности из оп­тики (линзы, зеркала, интерферо­метры, поляроиды и т. д.), что при­вело к появлению нового раздела Р.— квазиоптики (квазиоптич. линии пе­редачи, открытые резонаторы и т. п.). В свою очередь радиофиз. методы, развитые, напр., для сантиметрового диапазона длин волн, проникнув в оптику, заметно расширили её воз­можности, вызвав к жизни такие раз­делы, как волоконная оптика, голо­графия, интегральная оптика и т. п., так что и оптич. диапазон частот стал областью приложения методов Р. Иногда это поясняют термином «радиооптика».

В результате взаимных «обогаще­ний» с др. областями физики, с одной стороны, и обособления отд. разде­лов — с др. стороны, внутри Р. об­разовалось, кроме квазиоптики, и неск. др. важных «дочерних» направ­лений. В статистической радиофи­зике исследуются флуктуационные про­цессы в колебат. системах, стабиль­ность частоты генераторов, шумы уси­лителей, неравновесное излучение сре­ды в радиодиапазоне, распростране­ние волн в средах со случайными неоднородностями, разработка и при­менение методов корреляц. анализа сигналов и др. Квантовая Р. (квант. генераторы и усилители ра­дио- и оптич. диапазонов, см. Кван­товая электроника) смыкается с ко­герентной нелинейной оптикой. Ра­диоспектроскопия — совокупность тон­ких методов исследования спектров веществ в радиодиапазоне, позволя­ющих обнаружить присутствие ни­чтожных долей примесей (см. Ядерный магнитный резонанс, Электронный па­рамагнитный резонанс и др.). Радио­астрономия — приём и обработка сла­бых сигналов от косм. источников (спектральная плотность потока из­лучения до 10^-30 Вт/м² Гц), разра­ботка антенн и интерферометров с высокой направленностью и угловым разрешением до 10^-3—10^-4 угл. се­кунды (см. Радиотелескоп), исследование природы радиоизлучения косм. источниками (их распространения через косм. среду и т. п.). Содержа­ние микроэлектроники состоит в со­здании твердотельных приборов, ин­тегральных схем и т. п.

Т. о., Р. имеет сложную и сильно разветвлённую структуру и ясно вы­раженную тенденцию как дальней­шего проникновения в др. области естествознания (геофизику и гидро­физику, акустику, биофизику и др.), так и в др. области частот, мощностей и др. параметров, расширяющих традиц. сферы влияния Р. (релятивист­ская электроника больших мощно­стей, микроминиатюризация радиоап­паратуры, рентгеновская оптика).

А. В. Гапонов-Грехов, М. А. Миллер.

^ РАДИОЧАСТОТНЫЙ МАСС-СПЕКТ­РОМЕТР, масс-спектрометр, в к-ром разделение ионов, различающихся по величине отношения их массы М к заряду е, происходит при движении пучка ионов через неск. сеток-элект­родов, между к-рыми приложено ВЧ напряжение. Только ионы с опреде­лённым М/е увеличивают свою энер­гию при пролёте через сетки и по­падают на коллектор. Р. м.-с., уста­новленные на ракетах и искусств. спутниках, используются для ана­лиза состава атмосферы.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, термин, объ­единяющий обширный комплекс об­ластей науки и техники, связанных гл. обр. с проблемами передачи, при­ёма и преобразования информации с помощью эл.-магн. колебаний и волн. Появился в 50-х гг. 20 в. и явл. в нек-рой степени условным. Р. охва­тывает радиотехнику и электронику, а также ряд новых областей, выделив­шихся в результате их развития и дифференциации,— квантовую элект­ронику, оптоэлектронику, твердотель­ную электронику, микроэлектрони­ку (см. Полупроводниковые прибо­ры), ИК технику, криоэлектронику, акустоэлектронику, хемотронику и др. Р. тесно связана, с одной стороны, с радиофизикой, физикой твёрдого тела, оптикой и механикой, с другой — с электротехникой, автоматикой и технич. кибернетикой. Радиоэлект­ронная аппаратура часто явл. одним из звеньев системы автоматич. уп­равления (напр., систем управления полётом ракеты или косм. корабля). В самой радиоэлектронной аппара­туре применяются системы автоматич. регулирования (самонастройка часто­ты, слежение за целью и т. д.). Р. связана также с электронно-вычислит. техникой, т. к. последняя включает электронные устройства, осуществля­ющие обработку информации («очи­щение» от помех, приведение к опре­делённому виду). Область использо­вания Р. выходит за пределы точных наук и техники, проникая в медицину, экономику и др.

• Электроника: прошлое, настоящее, будущее. Сб. ст., [пер. с англ.], М., 1979 (Новое в жизни, науке и технике. Серия «Физика», № 5).

612


^ РАДИУС ИНЕРЦИИ, величина r, имеющая размерность длины, с по­мощью к-рой момент инерции тела относительно данной оси выражается ф-лой I=Mr², где М — масса тела. Напр., для однородного шара Р. и. относительно оси, проходящей через его центр, равен 0,4R0,632R, где R — радиус шара.

РАДЛЮКС (рлк, rlx), редко применяе­мое и не вошедшее в стандарт наи­менование единицы светимости (светности) СИ — люмен на квадратный метр (лм/м²). 1 рлк=10^-4 радфот.

РАДФОТ (рф, rph), единица светимо­сти (светности), в системе единиц СГСЛ (см — г — с — люмен), равная люмену на 1 см². 1 рф=10⁴ радлюкс=10⁴ лм/м².

^ РАЗВЁРТКА ОПТИЧЕСКАЯ, непре­рывное во времени перемещение по поверхности светочувствит. элемента (фотографич. эмульсии, экрану элект­ронно-оптического преобразователя) оп­тич. изображения самосветящегося или



^ Фотограмма оптич. щелевой развёртки плаз­менного факела.


подсвеченного вспомогат. источником света объекта с целью исследования быстропротекающих процессов — рас­пространения ударных волн, развития газовых разрядов и др. В отличие от скоростной киносъёмки, при к-рой фиксируются хотя и с большой ча­стотой, но дискретные фазы явления, Р. о. обеспечивает его непрерывную фоторегистрацию.

