| |||
|
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА Научные открытия, сделанные в областях, связанных с механикой, автоматикой и электроникой – оптика, спектроскопия, голография, магнетизм, полупроводники, физика твердого тела, акустика, ультразвук, радиолокация, радиоэлектроника, вычислительная техника и др. Теория автоматического управления Свойства линейных динамических систем (принцип компенсации возмущения) Надежность и долговечность Эффект малонапряженности Закономерность передачи энергии при ударе Трение и износ Эффект безызносности Явление аномально-низкого трения в вакууме Процессы горения. Детонация. Явление неустойчивости детонационной волны в газах Явление расщепления волны (тонкой структуры) спиновой детонации Явление высокой химической активности продуктов неполного сгорания богатой углеводородной смеси Аэрогидродинамика, газогидродинамика, вибрация. Явление вторичного вихреобразования Явление возникновения статического перепада давления газа в виброкипящем слое Синхронизация вращающихся тел (роторов) Незамкнутые пространственные отрывные течения при сверхзвуковом обтекании газовым потоком тел сложной формы Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струёй Ударные волны разрежения Эффект максимального расхода закрученного потока Ультразвук Ультразвуковой капиллярный эффект Радиоэлектроника, газовая электроника, лазеры Эффект Кабанова (загоризонтная радиолокация) Явление усиления электромагнитных волн (лазеры) Светогидравлический эффект Эффект самофокусировки Явление многофокусности волнового пучка в нелинейной среде Явление взрывной электронной эмиссии Многократная фокусировка электромагнитных волн в непрерывных неоднородных средах Самолокализация поля модулированных волн в нелинейных диспергирующих средах Свойство свежеобразованных поверхностей твёрдых тел испускать в вакууме электроны высоких энергий Закономерность воздействия внешнего ионизирующего излучения на процесс развития импульсного разряда высокого давления Полупроводниковая электроника Полупроводниковые свойства халькогенидных стекол Явления генерации радиоволн полупроводниковым диодом Явление разогрева электронов (возникновение электродвижущей силы и асимметрии электропроводности в однородном изотропном полупроводнике) Закономерность морфотропии в гомологических рядах полупроводник–металл Свойство многозначной анизотропии электропроводности полупроводниковых кристаллов в сильных электрических полях Суперпозиционные твёрдые растворы в полупроводниковых соединениях Полупроводниковые преобразователи электрического тока Электронная эмиссия Гетерофазная автолокализация носителей тока в полупроводниках Оптика, кристаллооптика, оптоэлектроника, спектроскопия Явление резонансного комбинационного рассеяния света Явление возникновения линейчатых спектров вещества Явление кооперативной сенсибилизации люминесценции Явление стабилизации-лабилизации электронно-возбужденных многоатомных молекул Эмиссия электронов с характеристическим дискретным спектром Явление горячей фотолюминесценции кристаллов Взаимодействие ультрамягкого рентгеновского излучения с многоэлектронными атомами Явление распространения добавочных световых волн в кристаллах – волны Пекара Образование макроскопического поверхностного постоянного электрического дипольного момента у частиц, диспергированных в полярных жидкостях Объемное видение (голография) Явление отображения оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения Явление направленного разветвления электромагнитной энергии в линиях с замедленными волнами Магнетизм Явление возникновения магнитных полей на ядрах атомов немагнитных элементов Магнитоэлектрический эффект Электронный парамагнитный резонанс Завойского Магнитоакустический резонанс Явление аномальной магнитной восприимчивости ферромагнетиков в оптическом диапазоне частот Явление разрыва доменных стенок в ферромагнетиках под воздействием магнитных полей Эффект взаимодействия СВЧ и ультразвуковых колебаний в ферритах Явление аномально высокой магнитострикции в редкоземельных и урановых соединениях Изменение спиновых температур твёрдых тел при парамагнитном резонансе Акустика, акустоэлектроника Акустомагнетоэлектрический эффект Акустический парамагнитный резонанс Явление акустического ослабления турбулентности в дозвуковых струях Физика твердого тела Явление существования особого возбужденного состояния кристалла – экситона Явление фазовых переходов вещества в магнитном поле Давыдовское расщепление Явление анизотропии ионно-электронной эмиссии монокристаллов Фотопластический эффект Электронный термомагнитный эффект Явление спонтанного трех- и четырехфотонного параметрического рассеяния света в твердом теле Образование упругих двойников при двойниковании кальцита Осцилляторная зависимость поверхностного сопротивления металла от слабого магнитного поля Явление осциляций термодинамических и кинетических свойств пленок твердых тел Циклотронный резонанс в металлах Электромагнитные всплески в проводящей среде Явление аномального упорядочения магнитных моментов в кристаллических структурах Свойство одноэлектронных атомов в кристаллических полупроводниках быть глубокими донорами Многочастичные экситон-примесные комплексы Явление когерентного возбуждения пролетающих через кристалл частиц – эффект Окорокова Закономерность воздействия электрического поля на поверхностную ионизацию Воздействие внешнего магнитного поля на фотопроцессы в молекулярных твердых телах Сверхпроводимость Безщелевая сверхпроводимость металлов Явление одночастотной невырожденной параметрической регенерации колебаний в средах со слабой сверхпроводимостью Явление электронно-дырочных превращений при отражении носителей заряда от границы между нормальным и сверхпроводящим металлами – Андреевское отражение Механика и автоматика Многолика наука механика, изучающая движения материальных тел и проблемы надежности. Мир механики – мир движения. Механика занимает одно из центральных мест среди наук, непосредственно обеспечивающих ускорение научно-технического прогресса. Ей принадлежит ведущая роль в разработке научной базы инженерного дела на основе использования арсенала методов физического исследования и математического анализа. Выдающиеся достижения космической техники, авиации, гидротехники, машино- и приборостроения, строительной индустрии, судостроения опираются на глубокое понимание законов механики и точный расчет, основанный на данных экспериментов и исследований. Значение механики для нашего времени подчеркнул XIII Международный конгресс по теоретической и прикладной механике, проходивший в Москве. Более 2 тыс. ученых 40 стран представили на конгресс около 250 оригинальных работ широчайшего диапазона. Генеральный доклад, сделанный академиком В. В. Новожиловым, был посвящен проблеме разрушения. Ученый старался ответить на вопрос, как зарождаются и развиваются в материале микротрещины, с которых, собственно, и начинается разрушение. Второй центральной проблемой конгресса стала проблема турбулентности. Директор Института проблем механики, академик А. Ю. Ишлинский отмечал: "В долгой истории механики неоднократно возникало мнение, будто развитие ее как фундаментальной науки должно остановиться. В последний раз этому немало способствовали блестящие успехи вычислительной техники. Стало казаться: раз основные уравнения механики установлены, то любую конкретную задачу можно решить с помощью быстродействующих машин. Однако практика решительно опровергла такое мнение. Современная техника и естествознание ставят перед механикой все новые вопросы, связанные с открытием ранее не известных явлений. Их выяснение требует развития и самой механики, и смежных с нею разделов физики. К этому надо добавить, что изучение ряда классических проблем – таких, как турбулентность, прочность, трение, – далеко до завершения, а важность их в теоретическом и практическом отношениях исключительна". Пути механики тесно соприкасаются с путями других наук – в первую очередь физики и биологии. Механику должен знать химик-технолог, который на каждом шагу встречается с потоками различных газов и жидкостей. Проблемы турбулентности становятся все более актуальными для астрофизики, метеорологии, изучения плазмы. Немаловажную роль механика играет и в деле охраны природы – ведь с ее помощью можно, например, рассчитать необходимую высоту дымоотводов, определить степень диффузии отходов в воде при строительстве очистных сооружений и т. д. Теория автоматического управления Автоматика как техническая наука имеет самостоятельные ответвления, такие, как теория автоматического управления, теория оптимальных процессов, дисциплины, изучающие средства автоматизации, и т. д. Новаторы неутомимо ведут поиск, с тем, чтобы более успешно осуществлять комплексную автоматизацию процессов производства и управления. Они создают технически совершенные устройства, позволяющие с высокой степенью точности поддерживать на требуемом уровне напряжение, давление, температуру, обеспечивать стабилизацию самолета в пространстве, управление космическими аппаратами и т. д. В 1972 г. Ленинской премии удостоены член-корреспондент АН СССР, заместитель директора Института проблем управления С. В. Емельянов и старший научный сотрудник того же института, кандидат технических наук В. И. Уткин за цикл работ по теории систем с переменной структурой. Эти работы оценены специалистами как выдающийся вклад в развитие теории автоматического управления. Упомянутые ученые создали новый класс систем – системы с переменной структурой, обладающие чрезвычайно широкими динамическими возможностями. Высоко оценивая новое в науке управления, академик Б. Н. Петров отмечал: "В основе подавляющего большинства систем автоматического управления лежит так называемый принцип отрицательной обратной связи. Если, например, регулятор паровой турбины получает сигнал об уменьшении ее скорости по сравнению с заданной, он увеличивает подачу пара; если же скорость вращения возрастает выше нормы, регулятор уменьшает подачу пара. Этот принцип в сочетании с другими методами классической теории управления позволяет во многих случаях обеспечивать требуемое качество регулирования. Но задачи автоматизации быстро усложняются. Переход к более производительным технологическим процессам, совершенствование машин и аппаратов, повышение требований к их точности и быстродействию заставляют искать новые принципы управления и типы систем. И традиционные методы, основанные на выборе параметров системы при неизменной ее структуре, нередко оказываются малоэффективными. Открытое С. В. Емельяновым новое научное направление, которое дальнейшим своим развитием обязано тесному творческому сотрудничеству С. В. Емельянова и В. И. Уткина, усилиям коллектива специалистов Института проблем управления, а позднее и ряда других организаций, сформировалось в самостоятельный раздел общей теории автоматического управления". Системы, о которых идет речь, состоят из набора достаточно простых подсистем (структур). Последние не в состоянии в отдельности выполнять все функции системы управления. Переходя с одной структуры на другую, удается не только пользоваться полезными свойствами каждой из них, но и получать новые эффекты, которые не могут возникнуть в системах с фиксированной структурой. В частности, в новых системах управляемый процесс можно сделать практически независимым от помех, воздействующих на управляемый объект, а также от изменения свойств самого объекта. Предложенные системы отличаются простотой технической реализации, поскольку базируются на стандартных элементах нескольких типов. Это обусловило широкое их использование. Разработанная теория всесторонне проверена на практике. Так, регуляторы с переменной структурой прошли широкую экспериментальную проверку в самых разных отраслях промышленности – металлургической, химической, пищевой, строительной, в электроэнергетике, управлении подвижными объектами. Проверка подтвердила высокую эффективность предложенных методов. Автоматике суждено в корне изменить, революционизировать технологию производства, сделать осуществимыми технологические процессы с практически неограниченными скоростями, обеспечить их непрерывность. Именно непрерывные высокоэффективные технологические процессы являются одной из характерных черт современной научно-технической революции, органически связанной с первой ее чертой - автоматической системой управления и контроля за производственными процессами. В ближайшие годы осуществится в массовом масштабе комплексная автоматизация производства со все большим переходом к цехам-автоматам и предприятиям-автоматам, обеспечивающим высокую технико-экономическую эффективность. Ускорится внедрение высокосовершенных систем автоматического управления. Получат широкое применение кибернетика, электронные счетно-решающие и управляющие устройства в производственных процессах промышленности, строительной индустрии и транспорта, в научных исследованиях, в плановых и проектно-конструкторских расчетах, в сфере учета и управления. Промышленные роботы Кибернетика, изучающая общие закономерности процессов управления и связи в организованных системах – живых организмах и машинах, - приобретает все большее значение для решения проблем комплексной автоматизации. Развитие кибернетической техники служит важнейшим условием научно-технического переворота, который предвещает наступление освобождения человека от обесчеловечения его машинами, предопределяет массовое появление машин, названных им "органами человеческого мозга". С появлением кибернетических машин - "промышленных роботов" - человек становится властелином техники. В наше время нередко разгораются споры о том, может или не может машина полностью заменить человека. Но ведь цели автоматизации в социалистическом обществе совсем не сводятся к замене человека машиной. Автоматизация призвана максимально облегчить условия труда, в наибольшей степени повысить его эффективность, что возможно лишь при разумном "содружестве" человека и машины. Говоря об общности закономерностей живой и неживой природы, об аналогии между машиной и человеком, следует иметь в виду лишь определенные границы этой аналогии. Например, при моделировании техническими устройствами мозга человека дело касается только количественных и структурных закономерностей, только области передачи информации и области управления. Основоположник кибернетики Н. Винер уже в своих первых работах предостерегал от далеко идущих аналогий в этой области. Живой организм отличается от автомагического устройства прежде всего тем, что ежеминутно решает вопрос "что делать?". Для машины этого вопроса не существует, он уже решен за неё человеком. Машине приходится решать лишь