Устаревшая ед частотного интервала. Названа в честь франц физика Ф. Савара (F. Savart). 1 С
Вид материала | Документы |
- Синдром удлинённого интервала qt и проблемы безопасности психофармакотерапии, 109.2kb.
- Товариство з обмеженою, 119.57kb.
- Н. Г. Чернышевского кафедра теоретической и математической физики рабочая программа, 152.3kb.
- Программа по физике для 10-11 классов общеобразовательных, 75.87kb.
- Татьяна Евгеньевна Зыкова. Сюных лет ему была интересна литература, 95.59kb.
- Электронная газета в рамках «Дня науки», посвященного Году российской космонавтики, 85.16kb.
- Лекция Логические основы компьютеров , 369.25kb.
- Игра ) Имя известного ученого, в честь которого названа самая популярная программа, 21.91kb.
- Физика биологических систем, 39.45kb.
- Динамика культурных процессов в современной России, 39.45kb.
С ростом hмакс растёт скорость С. v=(g(H+hмакс)) и уменьшается его длина (пропорц. 1/hмакс). Аналогичный вид имеют С. др. природы, напр. ионнозвуковые и магнитозвуковые С. в плазме, С. внутренних гравитац. волн, С. в слоистой жидкости и т. д.
^ Рис. 3. Солитон в системе связанных маятников (вид сбоку).
В др. случаях, напр. в цепочке маятников, связанных пружинами, также существует движение в виде С. (рис. 3), описываемое выражением:
к-рое явл. решением т. н. синус-Гордона ур-ния. Здесь — угол поворота маятника, и v0 — постоянные, определяемые параметрами системы, v — скорость С. Такой С. представляет собой последоват. поворот маятников на 2, причём знак плюс отвечает повороту по часовой стрелке, а минус — в противоположном направлении («антисолитон»). Характерная длина такого С. (число маятников, не находящихся в равновесии) тем больше, чем больше его скорость v. С., описываемые выражением (2), существуют в распределённых сверхпроводящих структурах (джозефсоновские переходы) и др.
Для ур-ний Кортевега — де Фриса, синус-Гордона и ряда др. ур-ний найдены решения, описывающие вз-ствие произвольного числа С., параметры к-рых не изменяются в результате вз-ствий, а также формирование С. в результате эволюции произвольного нач. импульса (рис. 1).
Впервые С. наблюдался в 1834 шотл. учёным Дж. С. Расселом в форме возвышения, бегущего по поверхности воды в канале. Теоретич. описание его было дано в 1895 голл. учёными Д. Кортевегом и Г. де Фрисом. В дальнейшем С. наблюдались в плазме, линиях передачи с ПП диодами и др. С., сближаясь, влияют друг на друга, т. к. в нелинейной среде не выполняется принцип суперпозиции. Тем не менее после вз-ствия С. не разрушаются, а расходятся вновь (рис. 4), сохраняя те же параметры, что и до вз-ствия,— как если бы столкнулись и разлетелись ч-цы, отсюда назв. «С.» (появилось в 1965, по аналогии с
698
протоном и нейтроном, от лат. solus — один, уединённый). Оказалось, что С. могут сохранять свою структуру длит. время при наличии небольшого
^ Рис. 4. Вз-ствие двух бегущих в одном направлении солитонов вида (1) с близкими амплитудами.
затухания или в результате плавного искривления фронта волны в пр-ве (в частности, цилиндрич. и сферич. С.). С., как и ч-цы, могут образовывать связанные состояния из двух или более импульсов (рис. 5). В системе
^ Рис. 5. Связанная пара солитонов.
из многих С. это приводит, в частности, к появлению сложных стохастич. движений («газ. С.»).
В системах с сильной дисперсией, если профиль стационарной волны близок к синусоидальному, также возможно существование модулир. волн в виде локализованных волн. пакетов со стационарно движущейся огибающей, к-рые также обнаруживают «частицеподобное» поведение при вз-ствии (С. «огибающей»). Такие С. возможны для волн на поверхности глубокого водоёма, ленгмюровских волн в плазме, мощных коротких (пикосекундных) световых импульсов в рабочей среде лазера и т. д.
С. играют важную роль в теории конденсир. состояния в-ва, в частности в квант. статистике, теории фазовых переходов. Солитонные решения имеют нек-рые ур-ния, предложенные для описания элем. ч-ц. Изучение св-в С. как «частицеподобных» волн, в т. ч. и возможных трёхмерных С., в к-рых поле убывает по всем направлениям в трёхмерном пр-ве (а не только по одной координате, как в приведённых выше примерах), привело к попыткам использовать С. при построении квант. нелинейной теории поля.
• Уизем Дж., Линейные и нелинейные волны, пер. с англ., М., 1977; К а р п м а н В. И., Нелинейные волны в диспергирующих средах, М., 1973; Скотт Э., Волны в активных и нелинейных средах в приложении к электронике, М., 1977, с. 215—284; Теория солитонов, М., 1980; Ребби К., Солитоны, «УФН», 1980, т. 130, в. 2; Солитоны в действии, под ред. К. Лонгрена и Э. Скотта, пер. с англ., М., 1981.
Л. А. Островский.
^ СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР, постоянный радиальный поток плазмы солн. короны в межпланетное пр-во. Поток энергии, идущий из недр Солнца, нагревает плазму короны до 1,5— 2 млн. К. Пост. нагрев не уравновешивается потерей энергии за счёт излучения, т. к. плотность короны мала. Избыточную энергию в значит.
