[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 Низкочастотные волны в ионосфере. Рис. 14. Ионосферная кроссмодуляция про­исходит в области пересечения лучей. Параметрический резонанс). Р. р. в косм. условиях Доплера эффекта Рассеяние звука Рассеяние микрочастиц Квантовая теория рассеяния. Шрёдингера уравнения

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.

^ Низкочастотные волны в ионосфере.

Осн. часть энергии низкочастотных (НЧ) и очень низкочастотных (ОНЧ) радиоволн практически не проникает в ионосферу. Волны отражаются от её нижней границы (днём — вследствие сильной рефракции в D-слое, ночью — от Е-слоя, как от границы двух сред с разными электрич. свойствами). Рас­пространение этих волн хорошо опи­сывается моделью, согласно к-рой однородные и изотропные Земля и ионосфера образуют приземный вол­новод с резкими сферич. стенками, в к-ром и происходит Р. р. Такая модель объясняет наблюдаемое убы­вание поля с расстоянием и возра­стание амплитуды поля с высотой. Последнее связано со скольжением волн вдоль вогнутой поверхности вол­новода, приводящим к своеобразной «фокусировке» поля. Это явление ана­логично открытому Рэлеем в акус­тике эффекту «шепчущей галереи». Амплитуда радиоволн значительно возрастает в антиподной по отношению к источнику точке Земли. Это объ­ясняется сложением радиоволн, оги­бающих Землю по всем направлениям и сходящихся на противоположной стороне.

619


Влияние магн. поля Земли обуслов­ливает ряд особенностей распростра­нения НЧ волн в ионосфере: сверх­длинные волны могут выходить из приземного волновода за пределы ионосферы, распространяясь вдоль си­ловых линий геомагн. поля между сопряжёнными точками А и В Земли (рис. 13). Из формулы (5) видно,



что при <<_H в случае продольного распространения n²_e²₀/_H нигде не обращается в 0, т. е. волна прохо­дит через ионосферу без отражения. В ночной атмосфере прибл. геом. оп­тики нарушается и частичное прохож­дение есть при любом угле падения. Разряды молний в атмосфере — ес­теств. источник НЧ волн. В диапазоне 1—10 кГц они приводят к образованию т. н. свистящих атмосфериков, к-рые распространяются указанным обра­зом и создают на выходе приёмника сигнал с характерным свистом.

При Р. р. инфразвуковых частот с <<_H важную роль играют колеба­ния ионов, и ионосфера ведёт себя, как проводящая нейтральная жидкость, движение к-рой описывается ур-ниями магнитной гидродинамики. В ионо­сфере возможно распространение неск. типов магнитогидродинамич. волн, в частности альфвеновских волн, распро­страняющихся вдоль геомагн. поля с характерной скоростью v_A=H₀/p4, где  — плотность газа, и магнитозвуковых волн, к-рые распространя­ются изотропно (подобно звуку).

Нелинейные эффекты при Р. р. в ионосфере проявляются уже для ра­диоволн сравнительно небольшой ин­тенсивности и связаны с нарушением линейной зависимости поляризации среды от электрич. поля волны (см. Нелинейная оптика). «Нагревная» не­линейность играет осн. роль, когда характерные размеры возмущённой электрич. полем области плазмы во много раз больше длины свободного пробега эл-нов. Т. к. длина свобод­ного пробега эл-нов в плазме значи­тельна, эл-н успевает получить от поля заметную энергию за время одного пробега. Передача энергии при столкновениях от эл-на к ионам, атомам и молекулам затруднена из-за большого различия в их массах. В ре­зультате эл-ны плазмы сильно «разо­греваются» уже в сравнительно сла­бом электрич. поле, что изменяет эф­фективную частоту соударений. По-

этому  и  плазмы становятся зави­сящими от поля Е волны, и Р. р. приобретает нелинейный характер. «Возмущение» диэлектрич. проница­емости: ~(Е/Е_p)², где Е_р=(3(Тт/е²)(²+v²)) — характерное «плазменное» поле, Т — абс. темп-ра плазмы, б — ср. доля энергии, теря­емая эл-ном при одном соударении с тяжёлой ч-цей, v — частота соударе­ний. Т. о., нелинейные эффекты стано­вятся заметными, когда поле волны Е сравнимо с Е_р, к-рое в зависимости от частоты волны и области ионосферы составляет ~10^-4—10^-1 В/см.