вопрос "как делать?". Мышление человека неотделимо от его чувств, воли, от всего богатства его психической жизни, не имеющей ничего общего с функционированием машины. И вместе с тем бионика открывает новые, очень широкие возможности использования принципов функционирования живых организмов в технике. Сравнительно с современными техническими средствами живые организмы отличаются высокой надежностью и слаженностью работы всех их частей. В связи с этим академик А. И. Берг писал: "У живой природы надо также позаимствовать принципы экономичности в построении организмов. Достаточно указать для примера на мозг человека. Здесь каждый нейрон представляет, по существу, двухпозиционное реле. Сколько таких "реле" в мозгу человека? Точное число их неизвестно. Нейрофизиологи говорят, что 10–15 млрд. А занимают эти 10–15 млрд. "реле" объем всего лишь в 1,5 дм3 – и потребляют всего несколько десятков ватт энергии. Техническое устройство с таким же количеством элементов должно было бы иметь объем примерно 104 м3 – и потреблять мощность, равную мощности крупной электростанции, – порядка 1 млн. кВт. Как мы видим, бионика, которая имеет своей целью передать инженерам опыт живой природы, обладает огромными возможностями". Большим событием в отечественной да и в мировой физиологии явился выход в свет монографии академика П. К. Анохина "Биология и нейрофизиология условного рефлекса". Идеи академика П. К. Анохина и результаты его экспериментов имеют большое значение для развития нейрофизиологии и психологии. Разработанный им принцип функциональных систем продолжает учение И. П. Павлова об условных рефлексах. П. К. Анохин применяет основные положения кибернетики к анализу поведения животных и человека. В наше время само понятие машины качественно изменилось. Еще 40-50 лет назад машину определяли как устройство для замены и облегчения физического труда. А теперь машины заменяют не только физический, но и умственный труд, а в ряде случаев я физиологические функции человека. Если раньше машине удавалось управлять одним, максимум двумя параметрами, определяющими механическое движение, то теперь у нее таких степеней свободы четыре-пять и более. Под роботом обычно понимают кибернетическую автоматически управляемую машину, моделирующую свойства и функции живых организмов. Создание роботов - одно из важных направлений в решении задачи комплексной автоматизации процессов. Советскому Союзу принадлежит приоритет в решении ряда важных проблем теории машин, имеющих непосредственное отношение к развитию робототехники. Впервые в мире СССР послал на Луну луноходы – первые космические роботы. Создаются и эксплуатируются различные конструкции "механических рук" – манипуляторов в атомной технике, в производстве радиоактивных материалов и т. д. Ультразвук В современной науке и технике ультразвук по праву занимает одно из выдающихся мест. Звук – это упругие колебания, распространяющиеся в виде волн в газообразных, жидких и твердых средах. Одной из главных характеристик звука является частота колебаний. По частотному диапазону звуки делятся на неслышные человеку инфразвуки с частотой от 0 до 30 колебаний в секунду, или герц, слышимые человеком звуки с частотой до 20 тыс. Гц, снова неслышимые человеку ультразвуки с частотой до 10 млрд. Гц и гиперзвуки с еще большей частотой (например, волны, обусловленные колебательным движением атомов или молекул вещества), Хотя физическая природа всех видов звука одна и та же, каждый из них имеет и свои принципиальные особенности. Ультразвук хорошо поддается фокусировке, в результате чего значительно повышается интенсивность колебаний. В сочетании с другим его замечательным свойством – направленным излучением – это создает возможности передачи мощных потоков ультразвуковой энергии в нужных направлениях. Ультразвук можно наблюдать с помощью оптических методов. "Поскольку интенсивность звука возрастает пропорционально квадрату амплитуды и частоты колебаний, - рассказывает академик АН Белоруссии В. П. Северденко, - можно сравнительно легко получать ультразвук большой мощности. Источники ультразвука, разработанные в Акустическом институте АН СССР, дают рекордно высокую интенсивность в центре фокального пятна, которая в миллион раз превосходит мощность звука при выстреле и в 400 млн. раз – мощность звука громкоговорителя. Ультразвук как энергетический фактор является важным инструментом в исследовании тайн материальной среды и в интенсификации разнообразных технологических процессов производства. Мы живем в мире ультразвуков – промышленного происхождения и естественных, возбуждаемых животными и насекомыми, морями и океанами, лесами и джунглями. Многие явления природы - гроза, сильный ветер, песчаные бури, снежные бураны - источники ультразвука. Конечно, интенсивность этих природных источников значительно меньше, чем искусственных. Ультразвук небольшой интенсивности не опасен для человеческого организма и может использоваться для диагностики и лечения заболеваний". Изучение ультразвука началось полтора века назад, в 1827 г., когда на Женевском озере впервые была измерена скорость распространения звука в воде. Однако долгое время ультразвук не находил применения в практике. Гибель в 1912 г. английского лайнера "Титаник" при столкновении с айсбергом заставила ученых искать возможность предотвращения подобных катастроф. Проблема была решена благодаря ультразвуку, нашедшему первое практическое применение. Сегодня трудно назвать область, где бы не применялся ультразвук. Он широко используется в технике, промышленности, физико-технических науках, в том числе в радиоэлектронике, микроэлектронике, при изготовлении полупроводниковых приборов и в производстве интегральных схем. Все более активно "трудится" ультразвук в металлургии и металлообработке - ускоряет процессы обогащения руд, помогает удалять из расплавленного металла газы и шлаковые включения, равномерно распределять легирующие компоненты, входящие в сплав при кристаллизации, измельчать кристаллы, получать однородные кристаллические структуры, уменьшать пористость. Ультразвуковая пайка и сварка являются единственно пригодным методом получения качественных неразъемных соединений из быстроокисляющихся материалов, не поддающихся пайке или сварке обычными методами. Ультразвук значительно облегчает и интенсифицирует трудоемкие и энергоемкие процессы обработки металлов давлением и процессы резания твердых и сверхтвердых материалов. Используя способность ультразвука отражаться от границы раздела двух сред, советские ученые создали звуковые дефектоскопы, применяемые для контроля железобетонных панелей и конструкций в строительстве, а также деталей и заготовок в металлургии и машиностроении. Без ультразвука в настоящее время немыслимы процессы очистки и обезжиривания в промышленности. Особенно эффективно применение ультразвуковых устройств для очистки и обезжиривания на поточных линиях приборостроения. На Ульяновском приборостроительном заводе налажено изготовление одних из лучших в стране технологических ультразвуковых установок типа УЗУ-01 и УЗУ-0,25 для промывки и обезжиривания, а также для производства ряда других технологических операций. Установки изготовляются полностью на полупроводниках. Они экспонировались на ВДНХ СССР и получили серебряные медали выставки. Московскому изобретателю А. Мицкевичу и его ленинградскому коллеге Ю. Холопову принадлежит изобретение нового способа полировки – ультразвуковой полировки металлических поверхностей. Легкого "прикосновения" ультразвука к металлу оказывается достаточно, чтобы его поверхность заблестела как зеркало. Этот технологический процесс отличается рекордной производительностью – он длится десятые доли секунды. Внешне действия рабочего напоминают операции, подготавливающие ультразвуковую сварку. Листы зажимаются двумя контактными наконечниками: нижний служит опорой, к верхнему вместо электрического тока подводят ультразвуковые колебания. Изобретатели полагают, что, варьируя форму рабочего инструмента, можно использовать его и для полировки отверстий. Группа инженеров Руставского металлургического завода получила авторское свидетельство на изобретение ультразвуковой установки "Листоход-1". Она предназначается для дефектоскопии листового проката. В отличие от аналогичных установок, которые из-за высокой температуры проката размещаются на расстоянии от объекта контроля, "Листоход-1" действует в непосредственном контакте со стальным листом. Этим обеспечивается высокая точность в обнаружении дефектов. Ультразвук используется во многих технологических процессах – для управления сложными химическими реакциями скоростной и качественной окраски тканей, дубления кожи, сушки, в кондитерской, молочной, мясной и рыбной промышленности, в парфюмерном производстве. Он помогает рыбакам обнаруживать косяки рыб, медикам – лечить всевозможные заболевания. Ученые и инженеры Харькова и Ростова-на-Дону предложили метод ультразвуковой кардиографии. Они создали биолокатор для диагностики заболеваний сердца. Прибор рекомендован к серийному производству. Профессор В. А. Поляков и доцент Г. Г. Чемянов из Центрального института усовершенствования врачей совместно с членом-корреспондентом АН СССР, проректором Высшего технического училища имени Н. Э. Баумана Г. А. Николаевым разработали новый метод лечения костных повреждений и заболеваний – ультразвуковую сварку. При этом методе в тканях организма не остаемся металлических конструкций, требующих повторной операции для их удаления. Ультразвук взяли на вооружение нефтяники и геологи. Способы ультразвукового фотографирования особенно ценны и незаменимы, когда необходимо получить изображение предметов, находящихся в средах, непрозрачных для световых, рентгеновских и электронных лучей. Акустическое ружье, способное "прострелить" звуковым сигналом большое расстояние, сконструировали ленинградские специалисты. Звук, словно луч прожектора, направляется непосредственно в цель. "Считалось, что звуковой "луч" для сигнализации невозможен. Такова, мол, природа звука – он распространяется в воздухе, словно круги на воде. Мы с коллегами попробовали – получилось! – рассказывает один из авторов. - Изготовлены десятки сигналов с разной мощностью. Они применяются на Ленинградском железнодорожном узле. "Звуковой снайпер" нашёл применение на стройках, на речных судах и т. д.". Казалось бы, какая связь между ультразвуком и экономией горючего? Оказывается, прямая. Это с успехом доказали московские инженеры, создав гидродинамический ультразвуковой излучатель. Он предназначен для предварительной обработки дизельного топлива. Устанавливается он прямо на заправочном резервуаре внутри емкости. Принцип его работы чрезвычайно прост. Насос гонит струю горючего через специальные сопло. На пути помещена тонкая металлическая пластина, которая под ударами жидкости начинает вибрировать. Возникает ультразвуковая волна, которая разбивает крупные частицы топлива. В результате резко возрастает коэффициент фильтрации, улучшается ее качество, следовательно, происходит наиболее полное сгорание горючего в двигателе. Трудно перечислить все области применения ультразвука: он режет самые твердые и хрупкие материалы, которые другими методами обрабатывать невозможно, – алмаз, сплавы, керамику, стекло, он паяет, очищает металлическую поверхность от ржавчины, может быть безошибочным и беспристрастным контролером и т. д. Широкому практическому применению ультразвука придается очень большое значение. Этой проблеме был посвящен ряд симпозиумов и Всесоюзная научно-техническая конференция в Московском институте стали и сплавов. Главной темой ее обсуждения стала интенсификация технологических процессов с помощью ультразвуковых методов. На конференции был проанализирован опыт применения ультразвука на многих предприятиях нашей страны. Благодаря ультразвуку очистка деталей идет в 100-200 раз быстрее, чем обычно. За 5 мин ультразвук очищает стальную ленту проката длиной в километр. Качество очистки самое высокое. Расход химических материалов при таком способе очистки уменьшается в 4 раза. Очень перспективен контроль дефектов железнодорожных рельсов переносным ультразвуковым дефектоскопом. Изобретены оригинальные ультразвуковые интроскопы. Возникла ультразвуковая голография. Радиоэлектроника, радиолокация Долгое время человечество не подозревало, что в окружающем его мире существует единый спектр электромагнитных колебаний, состоящий как бы из отдельных участков – радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Этот спектр можно сравнить с клавиатурой рояля, где басы – радиоволны , а самые высокие ноты – рентгеновское излучение. То, что радиоволны – это электромагнитные колебания, отличающиеся определенной частотой, опытным путем впервые обнаружил в 1888 г. немецкий физик Г. Герц, опираясь на общую теорию распространения электромагнитного поля, созданную Д. Максвеллом в 1863 г. В 1889 г. русский ученый А. С. Попов экспериментально доказал возможность безпроволочной связи с помощью электромагнитных волн. А. С. Попов изобрел антенну, без которой в наше время не обходится ни одно радиотехническое устройство связи. Затем им был изобретен когерер – устройство для приема радиоволн, основанное на свойстве металлических порошков повышать электропроводность под влиянием высокочастотных электрических колебаний. Устройство автоматически возвращалось в рабочее положение после каждого радиосигнала. 25 апреля 1895 года А. С. Попов передал в эфир первую в мире радиограмму. В 1899 г. под руководством А. С. Попова и его помощника П. Н. Рыбкина была организована радиосвязь между островом Гогланд и городом Котка во время операции по снятию севшего на камни броненосца "Генерал-адмирал Апраксин". С начала 1918 г. в Нижегородской радиолаборатории, руководимой М. А. Бонч-Бруевичем, начались опыты по передаче радиотелефонной речи на большие расстояния. Вскоре после создания первой радиолампы в нашей стране развернулось широкое строительство радиовещательных станций. Как это часто бывает, одно научное открытие влечет за собой лавину новых. Так произошло и в радиоэлектронике. Всего лишь время жизни одного поколения отделяет нас от появления первых в мире радиоустройств – приемника и передатчика, изобретенных А. С. Поповым. Прогресс радиоэлектроники поистине поразителен. Если в 1895 г. радиосигналы преодолевали всего лишь 250 м, то теперь радиоволны, посланные человеком, проходят, например, от Земли до Юпитера и обратно расстояние почти в 1,5 млрд. км. Это стало возможно благодаря бурному развитию радиолокации. Открытие радиолокации натолкнуло ученых на мысль облучать небесные тела радиоволнами, посылаемыми с Земли. Сегодня мы принимаем радиоизлучения галактик, находящихся от нас на расстояниях, которые свет проходит за миллиарды лет. В такую "глушь" не пробиваются самые мощные телескопы. Вполне вероятно, что именно радиоволны принесут нам, землянам, весть о существовании иной космической цивилизации. Открытие радиолокации, без которой были бы немыслимы запуск спутников, выход человека за пределы атмосферы, освоение космоса, - заслуга ученых нашей Родины. Один из авторов этого открытия – П. К. Ощепков, в начале 1930-х годов участвовавший в создании первых радиолокаторов, в своей книге "Жизнь и мечта", выпущенной издательством "Московский рабочий" в 1977 г. (3-е издание), приводит документы, подтверждающие, что именно в Советском Союзе к середине 1934 г. на основе сделанного в СССР открытия были созданы первые радиолокаторы. Он пишет: "...