степени уносят ч-цы С. в. (~1027—1029 эрг/с). Корона, т. о., не находится в гидростатич. равновесии, она непрерывно расширяется. По составу С. в. не отличается от плазмы короны (С. в. содержит гл. обр. протоны, эл-ны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа). У основания короны (в 10 тыс. км от фотосферы Солнца) ч-цы имеют радиальную скорость порядка сотен м/с, на расстоянии неск. солн. радиусов она достигает скорости звука в плазме (100 —150 км/с), у орбиты Земли скорость протонов составляет 300—750 км/с, а их пространств. концентрация — от неск. ч-ц до неск. десятков ч-ц в 1 см3. При помощи межпланетных косм. станций установлено, что вплоть до орбиты Сатурна плотность потока ч-ц С. в. убывает по закону (r0/r)2, где r — расстояние от Солнца, r0 — исходный уровень. С. в. уносит с собой петли силовых линий солн. магн. поля, к-рые образуют межпланетное магн. поле. Сочетание радиального движения ч-ц С. в. с вращением Солнца придаёт этим линиям форму спиралей. Крупномасштабная структура магн. поля в окрестностях Солнца имеет вид секторов, в к-рых поле направлено от Солнца или к нему. Размер полости, занятой С. в., точно не известен (радиус её, по-видимому, не меньше 100 а. е.). У границ этой полости динамич. давление С. в. должно уравновешиваться давлением межзвёздного газа, галактич. магн. поля и галактич. косм. лучей. В окрестностях Земли столкновение потока ч-ц С. в. с геомагн. полем порождает стационарную ударную волну перед земной
Вз-ствие солнечного ветра с магнитосферой Земли: 1 — силовые линии магн. поля Солнца; 2 — ударная волна; 3 — магнитосфера Земли; 4 — граница магнитосферы; 5 — орбита Земли; 6 — траектория ч-цы солнечного ветра.
магнитосферой (со стороны Солнца, рис.). С. в. как бы обтекает магнитосферу, ограничивая её протяжённость в пр-ве. Изменения интенсивности С. в., связанные со вспышками на Солнце, явл. осн. причиной возмущений геомагн. поля и магнитосферы (магн. бурь).
За год Солнце теряет с С. в. ~2X10-14 часть своей массы Mсолн. Естественно считать, что истечение в-ва, подобное С. в., существует и у др. звёзд («звёздный ветер»). Он должен быть особенно интенсивным у массивных звёзд (с массой ~ неск. дес. Mсолн) и с высокой темп-рой поверхности (~ 30—50 тыс. К) и у звёзд с протяжённой атмосферой (красных гигантов), т. к. в первом случае ч-цы сильно развитой звёздной короны обладают достаточно высокой энергией, чтобы преодолеть притяжение звезды, а во втором — низка параболич. скорость (скорость ускользания; см. Космические скорости). Значит. потери массы со звёздным ветром (~ 10-6 Мсолн/год и больше) могут существенно влиять на эволюцию звёзд. В свою очередь звёздный ветер создаёт в межзвёздной среде «пузыри» горячего газа — источники рентг. излучения.
• Солнечный ветер, пер. с англ., М., 1968; Хундхаузен А., Расширение короны и солнечный ветер, пер. с англ., М., 1976; Происхождение и эволюция галактик и звезд, под ред. С. Б. Пикельнера, М., 1976.
СОН (от лат. sonus — звук), единица условной шкалы громкости звука, выражающая непосредственно субъективную оценку сравнит. громкости чистого тона. 1C. соответствует уровню громкости 40 фон при частоте звука 1000 Гц. Шкала громкости в С. — линейна. При каждом последующем увеличении громкости на 10 фон число ед. С. прибл. удваивается.
^ СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ, сосуды, соединённые между собой в нижней, части (рис.).
В наполненных одинаковой жидкостью С. с., диаметр к-рых настолько велик, что позволяет пренебречь капиллярным эффектом, уровни жидкости располагаются на одинаковой высоте независимо от формы сосудов. На этом основано устройство жидкостных манометров, водомерных стёкол паровых котлов и т. п. Если С.. наполнены разл. жидкостями, то высоты столбов этих жидкостей (считая от поверхности соприкосновения жидкостей друг с другом) обратно пропорц. их плотностям, т. е. 1h1=2h2, где 1 и 2, h1 и h2 — соотв. плотности и высоты столбов жидкостей. Этим соотношением пользуются для определения плотности жидкости, если известна плотность второй жидкости. Если же одно из колен С. с, закрыто, то разность уровней жидкости будет зависеть от давления в закрытом колене; на этом основано устройство закрытых манометров.
^ СООТВЕТСТВЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ, состояния разл. в-в, соответствующие одним и тем же значениям при-
699
ведённых параметров состояния (темп-ры , давления , уд. объёма и др.). Ур-ние состояния, записанное в приведённых параметрах, одинаково для разл. в-в, так что одинаковым значениям и , напр., соответствует одно и то же значение , а на кривой равновесия жидкость — газ одним и тем же значениям соответствует одно и то же значение приведённого давления и, теплоты испарения , поверхностного натяжения о и т. д. (закон соответственных состояний). Закон С. с. строго справедлив лишь при достаточно высоких темп-рах, когда несущественны квант. эффекты, и для в-в, у к-рых зависимость энергии межмолекулярного взаимодействия от расстояния имеет одинаковый хар-р. Практически поведение всех в-в отклоняется от закона С. с., однако в рамках отд. групп в-в с близкими формами потенциала межмол. вз-ствия эти отклонения часто относительно невелики и носят систематич. хар-р, что позволяет осуществлять расчёт св-в малоизученных в-в на основе закона С. с.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М., Статистическая физика, 3 изд., ч. 1, М., 1976; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Рид Р., Шервуд Т., Свойства газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1964.
С. П. Малышенко.