В типичной схеме Р. о. проме­жуточное изображение, формируемое первым объективом, совмещается со щелью, «вырезающей» из него малый участок; при развитии процесса это изображение перемещается вдоль ще­ли, оставаясь в её плоскости. Второй объектив переводит изображение со щели на светочувствит. элемент, напр. на фотоплёнку, размещённую в виде кольца снаружи или внутри вращаю­щегося барабана (ось вращения па­раллельна щели). Разрешающая спо­собность Р. о. по времени равна промежутку времени, за к-рый изоб­ражение на плёнке проходит путь, равный собств. ширине. Линейная скорость вращения плёнки, если её закрепляют внутри барабана, дости­гает 300—400 м/с. При ширине изоб­ражения 0,1 мм разрешение по вре­мени может быть (2—3)•10^-7 с. По­высить скорость относит. движения плёнки и изображения позволяет зер­кальная Р. о, при к-рой плёнка неподвижна, а изображение переме­щается за счёт отражения от вращаю­щегося плоского зеркала (угловая скорость зеркала до 10⁵ об/мин) или зеркального многогранника (линейная скорость Р. О. с зеркальным 12-гранником до 4,5•10³ м/с, что обес­печивает временное разрешение до 2•10^-8 с).

При Р. о. с помощью электроннооптич. преобразователей изображение объекта на фотокатоде перемещается по люминесцентному экрану путём отклонения потока фотоэлектронов. Для этого используют электрич. поля, изменяющиеся во времени по линей­ному, круговому или др. закону. Послесвечение экрана позволяет фо­тографировать сразу всю картину Р. о. обычным фотоаппаратом. Ско­рость записи достигает при этом 3•10⁵ м/с, а разрешение по времени 10^-10—10^-12 с.

• Дубовик А. С., Фотографическая регистрация быстропротекающих процес­сов, 2 изд., М., 1975.

Л. Н. Капорский.

^ РАЗЛОЖЕНИЕ СИЛЫ, замена силы, приложенной к точке тв. тела, без изменения её механич. действия, неск. силами, приложенными к точкам того же тела. Задача Р. с. неопределённа; чтобы она стала определённой, не­обходимо задать дополнит. условия, к-рым должны удовлетворять эти силы. РАЗМАГНИЧИВАНИЕ, уменьшение остаточной намагниченности ферромагн. образца после устранения внеш. намагничивающего поля (см. Намаг­ничивание). Образец считается раз­магниченным, если векторы намаг­ниченности доменов ориентированы в нём хаотически и ср. намагниченность (или индукция) в любом сечении об­разца равна нулю (или меньше задан­ной величины).

К наиболее полному Р. приводит нагрев образца выше темп-ры Кюри (при этом в-во полностью теряет свои ферромагн. св-ва; см. Ферромаг­нетизм) с последующим охлаждением в отсутствии внеш. поля. Однако в большинстве случаев такой способ Р. недопустим, т. к. в результате нагрева могут измениться механич. и др. св-ва материала. Др. способ Р. заключается в циклич. перемагничивании размагничиваемого образца перем. магн. полем с плавно убываю­щей до нуля амплитудой (рис.). При



^ Кривая размагничи­вания образца, обла­дающего остаточной, намагниченностью I_r, перем. полем H, убы­вающим до нуля.


этом макс. амплитуда перем. размаг­ничивающего поля, как правило, долж­на быть не меньше ' величины намаг­ничивавшего поля. Опыт показывает, что эффективность Р. зависит от ча­стоты размагничивающего поля, ско­рости его убывания, толщины детали и глубины проникновения поля. Чем толще образец, тем ниже должна быть частота размагничивающего поля (для снижения поверхностного эффекта — неполного проникновения вы­сокочастотного поля в массивный об­разец). Скорость Р. должна быть тем меньше (число циклов Р. тем больше), чем выше магнитная проницаемость материала (т. е. намагниченность в слабых полях). Согласно технич. ус­ловиям образец из пластин листовой электротехнич. стали толщиной 0,35— 0,5 мм размагничивают в течение 1 мин плавным уменьшением магн. поля частотой 50 Гц от макс. напряжённо­сти поля 2000—2500 А/м до нуля. Как правило, для Р. достаточно 30— 60 циклов перемагничивания.

^ 0 См. при ст. Намагничивание.

РАЗМАГНИЧИВАЮЩИЙ ФАКТОР (размагничивания коэффициент). При намагничивании во внеш. поле об­разца или детали из ферромагн. ма­териала разомкнутой формы (напр., цилиндра) на его краях образуются магн. полюсы, создающие внутри об­разца магн. поле обратного (по от­ношению к внеш. полю) направления. Это размагничивающее поле полюсов образца Н₀ пропорц. его намагни­ченности /, т. е. H₀=NJ. Коэфф. N, связывающий напряжённость собств. поля образца и его намагниченность, наз. Р. ф. или коэфф. размагничива­ния. Если образец находится во внеш. магн. поле напряжённостью Н_В, то истинная напряжённость поля в об­разце равна Н_и=Н_В-NJ.

Р. ф. может быть точно рассчитан только для эллипсоидов вращения, к-рые имеют однородную намагничен­ность ( в частности, для шара N=1/3,

для очень тонкой пластинки ^ N=1, для бесконечно длинного цилиндра в

поперечном поле N=1/2) . Для нек-рых

образцов простой формы Р. ф. рас­считывается по эмпирич. ф-лам, в большинстве случаев Р. ф. опреде­ляется экспериментально.

^ РАЗМЕР ЕДИНИЦЫ физической ве­личины, количеств. содержание соот­ветствующей величины (длины, массы и т. п.) в единице. Размеры осн. единиц к.-л. системы единиц ус­танавливаются при их выборе и вос­производятся, как правило, этало­нами. Размеры осн. единиц, в свою очередь, определяют размеры всех производных единиц данной системы. Так, размер единиц площади и объ­ёма зависит от выбора единицы длины. Для образования ряда единиц разл. размера (кратных единиц и дольных единиц) используется принцип десятичности (см. Международная система единиц).

^ РАЗМЕРНОСТЕЙ АНАЛИЗ, метод ус­тановления связи между физ. вели­чинами, существенными для изуча­емого явления, основанный на рас­смотрении размерностей этих величин. В основе Р. а. лежит требование, согласно к-рому ур-ние, выражающее

613


искомую связь, должно оставаться справедливым при любом изменении единиц входящих в него величин. Это требование совпадает с требова­нием равенства размерностей величин в левой и правой частях ур-ния. Ф-ла размерности к.-л. физ. .величины В имеет вид:

[В]=L^lM^mT^t,или dimB=L^lM^mT^t (1)

(dim от англ. dimension — размер, размерность). [В] — символ размер­ности определяемой (производной) физ. величины (обычно берётся в прямые скобки); L, М, Т, . . .— символы ве­личин, принятых за основные (соот­ветственно длины, массы, времени и т. д.); l, m, t, . . . — целые или дроб­ные, положительные или отрицатель­ные вещественные числа, наз. пока­зателями размерности, или размерностью производ­ной величины В. Так, ф-ла размер­ности для ускорения о записывается в виде [a]=LT^-2, для силы — LMT^-2. Понятие размерности распространя­ется и на осн. величины. Принимают, что размерность осн. величины в отношении самой себя равна единице и что от др. величин она не зависит; тогда ф-ла размерности осн. величины совпадает с её символом. Если еди­ница производной величины не изме­няется при изменении к.-л. из осн. единиц, то такая величина обладает нулевой размерностью по отношению к соответствующей основной. Так, ускорение обладает нулевой размер­ностью по отношению к массе. Ве­личины, в размерности к-рых все осн. величины входят в нулевой степени, наз. безразмерными. Выбор числа физ. величин, принимаемых за основные, и самих этих величин в принципе произволен, но практич. соображения приводят к нек-рому ограничению свободы в выборе осн. величин и их единиц.