до сих пор распространено мнение, будто радиолокация пришла к нам из-за границы. В действительности же она является детищем советского народа... Если американцы пишут, что у них первый контракт на постройку шести опытных станций был заключен в 1939 г., то у нас в Советском Союзе первый договор с заводом на постройку пяти опытных станций электромагнитного обнаружения самолетов был заключен еще 26 октября 1934 г. (заказы "Вега" и "Конус") - на пять лет раньше, чем в США. Ко всей этой истории мне пришлось иметь прямое отношение как ведущему эти работы по Управлению противовоздушной обороны и как главному инженеру опытного сектора УПВО РККА". Важное значение в решении проблемы радиолокации имело изобретение инженером-конструктором В. П. Ильясовым многорезонаторного магнетрона – сердца всех современных радаров (авторское свидетельство № 95819 от 9 мая 1939 г.). П. К. Ощепков документально раскрывает несостоятельность утверждения Черчилля, который вскоре после окончания второй мировой войны заявил в английском парламенте, что именно они, англосаксы, подарили миру радиолокацию – это величайшее, как он выразился, военное изобретение за последние 50 лет. "Мы же, советские люди, - справедливо заключает П. К. Ощепков, - можем гордиться тем, что все исследования и само открытие радиолокации в нашей стране были сделаны самостоятельно и без посторонней помощи. Как радио, так и радиолокация своим существованием обязаны нашей Родине". Новые диапазоны радиоволн Союз радио с разными отраслями знаний породил множество дочерних дисциплин: радионавигацию, радиометеорологию, радиоспектроскопию, радиогеологию, радиоастрономию и т. д. Сегодня нет такой отрасли знаний, которая могла бы обойтись без помощи радиоэлектроники. Радио и электроника вытеснили многие традиционные методы исследований. Академик В. А. Котельников считает, что первой важнейшей задачей радиоэлектроники является освоение новых диапазонов радиоволн. "Этот процесс, - подчеркивает он, - всегда открывал новые области применения радио. При освоении волн длиной в сотни метров и километры в 1920-х годах зародилась радиотелефония и широко развилось радиовещание. При освоении в 1930-е годы так называемых коротких волн – в десятки метров – стала возможной связь по радио при сравнительно небольших мощностях в пределах всего земного шара. При освоении метровых волн появились телевидение и радиолокация. Дальнейшее освоение метровых и более коротких волн дало возможность преодолеть ионосферу, окружающую Землю, принимать радиоизлучения из космоса, что привело ко многим принципиальным открытиям во Вселенной. Освоение дециметрового и сантиметрового диапазонов волн позволило создать радиорелейные линии связи, удовлетворяющие современным требованиям передачи информации, а также развить радиолокацию, космическую связь, радионавигацию и другие области применения радиоэлектроники". Скорость продвижения ко все более коротким волнам до 1950-х годов характеризовалась следующим темпом: за пятилетие волна "укорачивалась" примерно в 10 раз. За последние годы от сантиметров дошли уже до долей микрона, т. е. до светового диапазона. Сейчас диапазоны волн от десятков микрон до их долей быстро осваиваются с помощью когерентной техники, базирующейся на фундаментальных положениях квантовой механики и квантовой электроники. "Относить лазерную технику к радиоэлектронике или нет, - говорит В. А. Котельников, - вопрос терминологический. Однако развитие лазерной техники - это продолжение того же процесса освоения все более и более коротких упорядоченных когерентных электромагнитных волн, создаваемых и управляемых по нашему желанию". За столетие своего существования оптический микроскоп добился увеличения в 2 тыс. раз, тогда как электронный микроскоп увеличивает в сотни тысяч раз. С его помощью металловеды изучают структуру металлов и сплавов, биологи наблюдают вирусы. Уже создан протонный микроскоп, который увеличивает в миллионы раз. Он поможет раскрыть многие тайны вещества. Известно, что человеческий организм приспособлен для определенных условий существования. Оптическое устройство, например, нашего глаза таково, что он воспринимает электромагнитные колебания только в диапазоне длин волн 0,4-0,8 мк. Поэтому люди делят предметы на видимые и невидимые, прозрачные и непрозрачные. Усилить зрение человеку помогает недавно родившаяся наука о внутривидении - электронная интроскопия. Одним из основателей этого важного научного направления и автором ряда изобретений в этой области является П. К. Ощепков. Электромагнитные волны могут излучать любые окружающие нас тела, в том числе и живые существа, т. е. все предметы, температура которых отличается от абсолютного нуля. Такие волны иногда называют тепловыми. Это явление послужило основой развития термоинтроскопии и радиоинтроскопии. Принцип действия интроскопа состоит в том, чтобы различные невидимые излучения преобразовывать сначала в скрытое, а затем в зримое электрическое изображение. С помощью радиоинтроскопов ныне можно просмотреть любое изделие из неметаллических материалов, выявить в нем те или иные скрытые дефекты, остаточные напряжения, измерить его диэлектрические свойства, влажность и т. д. Радиовидение - новое направление в технике. Оно основано на способности микрорадиоволн переносить информацию о расположении, форме и характере объектов, с которыми они вступают во взаимодействие, и возможности получать их изображение. Электроника помогает обострить не только наше зрение, но и наш слух. Человек воспринимает звуковые волны с частотой не более 16 тыс. колебаний в секунду. Выше и ниже лежат прежде неведомые нам миры ультра- и инфразвуков. Теперь с помощью электронных приборов мы можем слышать разговор дельфинов, крики спасающихся от нападения рыб, писк летучих мышей. В наш век бурного развития техники, возрастания потока научно-технической информации человеческая память запросила помощи. И она получила ее от электроники. Кибернетические электронные системы позволили моделировать процесс мышления. В настоящее время стоит проблема создания вычислительных машин четвертого поколения с быстродействием в сто и более миллионов операций в минуту и практически неограниченной памятью. Уже сегодня с помощью электроники люди могут управлять предприятиями, планировать развитие народного хозяйства. "Современная радиоэлектроника, - рассказывает член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров, - с помощью которой создаются средства генерирования, преобразования, усиления электрических колебаний высокой и сверхвысокой частоты, Стала основой кибернетики - науки об оптимальном целенаправленном управлении процессами и объектами. В технике будущего найдут широкое распространение самонастраивающиеся кибернетические машины. Наряду с электронным мозгом, управляющим производственными процессами, широкое распространение приобретут информационно-диспетчерские машины, в задачу которых будет входить контроль за ходом производственных процессов, исправностью оборудования, движением материалов и полуфабрикатов". Принципиально осуществимо электронное кибернетическое устройство, которое может самосовершенствоваться. Специальные электронные приборы могут воспроизводить человеческую речь. Властно вторгается радиоэлектроника в медицину. Снятие электрокардиограмм и энцефалограмм стало для медиков обычным делом. В последние годы в их распоряжении появились радиопилюли. В них размещается крошечный передатчик и датчики, сообщающие сведения прямо из желудка и кишечника больного. Одной из областей, где радиоэлектроника получила широкое применение, является радиовещание и телевидение. Передающая телевизионная сеть Советского Союза- одна из самых мощных и разветвленных в мире. В последние годы возникла новая отрасль связи - космическая. Большое значение для этого имело создание системы "Орбита" - комплекса наземных станций, обеспечивающих прием телевизионного вещания с искусственного спутника Земли "Молния-1". Эта система; широко использующая последние достижения электроники и космической техники, позволяет принимать программы Центрального телевидения в самых отдаленных районах Дальнего Востока и Крайнего Севера. Трудно представить себе современную науку без электронной аппаратуры. Когда процесс идет слишком быстро или медленно, когда исследование нужно проводить в холод или в жару, когда есть опасность взрыва или радиационного облучения, электронная аппаратура незаменима. Телевизионная камера позволит увидеть, что происходит в недоступной зоне, а электронная аппаратура зарегистрирует показания приборов. Благодаря телевидению многие люди побывали в кабине космического корабля и полюбовались лунным пейзажем. Средства и методы электроники делают память человека глубже, способность анализировать и рассчитывать – сильнее, руку – гибче, глаза – зорче, слух – тоньше. Если раньше основной характеристикой уровня производительных сил той или иной страны была энерговооруженность, то теперь к ней присоединяется еще и оснащенность средствами электронной техники и радиоэлектроники. Электроника стала основой автоматики, кибернетики, вычислительной техники, прогрессивной технологии. Из зерна, посеянного нашим великим соотечественником А. С. Поповым, выросло грандиозное дерево. У него такие крупные ответвления, как плазменная, полупроводниковая, молекулярная, квантовая электроника. За последние десятилетия особенно бурное развитие, вызвавшее настоящий переворот в науке и технике, получила квантовая электроника - одно из главных направлений современной научно-технической революции. Квантовая (атомная) электроника Основы квантовой теории заложил М. Планк своим открытием дискретности излучения и поглощения света веществом. В декабре 1975 г. исполнилось 75 лет со дня открытия Планком кванта действия. Это открытие наряду с теорией относительности ознаменовало конец эпохи классической физики и начало новой эры в развитии физики. Ещё древние греки поняли атомистическую природу материи, и эта концепция была возведена до высокой степени вероятности учеными XIX столетия. Но именно закон излучения Планка дал первое точное определение абсолютных величин атомов, независимо от других предложений. Больше того, он убедительно показал, что кроме атомистической структуры материи существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая универсальной постоянной, введенной Планком. Это открытие стало основой всех исследований в физике XX в. и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие. Без этого открытия было бы невозможно установить действенную теорию молекул и атомов и энергетических процессов, управляющих их превращениями. Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики". Позже создалось представление о двойственности природы электромагнитной радиации. В 1924 г. Л. де Бройль высказал смелое предположение, что природа частиц материи тоже двойственна, т. е. волновые свойства присущи и частицам вещества. В работах Д. Шредингера, В. Гейзенберга, П. Дирака и Н. Бора волновая механика и квантовая электродинамика объединяют эти, казалось бы, непримиримые представления. П. Дирак подвел под концепцию квантовой теории прочную математическую основу. Он создал релятивистское волновое уравнение, предсказав существование магнитного момента у электрона, установил новую физическую величину - спин. В основе работы квантовых генераторов лежит физическое явление - принцип индуцированного излучения. Он в равной мере распространяется на излучение молекул, атомов и атомных ядер. До 1950 г. перед специалистами, занимавшимися электроникой, казалось, стояла неприступная крепость. Электронные приборы, успешно покорившие сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн, не могли овладеть наиболее короткими волнами - субмиллиметровыми. Под силу это стало лишь атомной, или квантовой, электронике, в основу которой легли открытия и изобретения ученых нашей Родины. В квантовой электронике роль радиопередатчиков выполняют атомы, причем они излучают не радиоволны, а еще более короткие волны - световые. Речь идет не об обычном - спонтанном - свете, излучаемом атомами во всех направлениях, например таком, который дарит нам Солнце или электрическая лампочка. На службу человеку пришел направленный пучок волн - нерассеивающийся остронаправленный луч. Это так называемое когерентное излучение, т. е. излучение, упорядоченное в пространстве и времени. С помощью квантового генератора обычный свет можно преобразовать в когерентное излучение, в тысячи раз более концентрированное и одноцветное (монохроматическое). Мощный луч квантового генератора очень слабо рассеивается. В таком луче фотоны движутся в одном направлении. Если хорошо сфокусировать, "сжать" такой луч, можно получить температуру в несколько миллионов градусов и давление в миллионы атмосфер. Понятно, какие фантастические возможности таит в себе когерентное излучение. Квантовая технология Предприятия электронной промышленности изготовляют станки и автоматы и для технологических целей. Широкое распространение получили станки для обработки рубиновых подшипников для часовой промышленности и для изготовления алмазных фильер для протягивания проволоки. Применение этих станков дает значительный экономический эффект, точность изготовления деталей существенно повышается. Использование лазера для пробивания калиброванных отверстий в алмазе сократило трудовые затраты с 24 ч до 8 мин. Внедряются станки с применением лазеров на углекислом газе для резки кварцевых и стеклянных труб, гравировки изделий из хрусталя и стекла. Лазеры начинают применяться и в полиграфической промышленности для изготовления типографских клише. Лазеры на углекислом газе используются для раскроя синтетических, шерстяных, шелковых и других материалов. При этом возможно электронное управление кроем, гибкое управление фасоном и размером изделий при массовом поточном характере производства. Поистине неограниченны возможности