^ СООТВЕТСТВИЯ ПРИНЦИП, постулат квант. механики, требующий совпадения её физ. следствий в предельном случае больших квантовых чисел с результатами классич. теории. В С. п. проявляется тот факт, что квант. эффекты существенны лишь при рассмотрении микрообъектов, когда величины размерности действия сравнимы с постоянной Планка ћ. Если же квант. числа, характеризующие состояние физ. системы напр., орбит. квант. число l), велики, то величиной ћ. можно пренебречь и система с высокой точностью подчиняется классич. законам. С формальной точки зрения С. п. означает, что в пределе ћ0 квантовомеханич. описание физ. объектов должно быть эквивалентно классическому.
Часто под С. п. понимают следующее более общее положение. Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физ. реальности и на более широкую область применимости, чем старая, должна включать последнюю как предельный случай. Так, релятив. механика (см. Относительности теория) в пределе малых скоростей v (v<
Когда осн. положения теории уже сформулированы, С. п. представляет в осн. иллюстративный интерес, подчёркивая преемственность теор. построений. В ряде случаев С. п. помогает развить приближённые методы решения задач. Так, если в данной конкретной физ. проблеме ћ можно считать малой величиной, то это равносильно т. н. квазиклассическому приближению квантовой механики. При этом нерелятив. волновое Шрёдингера уравнение в пределе ћ0 приводит к классич. ур-нию Гамильтона — Якоби. Однако в период возникновения новой теор. дисциплины, когда её принципы во многом ещё неясны, С. п. имеет самостоятельное эвристич. значение.
С. п. был выдвинут Н. Вором в 1923 (в т. н. старой теории квантов, предшествующей квант. механике) в связи с проблемой спектров испускания и поглощения атомов. В созданной позже квант. механике особенности ат. спектров были объяснены на более глубокой основе, однако существ. черты её матем. аппарата определялись С. п. Значение С. п. далеко выходит за рамки квант. механики. Им широко пользуются в квантовой электродинамике, теории элем. ч-ц и, без сомнения, он войдёт составной частью в любую новую теор. схему.
• Бор Н., Три статьи о спектрах и строении атомов, пер. с нем., М.— Л., 1923. См. также лит. при ст. ^ Квантовая механика.
О. И. Завьялов.
СОПЛО, специально спрофилированный закрытый канал, предназначенный для разгона жидкостей или газов до заданной скорости и придания потоку заданного направления. Служит также устройством для получения газовых и жидкостных струй. Поперечное сечение С. может быть прямоугольным (плоские С.), круглым (осесимметричные С.) или иметь произвольную форму (пространств. С.). В С. происходит непрерывное увеличение скорости v жидкости или газа в направлении течения — от нач. значения v0 во входном сечении С. до наибольшей скорости v=v0 на выходе. В силу закона сохранения энергии одновременно с ростом скорости v в С. происходит непрерывное падение давления и темп-ры от их нач. значений р0, Т0 до наименьших значений р0, Т0 в выходном сечении. Т. о., для реализации течения в С. необходим нек-рый перепад давления, т. е. выполнение условия p0>ра. При пост. плотности для непрерывного увеличения v С. должно иметь сужающуюся форму, т. к. в силу неразрывности уравнения vS=const площадь S поперечного сечения С. должна уменьшаться обратно пропорц. росту v. Однако при дальнейшем увеличении v начинает проявляться сжимаемость среды, плотность её уменьшается в направлении течения, поэтому постоянство vS в этих новых условиях зависит от темпа падения с ростом v. При v<a, где а — местная скорость распространения звука в движущейся среде, темп падения плотности газа отстаёт от темпа роста скорости, поэтому для обеспечения разгона, т. е. увеличения
v, нужно по-прежнему уменьшать S (рис. 1), несмотря на падение плотности (дозвуковое С.). Но при разгоне до скоростей v>а падение плотности происходит быстрее, чем рост скорости, поэтому в сверхзвук. части необходимо увеличивать площадь S (сверхзвуковое С.). Такое сверхзвук. С., наз. также соплом Лаваля, имеет вначале сужающуюся, а затем расширяющуюся форму (рис. 2). Изменение скорости вдоль С. определяется законом изменения S по длине С.
Давление в выходном сечении до-звук. С. всегда равно давлению рс в окружающей среде, куда происходит истечение из С. (ра=рс). При возрастании р0 и неизменном рс скорость va в выходном сечении дозвук.
С. сначала увеличивается, а после того как p0 достигнет нек-рой определ. величины, va становится постоянной и при дальнейшем увеличении р0 не изменяется. Такое явление наз. кризисом течения в С. После наступления кризиса ср. скорость истечения из дозвук. С. равна местной скорости звука (va=a) и наз. критической скоростью истечения. В этом случае все параметры газа в выходном сечении С. также наз. критическими.
В сверхзвук. С. критическим наз. его наиболее узкое сечение. Относит. скорость va/a в выходном сечении сверхзвук. С. зависит только от отношения площади выходного сечения Sc к площади его критич. сечения Sкр и не зависит в широких пределах от изменений давления р0 перед С. Давление в выходном сечении сверхзвук. С. может быть равно давлению в окружающей среде (ра=рс), такой режим течения наз. расчётным, в противном случае — нерасчётным. Нерасчётные режимы характеризуются образованием в потоке волн разрежения в случае ра>рс или ударных волн в случае ра<рс. Когда поток проходит через систему таких волн вне С., давление становится равным
pс.
Сильное падение давления и темп-ры газа в сверхзвук. С. может приводить, в зависимости от состава текущей среды, к разл. физ.-хим. процессам (хим. реакции, фазовые превра-
700
щения, неравновесные термодинамич. переходы), к-рые необходимо учитывать при расчёте течения газа в С. С. широко используются в технике {в паровых и газовых турбинах, в ракетных и воздушно-реактивных двигателях, в газодинамических лазерах, в магнитно-газодинамич. установках, в аэродинамических трубах и на тазодинамич. стендах, при создании мол. пучков, в хим. технологии, в струйных аппаратах, в расходомерах, в процессах дутья и мн. др.). Техн. задачи привели к бурному развитию теории С., учитывающей наличие в газовом потоке жидких и тв. ч-ц, неравновесных хим. реакций, переноса лучистой энергии и др., что потребовало широкого применения ЭВМ для решения указанных задач, а также для разработки сложных эксперим. методов исследования течений в С.