В ^ СГС системе единиц за осн. величины принимают длину, массу и время. В этой системе размерность физ. величины выражается произве­дением трёх символов L, М и Т в соответствующих степенях. Между­народная система единиц (СИ) со­держит семь осн. величин: кроме длины, массы и времени, силу тока (символ I), темп-ру (9), силу света (J), кол-во в-ва (N).

Если для исследуемого явления ус­тановлено, с какими величинами мо­жет быть связана искомая величина, но вид этой связи неизвестен, для её нахождения составляют ур-ние раз­мерностей, в к-ром в левой части бу­дет стоять символ искомой величины со своим показателем размерности, а в правой — произведение символов величин, от к-рых искомая величина зависит, но с неизвестными показа­телями размерности. Задача нахож­дения связи между физ. величинами

сводится в этом случае к отысканию значений соответствующих показате­лей размерности. Если, напр., тре­буется определить время т прохож­дения пути s телом массой m, движу­щимся поступательно и прямолинейно под действием пост. силы f, то можно составить ур-ние размерности, имею­щее вид:

T=L^xM^y(LMT^-2)^z, (2)

где х, у, z неизвестны. Требование равенства показателей размерности левой и правой частей в ур-нии (2) приводит к системе ур-ний: x+z=0, y+z=0, -2z=1, откуда следует, что x=y=l/2, z=-1/2 и

=Cms/f. (3)

Безразмерный коэфф. ^ С, равный со­гласно законам механики 2, в рам­ках Р. а. определить нельзя.

В этом состоит своеобразие Р. а. Устанавливаемая с его помощью за­висимость искомой величины от ве­личин, определяющих исследуемое яв­ление, находится с точностью до пост. коэфф. Для получения точных количественных соотношений нужны дополнит. данные. Поэтому Р. а. не явл. универсальным методом. Он нашёл плодотворное применение в тех областях физики (гидравлике, аэродинамике и др.), где строгое решение задачи часто наталкивается на значит. трудности, в частности из-за большого числа параметров, определяющих физ. явление. При решении сложных задач на основе Р. а. большую роль сыграла теорема (её наз. -теоремой), согласно к-рой всякое соотношение между нек-рым числом размерных величин, ха­рактеризующих данное физ. явление, можно представить в виде соотноше­ния между меньшим числом без­размерных комбинаций, состав­ленных из этих величин. Эта теорема связывает Р. а. с теорией физ. подо­бия, в основе к-рой лежит утвержде­ние, что если все соответствующие безразмерные характеристики (подобия\критерии) для двух явлений оди­наковы, то эти явления физически подобны (см. Подобия теория),

• Бриджмен П. В., Анализ размер­ностей, пер. с англ., Л.—М., 1934; Коган Б. Ю., Размерность физической величины, М., 1968; Сена Л. А., Единицы физиче­ских величин и их размерности, 2 изд.,М., 1977; Седов Л. И., Методы подобия и размерности в механике, 9 изд., М., 1981.

^ РАЗМЕРНОСТЕЙ ТЕОРИЯ, см. Раз­мерностей анализ.

РАЗМЕРНОСТЬ единицы физической величины, выражение, показываю­щее, во сколько раз изменится еди­ница данной величины при изменении единиц величин, принятых в данной системе за основные. Р. представляет собой одночлен, составленный из про­изведения обобщённых символов осн. единиц в различных (целых или дроб­ных, положительных или отрицательных) степенях, к-рые наз. показа­телями Р. (подробнее см. Раз­мерностей анализ).

^ РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ, явления в тв. телах, наблюдающиеся в условиях, когда размеры исследуемого образца сравнимы с одной из характерных длин — длиной свободного пробега l носителей заряда, длиной волны де Бройля , диффузионной длиной и т. п. Различают классич. и квант. Р. э. Классич. Р. э. наблюдаются в поведении статич. электропроводности тонких металлич. и полупроводни­ковых плёнок и проволок, толщина d к-рых сравнима с длиной l свободного пробега эл-нов. При уменьшении d уд. сопротивление  монотонно воз­растает, что связано с дополнит. рас­сеянием эл-нов на границах образца. Величина  существенно зависит от характера рассеяния (зеркального или диффузного). Во внеш. сильном магн. поле Р. э. могут возникать, когда d сравнимо с размерами орбиты эл-нов проводимости в магн. поле Н, т. к. в зависимости от величины напряжён­ности поля Н орбита может уклады­ваться либо не укладываться в об­разце. В последнем случае Р. э. про­являются в виде осцилляции электро­проводности при изменении магн. по­ля. Аналогичные эффекты возможны и на высоких частотах (радиоча­стотные Р. э.).

Квант. Р. э. обнаруживаются в случае, когда толщина плёнки или диаметр проволоки сравнимы с де-бройлевской длиной волны  эл-на. Р. э. связаны с квантованием квази­импульса эл-на, вследствие чего энер­гетич. зоны электронного спектра рас­щепляются на подзоны (см. Зонная теория). Квант. Р. э. проявляются в осцилляционной зависимости уд. сопротивления  и др. характеристик (кинетич. коэфф.) от толщины образ­ца d.

Анизотропные Р. э. наблюдаются в анизотропных проводниках (как при естеств. анизотропии, так и наведён­ной магн. полем, давлением и т. д.) с неск. группами носителей заряда (эл-ны и дырки, эл-ны разных «до­лин» энергетич. спектра и т. п.). Пропускание тока через образец со­провождается пространств. разделе­нием носителей, относящихся к раз­ным группам, в направлении, пер­пендикулярном к току. Если диффу­зионная длина носителей сравнима с поперечными размерами образца, та­кое разделение носителей приводит к существенной размерной зависимости электропроводности и др. кинетич. коэффициентов.