использования лазеров в технологических операциях, требующих визуального контроля. Луч, работающий как миниатюрный локатор, с большой скоростью и точностью обнаруживает дефекты в изделиях. Автоматизация подобных работ существенно повышает производительность труда и освобождает людей от рутинной и утомительной деятельности. Когерентный луч – средство связи, исследователь космоса и земной атмосферы "Для техники связи, - рассказывает академик А. М. Прохоров, - очень существенно увеличение частоты колебаний волны, несущей информацию. Если при длине волны 10 м можно с трудом осуществить один телевизионный канал, а при длине волны 1 м может существовать 5-10 каналов, то длина волны 1 мк расширяет передающий диапазон до 5-10 млн. каналов". В настоящее время количество телефонов на нашей планете значительно превысило 200 млн. Телефонные разговоры передаются по воздушным проводам, подземным кабелям, радиорелейным линиям и посредством спутников связи. Ученые и конструкторы ищут новые средства, позволяющие увеличить пропускную способность линий связи. Создание квантовых генераторов оптического диапазона волн вызвало большой интерес специалистов, разрабатывающих средства связи. Ведь, по теоретическим расчетам, один луч квантового генератора может обеспечить передачу около 10 млн. телеграмм и телефонных разговоров. Подсчитано, что линия телефонной связи Земли с Марсом, протяженность которой составит 100 млн. км, может надежно работать на квантовых генераторах мощностью излучения всего 10 Вт. Несколько лет назад на глазах у многих москвичей красный световой луч прорезал воздушное пространство от Воробьёвых гор до Зубовской площади. Впервые в мире ученые и инженеры, специалисты из Центрального научно-исследовательского института связи, проверяли, как будет действовать дотоле невиданная телефонная связь, осуществляемая не по проводам, а по лучу, испускаемому оптическим квантовым генератором. Наблюдавшие опыт отметили, что при разговоре по телефону не было неприятных потрескиваний и шумов, какие случаются при обычном способе связи. Казалось, абонент находится рядом с говорящим. Преимущества связи с помощью луча квантового генератора очевидны: квантовый генератор обладает достаточно высокой частотой излучения. И чем она выше (а это зависит от рабочего вещества генератора), тем больше, как уже упоминалось, сеть каналов для одновременной передачи. Особенностью такого луча является его параллельность, чрезвычайно малый угол расхождения, отличная монохроматичность. Передачу телепрограмм по такому лучу можно вести на значительном расстоянии. Однако наладить массовую связь по световому лучу не так-то легко: на ее качество влияет атмосфера - мельчайшие капельки жидкости и твердые частички пыли, воздушные вихри, которые ослабляют и рассеивают луч. Ученые и специалисты Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР и некоторых других организаций работают над совершенствованием световодов, внутри которых можно будет "спрятать" когерентный луч, благодаря чему на его пути не будет препятствий. Сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством академика А. М. Прохорова создают световоды с малыми потерями. Отрабатывая технологию, пробуя различные легирующие присадки, они в содружестве с группой специалистов из Института химии АН СССР, работающих под руководством академика Г. Г. Девятых, создали сверхпрозрачное стекло, способное вытягиваться в длинные гибкие волокна. По одному лазерному лучу могут одновременно говорить до 4 тыс. абонентов. А по пучку стеклянных трубок общей толщиной не более карандаша с помощью лазерного луча можно будет передавать сотни тысяч телефонных разговоров. Огромные перспективы перед этой связью открываются в космосе, где нет атмосферных помех. В течение секунды с третью луч достигает Луны, проходя около 400 тыс. км. Короткий, длительностью всего в миллиардную долю секунды, световой импульс, посланный в атмосферу световым локатором, при отражении может доставить из ее глубины важные сведения о температуре воздуха, концентрации газов, скорости ветра на разных высотах. При помощи нескольких световых импульсов можно определить содержание воды в облаке и уточнить время, когда возможны осадки. Зондирующие световые локаторы позволяют точно прогнозировать погоду. Первый метеорологический световой локатор был создан в Институте оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР. С помощью такого локатора путем дистанционного светового зондирования воздушной оболочки Земли получают ценную информацию из атмосферы, в частности сведения об оптической плотности облаков, об особенностях их развития с момента образования до исчезновения. Исследуются взаимосвязи отраженного эхо-сигнала с оптическими характеристиками облаков для выяснения микрофизических свойств облаков, их состава и структуры. "Световое зондирование атмосферы, осуществляемое с целью более глубокого проникновения в "кухню погоды", весьма перспективно, - рассказывает член-корреспондент АН СССР директор Института оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР В. Е. Зуев. - Идея нового метода довольно проста. В метеорологическом световом локаторе используется следующее явление: короткий импульс света, направленный в атмосферу, встречается с молекулами газов, способными поглотить его энергию, и с частицами атмосферных аэрозолей, которые рассеивают свет. Часть излучения возвращается на Землю и регистрируется специальными устройствами. Расшифрованная запись светового "эха" позволяет в принципе получить данные о самых разных характеристиках атмосферы, которые определяют формирование погоды. Информация поступает в распоряжение специалистов практически мгновенно. А это обеспечивает исследование динамики быстропротекающих атмосферных процессов, например северного полярного сияния, ураганов, тайфунов". Оптические локаторы малогабаритны и легко могут быть автоматизированы. Это позволяет устанавливать их в местах, непригодных или неудобных для длительного пребывания человека. Сейчас коллектив Института оптики атмосферы работает над созданием новых, более современных систем оптического зондирования. В Центральной аэрологической обсерватории гидрометеослужбы СССР с помощью лазеров измерили плотность нижней земной атмосферы. Полученные данные хорошо согласуются с результатами одновременных измерений плотности с помощью радиозондов. "Успешное прогнозирование, - рассказывает один из авторов открытия "Свойства атмосферы Земли" О. К. Костко, - нуждается в данных состояния атмосферы во многих точках Земли в разное время суток. В пределах территории нашей страны радиозондирование проводится более чем на 200 метеостанциях. Несколько раз в сутки радиозонды - шары-пилоты, наполненные водородом, - с подвешенными к ним приборами поднимаются на высоту до 30 км. С Земли принимается информация о состоянии атмосферы. К сожалению, радиозонды и метеорологические ракеты – приборы однократного действия. Запущенная в земную атмосферу сложная и дорогая аппаратура не может быть использована для повторных измерений. При падении на земную поверхность приборы выходят из строя. К тому же поиск упавших приборов практически невозможен. Поэтому стали искать дистанционные бесконтактные способы определения свойств атмосферы. Исследования были начаты в радиодиапазоне с помощью радиолокаторов, а с появлением лазеров – и в оптическом диапазоне частот. Распространяясь в земной атмосфере, лазерный луч рассеивается аэрозолями - твердыми частицами или каплями. Выше 10 км загрязненность атмосферы уменьшается. Но существуют области повышенной концентрации частиц, например на высотах между 20 и 30 км. Лазерный луч рассеивается и за счет колебаний молекулярной плотности в земной атмосфере. Такой вид рассеяния называют молекулярным или рэлеевским – по имени английского физика Джона Рэлея, установившего законы рассеяния света. Интенсивность молекулярного рассеяния пропорциональна общей плотности атмосферы. Прослеживая на разных высотах рассеяние лазерного луча и разделяя общее рассеяние на аэрозольное и молекулярное, можно определить профиль плотности атмосферы. Один из методов разделения типов рассеяния и определения плотности атмосферы с помощью лазерного локатора разработан в Центральной аэрологической обсерватории Главного управления гидрометеослужбы СССР". Сотрудниками этой обсерватории создан локатор с двумя передатчиками-лазерами. "Лазеры посылали в атмосферу красные и невидимые инфракрасные лучи с длинами волн 0,7 и 1,06 мк. Эксперименты позволили узнать профиль концентрации аэрозолей на высотах 20-30 км. Основным результатом экспериментов стало определение плотности атмосферы до высоты 12 км. Когерентный луч в строительстве и маркшейдерии Впервые под землей газовый квантовый генератор был применен в московском строительстве несколько лет назад при прокладке тоннеля для коллектора реки Неглинки от Зарядья до площади Революции. Луч квантового генератора становится верным помощником строителей. По "вертикальному направлению луча можно устанавливать и выверять каркасы высотных зданий, центровать колонны, поднимать вышки телебашен. По горизонтально направленному лучу строители прокладывают траншеи для трубопроводов, тоннели. С его помощью укладывают стальные рельсы железных дорог. Луч, как натянутый шнур, указывает направление и уклон при землеройных работах. Такой "шнур" не мешает экскаваторщикам, не рвется, дает возможность работать с высокой точностью. Когерентный луч стал использоваться в штреках вместо горняцкого теодолита. Он оказался незаменимым при прокладке магистральных конвейеров в горизонтальных выработках. Лазерный указатель направлений "Лун-3" создан учеными Всесоюзного научно-исследовательского института горной геомеханики и маркшейдерского дела. Он успешно выдержал испытания на шахте "Эстония". Луч квантового генератора в медицине Когерентный луч можно сфокусировать до толщины волоса. Он абсолютно стерилен и обладает очень важным для медицины свойством - избирательностью действия. Свойство избирательности по цвету наглядно демонстрируется на простейшем опыте с двойным воздушным шариком. Если вложить, например, зеленую резиновую оболочку внутрь бесцветной и надуть их, то при действии луча квантового генератора на шар разрывается лишь его внутренняя оболочка. Зеленый цвет способствует поглощению излучения рубинового луча. Прозрачная наружная оболочка остается невредимой. Всему миру известны успехи окулистов-хирургов Одессы, Москвы и Ленинграда, научившихся возвращать зрение в случаях отслоения сетчатки глаза. Прежде люди с таким заболеванием были обречены на слепоту. Теперь тонкий направленный луч квантового генератора за тысячную долю секунды как бы приваривает сетчатку к глазному дну, и человек снова становится зрячим. Попадая в глаз, когерентный луч небольшой энергетической плотности проходит через прозрачные среды, не повреждая их, и, лишь достигнув глазного дна, поглощается темноокрашенными клетками сетчатой оболочки. Строго дозированный ожог глазного дна лучом квантового Генератора используется советскими офтальмологами не только для "приваривания" отслоившейся сетчатки, но и для разрушения внутриглазных опухолей. Способностью луча избирательно поглощаться окрашенными тканями пользуются и в дерматологии. С его помощью удаляют разного рода пигментные пятна и т. п. Врачи ищут эффективный способ борьбы с глаукомой - одним из самых грозных глазных заболеваний. Новейшая методика лечения глаукомы разработана в проблемной лаборатории микрохирургии глаза 2-го Московского медицинского института. Суть операции, предложенной членом-корреспондентом АМН СССР, профессором М. М. Красновым, состоит в том, что когерентный луч направляется в угол передней камеры глаза. Образующийся при этом микроскопический канал открывает отток для внутриглазной жидкости. Внутриглазное давление уменьшается. В Институте хирургии имени А. В. Вишневского разработан специальный электронный прибор для операций желудка, сердца и других внутренних органов. Эксперименты, проведенные на животных, дали обнадеживающие результаты. Новая установка появилась также в операционной Московского НИИ онкологии. Она оборудована механооптической системой управления когерентным лучом. Через гибкий зеркальный световод инфракрасный луч попадает в наконечник, снабженный линзой. В ходе операции хирург может фокусировать луч и свободно перемещать наконечник. Прямое действие световых лучей используется для уничтожения предраковых кожных опухолей. Генератор настраивается на определенную частоту, при которой луч поглощается темной тканью и отражается светлой - ведь предраковые и раковые кожные опухоли зачастую бывают темного цвета (в противном случае они могут быть специально окрашены в. этот цвет). Мощный луч быстро разрушает потенциально злокачественную ткань, а его тепло "спаивает" порванные кровеносные сосуды. От хирургов и онкологов когерентный луч, словно эстафету, приняли терапевты. В Казахском государственном университете создана специальная аппаратура для облучения больного человека красными лучами маломощного газового квантового генератора. При действии этих лучей на солнечное сплетение повышается артериальное давление. Когерентный свет стимулирует функцию щитовидной железы, укрепляет нервную систему и улучшает состав крови. Оказалось, что когерентный луч может с успехом заменить бормашину. В Центральном НИИ стоматологии в Москве проведены первые опыты по удалению с помощью "световой иглы" поврежденной кариесом эмали зуба. Луч выбирает темные, пораженные участки зуба. Обработка эмали происходит настолько быстро, что пациент не чувствует боли. Целостность зубного нерва не нарушается. Академик Р. Е. Кавецкий и Н. Д. Гамалея, рассказывая об экспериментах, проведенных в Институте проблем онкологии АН УССР, отмечают широкие хирургические возможности квантовых генераторов. "Наряду с установками, генерирующими энергию в виде коротких мощных вспышек, - говорят они, - существуют и такие, что излучают свет непрерывным потоком. Их луч способен рассекать ткани, выполняя функции скальпеля. Первые образцы своеобразного советского скальпеля уже созданы и испытываются в Московском научно-исследовательском онкологическом институте имени П. А. Герцена, на кафедре оперативной хирургии Ленинградского института усовершенствования врачей и в "Институте проблем онкологии АН УССР. Когерентный луч не только отсекает пораженные ткани, но и как бы заплавляет встречающиеся по ходу разреза сосуды, сводя кровотечение к минимуму. Эта его особенность может иметь большое значение для операций "а внутренних органах с интенсивным кровоснабжением. Она зарождает у хирургов надежду на осуществление их давней мечты о бескровных операциях". Специалисты