• Абрамович Г. Н., Прикладная газовая динамика, 4 изд., М., 1976; П и р у м о в У. Г., Р о с л я к о в Г. С., Течение газа в соплах, М., 1978; Стернин Л. Е., Основы газодинамики двухфазных течений в соплах, М., 1974.
С. Л. Вишневецкий.
^ СОПРОТИВЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЕ, характеристика, вводимая при рассмотрении колебаний акустич. систем, равная отношению звукового давления к объёмной колебательной скорости. См. Импеданс акустический.
^ СОПРОТИВЛЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, активное сопротивление R, характеризующее излучат. способность антенны. Полная мощность излучения интерпретируется при этом как мощность, поглощаемая в R. Любой фидерный тракт, по к-рому эл.-магн. энергия поступает к антенне (двухпроводная линия, волновод и др.), можно считать нагруженным на входное сопротивление антенны, складывающееся из сопротивления джоулевых потерь и импеданса излучения, активная часть к-рого равна R. С. и. зависит от формы, размеров, материала антенны, распределения токов в ней, диэлектрич. и магн. проницаемостей окружающей среды и от св-в пространства, в к-рое происходит излучение (неограниченное пространство, свободное от искажающих поле объектов; пространство, ограниченное проводящей границей, излучение внутрь др. волновода или объёмного резонатора и т. п.). В свободном пространстве вибратор Герца
имеет R=(1/6)(/)(kl)2 Ом (k — волновое число, l — длина волны вибратора, l<<), что для вакуума (==1) даёт: R=82(l/)2 Ом. Соответственно полуволновой вибратор в вакууме имеет R=73,1 Ом. Проволочная рамка площадью а с током обладает при << С.и. R=(1/6)(/)(k2)2 Ом, т. е: в вакууме: .R=3202(/2)2 Ом.
• См. лит. при ст. Антенна.
М. А. Миллер.
^ СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ, см. Электрическое сопротивление.
СОПРЯЖЁННЫЕ ТОЧКИ в оптике, пары точек, в каждой из к-рых одна является по отношению к оптич. системе объектом, вторая — его изображением; при этом, согласно обратимости теореме, объект и изображение могут взаимно меняться местами. Понятие «С. т.» вполне строго применимо лишь к идеальным (безаберрационным) оптич. системам в их параксиальных областях (см. Параксиальный пучок лучей). Для реальных систем оно представляет собой широко используемое приближение.
СОРБЦИЯ (от лат. sorbeo — поглощаю), поглощение тв. телом или жидкостью (сорбентом) жидкого в-ва или газа (сорбата) из окружающей среды. Поглощение в-ва из газовой фазы всем объёмом жидкого сорбента наз. абсорбцией, поглощение в-ва поверхностным слоем сорбента — адсорбцией. Поглощение в-ва из газовой фазы всем объёмом тв. тела или расплава наз. окклюзией. Извлечение из жидкости к.-л. компонента др. жидкостью наз. экстракцией. При С. паров пористыми телами может происходить капиллярная конденсация. Обычно одновременно протекает неск. сорбц. процессов.
^ СОРЕ ЭФФЕКТ, термодиффузия в р-рах. Назван в честь швейц. учёного Ш. Соре (Ch. Soret), к-рый первым исследовал термодиффузию (1879).
СОСТАВНОЕ ЯДРО, ядерная система, образующаяся в ходе ядерных реакций в результате слияния налетающей ч-цы с ядром-мишенью. С. я. неустойчиво и через короткое время распадается на конечные продукты реакции. Энергия, внесённая ч-цей, распределяется между всеми степенями свободы С. я. подобно тому, как это происходит при нагреве тел. Вследствие статистич. флуктуации одна или неск. яд. ч-ц могут приобрести энергию, превышающую среднее её значение и позволяющую им покинуть «нагретое» ядро. Этот процесс, аналогичный испарению жидкости, приводит к распаду С. я. Ср. время жизни С. я. (10-22—10-21 с) во много раз больше времени пролёта быстрой ч-цы через область пр-ва, занимаемую ядром. Существование С. я. проявляется в резонансной энергетич. зависимости вероятности реакции. При определённых энергиях ч-цы наблюдаются резкие максимумы, соответствующие состояниям С. я. Представление о С. я. было впервые высказано дат. физиком Н. Бором в 1936. Идея об аналогии между С. я. и нагретой жидкостью принадлежит Я. И. Френкелю; основанная на ней термодинамич. теория С. я. была впервые развита в 1936—37 физиками X. Бете и В. Вайскопфом (США) и Л. Д. Ландау,
• См. лит. при ст. Ядерные реакции. Ядро атомное.
Я. .С. Шапиро.
^ СОУДАРЕНИЯ ВТОРОГО РОДА, то же. что удары второго рода.
СОХРАНЕНИЯ ЗАКОНЫ, физич. закономерности, согласно к-рым численные значения нек-рых физ. величин не изменяются со временем в любых процессах или в определ. классе процессов. Полное описание физ. системы возможно лишь в рамках динамич. законов, к-рые детально определяют изменение состояния системы с течением времени. Однако во мн. случаях динамич. закон для данной системы неизвестен или слишком сложен. В такой ситуации С. з. позволяют сделать нек-рые заключения о хар-ре поведения системы. Важнейшими С. з., справедливыми для любых изолированных систем, явл. законы сохранения энергии, импульса, момента кол-ва движения, электрич. заряда. Кроме всеобщих, существуют С. з., справедливые лишь для огранич. классов систем и явлений.
