Физика в технике

где h — постоянная Планка;

m — масса частицы.

Открытие волновых свойств микрочастиц сыграло большую роль в развитии микроскопии и позволило повысить полезное увеличение микроскопов до миллиона раз.

Чем же обусловлено полезное увеличение микроскопа?

Прежде всего оно зависит от разрешающей способности микроскопа, т. е. от того минимального расстояния, на котором две светящиеся точки еще не сливаются в одну. Разрешающая способность микроскопа, в свою очередь, обратно пропорциональна длине световой волны λ и тем больше, чем меньше длина волны.

Предельная разрешающая способность современных микроскопов равна двум — трем десятитысячным долям миллиметра, т. е. соизмерима с длиной волны фиолетового света, равной примерно четырем десятитысячным долям миллиметра (0,4 микрона).

В чем же причина того, что нельзя получить более высокую разрешающую способность у обычных оптических микроскопов?

Дело заключается в том, что, если размеры увеличиваемого предмета соизмеримы с длиной облучающей его световой волны, то в этом случае происходит диффракция волны на объекте, т. е. огибание его светом. Поэтому, каково бы ни было увеличение микроскопа (рис. 13), нельзя увидеть объекты, размеры которых много меньше длины световой волны.

Если вместо потока световых квантов использовать поток электронов (электронные волны), то в этом случае можно добиться гораздо большей степени разрешения, поскольку длина электронных волн в десятки тысяч раз короче длины световых волн.

Так, если электроны ускоряются с помощью напряжения в 50 киловольт, то их скорость будет равна 1,26·1010 сантиметрам в секунду, что соответствует длине волны, равной пятимиллионным долям микрона, в то время как длина волн видимого света примерно в 100 000 раз больше.

_{Рис. 13. Схема оптического микроскопа}

Схема электронного микроскопа, основанного на таком принципе, показана на рис. 14.

Электронная микроскопия широко применяется во многих областях науки и техники. С помощью электронных микроскопов можно видеть такие малые объекты, как фильтрующиеся вирусы, размеры которых составляют 0,01—0,5 микрон, изучать детали на поверхности различных металлов и сплавов, от качества которых во многом зависит их прочность. Электронные микроскопы позволяют заглянуть внутрь живой клетки и исследовать кристаллическую структуру того или иного вещества, изучать строение крупных молекул и многое другое. Современные электронные микроскопы имеют разрешающую способность до 30–50 ангстрем.

В последнее время появились микроскопы, в которых вместо пучка электронов используют пучок более тяжелых частиц — протонов, т. е. ядер атомов водорода. Поскольку масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона, то дебройлевская длина волны, связанная с этой частицей, оказывается почти в две тысячи раз короче электронной волны (при одинаковых скоростях протона и электрона). Таким образом, разрешающая способность протонных микроскопов, или, как их называют, протонных проекторов, может быть доведена до такой величины, что станет возможным видеть отдельные атомы и молекулы.

_{Рис. 14. Схема электронного микроскопа}

Однако квантовая механика определяет тот предел, ниже которого принципиально невозможно получать более высокие разрешающие способности любых приборов. Поэтому, например, принципиально невозможно «увидеть» расположение отдельных электронов в атоме, а можно говорить лишь о наиболее вероятных областях их локализации, соответствующих определенным энергетическим уровням данного атома.

Современная квантовая механика является такой наукой, которая позволяет не только качественно объяснять те или иные процессы, протекающие в микромире, но и количественно их рассчитывать. С помощью квантовой механики могут быть объяснены строение атомов, связи атомов в молекуле, строение и свойства атомных ядер, рассчитываться процессы взаимодействия элементарных частиц и света с веществом, распад и устойчивость атомных ядер и др.

Наиболее полное и точное представление о молекулах некоторых простейших химических соединений также может быть получено с помощью квантовой механики.

В настоящее время методами квантовой механики еще нельзя точно исследовать сложные химические соединения, такие, как, например, органические молекулы. Это объясняется чрезвычайной трудностью решения уравнений, которые описывают взаимодействие элементов тех или иных молекул. Однако с развитием науки, и в частности математики, ученые, безусловно, получат возможность не только описывать свойства и строение различных молекул, но и на основе теоретического предвидения получать такие вещества, которые обладали бы всеми необходимыми свойствами.