• Л а р с е н Д. К., Размерные эффекты в электропроводности тонких металлических пленок и проволок, в кн.: Физика тонких пленок, пер. с англ., т. 6, М., 1973; Абри­косов А. А., Введение в теорию нормаль­ных металлов, М., 1972; Р а ш б а Э. И., Грибников 3. С., Кравченко В. Я., Анизотропные размерные эффекты в полупроводниках и полуметаллах, «УФН», 1976, т. 119, в. 1, с. 3—47.

Э. М. Эпштейн,

614


^ РАЗНОСТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ, см. Дифференциальный метод изме­рений.

РАЗНОСТНЫЙ ТОН, комбинацион­ный топ с частотой ₁-₂, возни­кающий в нелинейной акустич. си­стеме при воздействии на неё двух звуковых колебаний с частотами ₁ и ₂.

^ РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ между двумя точками стационарного элект­рич. или гравитац. поля измеряется работой, совершаемой силами поля при перемещении единичного положит. заряда или, соответственно, единичной массы из точки с большим потенциа­лом в точку с меньшим потенциалом. Если ₁ и ₂ — потенциалы нач. и конечной точек траектории заряда (или массы), то Р. п. u=₁-₂; изменение потенциала =₂-₁=-u.

Работой произвольного электрич. поля по перемещению единичного по­ложит. заряда из одной точки в дру­гую измеряется электрическое напря­жение между этими точками; в случае потенциального поля напряжение сов­падает с Р. п.

^ РАЗНОСТЬ ХОДА лучей, разность оптических длин путей двух световых лучей, имеющих общие нач. и конеч­ную точки. Понятие Р. х. играет осн. роль в описании интерференции све­та и дифракции света.

^ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ ДИНАМИ­КА, см. Динамика разреженных газов.

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ (разрешающая сила) оптических приборов, характеризует способ­ность этих приборов давать раздель­ное изображение двух близких друг к другу точек объекта. Наимень­шее линейное (или угловое) расстоя­ние между двумя точками, начиная с которого их изображения сливаются и перестают быть различными, наз. линейным (или угловым) преде­лом разрешения. Обратная ему величина служит количеств. ме­рой Р. с. оптич. приборов. Идеальное изображение точки, как элемента пред­мета, может быть получено от вол­новой сферич. поверхности. Реальные оптич. системы имеют входные и выходные зрачки конечных размеров, ограничивающие волновую поверх­ность. Благодаря дифракции света даже при отсутствии аберраций и оши­бок изготовления оптич. система изоб­ражает точку в монохроматич. свете в виде светлого пятна, окружённого попеременно тёмными и светлыми кольцами. Пользуясь теорией дифракции, можно вычислить наимень­шее расстояние, разрешаемое оптич. системой, если известно, при каких распределениях освещённости приём­ник (глаз, фотослой) воспринимает изображение раздельно. В соответ­ствии с условием, введённым англ. учёным Дж. У. Рэлеем (1879), изоб­ражения двух точек можно видеть раздельно, если центр дифракц. пятна каждого из них пересекается с краем первого тёмного кольца другого (рис.).

Если точки предмета самосветящиеся и излучают некогерентные лучи, вы­полнение критерия Рэлея со­ответствует тому, что наименьшая освещённость между изображениями разрешаемых точек составит 74% от освещённости в центре пятна, а уг­ловое расстояние между центрами дифракц. пятен (максимумами ос­вещённости) определится выражением =1,21/D, где  — длина волны света, D — диаметр входного зрачка оптич. системы (см. Диафрагма в оптике).



Распределение ос­вещённости Е в изображении двух точечных источ­ников света, рас­положенных так, что угловое рас­стояние между максимумами ос­вещённости  ра­вно угловой величине радиуса центрального дифракц. пятна (= — условие Рэ­лея).


Если оптич. система имеет фокусное расстояние f, то линейная величина предела разрешения =l,21f/D. Предел разрешения теле­скопов и зрительных труб выражают в угловых секундах и определяют по формуле =140/D (при =560 нм и D в мм) (о Р. с. микроскопов см. в ст. Микроскоп). Приведённые фор­мулы справедливы для точек, нахо­дящихся на оси идеальных оптич. приборов. Наличие аберраций и оши­бок изготовления снижает Р. с. ре­альных оптич. систем. Р. с. реальной оптич. системы падает также при переходе от центра поля зрения к его краям. Р. с. оптич. прибора R_оп, включающего комбинацию оптич. си­стемы и приёмника (фотослой, катод электронно-оптического преобразователя и др.), связана с Р. с. оптич. систе­мы прибора R_ос и приёмника R_п при­ближённой формулой 1/R_оп=1/R_ос+1/R_п, из к-рой следует, что целесо­образно применение лишь таких со­четаний, когда R_ос и R_п одного порядка. Р. с. прибора может быть оценена по его аппаратной функции.

• Тудоровский А. И., Теория оп­тических приборов, 2 изд., т. 1, М.—Л., 1948; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд.. М., 1976.

Л. Н. Капорский.

^ РАЗРЕШЁННАЯ ЗОНА, область зна­чений энергии, к-рые может прини­мать квантовая система. См. Зонная теория.

РАЗРЕШЁННЫЕ ЛИНИИ, спект­ральные линии, возникающие при из­лучат. квантовых переходах, для к-рых выполняются отбора правила (в от­личие от запрещённых линий).

^ РАЗРЫВНЫЕ КОЛЕБАНИЯ, коле­бания, при к-рых наряду со сравни­тельно медленными изменениями ве­личин, характеризующих состояние колебат. системы, в нек-рые моменты происходят столь быстрые изменения этих величин, что их можно рассмат­ривать как скачки, а весь колебат.

процесс в целом — как последова­тельность медленных изменений со­стояния системы, начинающихся и кончающихся мгновенным его изме­нением (скачками или разрывами). Релаксационные колебания часто рас­сматривают как Р. к.

^ РАЗРЯД С ПОЛЫМ КАТОДОМ, раз­ряд с катодом (чаще всего в виде полого цилиндра), рабочая поверх­ность к-рого охватывает часть раз­рядного пространства. Р. с п. к. характеризу­ется в несколько раз большей концентрацией заряженных и возбуж­дённых ч-ц по сравнению с их концентрацией при обычной форме катода. Это обусловлено спе­цифической конфигурацией электрического поля внутри катода (рис.).



^ Движение электрона в по­лом катоде.