стремятся использовать когерентный луч для ряда бескровных хирургических операций, начиная с удаления миндалин и злокачественных опухолей и кончая лечением кровоточащих язв. Лазерная химия Лазерная химия родилась в начале 1970-х годов в совместных работах Физического института имени П. Н. Лебедева и отраслевых химических институтов. В ее основе лежит идея стимулировать химическую активность веществ, ослабляя или разрывая атомные связи с помощью лазера. "Каждый атом или группа атомов в сложной молекуле, - рассказывают академик Н. Г. Басов и доктор физико-математических наук О. Н. Крохин, - представляет собой сложную колебательную систему с характерными для нее частотами колебаний. Если частота лазерного луча попадает в резонанс с одним из этих колебаний, он способен "раскачать" или разорвать определенную атомную связь, даже самую прочную, создавая химически активные обломки молекул. Собственно говоря, то же происходит и при обычном нагреве химических веществ. Однако там в первую очередь рвутся наиболее слабые связи внутри молекул. Лазер же позволяет разрывать молекулы в наперед заданном месте. При этом активными становятся те группы атомов, которые при обычном нагреве никогда не вступают во взаимодействия. Таким образом, лазерный катализ можно применять по намеченному плану, обходя естественную химическую активность веществ, и получать заданные сочетания атомов. Такой метод позволит реализовать химические реакции, которые еще недавно казались немыслимыми. Перед наукой открываются удивительные горизонты – возможность управлять процессами на атомно-молекулярном уровне, активно вмешиваться в химико-биологические явления". Новый метод разделения изотопов впервые в мире разработан в лаборатории квантовой радиофизики Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР под руководством академика Н. Г. Басова. Лазеры предоставляют уникальную возможность проникать в смесь, состоящую из многих соединений, и избирательно осуществлять только одну реакцию. Это способно революционизировать химию. Еще одна область применения лазеров – контроль за сохранением окружающей среды, в частности за степенью загрязнения атмосферы. Непрерывную информацию о составе воздуха можно получать, используя ЭВМ для анализа светового луча, проходящего через камеру, заполняемую пробами воздуха. Лазерная агротехника В Восточно-Казахстанской области сотни гектаров засеяны необычными семенами – зернами пшеницы и ячменя, обработанными лучом лазера. Опыт такого масштаба ставится впервые. "Исследование биоэнергетических процессов у растений, животных и человека мы ведем давно, - рассказывает заведующий кафедрой биофизики Казахского государственного университета, доктор биологических наук В. М. Инюшин. - В результате многочисленных экспериментов нам удалось разработать новые приемы резонансной биостимуляции этих процессов. Установлено, что даже кратковременное воздействие лазерным лучом на живые организмы вызывает значительный эффект. В частности, предпосевная обработка семян монохроматическим светом дает заметную прибавку урожая, повышает качество сельскохозяйственной продукции. Так, содержание сахара в свекле увеличивается на 0,5-1%, в овощах накапливается больше витамина G. Луч лазера эффективен в борьбе с вредителями растений, например с головней. Опыты, которые мы проводили на полях Алма-Атинской области, показали, что резонансная стимуляция увеличивает доход с каждого гектара угодий в среднем на 8-10 тыс. руб. Вот почему решено было перейти к более широким испытаниям в различных почвенно-климатических зонах. На кафедре созданы разные варианты лазерных установок – некоторые из них способны обрабатывать по 50 т зерна в час. Это значит, что уже сегодня можно обеспечить "активированными" семенами сотни тысяч гектаров. Так что распространение нового метода зависит не столько от технической базы, сколько от поддержки нового метода работниками сельского хозяйства. А интерес к лазерной агротехнике проявляется немалый". В теплично-парниковом хозяйстве лазерный луч используется при выращивании огурцов. Плоды становятся крепче, ровнее, на растениях гораздо больше завязей. Решено проверить, как влияет лазерное облучение на молодые всходы. Оптика, кристаллооптика, оптоэлектроника, спектроскопия Известно, что оптика изучает свойства света и его взаимодействие с веществом. Вначале она была чисто прикладной наукой. Она усиливала зрение человека, позволяла ему глубже изучать законы природы, проникать в космос и микромир. Огромный вклад в развитие оптики внес академик С. И. Вавилов. Начало его научной деятельности совпало с появлением классических работ М. Планка и Н. Бора, заставивших пересмотреть общепринятую точку зрения на природу световых явлений как на чисто волновые электромагнитные процессы. С. И. Вавилов серьезно заинтересовался природой света, на протяжении многих лет возвращался к рассмотрению этого вопроса. Ему принадлежит заслуга открытия квантовых свойств многих явлений, считавшихся ранее волновыми. В 1920-е годы С. И. Вавилов вводит в науку понятие "нелинейная оптика". Совместно с В. А. Левшиным он обнаружил, что при распространении световых лучей сквозь среду могут наблюдаться отступления от линейности поглощения вследствие квантовой природы света и вещества. Особенно наглядно эти эффекты проявляются у сложных люминесцирующих веществ, так называемых кристаллофосфоров, обладающих продолжительным послесвечением. Ученые увидели в этих эффектах совершенно новую ветвь физической науки. Их предвидение оказалось пророческим – линейная оптика и связанные с ней удивительные явления имеют огромное значение. В настоящее время нелинейные оптические эффекты широко используются для создания оптических затворов, применяемых для получения гигантских импульсов в оптических квантовых генераторах и в других областях. С 1932 по 1941 г. под руководством С. И. Вавилова в Ленинградском государственном оптическом институте были проведены важнейшие исследования в области квантовых флюктуации света. Открытый им флюктуационный принцип С. И. Вавилов сформулировал так: "Каждый изолированный каким угодно способом световой пучок при достаточно малой мощности проявляет флюктуации интенсивности, происходящие совершенно самостоятельно и независимо от колебаний в каком-либо другом пучке". Работы С. И. Вавилова по изучению квантовых флюктуации света по праву считаются классическими. Мировое признание С. И. Вавилову принесли также его заслуги в другом разделе физической оптики - люминесценции. Первые попытки исследовать это явление относятся еще к началу XVII в. Его изучением занимались Г. Галилей, И. Ньютон, а в середине прошлого столетия англичанин Д. Стоке и француз А. Беккерель. Значительный вклад в учение о люминесценции внес русский академик В. В. Петров, который указал на различия между явлениями люминесценции и хемиолюминесценции (свечение, возбуждаемое энергией, выделяющейся за счет химических реакций). Изучая природу фотохимических реакций, академик П. П. Лазарев установил, что отношение количества вещества, разложенного под воздействием падающего света, к поглощенной при этом световой энергии не зависит от длины волны падающего света и остается постоянным в пределах одной полосы поглощения. Эти результаты противоречили закону фотохимического действия А. Эйнштейна, согласно которому при достаточной величине падающих световых квантов должна быть прямо пропорциональная зависимость между произведенным фотохимическим разложением и длиной волны падающего света. Заинтересовавшись результатами П. П. Лазарева, С. И. Вавилов решил заняться изучением процесса преобразования возбуждающего света с разными длинами волн в люминесценцию растворов красителей. Он ввел понятие удельной люминесценции, под которой понимал отношение величины энергии люминесценции к величине энергии вызывающего ее поглощенного возбуждающего света. Удельная люминесценция - своеобразный коэффициент полезного действия, она указывает, насколько эффективно происходит преобразование возбуждающего света в свет люминесценции в исследуемом веществе. Впоследствии эта величина получила новое название – энергетический выход люминесценции. Кроме понятия энергетического выхода часто пользуются понятием квантового выхода люминесценции, под которым понимают отношение числа излученных веществом квантов люминесценции к числу поглощенных квантов возбуждающего света, вызывающих свечение. В настоящее время выход люминесценции принято обозначать буквой «В» в честь С. И. Вавилова. С. И. Вавилов сделал важное научное открытие. Он установил зависимость энергетического выхода люминесценции от длины волны возбуждающего света. Эта зависимость, отражающая одну из основных закономерностей молекулярной люминесценции, получила название закона Вавилова. Закон Вавилова является типично квантовой закономерностью и может быть объяснен исходя из квантовых представлений о природе световых явлений. Наряду с исследованием поляризационных свойств и выхода люминесценции молекулярных систем С. И. Вавилов уделял большое внимание изучению длительности их послесвечения. Вместе с В. Л. Левшиным он установил природу кратковременного и длительного свечения у сложных органических веществ. В 1933-1934 годах С. И. Вавилов и аспирант, ныне академик П. А. Черенков открыли новое явление свечения, названное впоследствии излучением Вавилова–Черенкова. Еще в 1929 г. С. И. Вавилов обнаружил своеобразное явление универсальной синей люминесценции, которое наблюдалось у чистых растворителей самой разной природы. Вместе с П. А. Черенковым С. И. Вавилов детально изучил голубое свечение ураниловых солей и установил, что оно обладает оригинальными свойствами. Оказалось, что под действием гамма-лучей голубое свечение возникает в любых прозрачных жидкостях и твердых телах. С. И. Вавилов пришел к выводу, что голубое свечение не является люминесценцией, что оно вызывается свободными электронами, обладающими большими скоростями и возникающими при прохождении гамма-лучей через вещество. Это предположение было экспериментально доказано П. А. Черенковым. Излучение Вавилова-Черенкова широко используется для исследования свойств элементарных частиц высоких энергий. Для этих целей созданы специальные счетчики элементарных частиц (счетчики Черенкова). С помощью излучения Вавилова-Черенкова была открыта элементарная частица антипротон. Сейчас черенковскими счетчиками широко пользуются для изучения космических лучей. Кроме того, созданы черенковские спектрометры, позволяющие с большой точностью и в широком диапазоне устанавливать энергию гамма-лучей при проведении опытов на ускорителях. Излучение Вавилова - Черепкова используется также для генерации миллиметровых радиоволн и т. д.". В последние годы на стыке радиоэлектроники и физической оптики родилась исключительно важная и перспективная наука – оптоэлектроника (совокупность устройств, содержащих электронные и фотонные элементы, называют оптроникой). Основной элемент оптоэлектроники - оптрон или оптронная пара: миниатюрные светоизлучатель и фотоприемник, связанные либо электрически, либо оптически, либо тем и другим способом. Из-за прямолинейности распространения света и кривизны земной поверхности область, обозреваемая нами, ничтожно мала. А жизнь общества, особенно в наш век, стала немыслимой без глобальной информации. Эта величайшая проблема была решена с рождением радиоэлектроники, которая дала технике радиоволны и создала электронные датчики, позволившие получать широкую информацию об окружающем нас мире. Свет, звук, тепло, давление, присутствующие в атмосфере ничтожные количества летучих примесей, электрические и магнитные поля, излучение атомных ядер и приходящие из глубин Вселенной космические лучи – все может быть преобразовано в электрические сигналы и мгновенно передано на пункты наблюдения. Радиоэлектроника, как уже было сказано, проникла во все сферы человеческой деятельности. Основными же направлениями оптики длительное время было лишь изучение законов природы, а не решение проблем связи. С рождением союза оптики и электроники положение коренным образом изменилось. Три причины определили этот процесс. Во-первых, стремление охватить все богатство информации, поступающей по оптическим каналам. Во-вторых, стремление сделать видимой любую информацию, а не только те события, которые сопровождаются испусканием, поглощением или отражением света. И в-третьих, необходимость обрабатывать большие и всевозрастающие массивы информации за короткие и все сокращающиеся промежутки времени. Частицы света – фотоны могут вырывать электроны из металлов и разрывать электронные связи в полупроводниках. Частицы вещества – электроны вызывают эмиссию фотонов из некоторых специальных материалов, называемых люминофорами. Это позволило создать электронно-оптические преобразователи световых сигналов в электрические и электрических в световые – фотоэлементы, люминесцентные экраны и многие другие. Необходимость получения, обработки, хранения, передачи и воспроизведения колоссальных потоков информации, многообразие задач и высокие скорости операций, выполняемых техникой, автоматизация и дистанционное управление на Земле и в космическом пространстве – все это неотвратимо, как уже отмечалось, влечет радиоэлектронику в область все более коротких волн. Чем короче длина волны, тем выше ее частота и тем больший объем информации она может перенести за то же время. А длина световых волн в 10 тысяч раз меньше, чем длина самых коротких радиоволн! Пути продвижения радиоэлектроники в оптическую область и использования света как транспорта для передачи информации проложены квантовой радиоэлектроникой. Прямолинейность распространения света перестала быть принципиальным препятствием для связи на дальние расстояния. Отражение и преломление света в верхних слоях атмосферы, создание систем искусственных спутников, действующих как космические зеркала, делают возможной, как уже упоминалось ранее, дальнюю связь с помощью новых источников света - когерентных излучателей. Теперь световой сигнал можно передавать по любому криволинейному пути. В начале 1960-х годов появилась новая отрасль оптики – волоконная оптика. Очень гибкие и тонкие стеклянные нити выполняют роль световодов. Они передают свет подобно тому, как металлические провода передают электрический ток. Волоконная интроскопия гораздо эффективнее рентгеновских методов. Особенно перспективна она в биологии и медицине – науках, имеющих дело с живыми организмами. Тонкий длинный жгут из миллионов стеклянных волокон вводят, к примеру, в желудок больному. По одной группе волокон подается свет, по другой – передается изображение в увеличенном виде и натуральном цвете. Врач превращается как бы в микрочеловека, который