Нелинейные эффекты могут прояв­ляться как самовоздействие волны и как вз-ствие волн между собой. Са­мовоздействие мощной волны приво­дит к изменению её поглощения и глубины модуляции. Поглощение мощ­ной радиоволны нелинейно зависит от её амплитуды. Частота соударений v с увеличением темп-ры эл-нов может как расти (в нижних слоях, где осн. роль играют соударения с нейтраль­ными ч-цами), так и убывать (при соударении с ионами). В первом слу­чае поглощение резко возрастает с увеличением мощности волны («на­сыщение» поля в плазме). Во втором случае поглощение падает (т. н. п р о с в е т л е н и е плазмы для мощной радиоволны). Из-за нелинейного из­менения поглощения амплитуда волны нелинейно зависит от амплитуды па­дающего поля, поэтому её модуляция искажается (автомодуляция и демо­дуляция волны). Изменение n в поле мощной волны приводит к искажению траектории луча. При распростра­нении узконаправленных пучков ра­диоволн это может привести к само­фокусировке пучка аналогично са­мофокусировке света и к образованию волноводного канала в плазме.



^ Рис. 14. Ионосферная кроссмодуляция про­исходит в области пересечения лучей.


Вз-ствие волн в условиях нелиней­ности приводит к нарушению супер­позиции принципа. В частности, если мощная волна с частотой ₁ модули­рована по амплитуде, то благодаря изменению поглощения эта модуляция может передаться др. волне с частотой ₂, проходящей в той же области ионосферы (рис. 14). Это явление, наз. к р о с с м о д у л я ц и е й, или Л ю к с е м б у р г - г о р ь к о в с к и м э ф ф е к т о м, имеет практич. значение при радиовещании в диапазоне средних волн.

Нагрев ионосферы в поле мощной волны в коротковолновом диапазоне может вызвать тепловую параметрич. неустойчивость в ионосфере, к-рая

приводит к аномально большому по­глощению радиоизлучения и расслое­нию плазмы (см. ^ Параметрический резонанс). В области резонанса =(²₀+²_H) образуются сильно вытя­нутые вдоль Н₀ неоднородности ионо­сферы (с продольным масштабом 1 км, поперечным — 0,5—100 м), к-рые пер­спективны для дальней связи в диа­пазоне УКВ. В поле очень мощных радиоволн эл-ны столь сильно разо­греваются, что возникает электрич. пробой газа.

Если размеры возмущённой полем волны области плазмы много меньше длины свободного пробега эл-нов, н а г р е в н а я н е л и н е й н о с т ь ста­новится слабой. Это имеет место при коротких импульсах и узких пучках радиоволн. В этом случае осн. роль играет т. н. с т р и к ц и о н н а я н е л и н е й н о с т ь, связанная с тем, что неоднородное переменное элект­рич. поле волны оказывает давление на эл-ны, вызывающее сжатие плазмы. Концентрация эл-нов N, а следова­тельно,  и  становятся зависящими от амплитуды поля. Стрикционная нелинейность приводит к изменению диэлектрич. проницаемости _сe²E²/8Tm², меньше нагревного из­менения _H на неск. порядков (при той же мощности волны). Стрикцион­ная нелинейность играет важную роль в параметрич. неустойчивости ионо­сферы.