Идея сохранения появилась сначала как чисто философская догадка о наличии неизменного (стабильного) в вечно меняющемся мире. Ещё античные философы-материалисты пришли к понятию материи — неуничтожимой и несотворимой основы всего существующего. С другой стороны, наблюдение пост. изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важнейшем её св-ве. С появлением матем. формулировки механики на этой основе появились законы сохранения массы (французский химик А. Лавуазье) и механической энергии (нем. учёный Г. Лейбниц). Затем немецкий учёный Ю. Р. Майер, англ. физик Дж. Джоуль и нем. учёный Г. Гельмгольц экспериментально открыли закон сохранения энергии в немеханич. явлениях. Т. о., к сер. 19 в. оформились законы сохранения массы и энергии, к-рые трактовались как сохранение материи и движения.
В нач. 20 в. оба эти С. з. подверглись коренному пересмотру в связи с появлением спец. теории относительности (см.. ^ Относительности теория); при описании движений с. большими (сравнимыми со скоростью света) скоростями классическая (ньютоновская) механика была заменена релятивистской механикой. Оказалось, что масса, определяемая по инерционным св-вам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только кол-во материи, но и её движение. Понятие энергии также подверглось изменению; полная энергия (ξ) оказалась пропорц. массе (m), ξ=mc2. Т. о., закон сохранения энергии в спец. теории относительности естеств. образом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классич. механике; по отдельности эти законы не выпол-
701
няются, т. е. невозможно охарактеризовать кол-во материи, не принимая во внимание её движения и вз-ствий.
Эволюция закона сохранения энергии показывает, что С. з., будучи почерпнутыми из опыта, нуждаются время от времени в эксперим. проверке и уточнении. Нельзя быть уверенным, что с расширением пределов человеческого опыта данный закон или его конкретная формулировка останутся справедливыми. Закон сохранения энергии интересен ещё и тем, что в нём теснейшим образом переплелись физика и философия. Этот закон, всё более уточняясь, постепенно превратился из неопределённого и абстрактного философского высказывания в точную количеств. ф-лу. Другие С. з. возникли сразу в количеств. формулировке. В совр. физике С. з.— необходимая составная часть её рабочего аппарата.
Большую роль С. з. играют в квант. теории, в частности в теории элем. ч-ц. С. з. определяют отбора правила, согласно к-рым реакции с элем. ч-цами, к-рые привели бы к нарушению С. з., не могут осуществляться в природе. В дополнение к перечисленным С. з., имеющимся в физике макроскопич. тел, в теории элем. ч-ц, возникло много специфич. С. з., позволяющих интерпретировать наблюдаемые на опыте правила отбора. Таков, напр., закон сохранения барионного заряда, выполняющийся во всех видах вз-ствий. Существуют и приближённые С. з., выполняющиеся в одних процессах и нарушающиеся в других. Такие С. з. имеют смысл, если можно указать класс процессов, в к-рых они выполняются. Напр., законы сохранения странности, изотопич. спина (см. Изотопическая инвариантность), чётности строго выполняются в процессах, протекающих за счёт сильного взаимодействия, но нарушаются в процессах слабого взаимодействия. Эл.-магн. вз-ствие нарушает закон сохранения изотопич. спина. Т. о., исследования элем. ч-ц вновь напомнили о необходимости проверять существующие С. з. в каждой области явлений. Так, считавшийся абсолютно строгим закон сохранения барионного заряда на основании теор. аргументов подвергается сомнению. Проводятся сложные эксперименты, имеющие целью обнаружить возможные слабые нарушения этого закона (распад протона).
С. з. тесно связаны со св-вами симметрии физ. систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физ. законов относительно нек-рой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физ. величина (см. Нётер теорема). Т. о., если известны св-ва симметрии системы, как правило, можно найти для неё С. з., и наоборот.
Как отмечалось, законы сохранения энергии, импульса, момента обладают всеобщностью. Это связано с тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства-времени (мира), в к-ром движутся матер. тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, т. е. с инвариантностью физ. законов относительно изменения начала отсчёта времени. Сохранение импульса и момента кол-ва движения связано соотв. с однородностью пр-ва (инвариантность относительно пространств. сдвигов) и изотропностью пр-ва (инвариантность относительно вращений пр-ва). Поэтому проверка механич. С. з. есть проверка соответствующих фундам. св-в пространства-времени. Долгое время считалось, что, кроме перечисленных элементов симметрии, пространство-время обладает зеркальной симметрией, т. е. инвариантно относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространств. чётность. Однако в 1957 было экспериментально обнаружено несохранение чётности в слабом вз-ствии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие св-ва геометрии мира.
В связи с развитием теории тяготения намечается дальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени и фундам. С. з. (в частности, на законы сохранения энергии и импульса).
• В и г н е р Е., Этюды о симметрии, пер. с англ., М., 1971; Фейнман Р., Характер физических законов, пер. с англ., М., 1968; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика, 3 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 1).
^ М. В. Менский.
СПЕКТР колебаний, совокупность гармонич. колебаний, на к-рые может быть разложено данное сложное колебат. движение. Математически такое движение представляется в виде периодической, но негармонич. ф-ции f(t) с частотой . Эту ф-цию можно представить в виде ряда гармонич. функций: f(t)=Ancosnt с частотами поз, кратными осн. частоте (где An — амплитуды гармонич. функций, t — время, n — номер гармоники). Чем сильнее исходное колебание отличается от гармонического, тем богаче его С., тем больше составляющих обертонов (гармоник) содержится в разложении и тем больше их амплитуды. В общем случае С. колебания содержит бесконечный ряд гармоник, амплитуды к-рых быстро убывают с увеличением их номера, так что практически приходится принимать во внимание только нек-рое конечное число обертонов. Процессы, не имеющие строгой периодичности или непериодические, могут представляться в виде суммы гармонич. компонент с некратными частотами или в виде суммы (интеграла) бесконечного числа
составляющих со сколь угодно близкими частотами (непрерывный С.). С. звука выражает его частотный состав и получается в результате анализа звука. С. звука представляют обычно на координатной плоскости.
