Г ГАЗ (франц. gaz, от греч. chaos — хаос), агрегатное состояние в-ва, в к-ром его ч-цы не связаны или весьма слабо связаны силами вз-ствия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. B-вa в газообразном состоянии образуют атмосферу Земли, в значит. кол-вах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного в-ва состоят из Г.— нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях Г. представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных Г. Г. целиком заполняют сосуд, в к-ром находятся, и принимают его форму. В отличие от тв. тел и жидкостей, объём Г. существенно зависит от давления и темп-ры. Коэфф. объёмного расширения Г. в обычных условиях (при 0— 100°С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет при 0°C 0,003663 К-1. В таблице приведены данные о физических свойствах нек-рых Г. Любое в-во можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления p и темп-ры Т. Поэтому возможную область существова- 100^ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ГАЗОВ ния газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных р.— Т (в р-T-диаграмме, рис. 1). При Т ниже критической Тк (см. Критическое состояние) эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) I и парообразования II. Это означает, что при любом p ниже критического pк существует темп-pa Т, определяемая кривой сублимации или парообразования, выше к-рой в-во становится газообразным. При темп-pax ниже тсмп-ры тройной точки Тр газ может находиться в равновесии с и. фазой в-ва (на кривой I), а между тройной и критич. точкой К — с жидкой фазой.Рис. 1. p —T-диаграмма состояния в-ва. Со стороны низких Т и р область газообразного состояния ограничена кривыми сублимации (I) и парообразования (II). Тр — тройная точка; К — критич. точка; пунктирная линия — критич. изохора в-вa (объём V=const=Vк).Газ в этих состояниях обычно наз. паром в-ва. При Т ниже Тк можно сконденсировать Г.— перевести его в др. агрегатное состояние (твёрдое или жидкое), напр. повышая давление. При Т>Тк граница газообразной области условна, поскольку при этих ^ Т фазовые превращения не происходят. Иногда за условную границу между Г. и жидкостью при сверхкритич. Т и р принимают критич. изохору в-ва (рис. 1), в непосредств. близости от к-рой св-ва в-ва изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро. В связи с тем что область газового состояния очень обширна, св-ва Г. при изменении Т и р могут меняться в широких пределах. Так, в норм. условиях (при 0°С и атм. давлении) плотность Г. примерна в 1000 раз меньше плотности того же в-ва в твёрдом или жидком состоянии. При комнатной ^ Т и глубоком вакууме (напр., при p~1011 мм рт. ст.) плотность Г. ~10-20г/см3. С другой стороны, при высоких р в-во, к-рое при сверхкритич. Т можно считать Г., обладает огромной плотностью (напр., в центре иек-рых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и др. св-ва Г.— теплопроводность, вязкость и т. д.^ Молекулярно-кинетическая теория газов рассматривает Г. как совокупность слабо взаимодействующих ч-ц, находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих представлений молекулярно-кинетич. теории удаётся объяснить ми. физ. св-ва Г., особенно полно — св-ва разреж. Г. У достаточно разреж. Г. ср. расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия сил межмол. вз-ствия. Так, при норм. условиях в 1 см3 Г. находится ~1019 молекул и ср. расстояние между ними составляет ~10 нм, тогда как межмол. вз-ствие несущественно уже на расстояниях св. 0,5—1 нм. Следовательно, в таких условиях молекулы взаимодействуют лишь при сближении на расстояние действия межмол. сил. Это сближение принято трактовать как : столкновение молекул. Радиус действия межмол. сил в рассмотренном примере в 10 раз меньше ср. расстояния между молекулами, так что общий объём, в к-ром эти силы могут сказываться (как бы «собств. объём» всех молекул), составляет 10-3 от полного объёма Г. Это позволяет считать собств. объём молекул Г. в норм. условиях пренебрежимо малым и рассматривать молекулы как материальные точки. Г., молекулы к-рого рассматриваются как не взаимодействующие друг с другом материальные точки, наз. и. д е а л ь н ы м. При тепловом равновесии идеального Г. все направления движения его молекул равновероятны, а их скорости v подчиняются распределению Максвелла (рис. 2). Подавляющее большинство молекул имеет значения v, близкие к наиболее вероятной vн при данной Т (соответствует максимуму на рис.: 2), но существует нек-рая часть молекул с малыми и очень большими скоростями. При помощи распределения Максвелла может быть определена т. н. ср. квадратичная скорость молекул v2, связанная с Т соотношением:v2=3kT/m, (1) где m — масса молекулы. Ур-ние (1) устанавливает связь между ср. кинетич. энергией одной молекулы и темп-рой газа: mv2/2=3/2kT. (2) Эта зависимость позволяет рассматривать У как меру ср. кинетич. энергии молекул.