^ Р. р. в косм. условиях. За исключе­нием планет и их ближайших окрест­ностей большая часть в-ва во Все­ленной ионизована. Параметры косм. плазмы меняются в широких преде­лах. Напр., концентрация электро­нов и ионов вблизи орбиты Земли ~1 —10 см^-3, в ионосфере Юпитера ~10⁵ см^-3, в солнечной короне ~10⁸ см^-3,а в недрах звёзд ~10²⁷ см^-3. Из косм. пространства к Земле при­ходит широкий спектр эл.-магн. волн, к-рые на пути из - космоса должны пройти через ионосферу и тропосферу. Через атмосферу Земли без заметного затухания распространяются волны двух осн. частотных диапазонов: «ра­диоокно» соответствует диапазону от ионосферных критич. частот _кр до частот сильного поглощения аэрозо­лями и газами атмосферы (10 МГц — 20 ГГц), «оптич. окно» охватывает диапазон видимого и ИК излучения (1 ТГц — 10³ ГГц). Атмосфера также частично прозрачна в диапазоне низ­ких частот (<300 кГц), где распро­страняются свистящие атмосферики и магнитогмдродинамич. волны.

В косм. условиях источник радио­волн и их приёмник часто быстро движутся относительно друг друга. В результате ^ Доплера эффекта это приводит к изменению  на = (kv), где v — относит. скорость. Пониже­ние частоты при удалении корреспон­дентов (красное смещение) свойст­венно излучению удаляющихся от

620


нас далёких галактик. Радиоволны в косм. плазме подвержены рефрак­ции, связанной с неоднородностью среды (рис. 15). Напр., вследствие рефракции в атмосфере Земли ис­точник радиоволн виден выше над горизонтом, чем в действительности. Для определения расстояния до пуль­саров и при интерпретации результатов радиолокации Солнца и планет необходимо учитывать, что в косм. плазме v_фс.



Рис. 15. Траекто­рии радиолучей с =5 м в солнеч­ной короне.


Возможности радиосвязи с объек­тами, находящимися в косм. про­странстве или на др. планетах, раз­нообразны и связаны с наличием и строением их атмосфер. Если косм. плазма находится в магн. поле (маг­нитосфера Юпитера, области солнеч­ных пятен, магнитосферы пульсаров), то она явл. гиротропной средой, подобно Земной ионосфере. Для всех планет с атмосферами общая труд­ность радиосвязи состоит в том, что при входе косм. аппарата в плотные слои атмосферы вокруг него созда­ётся плотная плазменная оболочка, затрудняющая прохождение радио­волн. На планетах типа Меркурия и Луны, практически не имеющих ат­мосферы и ионосферы, на Р. р. ока­зывает влияние только поверхность планеты. Из-за отсутствия отражения от ионосферы дальность связи вдоль поверхности такой планеты невелика (рис. 16) и может быть увеличена только при помощи ретрансляции через спутник.



Рис. 16. Зависимость дальности r радиосвя­зи на поверхности Луны от частоты /2.


Распространение радиоволн разных диапазонов. Радиоволны очень низких (3-30 кГц) и. низких (30—300 кГц) частот огибают земную поверхность вследствие волноводного распростра­нения и дифракции, сравнительно слабо проникают в ионосферу и мало поглощаются ею. Отличаются высо­кой фазовой стабильностью и способ­ностью равномерно покрывать боль­шие площади, включая полярные рай­оны. Это обусловливает возможность их использования для устойчивой дальней и сверхдальней радиосвязи и радионавигации, несмотря на вы­сокий уровень атм. помех. Полоса

частот от 150 кГц до 300 кГц исполь­зуется для радиовещания. Большое число геофиз. исследований выполня­ется путём наблюдений за сигналами естеств. происхождения, к-рые гене­рируются, напр., молниевыми раз­рядами и ч-цами радиационных поясов Земли. Трудности применения этого частотного диапазона связаны с гро­моздкостью антенных систем с высо­ким уровнем атм. помех, с относит. ограниченностью скорости передачи информации.