Эл-ны, эмитируемые внутр. поверхностью цилиндра, ус­коряются в области катодного падения потенциала и, пролетев плазму, по­падают в поле противоположного на­правления, отражаются назад в плаз­му и т. д. В результате время жизни эл-на внутри полого катода оказы­вается большим, что и приводит к более эффективным возбуждению и ионизации атомов.

• Москалев Б. И., Разряд с полым катодом, М., 1969.

Л. А. Сена.

^ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ, см. Электри­ческие разряды в газах.

РАМAHA ЭФФЕКТ (комбинационное рассеяние света), рассеяние света в-вом, сопровождающееся изменением его длины волны. Открыт в 1928 Г. С. Ландсбергом и Л. И. Мандель­штамом на кристаллах и инд. физи­ками Ч. В. Раманом и К. С. Кришнаном на жидкостях. Термин «Р. э.» распространён в зарубежной лит-ре. Подробнее см. Комбинационное рас­сеяние света.

^ РАМЗАУЭРА ЭФФЕКТ, в узком смыс­ле — высокая «проницаемость» ато­мов или молекул газа для медленных эл-нов; в более общем смысле — аномальный (с позиций классич. фи­зики) характер вз-ствия эл-нов с нейтральными атомами (молекулами) нек-рых газов. Открыт в 1921 нем. физиком К. Рамзауэром (С. Ramsauer) при изучении рассеяния эл-нов в аргоне.

Р. э. выражается в наличии глу­бокого минимума в эфф. сечении столк­новений эл-нов с атомами. Для атомов Ar минимум наблюдается при энер­гиях эл-нов ок. 1 эВ (так, что эл-ны проходят сквозь газ не рассеиваясь) с последующим возрастанием до мак­симума при энергии ок. 12 эВ. Это явление, необъяснимое в рамках клас-

615


сич. механики ч-ц, истолковывается при рассмотрении с позиций квант. механики тем, что в процессах вз-ствия с атомами медленные эл-ны ведут себя как волны (см. Волны де Бройля). Квантовомеханич. расчёты обосновали экспериментально установленный Р. э. в Ar и др. более тяжёлых инертных газах и его отсутствие в Н₂, Не, Ne и др. газах.

• Арцимович Л. А., Элементарная физика плазмы, 3 изд., М., 1969; Месси Г., Б а р х о п В., Электронные и ионные столкновения, пер. с англ., М., 1958.

^ РАМОЧНАЯ АНТЕННА, антенна в виде одного или неск. витков провода. Р. а. эквивалентна магн. диполю и имеет соответствующую ему торои­дальную диаграмму направленности. Для повышения эффективности Р. а. снабжают ферромагн. сердечниками.

^ РАМСДЕНА ОКУЛЯР, см. Окуляр.

РАСПРЕДЕЛЁННАЯ СИСТЕМА, то же, что система с распределёнными параметрами.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН, процесс передачи эл.-магн. колебаний радиодиапазона (см. Радиоволны) в пространстве от одного места к дру­гому, в частности от передатчика к приёмнику. В естеств. условиях Р. р. происходит в разл. средах, напр. в атмосфере, космической плазме, в по­верхностном слое Земли.

^ Общие закономерности Р. р. Ско­рость Р. р. в свободном пространстве в вакууме равна скорости света с. Полная энергия, переносимая радио­волной, остаётся постоянной, а плот­ность потока энергии убывает с уве­личением расстояния r от источника обратно пропорционально r². Р. р. в др. средах происходит с фазовой ско­ростью, отличающейся от с и в рав­новесной среде сопровождается погло­щением эл.-магн. энергии. Оба эффекта объясняются возбуждением колебаний эл-нов и ионов среды под действием электрич. поля волны. Если напряжённость поля E гармонич. волны мала по сравнению с напряжённостью поля, действующего на заряды в самой среде (напр., на эл-н в атоме), то колебания происходят также по гармонич. закону с частотой  пришедшей волны. Колеблющиеся эл-ны излучают вторичные радиовол­ны той же частоты, но с др. ампли­тудами и фазами. В результате сло­жения вторичных волн с приходящей формируется результирующая волна с новой амплитудой и фазой. Сдвиг фаз между первичной и переизлучён­ными волнами приводит к изменению фазовой скорости. Потери энергии при взаимодействии волны с атома­ми явл. причиной поглощения радио­волн.

Амплитуда волны убывает с рассто­янием по закону А =(A₀/r)ехр(-(/c)r) ,

а фаза волны по закону =t-(/c)n,

где  — показатель поглощения, n — преломления показатель; n и  за­висят от диэлектрической проница­емости  среды, её проводимости о и частоты волн :



Фазовая скорость v_ф=c/n, коэфф. по­глощения =(/c). Среда ведёт себя

как диэлектрик, если (4/)²<<1,

и как проводник при (4p/)²>>1.

В первом случае n, поглощение

мало, во втором n(2/).

В среде  и  явл. функциями ча­стоты  (см. ^ Дисперсия волн). Вид частотной зависимости  и  опре­деляется структурой среды. Дис­персия радиоволн особенно сущест­венна в тех случаях, когда частота волны близка к характерным собств. частотам среды (напр., при Р. р. в ионосферной и косм. плазме, см. ниже).

При Р. р. в средах, не содержащих свободных эл-нов (тропосфера, толща Земли), происходит смещение связан­ных эл-нов в атомах и молекулах среды в сторону, противоположную

полю волны E, при этом n>1, v_ф
(радиосигнал, несущий энергию, рас­пространяется с групповой скоро­стью v_гр<с). В плазме поле волны вызывает смещение свободных эл-нов в направлении E, при этом n<1 и v_ф>с.

В однородных средах радиоволны распространяются прямолинейно, по­добно световым лучам. Процесс Р. р. в этом случае подчиняется законам геометрической оптики. Однако ре­альные среды неоднородны. В них n, а следовательно, и v_ф различны в разных участках среды, что приводит к искривлению траектории радио­волны. Происходит рефракция (преломление) радиоволн. В случае плавных (в масштабе ) неоднородностей справедливо приближение геом. оптики. Если n зависит от одной координаты, напр. высоты h (плоско­слоистая среда), то при прохождении

волны через каждый пло­ский слой выполняется ^ Снелля закон преломления: луч, падающий на неодно­родную среду в точке с n₀=1 под углом ₀, в про­странстве искривляется так, что в произвольной точке среды h соблюдается соотношение:

n(h)sin(h)=sin₀. (2)

Если n убывает при уве­личении h, то в резуль­тате рефракции луч, по

мере распространения, отклоняется от вертикали и на некоторой высоте h_m становится параллельным горизон­тальной плоскости, а затем распро­страняется вниз (рис. 1, а). Макс. высота h_m, на к-рую луч может уг­лубиться в неоднородную плоскосло­истую среду, зависит от угла падения ₀ и определяется из условия:

n(h_m)=sin₀. (3)

В область h>h_m лучи не проникают, и, согласно приближению геом. оп­тики, волновое поле в этой области должно быть равно 0. В действитель­ности вблизи плоскости h=h_m вол­новое поле возрастает, а при h>h_т убывает экспоненциально (рис. 1, б). Нарушение законов геом. оптики при Р. р. связано с дифракцией волн, вследствие к-рой радиоволны могут проникать в область геом. тени. На границе области геом. тени образу­ется сложное распределение волновых полей. Дифракция радиоволн возни­кает при наличии на их пути препят­ствий (непрозрачных или полупро­зрачных тел). Дифракция особенно существенна в тех случаях, когда размеры препятствий сравнимы с .