^ Рис. 1. Линейчатый спектр, полученный при сложении двух периодич. волн с осн. частотами f'0 и f"0.
где по оси абсцисс отложена частота f, а по оси ординат — амплитуда А или интенсивность I гармонич. составляющей звука с данной частотой. Чистые тона, звуки с периодич. формой волны, а также звуки, полученные при сложении неск. периодич. волн, обладают линейчатыми спектрами (рис. 1). Акустические шумы, одиночные импульсы, затухающие звуки имеют сплошной спектр (рис. 2).
^ Рис. 2. Сплошной спектр затухающего колебания.
Частотные компоненты спектра импульса акустического прямоуг. формы с заполнением несущей частотой f0 сосредоточены в осн. вблизи этой частоты в полосе шириной 7/Т, где Т — длительность импульса.
И. П. Голямина.
^ СПЕКТРАЛЬНАЯ АППАРАТУРА РЕНТГЕНОВСКАЯ, аппаратура, в которой рентгеновское излучение исследуемого в-ва возбуждается, разлагается в спектр и регистрируется. Прецизионная С. а. р. служит для исследования тонкой структуры рентгеновских спектров, аналитическая — для определения элементного состава в-ва (см. Спектральный анализ рентгеновский). Прецизионная аппаратура должна обладать высокой разрешающей способностью, аналитическая — высокой светосилой.
В зависимости от цели и условий исследования и хар-ра объекта применяют разл. типы С. а. р.
^ Дифракционная С. а. р. основана на разложении рентг. излучения в спектр с помощью дифракции рентг. лучей, В состав этой С. а. р. входят: рентг. трубка, источник её питания, диспергирующий элемент (кристалл-анализатор или дифракц. решётка), детектор рентг. излучения и электронная аппаратура, питающая его и регистрирующая его импульсы. В прецизионной С. а. р. применяются либо кристаллы-анализаторы, представля-
702
ющие собой почти идеальные кристаллы, изогнутые по поверхности кругового цилиндра или сферы (рис., а) либо сферически вогнутые дифракц. решётки (рис., б). В аналитич. С. а. р. используют либо изогнутые кристаллы, либо плоские кристаллы с многопластинчатым коллиматором Соллера,
Оптич. схемы рентг. спектрометров: а — фокусирующий спектрометр с кристаллом-анализатором К; б — фокусирующий спектрометр с дифракц. решёткой G; в — спектрометр с плоским кристаллом К и коллиматором Соллера (C1 и С2); S — источник излучения; S1 и S2 — щели; f — фокальная окружность, О'— её центр; О—центр окружности, по к-рой изогнут кристалл или центр вогнутой поверхности решётки; D — детектор; Р — фотокатод; М — ВЭУ.
ограничивающим угловую расходимость падающего на кристалл излучения от неск. угловых минут до 1° (рис., в).
Детекторами в С. а. р. чаще всего служат пропорциональные, сцинтилляционные или ПП счётчики фотонов, а для мягких рентг. лучей — фотокатоды с вторичным электронным умножителем (ВЭУ) открытого типа или каналовым умножителем.
С. а. р., предназначенная для одновременной регистрации одной-двух линий спектра, наз. рентг. спектрометром (при фоторегистрации — спектрографом), а при одноврем. регистрации многих (до 24) линий спектра — рентг. квантометром, или многоканальным спектрометром. Выходы каналов могут быть введены в ЭВМ для дальнейшей обработки информации. Нек-рые спектрометры всю программу получения и записи результатов выполняют автоматически.
^ Бездифракционная С. а. р. применяется для рентг. спектр. анализа. В ней непосредственно регистрируется рентг. излучение исследуемого образца. Аналитич. линии выделяются одно- или многоканальным амплитудным анализатором импульсов счётчика. При близком расположении окна счётчика к образцу полезно используемый телесный угол излучения каждого атома образца очень велик, а регистрируемая интенсивность превосходит её значение в дифракционной С. а. р. на неск. порядков. Это позволяет проводить анализ даже при очень слабом флуоресцентном рентг. излучении образца, возбуждаемом либо
изотопными источниками, либо миниатюрными рентг. трубками, анодный ток к-рых не превосходит неск. мкА. Бездифракц. С. а. р. обладает сравнительно невысокой разрешающей способностью.
Микроанализаторы основаны на возбуждении первичного рентг. излучения образца электронным зондом диам. ок. 1 мкм, разложении этого излучения в спектр и его регистрации. Для получения тонкого электронного зонда используют электронную пушку и фокусирующие магн. линзы. Применение светосильных фокусирующих спектрометров с изогнутыми кристаллами или вогнутой дифракц. решёткой позволяет при токе зонда всего в неск. мкА получить спектр образца в данной точке. Если зонд сканирует по поверхности образца синхронно со строчной развёрткой телевиз. устройства, на вход к-рого подан выходной потенциал детектора спектрометра, то можно получить увеличенное изображение сканируемой поверхности в лучах того элемента, на к-рый настроен спектрометр. В совр. микроанализаторах часто используют два рентг. спектрометра, один — с кристаллом-анализатором, другой — с дифракц. решёткой. Это позволяет выполнить локальный анализ всех элементов, начиная с Li.