С р е д н и е в о л н ы (300 кГц — 3000 кГц) днём распространяются вдоль поверхности Земли (земная или прямая волна). Отражённая от ионо­сферы волна практически отсутствует, т. к. волны сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью из-за от­сутствия солнечного излучения слой D исчезает, появляется ионосферная волна, отражённая от слоя Е и даль­ность приёма возрастает. Сложение прямой и отражённой волн влечёт за собой сильную изменчивость поля, поэтому ионосферная волна — источ­ник помех для многих служб, ис­пользующих распространение земной волны. Ср. волны используются в радиовещании, радиотелеграфной и ра­диотелефонной связи, радионавига­ции.

Короткие волны (3 МГц — 30 МГц) слабо поглощаются D- и Е-слоями и отражаются от слоя F, когда их частоты <_мпч. В результате их отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значит. меньшем уровне мощности передатчика и го­раздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Этот диапазон применяется для радио­телефонной и радиотелеграфной связи, радиовещания, а также для радиолюбит. связи. Особенность радиосвязи в этом диапазоне — наличие замира­ний (ф е д и н г а) сигнала из-за из­менений условий отражения от ионо­сферы и интерференц. эффектов. Ко­ротковолновые линии связи подвер­жены влиянию атм. помех. Ионо­сферные бури вызывают прерывание связи.

Для очень высоких частот и УКВ (30—1000 МГц) преобладают Р. р. внутри тропосферы и проникновение сквозь ионосферу. Роль земной волны падает. Поля помех в низкочастотной части этого диапазона всё ещё могут определяться отражениями от ионо­сферы, и до частоты 60 МГц ионо­сферное рассеяние продолжает играть значит. роль. Все виды Р. р., за ис­ключением тропосферного рассеяния, позволяют передавать сигналы с ши­риной полосы частот в неск. МГц. В этой части спектра возможно очень высокое качество звукового радиове­щания при дальности 50—100 км. Ра­диовещание с частотной модуляцией работает на частотах вблизи 100 МГц. В этом же диапазоне частот ведётся телевизионное вещание. Для радио-

астрономии выделено неск. узких спектральных полос, к-рые исполь­зуются также для косм. связи, радио­локации, метеорологии, кроме того для любительской связи.

Волны УВЧ и СВЧ (1000 МГц  10000 МГц) распространяются в ос­новном в пределах прямой видимости и характеризуются низким уровнем шумов. В этом диапазоне при Р. р. играют роль известные области макс. поглощения и частоты излучения хим. элементов (напр., линии водорода вблизи от 1420 МГц). В этом диапа­зоне размещены многоканальные си­стемы широкополосной связи для пе­редачи телефонных и телевизионных сигналов. Высокая направленность ан­тенн позволяет использовать низкий уровень мощности в радиорелейных системах, а тропосферное рассеяние обеспечивает дальность радиосвязи ~800 км. Этот диапазон используется в радионавигац. и радиолокац. службах. Для радиоастрономии выделены полосы частот для наблюдения за атомарным водородом, радикалом ОН и континуальным излучением. Для косм. радиосвязи полоса частот ~1000—10 000 МГц — наиболее важ­ная часть радиодиапазона.

Волны СВЧ (>10 ГГц) распрост­раняются только в пределах прямой видимости. Потери в этом диапазоне неск. выше, чем на более низких частотах, причём на их величину сильно влияет кол-во осадков. Рост потерь на этих частотах частично ком­пенсируется возрастанием эффектив­ности антенных систем. СВЧ исполь­зуются в радиолокации, радионави­гации и метеорологии. На линиях связи между поверхностью Земли и космосом могут использоваться ча­стоты <20 ГГц. Для связи в космосе могут применяться значительно более высокие частоты. При этом отсутст­вуют взаимные помехи между косм. и некосм. службами. Диапазон СВЧ важен также для радиоастрономии.

• Г и н з б у р г В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, 2 изд., М., 1967; Ф о к В. А., Проблемы диффракции и распространения электромагнитных волн, М., 1970; Б р е х о в с к и х Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973; Татарский В. И,, Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967; Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радио­волн в ионосфере, М., 1973; Железня­ков В. В., Электромагнитные волны в кос­мической плазме, М., 1977; Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972.