Если Р. р. происходит вблизи рез­кой границы (в масштабе X) между двумя средами с разл. электрич. свойствами (напр., атмосфера — по­верхность Земли или тропосфера — нижняя граница ионосферы для до­статочно длинных волн), то при па­дении радиоволн на резкую границу образуются отражённая и преломлён­ная (прошедшая) радиоволны. Если отражение происходит от границы проводящей среды (напр., от поверх­ностного слоя Земли), то глубина проникновения в него определяется толщиной скин-слоя (см. Скин-эф­фект).

В неоднородных средах возможно , волноводное Р. р., при к-ром проис­ходит локализация потока энергии между определёнными поверхностя­ми, за счёт чего волновые поля меж­ду ними убывают с расстоянием медленнее, чем в однородной среде (ат­мосферный волновод). В средах с плав­ными неоднородностями локализация связана с рефракцией, а в случае рез­ких границ — с отражением.

В среде, содержащей случайные ло­кальные неоднородности, вторичные волны излучаются беспорядочно в



^ Рис. 1. а — рефракция радиоволн в плоскослоистой сре­де; б — зависимость квадрата амплитуды напряжённо­сти электрич. поля радиоволны от высоты h.

616


разл. направлениях. Рассеянные вол­ны частично уносят энергию исходной волны, что приводит к её ослаблению. При рассеянии на неоднородностях размером l<< (т. н. рассеяние Рэлея; см. Рэлея закон) рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномас­штабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются в направлениях, близких к исходной волне. При l возникает сильное резонансное рассеяние.

Влияние поверхности Земли на Р. р. зависит от расположения относи­тельно неё передатчика и приёмни­ка. Р. р.— процесс, захватывающий большую область пространства, но наиболее существенную роль в Р. р.



^ Рис. 2. Эллипсоидальная область простран­ства, существенная при распространении ра­диоволн (радиотрасса); А — излучатель; В — приёмник.

играет область, ограниченная поверх­ностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах к-рого ^ А и В на расстоянии r расположены передат­чик и приёмник (радиотрасса, рис.2). Большая ось эллипсоида равна r+(/4), а малая ось ~(r/2). Ши­рина трассы уменьшается с убыва­нием . Если высоты z₁ и z₂, на к-рых расположены антенны передатчика и приёмника над поверхностью Земли, велики по сравнению с , то эллип­соид не касается поверхности Земли, и она не влияет на Р. р. (рис. 2, а). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллип­соид коснётся поверхности Земли (рис. 2, б). Отражение радиоволн от зем­ной поверхности близко к зеркаль­ному, если на ней внутри эллипсоида уложится неск. первых зон Френеля, а проводимость  почвы достаточно высока. При этом радиоволна в точке приёма определяется интерференцией прямой и отражённой волн (см. Ин­терференция волн). Интерференц. мак­симумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля в зоне приёма, к-рая характерна для метро­вых и более коротких радиоволн. Если (z₁/)<1 и (z₂/)>1, то радиотрасса выделяет участок поверхности Земли,

ограниченный эллипсом с осями r+(/4)

и (r/2). Качество радиосвязи в этом случае определяется проводимостью а почвы именно в этой области, при­чём особенно большую роль играют оба конечных участка радиотрассы. Почвы, образующие поверхностный

слои земной коры, а также воды морей и океанов обладают значит. электро­проводностью. Напр., для осадочных пород в поверхностном слое земной коры ~10⁷—10⁸ См. Но т. к. n и  — функции частоты , то для сантиметровых волн все виды земной поверхности имеют свойства диэлект­рика. Для метровых и более длинных волн Земля обычно проводник, в к-рый волны проникают на глубину

скин-слоя толщиной d=(1/2)(c₀/)

(₀ — длина волны в вакууме). По­этому для подземной и подводной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны.

Выпуклость земной поверхности ограничивает расстояние, на к-ром из



Pис. 3. Дальность прямой видимости r огра­ничена выпуклостью земной поверхности; R₀ — радиус Земли, z₁ и z₂ — высоты пере­дающей A и приёмной В антенн.

точки приёма ^ В «виден» передатчик А (область «прямой видимости», рис. 3). Однако радиоволны могут проникать в область тени на большее расстояние

~³R²₀ (R₀ — радиус Земли), оги­бая Землю, в результате дифракции. Практически в эту область за счёт дифракции могут проникать только километровые и более длинные волны (рис. 4). За горизонтом поле растёт



^ Рис. 4. График, иллюстрирующий связь дальности r распространения от величины W= 20lg|E/E_*|, где Е — напряжён­ность поля радио­волны в реаль­ных условиях рас­пространения с учётом огибания выпуклости земной поверхности (излучатель расположен на поверхности Земли), Е_* — напряжён­ность поля без учёта дифракции, для разных частот.


с увеличением высоты z₁, на к-рую поднят излучатель, и быстро (почти экспоненциально) уменьшается при удалении от него.

Влияние рельефа земной поверх­ности на Р. р. зависит от высоты не­ровностей h, их горизонтальной про­тяжённости I,  и угла  падения вол­ны на поверхность. Если неровности достаточно малы и пологи, так что khcos<1 (k — волновое число) и вы­полняется т. н. критерий Рэлея: k²l²cos<1, то они слабо влияют на Р. р. Влияние неровностей зависит также от поляризации волн. Напр., для горизонтально поляризованных

волн оно меньше, чем для волн, поля­ризованных вертикально. Когда не­ровности не малы и не пологи, энер­гия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Вы­сокие горы и холмы с h>, «возмуща­ют» волновое поле, образуя затенён­ные области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерфе­ренции прямых и отражённых волн. Вершина горы служит естеств. ре­транслятором. Это существенно при распространении метровых радиоволн в гористой местности (рис. 5).

