Synergetics 1_74 TATAPEHKO B A

Баретер — це заповнений (тепловідводовим) воднем скляний балон, усередині якого розташовано тонку (тепловидатну) плятинову (або залізну чи то вольфрамову) проволоку (нитку). Така устава має нелінійній електроопір, за якого у визначеному діяпазоні струмів незначний приріст сили струму дає значне зростання напруги на виводах. Є також напівпровідникові еквіваленти водневого баретера, яких зібрано на напівпровідникових приладах (транзисторах) або інтеґральних.

Принцип дії полягає в тому, що при підвищенні прикладеної напруги зростає температура нитки розжару і, відповідно, її опір. В результаті при зміні напруги на баретері сила струму практично не змінюється. Таким чином, баретер, включений послідовно з навантаженням, підтримує в ньому стабільний струм при змінах напруги живлення.

було відкрито американським фізиком Дж. Б. Ґанном (J. B. Gunn) у 1963 р. для двох напівпровідників з електронною провідністю: арсеніду ґалію (GaAs) і фосфіду індію (InP). Він полягає у явищі ґенерації високочастотних коливань електричного струму I у напівпровіднику, для якого об’ємна вольт-амперна характеристика має N-подіб- ний вигляд.

Ґенерація відбувається, коли постійна напруга V, яку прикладено до напівпровідникового зразка довжиною l, є

такою, що електричне поле Е = V/l в зразку обмежене границями: Е1 E E2. E1 та E2 обмежують і спадну ділянку вольт-амперної характеристики j(E), на якій диференційний опір є неґативним.

Коливання струму мають вигляд серії імпульсів. Частота їх повторення є обернено пропорційною довжині зразка l.

Ґаннів ефект зумовлений тим, що у зразку періодично виникає, переміщується по ньому і зникає область сильного електричного поля, яку називають електричною доменою.

Домена виникає тому, що однорідний розподіл електричного поля за неґативного диференційного електроопору є нестійким (струм зменшується з ростом поля, густина струму менше там, де поле більше, тобто усередині дипольного шару).

Попервах неоднорідність, що виникла, не розсмоктується, а навпаки, наростає. Росте і спад напруги на дипольному шарі, а поза ним падає (оскільки повну напругу на зразку зафіксовано). Зрештою утворюється електрична домена з відповідним розподілом поля і густини заряду.

Поле поза усталеної домени є меншим за порогове значення E1, завдяки чому нові домени не виникають.

Albert EINSTEIN (1879–1955)

A. Einstein. Zur Quantentheorie der Strahlung // Phys. Z., 18: 121 (1917).

Вимушене (індуковане) променювання полягає в тому, що збуджений атом здатний випроменити фотон під дією іншого фотона без його вбирання, якщо енергія останнього дорівнює ріжниці енергій рівнів атома до і після променювання. Випроменений фотон є когерентним («точною копією») фотону, що викликав променювання. Так відбувається підсилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного променювання, в якому випроменені фотони мають випадкові напрямки поширення, поляризацію та фазу.

Ймовірність того, що випадковий фотон спричинить індуковане променювання збудженим атомом, у точності дорівнює ймовірності вбирання цього фотона атомом, що знаходиться у незбудженому стані.

Тому для посилення світла потрібно, щоб збуджених атомів у середовищі було більше, ніж незбуджених (інверзія заселености). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується; тому використовують різні системи помпування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хемічні й ін.).

Найпростіша трирівнева система помпування робочого тіла використовується, наприклад, у рубіновому лазері. Рубін є кристалом корунду Al2O3, леґо-

ваним невеликою кількістю йонів Cr3+, які й є джерелом лазерного променювання. Через вплив електричного поля кристалічної ґратниці корунду «зовнішній» енергетичний рівень Cr E3 є розщепленим (Штарків ефект, і це уможливлює використання навіть немонохроматичного променювання для помпування. При цьому йон переходить із основного стану з енергією E1 у збуджений з енергією біля E3. У цьому стані йон може перебувати порівняно недовго ( 10 8 с); майже відразу відбувається безвипромінний релаксаційний перехід на проміжний рівень E2 (< E3), на якому атом може перебувати значно довше (до 10 3 с) метастабільно. Устигає виникати можливість здійснення індукованого променювання під впливом інших випадкових фотонів. Як тільки йонів, що перебувають (і призапасають енергію) у метастабільному стані стає більше, аніж в основному, — інверзія заселености N2 N1 > 0, — стається процес ґенерації.