П. А. Беспалов, М. Б. Виноградова, Т. А. Гайлит.

^ РАССЕЯНИЕ ЗВУКА, возникновение дополнит. звуковых полей в резуль­тате дифракции звука на препятст­виях, помещённых в среду, на неоднородностях среды, а также на неровных и неоднородных границах сред, Р. з. имеет место, если препятствия отличаются от среды либо сжи­маемостью, либо плотностью, либо

621


тем и другим. При Р. з. результиру­ющее звуковое поле можно предста­вить в виде суммы первичной звуковой волны (существовавшей в отсутствии препятствий) и рассеянной (вторич­ной) волны, возникшей в результате вз-ствия первичной волны с препят­ствиями. При наличии многих пре­пятствий волны, рассечённые каждым из них, рассеиваются повторно и многократно др. препятствиями.

Рассеивающую способность пре­пятствия характеризуют сечением рас­сеяния  — отношением мощности рас­сеянных волн к плотности потока энергии в первичной волне. Для пре­пятствий, сравнимых с длиной волны или больших её,  по порядку ве­личины равно площади S поперечного сечения тела перпендикулярно на­правлению падения первичной волны. Для малых препятствий величина а мала по сравнению с S и отношение /S~(ka)⁴, где k — волновое число звука, а — линейный размер тела. Особый случай — Р. з. на газовом пузырьке в жидкости при его резо­нансных пульсационных колебаниях: в этом случае >>S.

Р. з. на случайных неоднородностях среды вызывает расплывание звуко­вого пучка, что приводит к затуханию звука по мере его распространения. На высоких частотах Р. з. на кристал­литах в поликрист. телах позволяет обнаруживать области крупнозернистости, создающие мешающий фон (т. н. структурный шум) при УЗ де­фектоскопии. В гидроакустике су­щественно Р. з. на неоднородностях водной среды, на рыбах, планктоне и др. биол. объектах в водной толще, а также на неровной поверхности волнующегося моря и на неровном и неоднородном дне (объёмная, поверх­ностная и донная реверберация). Мор­ская реверберация может маскировать акустич. сигнал, отражающийся от обнаруживаемого объекта при гид­ролокации.

При падении плоской волны на плоскую периодически неровную или периодически неоднородную поверх­ность, помимо зеркально отражённой волны, образуются рассеянные пло­ские волны, бегущие в дискретных направлениях, определяемых углом падения первичной волны, её длиной К и периодом неровности или неодно­родности А. Если </2, рассеян­ные волны отсутствуют и влияние неровностей или неоднородностей про­является лишь в нек-ром возмущении суммарного поля падающей и зер­кально отражённой волны вблизи по­верхности, а также в нек-ром изме­нении фазы отражённой волны. Для статистически неровных или неодно­родных поверхностей Р. з. происходит по всем направлениям.

• Исакович М. А., Общая акустика, ., 1973; Акустика океана, под ред. Л. М. Бреховских, М., 1974. М. А. Исакович.

^ РАССЕЯНИЕ МИКРОЧАСТИЦ, про­цесс столкновения ч-ц, в результате к-рого меняются импульсы ч-ц (у п р у г о е р а с с е я н и е) или наряду с изменением импульсов меняются также внутр. состояния ч-ц (к в а з и- у п р у г и е п р о ц е с с ы) либо об­разуются др. ч-цы (н е у п р у г и е п р о ц е с с ы).

Одна из осн. количеств. хар-к как упр. рассеяния, так и неупр. процес­сов, — эффективное сечение процесса — величина, пропорциональ­ная вероятности процесса. Измерение сечений процессов позволяет изучать законы вз-ствия ч-ц, исследовать их структуру.