Фазовая скорость радиоволн, рас­пространяющихся вдоль земной по­верхности (земных волн) вблизи излучателя, зависит от её электрич.



^ Рис. 5. Траектории радиоволн при дифракции на непологих неровностях.


свойств. Однако на расстоянии в неск. , от излучателя v_фc. Если радиоволны распространяются над электрич. неоднородной поверхно­стью, напр. сначала над сушей, а затем над морем, то при пересечении береговой линии резко изменяется амплитуда и направление Р. р. (бе­реговая рефракция, рис. 6).



^ Рис. 6. Изменение напряжённости электрич. поля волны при пересечении береговой ли­нии.


Р. р. в тропосфере. Тропосфера -область атмосферы между поверхно­стью Земли и т. н. тропопаузой (рис. 7), в к-рой темп-ра воздуха обычно убывает с высотой h. Высота тропопаузы на земном шаре не оди­накова, она больше над экватором, чем над полюсами, а в средних широ­тах, где существует система сильных западных ветров, меняется скачко­образно. Тропосфера состоит из смеси газов и паров воды; её проводимость для радиоволн с  > неск. см пренебрежимо мала.

617




^ Рис. 7. Зависимость темп-ры Т воздуха и концентрации N эл-нов от высоты h.


Тропосфера обладает свойствами, близкими к вакууму, т. к. у поверхности Земли n==1,0003 и v_ф лишь немного меньше с. С уве­личением высоты плотность воздуха надает, а поэтому  и n уменьшаются, ещё более приближаясь к 1. Это приводит к отклонению траекторий радиолучей к Земле (рис. 1, а). Такая т. н. нормальная тропо­сферная рефракция спо­собствует Р. р. за пределы прямой видимости, т. к. за счёт рефракции волны могут огибать выпуклость Зем­ли. Практически этот эффект может играть роль только для УКВ. Для более длинных волн преобладает оги­бание выпуклости Земли за счёт ди­фракции.

Метеорологич. условия могут ос­лаблять или усиливать рефракцию по сравнению с нормальной, т. к. плот­ность воздуха зависит от давления, темп-ры и влажности. Обычно в тро­посфере давление газов и темп-ра с высотой уменьшаются, а давление водяного пара увеличивается. Однако при нек-рых метеорологич. условиях (напр., при движении нагретого над сушей воздуха над морем) темп-ра воздуха с высотой увеличивается (и н в е р с и я т е м п - р ы). Особенно велики отклонения летом на высоте 2—3 км, когда часто образуются тем­пературные инверсии и облачные слои. При этом преломление радиоволн в тропосфере может стать столь силь­ным, что вышедшая под небольшим углом к горизонту радиоволна на нек-рой высоте изменит направление и вернётся обратно к Земле. В про­странстве, ограниченном снизу зем­ной поверхностью, а сверху — рефрагирующим слоем тропосферы, вол­на может распространяться на очень большие расстояния (в о л н о в о д н о е р а с п р о с т р а н е н и е).

В тропосферных волноводах, как правило, могут распространяться волны с <1 м (рис. 8).

Поглощение радиоволн в тропосфере пренебрежимо мало для всех радио­волн вплоть до сантиметрового диа­пазона. Поглощение сантиметровых и более коротких волн резко увеличи­вается, когда частота волны  со­впадает с одной из собств. частот колебаний молекул воздуха (резо­нансное поглощение). Молекулы по­лучают от приходящей волны энер­гию, к-рая превращается в теплоту и только частично передаётся вторич­ным волнам. Известен ряд линий резонансного поглощения в тропосфе­ре: =1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (по­глощение в парах воды) и =0,5 см,



^ Рис. 8. Траекто­рии УКВ в тро­посферном волно­воде.


0,25 см (поглощение в кислороде). Между резонансными линиями лежат области более слабого поглощения (о к н а п р о з р а ч н о с т и).

Ослабление радиоволн может быть также вызвано рассеянием на неоднородностях, возникающих при тур­булентном движении воздушных масс (см. Турбулентность). Рассеяние рез­ко увеличивается, когда в воздухе



^ Рис. 9. Рассеяние радиоволн на мел­комасштабных неоднородностях.


присутствуют капельные неоднород­ности в виде дождя, снега, тумана. Почти изотропное рассеяние Рэлея на мелкомасштабных неоднородностях делает возможной радиосвязь на рас­стояниях, значительно превышающих прямую видимость (рис. 9). Т. о., тропосфера существенно влияет на распространение УКВ. Для декаметровых и более длинных волн тропо­сфера практически прозрачна и на их распространение влияет земная поверхность и более высокие слои атмосферы.

Р. р. в ионосфере. Ионосферу обра­зуют верхние слои земной атмосферы, в к-рой газы частично (до 1%) иони­зированы под влиянием УФ, рентге­новского и корпускулярного солнеч­ного излучения. Ионосфера элект­рически нейтральна, она содержит равное количество положит. и отри­цат. ч-ц, т. е. является плазмой. Достаточно большая ионизация, ока­зывающая влияние на Р. р., начи­нается на высоте 60 км (слой D), увеличивается до высоты 300—400 км, образуя слои E, F₁, F₂, и затем мед­ленно убывает (рис. 7). В гл. мак­симуме концентрация эл-нов N до­стигает 10⁶ см^-3. Зависимость N от высоты меняется со временем суток, года, с солнечной активностью, а также с широтой и долготой. Ионизированный слой между 200 и 400 км состоит в основном из равного коли­чества ионов O⁺ и эл-нов. Эти ч-цы погружены в нейтральный газ с кон­центрацией 10⁸ см^-3, состоящий в основном из ч-ц О₂, О, N₂ и Не.

В многокомпонентной плазме, со­держащей эл-ны, ионы и нейтральные молекулы и пронизанной магн. полем Земли (см. ^ Земной магнетизм), могут возникать разл. виды собств. коле­баний, имеющих разные частоты. Напр., плазменные (ленгмюровские)

частоты эл-нов ₀=(4Ne²/m) и ионов ₀=(4Ne²/M), гиромагнитные

частоты эл-нов _H=eH₀/mc и ионов _H =eH₀/Mc, где m, М — массы эл-на

и иона, е — их заряд, N — концент­рация, Н₀ — напряжённость магн. по­ля Земли. Т. к. М>>m, то ₀>>₀, _H>>_H. Напр., для эл-нов _H/2= 1,4 МГц, а для ионов атомарного кислорода _H/2=54 Гц.