Радиотехника

Открытие радио А. С. Поповым привело к возникновению радиотехники — науки об электромагнитных колебаниях высокой частоты (радиоволнах), отрасли техники, осуществляющей их применение для связи, вещания, радиолокации, навигации, управления, астрономии и др. К основным областям радиотехники относятся: получение (генерирование) и усиление электромагнитных колебаний высокой частоты, а также управление ими; излучение, распространение и прием радиоволн, избирательное выделение электромагнитных колебаний заданной частоты; восстановление и усиление переданных сигналов; воспроизведение переданных сигналов управления и регулирования, телеграфного текста, речи, музыки и изображений.

Каким же образом происходит излучение радиоволн?

Если проводник, являющийся антенной радиостанции, излучает электромагнитные волны, это значит, что по антенне движутся электрические заряды то в одном направлении, то в другом. Иными словами, в антенне радиопередатчика возбуждается переменный электрический ток. Ток вызывает появление электрических и магнитных полей в окружающем пространстве, которые распространяются со скоростью света.

Электромагнитные волны бывают различной длины.

В радиотехнике применяют волны, имеющие длину от нескольких миллиметров до нескольких километров.

Длинные волны отражаются от верхних слоев атмосферы и движутся в сравнительно (с размерами Земли) тонком слое атмосферы, слабо поглощаясь поверхностью Земли и хорошо огибая препятствия. Говорят, что в этом случае радиоволны распространяются «поверхностным лучом».

Короткие волны распространяются по ломаной траектории, многократно преломляясь в ионосфере и отражаясь от поверхности Земли. Эти волны являются более «жесткими». Они плохо огибают препятствия, а поэтому распространяются преимущественно пространственным лучом.

Очень короткие волны могут концентрироваться в узкие пучки небольшими зеркалами, сделанными из сплошных листов металла или из металлических сеток и решеток с достаточно малыми отверстиями.

Используя вогнутые зеркала в качестве антенн, излучающих очень короткие волны, можно создавать направленные потоки радиоволн, напоминающие лучи прожекторов, но свободно проходящие через дым, туман, облака. С помощью таких систем из радиоволн могут быть созданы различные «конструкции».

Имеет ли смысл вообще говорить о конструкциях из электромагнитных волн? Ведь конструкция — нечто зримое и осязаемое. Конечно, в случае с электромагнитными волнами понятие «конструкция» следует расширить. Электромагнитные волны, имеющие длину, равную одной двухтысячной доле миллиметра, видимы глазом. Их можно зарегистрировать при помощи прибора, называемого фотоэлементом. Электромагнитные волны других длин невидимы, но и их молено обнаружить различными приборами.

Представим себе множество прожекторов, лучи которых образуют гигантский шатер. Такой шатер вполне можно назвать «конструкцией» из световых лучей или из электромагнитных волн.

Однако такая конструкция из световых лучей сама по себе не имеет практического смысла. Она приведена лишь для пояснения. Но могут быть конструкции из электромагнитных волн, имеющие огромное значение в науке и технике. Чтобы пояснить это, рассмотрим следующий характерный пример.

Последние годы весь мир был свидетелем крупных успехов советской космической ракетной техники. Создание самых мощных космических ракет и ракетных реактивных двигателей является выдающейся победой науки и техники.

Однако для успешного запуска ракет необходимо было обеспечить исключительную точность движения ракеты. Эта точность была наглядно продемонстрирована при испытаниях ракет, пущенных в район Тихого океана на расстояние 12 500 километров (по поверхности земли). Ракеты точно прибыли в намеченное место. Наибольшее отклонение не превышало нескольких километров.

Как же была достигнута такая точность? Не рассматривая подробно все стороны управления ракетами, остановимся только на одном примере.

Путь ракеты состоит из двух участков: активного, который ракета проходит с работающим двигателем, и пассивного, когда ракета движется по законам небесной механики в космическом пространстве. Чтобы ракета на пассивном участке двигалась точно в соответствии с заданием, необходимо очень тщательно направлять полет ракеты во время работы ее двигателей. Другими словами, нужно, запуская ракету в космос, очень точно прицеливаться. Правда, задача несколько упрощается благодаря тому, что после старта ракеты имеется возможность исправить некоторые ошибки прицеливания, корректируя скорость и положение ракеты.

Наиболее удобно прицеливание и коррекцию производить при помощи радиоволн.

Можно, например, поступить так. В районе пуска ракеты устанавливаются четыре радиопередатчика с антеннами направленного излучения (рис. 15). Антенны излучают четыре узких направленных пучка радиоволн, частично входящих друг в друга и образующих как бы трубку, полую изнутри.