• Б л о х и н М. А., Методы рентгеноспектральных исследований, М., 1959; его же, Рентгеноспектральная аппаратура, «ПТЭ», 1970, №2; Плотников Р. П., Пшеничный Г. А., Флюоресцентный рентгенорадиометрический анализ, М., 1973; Электронно-зондовый микроанализ, пер. с англ., М., 1974; Рентгенотехника. Справочник, кн. 2, М., 1980.
М. А. Блохин.
^ СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ величины, характеризующей излучение (напр., потока излучения, силы света), отношение рассматриваемой величины, взятой в бесконечно малом спектр. интервале, содержащем данную длину волны , к ширине этого интервала d. Вместо могут использоваться частоты, волновые числа или их логарифмы. График зависимости С. п. к.-л. величины от спектр. координаты характеризует распределение излучения ПО спектру.
Д. Н. Лазарев.
^ СПЕКТРАЛЬНАЯ СВЕТОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ излучения (устар. назв. — видность), отношение светового потока монохроматич. излучения к соответствующему полному потоку излучения. Обозначается К(). При длине волны =555 нм приобретает макс. значение
Kмакс=683 лм•Вт-1. Величины С. с. э. К () и относительная С. с. э. (относительная видность) V()=К ()/Кмакс лежат в основе построения системы световых величин.
^ СПЕКТРАЛЬНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ приёмника оптического излучения, отношение величины, характеризующей уровень реакции приёмника, к потоку или энергии монохроматич. излучения, вызывающего эту реакцию. Различают абсолютную С. ч., выражаемую в именованных единицах (напр., А/Вт, если реакция приёмника измеряется в А), и безразмерную относительную С. ч.— отношение С. ч. при данной длине волны излучения к макс. значению С. ч. или к С. ч. при нек-рой др. длине волны. С. ч. глаза человека — то же, что и спектральная световая эффективность излучения (видность). См. также Приёмники оптического излучения.
Д. Н. Лазарев.
^ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ, линии в спектрах испускания или поглощения атома (либо др. квант. системы), отвечающие определ. излучательным квантовым переходам. С. л. характеризуются узким интервалом частот (длин волн) — шириной спектральной линии. Миним. ширина С. л. наз. естественной или радиационной, она отвечает переходу в изолиров. атоме (или в системе неподвижных и невзаимодействующих атомов). С. л. дополнительно уширяется вследствие хаотич. теплового движения атомов или молекул (доплеровское уширение, см. Доплера эффект), Штарка эффекта или любого другого вз-ствия квант. системы. С. л. приближённо можно считать монохроматическими с длиной волны, отвечающей максимуму интенсивности С. л. испускания (или минимуму С. л. поглощения).
^ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ, приборы для исследования в оптич. диапазоне (10-3—103 мкм; см. Спектры оптические) спектр. состава эл.-магн. излучений по длинам волн, нахождения спектр. хар-к излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа. С. п. различаются методами спектрометрии, приёмниками излучения, исследуемым (рабочим) диапазоном длин волн и др. хар-ками.
Принцип действия большинства С. п. можно пояснить с помощью имитатора, изображённого на рис. 1. Форма отверстия в равномерно освещённом экране 1 соответствует ф-ции f(), описывающей исследуемый спектр — распределение энергии излучения по длинам волн К. Отверстие
703
в экране 2 соответствует ф-ции а(-'), описывающей способность С. п. выделять из светового потока узкие участки в окрестности каждой '. Эту важнейшую хар-ку С. п. наз. функцией пропускания или аппаратной функцией (АФ), — её ширина. Процесс измерения спектра f() прибором с АФ а(-') можно имитировать регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие при перемещении (сканировании) экрана 2 относительно экрана 1. Результат F() измерений исследуемого спектра f()
Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по способам разделения длин волн. Контуры шириной символически изображают аппаратные функции (АФ). В одноканальных методах (1 и 3) применяется сканирование (символ ), в многоканальных (2 и 4) — сканирование отсутствует и измерение интенсивности излучения ряда длин волн ', ", "', . . . производится одновременно.
прибором с АФ а(-') описывается интегралом: F()=∫a(-')/()d(), наз. свёрткой ф-ции f с ф-цией а. Чем меньше ширина ф-ции а(-'), тем точнее прибор передаёт истинный контур f(). Тождество F()f() достигается лишь при бесконечно узкой АФ.
Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном — осп. хар-ка С. п., она определяет спектральное разрешение и спектральную разрешающую способность R = /. Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше R), но больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптич. сигнал и отношение сигнала к шуму (М). Шумы в общем случае пропорциональны () — полоса пропускания приёмного устройства). Чем шире f, тем выше быстродействие прибора и меньше время измерения, но больше шумы (меньше М). Взаимосвязь величин R, М, определяется соотношением:
RМ()=К().
Показатели степени и принимают разл. положит. значения в зависимости от конкретного типа С. п. Константа ^ К, зависящая только от , определяется конструктивными пара-
метрами данного типа С. п. и накладывает ограничения на величины R,
М, . Кроме того, возможные значения ^ R ограничиваются дифракцией света, аберрациями оптических систем, а значения — инерционностью приёмно-регистрирующей части приборов.
Рассмотренный принцип действия С. п. относится к одноканальным методам спектрометрии. В распространённых наряду с ними многоканальных методах сканирование не применяется, и излучения различных регистрируются одновременно. Это соответствует наложению на экран 1 неподвижного экрана с вырезанными N контурами АФ для разных при независимой регистрации потоков от каждого отверстия (канала).
^ Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой для разл. схем и конструкций С. п., осуществляется по двум осн. признакам — числу каналов и физ. методам выделения X в пр-ве или времени (рис. 2). Исторически первыми и наиболее распространёнными явл. методы пространственного разделения X (селективной фильтрации), к-рые наз. классическими (группы 1 и 2). В одноканальных С. п. (группа 1) исследуемый поток со спектром f() посылается на спектрально-селективный фильтр, к-рый выделяет из потока нек-рые интервалы 6Х в окрестности каждой ' и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени t по нек-рому закону '(t). Выделенные компоненты посылаются на приёмник излучения, запись сигналов к-рого даёт ф-цию времени F(t). Переход от аргумента t к аргументу позволяет получить ф-цию F() — наблюдаемый спектр.
В многоканальных С. п. (группа 2) одновременно регистрируются (без сканирования по ) неск. приёмниками потоки излучения разных длин волн ', ", ''', . . ., к-рые выделяют, напр., набором узкополосных фильтров или многощелевыми монохроматорами (полихроматорами). Если расстояние между каналами не превышает и число каналов N достаточно велико, то получаемая информация аналогична содержащейся в записи спектра на сканирующем одноканальном приборе (при тех же , одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения может быть сокращено в N раз. Наибольшая многоканальность достигается применением многоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотогр. материалов (в спектрографах).
Принципиальной основой новых методов (группы 3 и 4 на рис. 2), получивших развитие с сер. 60-х гг., явл. селективная модуляция (см. Модуляция света), при к-рой ф-ции разделения переносятся из оптич. части прибора в электрическую. В простейшем одноканальном С. п. группы 3 исследуемый поток со спектром f() посылается на спектрально-селективный модулятор, способный модулировать нек-рой частотой 0=const лишь интервал в окрестности ', оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование '(t) производится перестройкой модулятора т. о., чтобы различные последовательно модулировались частотой 0. Выделяя составляющую 0 в сигнале приёмника с помощью электрич. фильтра, получают ф-цию времени F(t), значения к-рой пропорц, соответствующим интенсивностям в спектре f().
Многоканальные системы с селективной модуляцией (группа 4) основаны на операции мультиплексирования (от лат. multiplex — сложный, многочисленный) — одновременном приёме излучения от мн. спектр. элементов в кодиров. форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины волн ', '', ''', ... одновременно модулируются разными частотами ', ", '", ... и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный спектр к-рого по несёт информацию об исследуемом спектре по . При небольшом числе каналов компоненты ', ", ''', ... выделяются из сигнала с помощью электрич. фильтров. По мере увеличения числа каналов гармонич. анализ сигнала усложняется. В предельном случае интерференц. модуляции искомый спектр f() можно получить фурье-преобразованием регистрируемой интерферограммы (см. Фурье спектроскопия). Среди других возможных способов
704
многоканального кодирования получили практич. применения маски-матрицы Адамара (см. ниже).
За рамками классификации, приведённой на рис. 2, остаются лишь методы, использующие почти монохроматич. излучение перестраиваемых лазеров (см. Лазерная спектроскопия).
^ 1. Одноканальные С. п. с пространственным разделением длин волн
Основой схемы приборов этой группы (рис. 3) явл. диспергирующий элемент (дифракционная
^ Рис. 3. Принципиальная оптич. схема спектр. прибора с пространств. разделением длин волн с помощью угловой дисперсии:
1 — коллиматор с входной щелью Щ и объективом O^ 1 с фокусным расстоянием С1;
2 — диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией /; 3 — фокусирующая система (камера) с объективом О^ 2, создающим в фокальной плоскости Ф изображения входной щели в излучении разных длин волн с линейной дисперсией х/.
решётка, эшелетт, интерферометр Фабри — Перо, призма), обладающий угловой дисперсией /, что позволяет развернуть в фокальной плоскости Ф изображение входной щели Щ в излучении разных длин волн. Объективами O1 и O2 обычно служат сферич. или параболич. зеркала, т. к. их фокусные расстояния не зависят от (в отличие от линзовых систем). Одноканальные С. п. имеют в плоскости Ф одну выходную щель и наз. монохроматорами; если щелей несколько, то С. п. наз. полихроматором, если светочувствит. слой или глаз, С. п.— спектрограф или спектроскоп. Сканирование в монохроматорах по осуществляется, как правило, поворотом диспергирующего элемента 2 или вспомогат. зеркала. В простейших конструкциях вместо дифракц. решеток и призм применяются циркулярно-клиновые светофильтры с непрерывной перестройкой узкой полосы пропускания или наборы узкополосных светофильтров, дающие ряд дискр. отсчётов для разных . На основе монохроматоров строятся однолучевые и двухлучевые спектрометры. Для однолучевых С. п. (рис. 4) характерно последоват. соединение функциональных элементов. В случае измерения спектров пропускания или отражения обычно используется встроенный в С. п. источник сплошного спектра излучения; для измерения спектров внеш. излучателей предусматриваются соответствующие осветители. Для С. п. этого типа соотношение (1) обычно имеет вид: R2M=К(), и накладываемые им ограничения на R и играют осн. роль в ИК области, где яркости источников
быстро уменьшаются и значения ^ К малы. В видимой и ближней ИК областях энергетич. ограничения играют меньшую роль и рабочие значения R могут приближаться к дифракц. пределу (напр., в С. п. с дифракц. решётками к значению Rдиф2kvLsin, где k — кратность дифракции, v=1/. — волн. число, L -ширина решётки, — угол дифракции).
Двухлучевые схемы характерны для спектрофотометров. Рассмотрим типичные приборы группы 1.
рис. 4. Блок-схема однолучевого одноканального спектр. прибора: И — источник излучения; М — оптич. модулятор (обтюратор); С) — исследуемый образец; Ф — сканирующий фильтр (монохроматор); П — фотоэлектрич. приёмник излучения; У -усилитель и преобразователь сигналов приёмника; Р — аналоговый или цифровой регистратор.