В зависимости от частоты  радио­волны осн. роль в Р. р. играют те или др. виды собств. колебаний, поэтому электрич. свойства ионосферы различны для разных участков ра­диодиапазона. При высоких  ионы не успевают следовать за изменениями поля, и в Р. р. принимают участие только эл-ны. Вынужденные колеба­ния свободных эл-нов ионосферы про­исходят в противофазе с действующей силой и вызывают поляризацию плаз­мы в сторону, противоположную элект­рич. полю волны Е. Поэтому ди­электрич. проницаемость ионосферы <1. Она уменьшается с уменьшением частоты: =1-²₀/². Учёт соуда­рений эл-нов с атомами и ионами даёт более точные формулы для  и 

ионосферы: =1-²₀/(²+v²); =²₀v/4(²+²). Здесь  - эффектив­ная частота соударений. Для декаметровых и более коротких волн в большей части ионосферы ²>>v² и показатели преломления n и погло­щения к приближённо равны: n(1-²₀/²), 2/. Т. к. n<1,

то фазовая скорость Р. р. v_ф=c/n>с,

групповая скорость v_гр=cn<с.

Поглощение в ионосфере пропор­ционально v, т. к. чем больше число столкновений, тем большая часть энер­гии, получаемой эл-ном из волны, переходит в тепло. Поэтому поглоще­ние больше в нижних областях ионо­сферы (слой D), где v больше, т. к. выше плотность газа. С увеличением частоты поглощение уменьшается. Ко­роткие волны испытывают слабое по­глощение и могут распространяться на большие расстояния.

Рефракция радиоволн в ионосфере. В ионосфере могут распространяться

618


только радиоволны с частотой >₀. При <₀ n становится чисто мни­мым и эл.-магн. поле экспоненци­ально убывает в глубь плазмы. Ра­диоволна с частотой , падающая на ионосферу вертикально, отражается от уровня, на к-ром =₀ и n=0. В нижней части ионосферы электрон­ная концентрация и ₀ увеличива­ются с высотой, поэтому с увеличением и посланная с Земли волна всё глубже проникает в ионосферу. Макс. ча­стота радиоволны, к-рая отражается от слоя ионосферы при вертикальном падении, наз. к р и т и ч. ч а с т о т о й с л о я: _кр=_0макс=(4e²N_макс/m). Критич. частота

слоя ^ F₂ (гл. максимума) изменяется в течение суток и года в широких пределах (от 3—5 до 10 МГц). Для волн с >_кр (F₂) показатель пре­ломления не обращается в ноль и падающая вертикально волна прохо­дит через ионосферу, не отражаясь.



^ Рис. 10. Схематич. изображение радиолу­чей определённой частоты при разл. углах падения на ионосферу.


При наклонном падении волны на ионосферу происходит рефракция, как в тропосфере. В нижней части ионо­сферы v_ф увеличивается с высотой (вместе с увеличением N). Поэтому траектория луча отклоняется по на­правлению к Земле (рис. 10). Радио­волна, падающая на ионосферу под углом ₀, поворачивает к Земле на высоте h, для к-рой выполнено ус­ловие (3). Макс. частота волны, от­ражающейся от ионосферы при па­дении под углом ₀ (т. е. для данной дальности трассы), равна: _мпч=_крseс₀>_кр и наз. макс. приме­нимой частотой (МПЧ). Волны с <_мпч, отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю, что исполь­зуется для дальней радиосвязи. Вслед­ствие сферичности Земли величина угла ₀ ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионо­сферы 3500—4000км. Связь на боль­шие расстояния осуществляется за счёт неск. последоват. отражений от ионосферы и Земли «скачков» (рис. 11, а). Возможны и более сложные, волноводные траектории, возникаю­щие за счёт горизонтального гради­ента N или рассеяния на неоднородностях ионосферы при Р. р. с частотой >_мпч. В результате рассеяния угол падения луча на слой F₂ оказы­вается больше, чем при обычном распространении.



^ Рис. 11. Распространение коротких волн между Землёй и ионосферой: а — многоскачковая траектория; б — скользящая траектория.


Луч испытывает ряд последоват. отражений от слоя F₂, пока не попадёт в область с таким градиентом N, к-рый вызовет отра­жение части энергии назад к Земле (рис. 11, б).

^ Влияние магн. поля Земли Н₀. В магн. поле Н₀ на эл-н, движущийся со скоростью V, действует Лоренца си­ла F=-e/c[vH₀], под влиянием к-рой

он вращается по окружности в пло­скости, перпендикулярной H₀, с гироскопич. частотой _H. Траектория каждой заряженной ч-цы — винтовая линия с осью вдоль Н₀. Действие силы Лоренца приводит к изменению хар-ра вынужденных колебаний эл-нов под действием электрич. поля волны, а следовательно, к изменению электрич. свойств среды. В результате ионо­сфера становится анизотропной гиротропной средой, электрич. свойства к-рой зависят от направления Р. р. и описываются не скалярной величи­ной г, а тензором диэлектрич. прони­цаемости _ij. Падающая на такую среду волна испытывает двойное лу­чепреломление, т. е. расщепляется на две волны, отличающиеся скоростью и направлением распространения, по­глощением и поляризацией. Если на­правление P. p. H₀, то падающую волну можно представить себе в виде суммы двух линейно поляризованных волн с ЕН₀ и Е║Н₀. Для первой «необыкновенной» волны (е) характер вынужденного движения эл-нов под действием поля волны E изменяется (появляется компонента ускорения, перпендикулярная E) и поэтому из­меняется п. Для второй (о) «обыкно­венной» волны вынужденное движение остаётся таким же, как и без поля Н₀ (при v║H₀ сила Лоренца равна 0). Для этих двух волн (без учёта соуда­рений) квадраты показателей пре­ломления равны:



При Р. р. вдоль Н₀:



В последнем случае обе волны имеют круговую поляризацию, причём у необыкновенной волны вектор Е вра­щается в сторону вращения эл-на, а у обыкновенной — в противопо­ложную сторону. При произвольном направлении Р. р. (относительно Н₀) поляризация нормальных волн эл­липтическая.

По мере Р. р. в ионосфере увеличи­вается сдвиг фаз между волнами и изменяется поляризация суммарной волны. Напр., при Р. р. вдоль Н₀ это приводит к повороту плоскости поляризации (Фарадея эффект), а при Р. р. перпендикулярно Н₀ — к периодич. чередованию линейной и круговой поляризаций (см. Коттона — Мутона эффект). Т. к. пока­затели преломления волн различны, отражение их происходит на разной высоте (рис. 12). Направление вол­нового вектора k при Р. р. в ионосфере может отличаться от v_гр.



^ Рис. 12. Расщепление радиоволны в резуль­тате двойного лучепреломления в ионосфере.