Першоджерелом ґенерації є процес спонтанного променювання; тому для забезпечення наступности поколінь фотонів необхідною є наявність позитивного зворотнього зв’язку, за рахунок якого випроменені фотони спричиняють наступні акти індукованого променювання. Для цього активне середовище лазера міститься в оптичний резонатор. У найпростішому випадку він являє собою два дзеркала, одне з яких є напівпрозорим (через нього лазерний промінь частково виходить із резонатора). Відбиваючись від дзеркал, жмут випромінення багаторазово проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Променювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому із використанням обертових призм, Керрових комірок тощо для швидкого вимикання та включення

зворотнього зв’язку і зменшення тим самим періоду імпульсів уможливлюється створення умов для ґенерації цуґу світлових хвиль (променя) дуже великої потужности (так званих гігантських імпульсів) — режим модульованої добротности.

1— активне середовище;

2— енергетичне помпування лазера потужністю K;

3— непрозоре дзеркало; 4 — напівпрозоре дзеркало;

5— когерентний лазерний промінь

Ґенероване лазером випромінення є монохроматичним (однієї довжини хвилі або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність променювання фотона

певної довжини хвилі є більше, аніж навіть близько розташованої, пов’язаної з розширенням спектральної лінії, а відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі ґенерації фотони даної довжини хвилі будуть домінувати над всіма іншими фотонами. Крім цього, через особливе розташування дзеркал у лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора, на невеликій відстані від неї, а інші фотони швидко залишають об’єм резонатора. У такий спосіб промінь лазера має дуже малий кут розходження. Завдяки уведенню поляроїдів (пласких скляних платівок) у резонатор промінь лазера має точно задану поляризацію.

Із нехтуванням спонтанним випроміненням маємо наступні кінетичні рівнання:

(які є стійкими стосовно малих флюктуацій (N2 N1) exp( t) з декрементом їхнього наростан-

що в свою чергу залежить від коефіцієнта відбиття напівпрозорого дзеркала).

Коливання інтенсивности вбирання світла у часі упродовж реакції Бєлоусова–Жаботінского з фероїном

Хемічна реакція Бєлоусова–Жаботінского (1951 1961 1969), у якій упродовж тривалого часу періодично пробігає хвиля, що змінює один колір рідини в пробірці на іншій, є найпопулярнішим прикладом самоорганізації. Так, при окисненні лимонної кислоти

(C6H8O7) броматом калію (KBrO3) в кислотному середовищі в присутності каталізатора, — позитивно заряджених йонів церію Ce, — виявляються так звані автоколивання: перебіг реакції змінюється з часом, що проявляється в періодичній зміні кольору розчину від безбарвного (за надлишку Ce3+) до жовтого (за надлишку Ce4+) і зворотно; ще більший ефект помітний у присутності індикатора — фероїну (2+)Fe(C12H8N2)3SO4.

Тепер під цією назвою об’єднується цілий клас споріднених хемічних систем, близьких за механізмом реакції, але таких, що розрізняються каталізаторами (Ce3+, Mn2+ та комплекси Fe2+ і Ru2+), органічними відновниками (лимонна кислота, малонова кислота, броммалонова кислота, яблучна кислота тощо) і окиснювачами (бромати, йодати та ін.).

Хемічні реакції такого класу відбуваються в автоколивному режимі, за якого деякі характеристики реакції (услід концентраціям компонентів, не лише колір, а й температура та ін.) змінюються періодично, утворюючи складну неоднорідну просторово-часову структуру реакційного середовища. За певних умов ці системи демонструють дуже складні форми поведінки від реґулярних періодичних до хаотичних коливань і є об’єктами дослідження універсальних закономірностей нелінійних динамічних систем. Оскільки реакція перебігає за досить високих температур, то таке поводження означає, що молекулі рідини, які хаотично рухаються, все-таки періодично включаються в самоузгоджений процес, що швидко поширюється об’ємом, спричинюючи колективну поведінку системи — її самоорганізацію.