В средней части трубки остается канал, в котором интенсивность радиоволн меньше, чем по краям. Ось этого канала направляется точно по направлению заданного движения ракеты. При пуске ракета входит снизу в канал и летит в так называемой равносигнальной зоне, т. е. в зоне, где сигналы, поступающие на вход системы управления от каждого передатчика, равны между собой. Если она случайно отклоняется от заданного пути, то сразу же происходит изменение входных сигналов, которое моментально воспринимается соответствующим радиоприемником на ракете. Радиоприемник передает сигнал автомату, управляющему рулями, находящимися в потоке газов реактивного двигателя. Рули изменяют направление потока реактивных газов. В результате этого ракета поворачивается и возвращается на заданный курс.

Таким образом можно очень точно управлять движением ракеты.

Указанным способом можно также решать многие другие задачи. Например, создав широкую «воронку» из радиолучей, можно обеспечить возвращение космических кораблей точно в заданное место.

Конструкции из радиоволн, едва успев возникнуть, оказываются послушным и могущественным средством в руках человека, позволяющим успешно решать такие задачи, о которых нельзя было даже думать несколько десятилетий тому назад.

Другим важным применением высокочастотных электрических колебаний в технике является нагревание обрабатываемых изделий с помощью ультразвуковых паяльников и электромагнитных печей. Помещая обрабатываемую деталь в мощное электромагнитное поле, можно равномерно пропреть ее по всей толщине.

Приведем для пояснения хотя бы такой пример. Чтобы напреть до высокой температуры конец стального стержня, его вводят внутрь катушки (рис. 16), по обмотке которой пропускают переменный ток высокой частоты. Индукционные токи, возникающие в стержне, быстро нагревают до высокой температуры соответствующую часть стержня.

Таким образом, электромагнитные устройства могут не только управлять различными машинами, но и переносить энергию.

В настоящее время в промышленности применяют электромагнитные ускорители электронов и атомных ядер.

_{Рис. 15. Управление ракетой с помощью радиолучей}

Электромагнитные ускорители преобразуют энергию электрического поля в энергию движения частиц почти без потерь. Это дает основание предполагать, что в будущем, при создании космических ракет, предназначенных для полетов за пределы солнечной системы, вместо тепловых ракетных двигателей будут применяться электромагнитные или электрические ускорители. Вещество, предназначенное для образования реактивной струи, например водород, будет сначала ионизироваться. Потом электроны и протоны будут ускоряться в двух отдельных, самостоятельно действующих ускорителях и выбрасываться в космическое пространство. Так как скорости выбрасывания частиц очень велики и могут достигать значений, близких к скорости света, то такие ракеты смогут набирать большие скорости, имея на борту небольшое количество отбрасываемой массы, заменяющей топливо. Таким образом, использование в технике современных достижений радиофизики и электроники открывает большие возможности.

Полупроводники и вычислительные машины

Вещества, которые по своей электропроводимости занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами, называют полупроводниками.

В отличие от проводников тока, где свободных электронов очень много, в полупроводниках их гораздо меньше.

Особенно интересные физические явления происходят в пограничном слое между двумя полупроводниками. Обычно, говоря о свойствах полупроводниковых устройств, имеют в виду свойства такого пограничного слоя.

При контакте двух полупроводников может быть создано устройство, хорошо проводящее ток в одном направлении и почти не проводящее его в обратном направлении. Это. свойство используют для выпрямления переменного тока.

Полупроводниковые устройства несколько иного типа, освещенные лучистой энергией (световыми, ультрафиолетовыми или инфракрасными лучами), могут служить источниками электрической энергии. В сельской местности широко применяют полупроводниковые преобразователи тепловой энергии в электрическую. Подобное устройство надевают на стекло керосиновой лампы и от него питают радиоприемник.

Воздействуя определенным образом на пограничный слой небольшим напряжением, можно широко изменять величину проходящего через полупроводник тока. Это свойство позволяет заменять громоздкие электронные радиолампы небольшими полупроводниками.

Такие полупроводники широко используют при создании современной электронной аппаратуры.

Различного рода полупроводниковые приборы, так или иначе управляющие электрическим током, лежат в основе разнообразных аппаратов, самыми простыми из которых являются радиоприемники и усилители.

Успехи в автоматической двусторонней радиосвязи с искусственными спутниками Земли и космическими ракетами стали возможными только благодаря полупроводниковым приборам.

Полупроводниковые приборы открыли широкие перспективы и перед электронными вычислительными машинами.

Электронные вычислительные машины представляют собой такие системы, в которых различного рода арифметические и логические действия с большой скоростью и точностью выполняются специальными схемами.

С помощью электронных вычислительных машин огромное количество задач, подлежащих расчетам, анализу и вычислениям, может быть сведено к простейшим логическим связям.