с помощью лампы изнутри осматривает больной орган. С рождением волоконной оптики и появлением миниатюрных излучателей и приемников света стало возможно обрабатывать информацию, поступающую не только по электрическим, но и по оптическим каналам. Прежде электронно-оптические преобразователи служили только устройствами ввода и вывода информации, обработка ее производилась лишь в электрических трактах с помощью средств вакуумной или полупроводниковой электроники. Теперь кибернетика использует для обработки информации не только электричество, но и свет, не только электроны, но и фотоны. В отличие от электрона фотон – электрически нейтральная частица. Это его свойство, а также высокая скорость передачи световых сигналов, бесконтактность оптических связей, возможность непосредственного визуального контроля информации на любой стадии ее обработки и ряд других достоинств способствовали интенсивному развитию нового направления технической кибернетики – на базе систем обработки информации, содержащих наряду с электронными также и фотонные звенья. В последнее время понятие "оптоэлектроника" значительно расширилось. Теперь к ней относят и многие приборы, издавна применявшиеся в радиоэлектронике – фотоэлементы, фотоумножители, знаковые индикаторы на основе люминофоров, электронно-лучевые трубки и т. п. К оптоэлектронике причисляются и недавно возникшие направления, имеющие самостоятельное значение, такие, как лазерная техника, волоконная оптика, голография и др. Оптоэлектроника оформляется в самостоятельную отрасль электронной техники. Магнетизм Магнетизм – раздел физики, изучающий свойства магнитных тел и связанных с ними явлений. Магнитные свойства присущи всем материальным образованиям. Множество явлений окружающего нас мира определяется магнитными силами. Солнце, Земля и другие космические тела представляют собой своеобразные магниты. Звезды создают вокруг себя мощные магнитные поля. Такие поля могут меняться, возбуждая магнитные бури. Солнечные магнитные бури искажают показания компасов, нарушают радиосвязь, оказывают влияние на жизнедеятельность организмов и т. д. Магнитные свойства вещества определяются характером движения электронов в его атомах или ионах. Во многих веществах, особенно в металлах, электроны совершают сложное движение по всей толще кристалла. Для того чтобы понять природу магнитных свойств вещества, нужно установить законы такого движения. Это стало возможным только после того, как появилась квантовая механика. На основе модели атома, предложенной Н. Бором, удалось объяснить, почему некоторые атомы или ионы обладают магнитным моментом. От упорядоченности и взаимной ориентации этих моментов в основном и зависят магнитные свойства вещества. Известный советский физик-магнетолог академик С. В. Вонсовский, председатель оргкомитета Международной конференции по магнетизму, проходившей в Москве в 1973 г., подчеркивал, что универсальность магнетизма можно понять исходя из теории атомного строения. "Как известно, - отмечал он, - атомы имеют электрическую структуру. Они состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, вращающихся подобно планетам вокруг ядра – Солнца. Кроме того, и электроны и ядра обладают своеобразным внутренним вращением. Их орбитальное и внутреннее движения создают внутриатомные микроскопические электрические токи. Они, так же как и ток, текущий по обычным проводам, создают в окружающем пространстве магнитное поле, определяющее силы притяжения и отталкивания между носителями тока. Отсюда следует, что каждый электрон и каждое ядро представляет собой атомный магнитик. В силу этого все тела, построенные из атомов, являются источниками магнитного поля, или, как теперь принято говорить, магнетиками. Однако такие вещества не исчерпывают собой всю окружающую нас материю. Существует еще одна важная ее форма – электромагнитная, к которой относятся как видимый свет, так и невидимые излучения – инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они частично также обладают магнитными свойствами. Таким образом, все в окружающем мире, от элементарных частиц вещества до безграничного космического пространства, заполненного световой материей, имеет магнитную природу. Конечно, не во всех случаях эти свойства материи достаточно ярки, чтобы их можно было легко обнаружить и измерить. Большинство тел слабомагнитны. Это обусловлено тем, что в обычных условиях все микроскопические атомные магнитики распределены в пространстве хаотически, направления их полей не упорядочены и потому результирующий эффект всего тела оказывается нулевым. И только с помощью внешних воздействий, например магнитного поля от проволочной катушки – соленоида, по которой течет достаточно сильный постоянный электрический ток, можно заставить "зазвучать" магнетизм слабомагнитного тела". Те тела, которые намагничиваются вдоль влияющего на них внешнего поля, называют парамагнетиками. Если же намагничивание идет против поля, то это будут диа-магнетики. Существуют вещества, в которых ниже определенной температуры возникает самопроизвольная параллельная ориентация атомных магнитиков. Это ферромагнетики. К ним относятся прежде всего железо, никель, кобальт и многочисленные их соединения. В последнее время ферромагнетизм нашли также в группе редкоземельных элементов. В хроме и марганце, в некоторых лантаноидах и их соединениях обнаружен еще один тип магнитного порядка, при котором соседние атомные магнитики ориентируются строго упорядочение, но антипараллельно друг другу. Это антиферромагнетики. Существуют два типа антиферромагнетиков - в одном наблюдается полная компенсация намагниченности тела, в другом - разностная самопроизвольная намагниченность (ферримагнетики). Магнитные упорядоченные тела – ферро- и ферри-магнетики – нашли широкое применение в ведущих областях современной техники. Из них изготовляются мягкие и жесткие технические магнитные материалы. Мягкие являются прекрасными проводниками магнитного потока и легко поддаются малейшим внешним влияниям. Жесткие очень слабо поддаются внешним магнитным влияниям и служат хорошим источником постоянных полей, поэтому из них производят постоянные магниты. Без магнитных материалов не было бы электротехнического машиностроения. Главные части каждого генератора, электромотора и трансформатора делают из мягких магнитных материалов - динамного и трансформаторного железа. В аппаратуре связи в качестве важнейших конструкционных элементов используются разнообразные магнитные материалы. Без них не было бы электронной вычислительной техники, магнитной звукозаписи и т. п. Перед наукой стоит множество проблем по раскрытию неизвестных закономерностей, явлений и свойств объектов природы, обладающих магнетизмом. Большие задачи предстоит решить в области космического ''магнетизма (происхождение магнитных полей звезд, природа магнитных полей межзвездных пространств и т. д.). Среди небесных тел земной группы, куда входят Венера, Марс, Меркурий и куда можно отнести и спутницу нашей планеты Луну, Земля выделяется прежде всего сравнительно сильным магнитным полем. Многие считают, что благодаря этому на Земле и возникла жизнь. "Магнитный щит" ограждает нашу планету от губительных потоков заряженных космических частиц. По современным представлениям, магнитное поле Земли существует за счет движения в ее жидком ядре и ее вращения. В настоящее время большое значение придается проблеме получения сильных и сверхсильных магнитных полей (106 – 108 Э). Это одна из важнейших задач не только магнетизма, но и всей физики твердого тела. Coздание таких полей поможет разобраться в явлениях квантового магнетизма электронных систем твердых тел, что, в свою очередь, сулит открытие новых перспектив для квантовой радиоэлектроники, позволит коренным образом изменить технику мощных ускорителей и установок по созданию управляемых процессов в термоядерной плазме и т. п. Получение сверхсильных магнитных полей сопряжено с большими трудностями. Железные сердечники, применяемые обычно для усиления магнитного поля в катушках, здесь бесполезны, остается увеличивать ток, пропускаемый через катушки. При этом приходится сооружать систему охлаждения. Кроме того, резко возрастает механическое напряжение в витках катушки. Однако коллектив специалистов под руководством академика А. М. Прохорова создал установку "Соленоид", предназначенную для генерирования постоянных магнитных полей силой до 150 тыс. Э. А сотрудниками Института атомной энергии имени И. В. Курчатова и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д. В. Ефремова в содружестве со специалистами организаций Государственного комитета СССР по использованию атомной энергии удалось создать магнитную систему, на которой впервые в мире получено стационарное магнитное поле напряженностью 250 тыс. Э. Интересные планы связаны с развитием квантовой магнетооптики. Они охватывают, в частности, методы использования магнитных веществ в качестве рабочих тел для оптических квантовых генераторов. Широкие возможности открываются на стыке магнетизма и сверхпроводимости. Можно ожидать фундаментальных открытий новых магнитных свойств сверхпроводников. Наука о магнетизме позволяет поднять на новый уровень службу контроля. Такие важные свойства металлов, как прочность, пластичность и долговечность, находятся в прямой зависимости от структуры сплава. Малейшие изменения этой структуры вызывают изменение магнитных свойств металлов. Располагая информацией о магнитных свойствах металла, можно предсказать судьбу детали, изготовленной из определенного сплава. Заведующий кафедрой магнетизма МГУ, профессор, доктор физико-математических наук Е. И. Кондорский, рассказывая о творческом содружестве кафедры с лабораторией физических методов исследований ЗИЛа в десятой пятилетке, отмечал: "Совместно мы будем составлять важный для производственников атлас, раскрывающий связь магнитных и механических свойств сталей разных марок. Он послужит ключом к расшифровке структур металлов, подскажет путь изменения технологических циклов, позволяющий существенно улучшить качество изделий". Развитие магнетохимических исследований слабомагнитных веществ открывает перспективы для постановки широких исследований магнитных свойств биологических веществ. Есть все основания полагать, что в ближайшие годы магнитобиология станет одним из важнейших разделов биофизики. Зная свойства магнита, можно будет совершить переворот в технике железнодорожного транспорта. Появятся транспортные средства с бесконтактным подвешиванием над путевым устройством, использующие эффект магнитной подушки. Они будут развивать скорость до 600 км/ч. Ряд научных организаций Москвы, Киева, Ростова и других городов ведет разработку системы высокоскоростного наземного транспорта на магнитной подвеске. Полупроводниковая электроника Выдающийся советский ученый, основоположник полупроводниковой электроники академик А. Ф. Иоффе говорил: "Успешное развитие теории и практики полупроводников должно привести к революционным сдвигам в технике – к сдвигам, которые можно сравнить лишь с перспективами ядерной физики". До конца первой половины нашего века электротехника, а затем и радиотехника практически ограничивались применением металлов и диэлектриков, т. е. либо очень хороших, либо очень плохих проводников тока. И те и другие, выполняя противоположные элементарные функции, служат одной цели – управлять электронными потоками: металлический провод вмещает электроны, упорядоченное движение которых представляет собой электрический ток, изолятор препятствует растеканию электронов из провода. Все вещества, в зависимости от их способности проводить электрический ток, делились на две большие группы – проводников и изоляторов. К первой относились металлы (медь, алюминий, серебро, золото и т. д.), ко второй – фарфор, стекло, дерево, пластмассы и др. Дальнейшие исследования показали, что в природе много веществ, которые плохо пропускают электрический ток, но в то же время не могут быть изоляторами. Эта обширная промежуточная группа впоследствии получила название полупроводников. К ним относятся прежде всего кремний, германий, селен, теллур, сера, фосфор, бор, мышьяк, индий, их соединения, а также некоторые сплавы и окислы металлов, органические красители и другие материалы. Оказалось, что ценными свойствами обладает ряд так называемых полупроводниковых соединений. Уже сейчас широкое применение нашли двойные полупроводниковые соединения элементов третьей и пятой, второй и шестой групп периодической системы Д. И. Менделеева, а также карбид кремния. Всесторонне исследуются еще более сложные соединения, в состав которых входят три и более элементов. Чтобы полупроводник полностью проявил свои ценные качества, прежде всего необходима его предварительная глубокая очистка даже от самых ничтожных электрически активных примесей. Допустимое загрязнение этих материалов можно выразить так: на каждые 1-10 млрд. атомов основного вещества – один атом примеси. Недаром выражение "продукт полупроводниковой степени чистоты" характеризует наивысшую степень очистки. В природе не существует идеально чистых материалов, к ним всегда примешаны, в большей или меньшей степени, атомы других веществ. Теоретические и экспериментальные исследования твердых тел показали, что именно "чужеродные" атомы определяют основные свойства полупроводниковых материалов, тогда как в металлах они роли не играют. Перед учеными встала задача получить сверхчистые вещества и затем, вводя в их состав атомы тех или иных элементов, создать материал с заранее заданными физико-техническими свойствами, отвечающими решению той или иной технической проблемы. Эта задача была решена совместными усилиями физиков, химиков и инженеров. "Чужеродные" атомы и вещества ведут себя по-разному. Одни из них, называемые донорами, приносят с собой дополнительные электроны, другие – акцепторы – отбирают их, а образующиеся на месте электронов дырки ведут себя в электрическом поле как положительно заряженные частицы. Существуют полупроводники двух типов проводимости – электронные и дырочные. Если с одного конца образца ввести доноры, а с другого – акцепторы, то первый будет обладать электронной проводимостью, а второй – дырочной. Между ними образуется так называемая область электронно-дырочного перехода толщиной примерно в одну десятитысячную долю миллиметра. В этой переходной области возникают весьма интересные явления, которые широко используются в технике. Так, область электронно-дырочного перехода пропускает ток лишь в одном направлении. Это свойство позволило создать полупроводниковые выпрямители для выпрямления переменного тока. При помощи электронно-дырочного перехода световую энергию можно непосредственно преобразовать в