Классическая теория рассеяния. Со­гласно законам классич. нерелятив. механики, задачу рассеяния двух ч-ц с массами m₁ и m₂ можно свести путём перехода к системе центра инерции (с. ц. и.) сталкивающихся ч-ц к задаче рассеяния одной ч-цы с приведённой массой =m₁m₂/(m₁+m₂) на непод­вижном силовом центре. Траектория ч-цы, проходящей через силовое поле (с центром О), искривляется — про­исходит рассеяние. Угол между нач. (p_нач) и конечным (p_кон) импульсами рассеиваемой ч-цы наз. у г л о м р а с с е я н и я. Угол рассеяния зависит от вз-ствия между ч-цами и от при­цельного параметра  — расстояния, на к-ром ч-ца пролетала бы от сило­вого центра, если бы вз-ствие отсут­ствовало (рис. 1).

На опыте обычно направляют на Мишень из исследуемого в-ва пучок ч-ц. Число ч-ц dN, рассеянных в ед. времени на углы, лежащие в интер­вале , +d, равно числу ч-ц, про­ходящих в ед. времени через кольцо с площадью ,2d. Если n — плот­ность потока падающих ч-ц, то dN=2d•n, а сечение упр. рассеяния da определяется как отношение dNln и равно:



Полное сечение рассеяния 0 получа­ется интегрированием (1) по всем прицельным параметрам. Если а — миним. прицельный параметр, при к-ром ч-ца не рассеивается, то =а².



^ Квантовая теория рассеяния.

В квант. теории упр. рассеяние и не­упр. процессы описываются матрич­ными элементами S-матрицы, или матрицы рассеяния (амплитудами про­цессов),— комплексными величинами, квадраты модуля к-рых пропорц. сечениям соответств. процессов. Через матричные элементы S-матрицы выра­жаются физ. величины, непосредст­венно измеряемые на опыте: сечение, поляризация частиц, асимметрия, ком­поненты тензора корреляции поляри­заций и т. д. С др. стороны, эти мат­ричные элементы могут быть вычис­лены при определённых предположе­ниях о виде вз-ствия. Сравнение ре­зультатов опыта с теор. предсказа­ниями позволяет проверить теорию.

Общие принципы инвариантности (инвариантность относительно враще­ний, пространственной инверсии, об­ращения времени и др.) существенно ограничивают возможный вид мат­ричных элементов процессов и по­зволяют получить проверяемые на опыте соотношения. Напр., из инва­риантности относительно вращений и пространств. инверсии, к-рым отве­чают законы сохранения момента кол-ва движения и чётности, следует, что поляризация конечной ч-цы, воз­никающая при рассеянии неполяри­зованных ч-ц, направлена по нормали к плоскости рассеяния (плоскости, проходящей через нач. и конечный импульсы ч-цы). Т. о., измеряя на­правление вектора поляризации, мож­но выяснить, сохраняется ли чётность во вз-ствии, обусловливающем про­цесс. Изотопическая инвариантность сильного вз-ствия приводит к соот­ношениям между сечениями разл. процессов, а также к запрету нек-рых процессов. Напр., при столкновении двух дейтронов не могут образоваться -ч-ца и °-мезон. Эксп. исследование этого процесса подтвердило справед­ливость изотопич. инвариантности.

Условие унитарности S-матрицы, являющееся следствием сохранения полной вероятности, также наклады­вает ограничения на матричные эле­менты процессов. Так, из этого ус­ловия вытекает оптическая теорема.

Из общих принципов квант. теории (микропричинности условия, реляти­вистской инвариантности и др.) сле­дует, что элементы S-матрицы — аналитич. ф-ции в нек-рых областях комплексных переменных. Аналитич­ность S-матрицы позволяет получить I ряд соотношений между определяемыми из опыта величинами — дисперсионные соотношения, Померанчука теорему и др.

В случае упр. рассеяния бесспиновых ч-ц решение ^ Шрёдингера уравнения для волн. ф-ции (r) при r имеет вид:



Здесь r — расстояние между ч-цами,