Подобные логические операции могут быть осуществлены с помощью так называемых устройств совпадения, различного рода триггерных схем (т. е. схем, обладающих двумя устойчивыми состояниями равновесия), инверторов, делительных цепей и т. д.

Так, например, используя электронную схему, в которой при наличии сигнала на ее входе выходной сигнал отсутствует и, наоборот, при отсутствии сигнала на входе выходной сигнал имеется (такая система называется инвертором), можно проводить операцию «да — нет».

Операция «или — или» может быть выполнена на так называемых разделительных цепях. В этом случае выходной сигнал будет возникать только тогда, когда хотя бы на одном из входов разделительной цепи есть входной сигнал.

Выполнение всевозможных арифметических действий (сложение, умножение и др.) может быть выполнено на триггерных схемах или на электронных логических схемах.

Поскольку электронные схемы и различные элементы вычислительных машин оперируют только с электрическими сигналами, то, для того чтобы машина стала решать ту или иную задачу или сложное математическое уравнение, надо сначала сформулировать эту задачу на «языке машины», т. е. составить программу работы машины применительно к данной задаче, предварительно приведя в соответствие величины чисел, входящих в формулы, с величинами электрических напряжений в машине.

Важной характеристикой всех электронных машин является объем их «памяти», т. е. максимальное число чисел и команд, которые могут «храниться» в машине.

Простейшим «запоминающим» устройством является ферритовый сердечник, который может намагничиваться или размагничиваться в зависимости от величины и направления электрического тока, протекающего по обмотке, намотанной на сердечник.

Намагниченный или размагниченный сердечник будет сохранять свое состояние как угодно долго, т. е. «запомнит» данный сигнал. Если через обмотку снова пропустить ток, то в зависимости от направления (полярности) последнего намагниченный сердечник или перемагнитится (при этом на выходе возникнет сигнал), или не перемагнитится (в этом случае выходной сигнал будет отсутствовать). Таким образом, возможность пропускания электрических сигналов запоминающей магнитной системой зависит от того, был ли ранее пропущен через эту систему сигнал и какова была его полярность.

В настоящее время в качестве запоминающих устройств в электронных машинах применяют специальные типы электронно-лучевых трубок, различные виды магнитной записи; причем современные вычислительные машины могут «запомнить» от 500 до нескольких сотен тысяч чисел и команд, а скорость их счета может достигать нескольких миллионов операций в секунду.

Применение полупроводников позволяет уменьшить размеры и вес электронных машин, которые используются на самолетах и космических кораблях.

_{Рис. 16. Нагрев детали токами высокой частоты}

Электронные вычислительные машины на полупроводниках могут применяться в управлении ракетами в системе противовоздушной обороны. В этом случае задача решается следующим образом.

Радиолокаторы непрерывно следят за самолетом (самолетом-снарядом) противника и за ракетой, выпущенной для его поражения (рис. 17). Данные о положении самолета и ракеты непрерывно передаются на электронную вычислительную машину. Эта машина почти мгновенно определяет, на каком расстоянии находится ракета от самолета и по какому направлению она должна двигаться, чтобы быстрее поразить самолет. Решив задачу, машина по радио передает автоматические сигналы, которые управляют рулями и двигателем ракеты. В результате ракета автоматически следует за самолетом, настигает и точно поражает цель.

Не следует думать, что электронные вычислительные машины применяют только для решения сложных и трудных проблем новейшей техники. Электронные вычислительные машины могут применяться в бухгалтерских расчетах на предприятиях и колхозах, в управлении поездами, кораблями и даже автомобилями.

_{Рис. 17. Схема управления зенитной ракетой}

Конечно, электронная автоматика и вычислительные машины не могут заменить творческую деятельность человеческого мозга. Это обусловлено тем, что все эти средства выполняют в конце концов только такие действия, которые до этого были продуманы и разработаны человеком или, точнее, большим творческим коллективом.

Из оказанного видно, что использование полупроводников открывает перед конструкторами электронной аппаратуры большие возможности для решения сложных задач.

Физическая оптика в науке и технике

Физическая оптика — это область физики, изучающая явления, связанные с процессами испускания, распространения и поглощения света.

Изучение спектра частот различных источников света дает возможность узнать строение и свойства атомов и молекул, определить наличие мельчайших примесей в том или ином веществе, судить о характере связей атомов в молекулах и о многом другом.

Все эти исследования связаны с применением спектрального анализа, идея которого принадлежит немецкому физику Кирхгофу.

Какова сущность спектрального анализа?