электрическую. На основе этого свойства создан широко применяемый в ракетах и спутниках Земли вентильный фотоэлемент. Два находящихся рядом перехода используются в полупроводниковых транзисторах для усиления электромагнитных сигналов. Поскольку физические процессы протекают здесь в весьма малых объемах, полупроводниковая аппаратура может быть миниатюрной, а это имеет огромное значение для современной техники. Сейчас в одном материале научились легко создавать участки с различными физическими свойствами. Эти участки могут вести себя аналогично электронным схемам, которые открывают большие перспективы для микроэлектронной техники. Полупроводникам принадлежит огромная роль в развитии технического прогресса. Они дают возможность осуществить давнюю мечту энергетиков – получать электроэнергию из тепловых источников без помощи машин, преобразовывать солнечную, ядерную и звуковую энергию в электрическую. Полупроводники позволяют превращать переменный ток в постоянный, усиливать небольшие электрические сигналы, создавать радиоволны, измерять температуру, освещенность, давление, скорость движения газов и жидкостей, получать при помощи электричества тепло и холод, превращать свет одного спектрального состава в свет другого спектрального состава. Без полупроводников нельзя представить себе современную радиоастрономию, радиолокацию, телевидение, счетно-решающие устройства. Они способствовали автоматизации сложнейших машин, обеспечили безопасность их действия и дали толчок рождению новой системы измерительных приборов. Благодаря полупроводниковым материалам были созданы генераторы, открывшие грандиозные перспективы развития космической связи, оборонной техники и т. д. Долговечность, легкость и чрезвычайно малые размеры полупроводников позволят широко использовать их в аппаратуре автоматического управления, создавать автоматические регуляторы без трущихся, вибрирующих или других движущихся частей. Такие регуляторы имеют высокий срок службы и почти не нуждаются в уходе. Полупроводник вместо радиолампы Радиолампы все чаще заменяются крупинками полупроводника. Их не приходится предварительно накаливать, они потребляют в десятки раз меньше электроэнергии, имеют ничтожные размеры, служат во много раз дольше. Полупроводники можно легко изготовить в миллионах экземпляров. С помощью полупроводников начинают решать задачи, не доступные для решения с помощью вакуумных трубок. Начало победному шествию полупроводников было положено в нашей стране. В январе 1922 г. О. В. Лосев, сотрудник Нижегородской радиолаборатории обратил внимание на удивительное явление. Он обнаружил, что кристалл окиси цинка – цинкит, включенный особым образом в схему приемника, усиливает радиоволны. В 1920-е годы радиоприемники с цинкитовым детектором завоевали мир. С их помощью, устанавливали рекорды дальности радиосвязи. Но что происходило в поблескивавшем гранями темном кристалле, никто из ученых объяснить не мог. С появлением электронной вакуумной лампы кристаллические детекторы были забыты, казалось, навсегда. Однако успехи физики, особенно создание и развитие квантовой механики, позволили объяснить электрические свойства твердого тела и найти методы управления ими. Оказалось, что электрические свойства полупроводников в большой мере зависят от содержащихся в них примесей и от их кристаллической структуры. Развитие атомной техники привело к усовершенствованию методов очистки материалов для получения ультрачистых веществ, из которых затем научились изготовлять совершенные монокристаллы. К концу 1940-х годов созрели теоретические и экспериментальные предпосылки для технического овладения полупроводниками. Появилась потребность в портативных радиоэлектронных устройствах. Как только было обнаружено, что высококачественные полупроводники можно использовать для генерации и усиления электромагнитных колебаний, началось быстрое развитие теории полупроводниковой электроники. Почти сразу же возникло производство полупроводниковых материалов и приборов. Наиболее интересные физические исследования обычно связаны с преобразованием энергии из одной формы в другую. Полупроводники представляют благодатную почву для таких исследований – прямых и обратных переходов тепловой и лучистой энергии в электрическую. В последнее время была открыта также возможность прямого преобразования в полупроводниках электрической энергии в звуковую, т. е. в упругие колебания. Только в полупроводниках можно создать такие условия, при которых концентрация и скорость электронов достаточны для того, чтобы наблюдать эффект Вавилова-Черенкова. Частота генерируемых ультра акустических волн достигает сотен миллионов периодов в секунду. Можно надеяться, что дальнейшие исследования в этом направлении приведут к практически полезным результатам, например в разработке полупроводниковых генераторов акустических колебаний сверхвысоких частот. Еще во время Великой Отечественной войны в Ленинградском физико-техническом институте под руководством академика А. Ф. Иоффе были открыты многие неизвестные свойства и закономерности полупроводников. Именно тогда был выяснен механизм действия загадочного кристаллического детектора. В 1948 г. появился кристаллический триод – транзистор. Полупроводниковые приборы победили электронную лампу – уже через десять лет после изобретения транзисторов их выпускали десятками миллионов. Развивающейся технике требовались новые, еще более надежные материалы. Полупроводниковые преобразователи электрического тока Основные поставщики электроэнергии – гидроэлектрические и тепловые электростанции – вырабатывают переменный электрический ток. Однако народное хозяйство нуждается не только в переменном, но и в постоянном токе. Кроме того, и тот и другой вид тока в зависимости от его использования должен иметь разные характеристики. Раньше для преобразования переменного тока в постоянный служила машина переменного тока, которая приводила в движение динамо постоянного напряжения. Потом появились громоздкие преобразователи с ртутными парами, пропускающие токи только одного направления и не требующие вращающихся механизмов. В 1927 г. впервые удалось изготовить твердые выпрямители из закиси меди, а потом из селена. Это были тонкие пластинки, компактные и практичные. Но до 30% энергии переменного тока переходило в них в тепло и только 70% - в энергию постоянного тока. Изобретенные советскими специалистами вентили с полупроводниками подняли КПД выпрямителей до 98%, а размеры их стали в десятки раз меньше, чем у селеновых, и в сотни раз меньше, чем у ртутных выпрямителей. Сорок лет назад твердые выпрямители были рассчитаны на десятки ампер, тогда как современные - на десятки и сотни тысяч ампер. Они используются для электролиза металлов, электрификации железных дорог и других целей. Важная роль в создании полупроводниковых преобразователей электрического тока принадлежит Физико-техническому институту АН СССР. Доктор физико-математических наук, академик В. М. Тучкевич, принимавший непосредственное участие в решении этой проблемы, отмечал: "Количество теряемой при всех видах преобразования электроэнергии в масштабах страны огромно. Сокращение этих потерь – крупная народнохозяйственная проблема, а создание эффективной аппаратуры для этой цели – важная научная и техническая задача. С этой точки зрения большой интерес представляют так называемые вентили - силовые полупроводниковые приборы. Основную роль в сильноточной технике сейчас играют два типа кремниевых полупроводниковых вентилей – неуправляемые и управляемые. Преимуществом тех и других вентилей являются очень низкие потери в самих приборах. При обычных напряжениях их коэффициент полезного действия превышает 99%. Затраты на управление ничтожны, размеры приборов невелики. Вентиль на 200 А и 1000 В лишь немного больше спичечной коробки. Эксплуатация вентилей чрезвычайно проста. В них нет движущихся частей, они всегда готовы к работе. Надежность их высока. Они допускают и последовательное и параллельное соединение". Полупроводниковая энергетика В 1821 году было открыто термоэлектричество, в 1834 г. – перенос электрическим током тепла и холода. Более ста лет прошло, пока эти явления перешли из учебников физики в электротехнику. Последняя долгое время знала только металлы, практически непригодные для термоэлектричества, – они могут вызывать охлаждение максимум на 5-6°, а в электроэнергию превращать не более 1-2% тепла. Полупроводники резко изменили положение дела. Они вызывают охлаждение на 70° и превращают в электроэнергию 8% тепла. В перспективе видится использование высокотемпературных источников тепла с коэффициентом полезного действия полупроводников 30-70%. Полупроводниковые термоэлементы не требуют вращающихся механизмов - турбин или динамо-машин. Проходящие сквозь них потоки тепла превращаются непосредственно в электроэнергию. Если учесть, что в современных электростанциях удается достигать КПД 30-40%, станет ясно, что значат перспективы применения термоэлементов. Особый интерес они представляют для решения проблемы использования энергии Солнца. Поток солнечной энергии, получаемой земным шаром, в миллион раз больше всей той электроэнергии, что вырабатывается на Земле. Если бы полностью использовать солнечные лучи, падающие на участок бесплодной пустыни площадью 10 тыс. кв. км, можно было бы снабжать электроэнергией все человечество. Эту задачу могли бы выполнить полупроводники. Разумеется, при этом возникло бы много трудностей. Например, встал бы вопрос: как скопить энергию на ночь и в расчете на пасмурные дни и т. п.? Все эти сложные технические задачи могут быть решены. Полупроводники незаменимы в космических полетах. На первый план здесь выступает как раз превращение с их помощью солнечной энергии в электрическую. Длительное функционирование орбитальных научных станций типа "Салют" поставило перед учеными и конструкторами новые задачи. Среди них первостепенное значение приобретает развитие космической энергетики. Обеспечение полетов космических кораблей, искусственных спутников Земли, орбитальных и межпланетных станций требует затраты значительных количеств электроэнергии. Она нужна для питания разнообразного оборудования, осуществления радиосвязи с Землей, передачи телеметрической информации. Наиболее распространенный метод получения электроэнергии на борту космических аппаратов – с помощью солнечных электростанций. Состоят они, как правило, из первичного основного генератора – полупроводниковых преобразователей солнечной энергии - солнечных батарей, системы автоматики, химического накопителя, запасающего выработанную первичным генератором энергию и отдающего ее по мере необходимости. За время, прошедшее с 1958 года, когда первая советская солнечная батарея успешно функционировала на третьем искусственном спутнике Земли, в области прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей достигнут определенный успех. Развитие технологии полупроводниковых материалов, получение новых полупроводников широкого класса с высокой степенью очистки от примесей, успехи теории физических процессов позволили увеличить КПД преобразователей. В космосе фотопреобразователи должны удовлетворять жестким и подчас противоречивым требованиям, и прежде всего поглощать максимальное количество световой энергии, но не "перегреваться", ибо с ростом температуры их КПД падает. Фотопреобразователи противостоят потокам корпускулярного излучения, действию частиц высоких энергий. Вот почему они должны быть радиационно стойкими. И в то же время вес солнечных батарей должен быть минимальным. Полупроводниковые термоэлементы, а может быть, и фотоэлементы позволят непосредственно превращать ядерную энергию в электрическую. Современный длинный и громоздкий путь такого превращения посредством нагрева и перегрева водяного пара с помощью турбины и динамо-машины находится в кричащем противоречии с концентрацией энергии в ядерных источниках. Слой термоэлементов, обволакивающий урановый стержень и превращающий выделяемую им энергию непосредственно в электричество, - такова картина одного из удачных технических решений энергетических проблем будущего. Конечно, в осуществлении такого решения немало трудностей. Как, например, предохранить термоэлементы и фотоэлементы от разрушающего действия ядерных излучений? Над этим и над многими другими проблемами работают советские физики и энергетики. Итак, термоэлемент создает электрический ток, пока между его электродами поддерживается разность температур и идет поток тепла. Но если через термоэлемент пропустить электрический ток, возникнет разность температур. Электрический ток станет переносить поток тепла, охлаждая электрод. Изменив направление тока, мы меняем местами охлаждение и подогрев. Это замечательное свойство термоэлемента открывает полупроводникам широкую область применения. Для хранения и перевозки скоропортящихся продуктов нужен холод. До сих пор для его создания пользовались системой компрессоров, приводимых в движение электродвигателями, или получали его путем перегонки аммиака и жидкостей. С помощью полупроводниковых термоэлементов те же цели достигаются простым пропусканием тока. Следует учесть ничтожные размеры полупроводников. По расходу электроэнергии они в данном случае могут быть поставлены между компрессорами и жидкостями. Используя замечательное свойство полупроводниковых термоэлементов - переходить от охлаждения к нагреву с помощью простого переключения тока, - можно снабжать помещения теплом зимой и холодом летом, автоматически поддерживая желаемую температуру круглый год. Получаемое от коров молоко имеет температуру 35°. Летом, в особенности на юге, оно быстро скисает. Если же, вытекая из доильного аппарата, оно попадает на термоэлектрическую батарею, то стекает с нее уже при температуре 3-5°. Такой полупроводниковый прибор изобретен коллективом Агрофизического института. Над проблемами широкого применения полупроводников в технике работают многие научные коллективы СССР. Всем известны полупроводниковые радиоприемники размером в спичечную коробку. Созданы миниатюрные радиоприборы на полупроводниках, докладывающие о состоянии больного, аппараты размером в одну десятую миллиметра, распознающие характер процессов, протекающих в организмах растений и животных, электронно-счетные машины, в колоссальной мере облегчающие труд и в десятки тысяч раз повышающие его производительность. Перспективы микроэлектроники Современный этап научно-технической революции характеризуется исключительно быстрым ростом сложности радиоэлектронной аппаратуры. В связи с этим традиционные методы ее производства путем последовательной сборки из дискретных элементов стали неприемлемы, поскольку не могут обеспечить требуемых надежности, экономичности, энергоемкости, габаритов и времени изготовления. Возникла необходимость поиска принципиально новых путей создания электронной аппаратуры. На этом фоне и родилась микроэлектроника - новое направление электроники, решающее с помощью сложного комплекса физических, химических, схемотехнических, технологических и других методов и приемов проблему создания высоконадежных и экономичных миниатюрных электронных блоков и устройств. Любой радиоэлектронный прибор – это своеобразный электрический мир. И все чудеса, которые может совершать радиоэлектроника, в итоге сводятся к сравнительно простым операциям с электрическими зарядами и электромагнитными полями. В радиоприемнике, например, это в основном превращение электромагнитных волн в электрический ток, усиление и превращение его в звук. В телевизоре процессы почти те же, но только к ним добавляется еще преобразование электрического тока в изображение. Дальнейшее развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризовалось созданием микроминиатюрных (микроэлектронных) схем. Микроэлектроника позволила увеличить плотность монтажа сразу в сто и более раз – в одном кубическом сантиметре объема микромодуля размещается несколько десятков сверхминиатюрных деталей. Еще более поразительные результаты получены после появления интегральных схем. Кристаллики этих схем, пришедшие на смену транзисторам, решают многие проблемы миниатюризации современной радиоаппаратуры. Интегральная схема – это микроминиатюрная структура, в которой многочисленные радиоэлементы соединяются на поверхности или внутри основы. В отличие от старых схем, в которых детали соединялись пайкой, интегральная схема - неразрывное соединение, что почти исключает неисправности. Интегральные схемы на одной монокристаллической полупроводниковой пластине, созданные путем локального воздействия на микроучастки полупроводникового кристалла, со свойствами, соответствующими функциям микродеталей (полупроводниковые интегральные схемы), являются естественным развитием отработанных в течение последних десятилетий технологических принципов массового производства дискретных полупроводниковых приборов. Интегральные схемы на некристаллической (изоляционной) подложке, создаваемые обычно из стекла или стеклокерамического материала путем послойного нанесения одна на другую пленок различных материалов с одновременным формированием из них микродеталей и их соединений (пленочные интегральные схемы), создаются в результате развития вакуумных методов нанесения тонкопленочных покрытий. Исключительно широко интегральные схемы применяются в электронно-вычислительной технике. За 20 лет произошло несколько смен поколений ЭВМ. Первое поколение (1955-1960 гг.) – это машины на электронных лампах с быстродействием от 500 до 3 тыс. арифметических операций в секунду, второе поколение (1960-1965 гг.) – машины на полупроводниковых элементах с быстродействием их от 30 тыс. до 100 тыс. операций в секунду. Третье поколение (1965-1970 гг.) – машины на микроэлектронике. Быстродействие их достигает миллиона арифметических операций в секунду. В машинах четвертого поколения (1970-1975 гг.) используют интегральные схемы микроэлементов. Быстродействие их составляет сотни миллионов операций в секунду. Широкое распространение получают экранные пульты для ввода и вывода информации при осуществлении диалога человека с машиной. Благодаря малым размерам и высокой надежности интегральных схем стало возможным создание очень сложных радиоэлектронных систем, таких, как электронно-вычислительные машины искусственных спутников Земли. А ведь первая ЭВМ была тридцатитонным сооружением. Подобная машина на интегральных схемах умещается на письменном столе. До каких пределов можно уменьшать радиоэлектронную аппаратуру? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Сейчас успешно развивается и совершенствуется новое направление в электронике – молекулярная электроника. Здесь детали конструкций по размерам приближаются к молекулам, электронно-вычислительные машины стали не больше записной книжки и в виде компьютеров вошли в каждый дом. Огромные возможности в решении проблем микроэлектроники сулит голография. Уже сейчас с помощью голограмм удается фиксировать положение объекта с точностью до длины световой волны, т. е. до тысячных долей микрона. В недалеком будущем при нанесении полупроводникового рисунка на интегральные схемы вместо неудобных шаблонов будут пользоваться голограммами. Отпадет надобность в сложнейших дорогостоящих системах линз, появится возможность механизации процесса. Голография станет верным помощником микроэлектроники. Физика твердого тела Физика твердого тела – основа материаловедения. Главные ее направления – решение важнейших проблем и прикладных задач по созданию новых материалов с наперед заданными свойствами, получение высокотемпературных сверхпроводников, изучение воздействия мощных электромагнитных излучений на вещество, изучение поведения экситонов высоких концентраций. Важнейшую ветвь физики твердого тела составляет кристаллография, изучающая строение, свойства и образование кристаллов. Она относится к числу наиболее ярко выраженных пограничных наук. Кристаллография исследует проблемы, общие для физических, химических, геологических, биологических и технических отраслей знания. Исключительно важная особенность кристаллов – способность менять свои свойства под влиянием внешних воздействий – света и электромагнитных волн, механических напряжений, магнитного поля, ядерных излучений, температуры. Поэтому кристаллы могут служить естественными источниками, приемниками, преобразователями, усилителями физических процессов. Сейчас трудно представить себе какую-либо область техники, которая не нуждалась бы в кристаллах. И в первую очередь это полупроводниковая техника. Монокристаллы – сердце лазеров и мазеров, они работают в радиосхемах и счетно-решающих устройствах, являются прекрасными средами для записи информации. В настоящее время в различных отраслях народного хозяйства с большим успехом используются синтетические кристаллы. Главной особенностью кристаллической структуры является строгая периодичность составляющих ее элементов. В любом кристалле можно выделить основную строительную единицу. В кристаллографии такие "кирпичи" называются элементарными ячейками. При сложении элементарных ячеек вдоль трех координатных направлений пространства и получается кристалл. Решить структуру кристалла – значит определить координаты входящих в его состав атомов. Так, например, созданные в Институте кристаллографии кристаллы рубина, лейкосапфира, иттрий-алюминиевого граната и др. позволили решить ряд важных научно-технических задач, Среди них получение мощных лазерных излучений, управление световыми пучками и т. п. Встал вопрос об использовании электрооптических свойств кристаллов для создания сверхбыстродействующих вычислительных машин. Кроме высокой разрешающей способности такие машины будут во много раз меньше существующих (крупногабаритные устройства памяти современной ЭВМ может заменить кристалл величиной со спичечную коробку). На кристаллах создаются телевизоры без кинескопа. С каждым годом все более широкое применение находят жидкие кристаллы. Они были обнаружены австрийским ботаником Ф. Рейнитцером в 1888 г. Синтезированное им вещество при нагревании плавилось как бы дважды. Сначала кристаллы превращались в мутную жидкость, которая под микроскопом казалась состоящей из каких-то странных звездочек. Если ее продолжали нагревать, жидкость светлела и делалась прозрачной. Она проявляла невиданную комбинацию свойств - текла, капала, смачивала поверхности, как все жидкости, но под объективом поляризационного микроскопа выглядела как твердое вещество. Жидкие кристаллы очень чувствительны к слабым изменениям внешних условий. Поразительное воздействие на жидкие кристаллы производят электрическое и магнитное поля. "Есть основания предполагать, - рассказывает руководитель группы по исследованию жидких кристаллов Института кристаллографии АН СССР, доктор физико-математических наук И. Г. Чистяков, - что зародыши жизни на Земле – первые комочки живой плазмы – имели жидкокристаллическое строение. Как показывают исследования, такое же строение свойственно структуре клеточных мембран некоторых современных живых существ – и наших с вами тоже. Например, установлено, что волокна гладких и поперечнополосатых мышц "сконструированы" из жидких кристаллов. Они входят (или могут входить) в состав многих жиров, ферментов, сухожилий... Сложнейшей жидкокристаллической структурой, по мнению ученых, является и наш мозг". С помощью жидких кристаллов можно без всяких приборов мгновенно измерять температуру любых предметов с точностью до сотых долей градуса. Диапазон их применения необъятен – от исследований высшей нервной деятельности человека до создания новых методов контроля обувного производства. Российские химики обеспечили эти исследования, создав большое количество разнообразных жидких кристаллов. Список этих веществ, уже освоенных промышленностью, насчитывает десятки видов. Среди новых материалов прочно заняли место сегнетоэлектрические монокристаллы и керамики. В материалах с диэлектрическими свойствами – слюде, стекле, бумаге – поляризованное состояние возникает и сохраняется под влиянием внешнего электрического поля. В отличие от них сегнетоэлектрики поляризованы сами по себе, и эта особенность – характерный признак их устойчивого состояния. Необычные свойства, присущие им, впервые были обнаружены у органических кристаллов сегнетовой соли, с чем и связано наименование всей группы этих веществ. На кончике иглы звукоснимателя есть крошечный кристаллик, который переводит механические колебания диска в звуковые электрические сигналы. Это сегнетоэлектрик. Уникальное свойство самопроизвольно поляризоваться без внешних электрических воздействий - отличительная особенность всех сегнетоэлектриков. Сегнетоэлектрик может поочередно работать и как излучатель, и как приемник в одном устройстве. Советские ученые еще на ранней стадии развития теории сегнетоэлектричества заняли ведущее место. Работы академика И. В. Курчатова по изучению сегнетовой соли, открытие академиком Б. М. Вулом одного из наиболее эффективных сегнетоэлектриков – титаната бария, обнаружение и исследование ряда окисных сегнетоэлектриков Г. А. Смоленским заложили прочный фундамент для развития этой отрасли науки. Цикл работ по кристаллографии и кристаллохимии сегнетоэлектриков, выполненных авторским коллективом в составе Ю. Н. Веневцева, И. С. Желудева, В. А. Исупова, В. В. Климова, Е. Г. Фесенко и Л. А. Шувалова, представляет наиболее значительные достижения российской науки в области сегнетоэлектричества. Они широко признаны у нас и за рубежом. Нашим ученым удалось обнаружить более 180 новых сегнетоэлектриков. Среди них большое число сегнетоэлектриков, принадлежащих к новым структурным типам. Сначала были теоретически предсказаны, а затем получены вещества совершенно нового класса, обладающие одновременно магнитными и диэлектрическими свойствами, - сегнетомагнетики. На основе сегнетоэлектриков разработан ряд перспективных керамических составов, обладающих ценными электромеханическими свойствами. Они нашли применение в промышленности в пьезопреобразователях, усилителях электрических колебаний, пьезотрансформаторах. Некоторые составы получены в виде оптически прозрачной керамики, что открывает новые области для их использования. У сегнетоэлектрических материалов большое будущее. Акустоэлектроника Акустоэлектроника – молодая область физики твердого тела – изучает процессы и явления, связанные с возбуждением, распространением и взаимодействием с электронами высокочастотных звуковых волн в твердых телах. Установлено, что электроны способны в миллионы раз усиливать и генерировать звуковые волны, отдавая им свою энергию. В 1974 году И. А. Викторову, Ю. В. Гуляеву, В. Л. Гуревичу и В. И. Пустовойту была присуждена Государственная премия СССР за цикл работ, связанных с созданием теоретических основ акустоэлектроники. Авторы предсказали существование поверхностных звуковых волн нового типа, доказали возможность усиления и генерации объемных и поверхностных звуковых волн в пьезоэлектриках и полупроводниках. Акустоэлектроника имеет предысторию. В начале нашего века немецкий физик Э. Мах заметил, что если тело движется со сверхзвуковой скоростью в жидкости или газе, то возникает излучение звуковых волн. В 1934 году лауреаты Нобелевской премии П. А. Черенков, И. М. Франк и И. Е. Тамм предложили теорию излучения электромагнитных волн электроном, движущимся в среде со сверхсветовой скоростью. Затем была изобретена лампа бегущей волны и т. д. Советским ученым удалось доказать, что аналогичный процесс возможен в полупроводниках. В настоящее время акустоэлектроника занимает значительное место в физике полупроводников и диэлектриков. Она оказалась очень тонким орудием исследования свойств твердых тел, открыла широкие возможности для создания новых приборов. Возьмем такой пример. Ведется локация какого-либо объекта, ну, скажем, планеты или спутника. Чтобы судить о форме небесного тела, его размерах, скорости движения и т. д., нужно сравнить два сигнала – посланный и отраженный от объекта. А для этого надо, чтобы первоначальный сигнал, прежде чем потухнуть, чуточку задержался во времени. Такую же задачу приходится решать и для вычислительных машин, и для навигационных приборов, и т. п. Акустоэлектроника позволяет создавать простые, надежные и дешевые устройства, которые помогают решать эту задачу. Акустоэлектронные приборы вытесняют устройства на полупроводниковых и других элементах. Они миниатюрнее, дешевле, надежнее, потребляют меньше энергии при большем КПД. Для их изготовления не нужна принципиально новая технология – вполне подходит та, что предназначена для интегральных микросхем. Акустоэлектроника – действительно позволяет построить совершенно новые приборы. Эффект взаимодействия акустических волн с электронами открывает путь к созданию компактных сканеров и модуляторов излучения. Благодаря этому эффекту были созданы плоские телевизоры без электронно-лучевых трубок. Акустоэлектроника расширяет возможности ультразвуковой микроскопии и диагностики, гиперзвуковой локации. Но не следует думать, что акустоэлектроника сделает полупроводники полностью ненужными. С ее помощью удалось не только улучшить свойства полупроводников, но и обнаружить у них новые качества. Открылась заманчивая возможность создать гибридные устройства, сочетающие в себе свойства полупроводниковых интегральных микросхем и акустоэлектронных приборов. Главная КОСМОС ЗЕМЛЯ ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА МАТЕМАТИКА |