Рис. 2. Распределение Максвелла для молекул азота при Т— 20 и 500 °С. По оси ординат — доля молекул (в %), обладающих скоростями между v м/с и (v+10) м/с; v — наиб. вероятная скорость, к-рой обладает наибольшее число молекул при данной Т;v — ср. скорость молекул; v2— ср. квадратичная скорость.Поскольку молекулы идеального Г. обладают лишь кинетич. энергией, внутр. энергия такого Г. не зависит от занимаемого им объёма (закон Джоуля). Молекулярно-кинетич. теория рассматривает давление Г. на стенки сосуда, в к-ром он находится, как воздействие ударов молекул, усреднённое по поверхности и времени; количественно р определяется импульсом, передаваемым молекулами в ед. времени ед. площади стенки:p=1/3nmv2, (3) где n — число молекул в единице объёма. Ур-ния (2) и (3) позволяют записать уравнение состояния идеального Г. в виде: 101p=nkT. (4) Ур-ние (4), записанное для 1 моля Г., наз. ^ Клапейрона уравнением:pV=RT. (5) Здесь R=kN — универсальная газовая постоянная (N — число молекул в 1 моле), V— объём, приходящийся на 1 моль. Ур-ние Клапейрона можно получить и эмпирически, обобщая газовые законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака (см. Бойля — Мариотта закон, Гей-Люссака законы,). Из ур-ния (5) следует также, что при одинаковых Т и р идеальные Г., взятые в кол-ве 1 моля, имеют равные объёмы и в ед. объёма любого такого Г. содержится равное число молекул (см. Авогадро закон). В условиях теплового равновесия T и p Г. по всему его объёму одинаковы, молекулы движутся хаотично, упорядоченных потоков нет. Возникновение в Г. перепадов (градиентов) Т и р приводит к нарушению равновесия и переносу в направлении градиента энергии, массы или др. физ. величин. Кинетич. св-ва Г.— теплопроводность, диффузию, вязкость — молекулярно-кинетич. теория рассматривает с единой точки зрения: диффузию как перенос молекулами массы, теплопроводность как перенос ими энергии, вязкость как перенос кол-ва движения. Модель идеального Г. для анализа явлений переноса непригодна, ибо в этих процессах существ. роль играют столкновения молекул и их лин. размеры (влияющие на частоту столкновений). Поэтому в простейшем случае явления переноса в Г. рассматриваются для разреж. Г., молекулы к-рого в первом приближении считаются упругими шариками с определ. диаметром , причём эти шарики взаимодействуют друг с другом только в момент соударения. В этом приближении а связан простым соотношением со ср. длиной свободного пробега молекулы l:l=1/2n (6) Размер l существенно влияет на процессы переноса в разреж. Г. В частности, если характерный размер объёма, занимаемого Г., больше l, то теплопроводность и вязкость Г. не зависят от р. Наоборот, когда I больше характерного размера, теплопроводность и вязкость Г. с уменьшением р (а значит, и числа столкновений) начинают падать. В более строгой молекулярно-кинетич. теории при анализе явлений переноса в разреж. Г. учитывается вз-ствие молекул при любых расстояниях между ними. Характер вз-ствия определяется т. н. потенциалом вз-ствия (см. Межмолекулярное взаимодействие). Строгое рассмотрение динамики парных вз-ствий (столкновений) приводит к тому, что в ф-лах для расчёта коэфф. переноса появляются т. н. и н т е г р а л ы столкновений, являющиеся ф-циями только приведённой темп-ры T*=kT/, к-рая характеризует отношение кинетич. энергии молекул (~kT) к их потенц. энергии ( — глубина потенц. ямы при данном потенциале вз-ствия). Интегралы столкновений учитывают то обстоятельство, что сталкивающиеся молекулы в зависимости от их кинетич. энергии, а значит, и темп-ры Г. могут сближаться на разл. расстояния, т. е. как бы изменять свой эфф. размер. Свойства реальных газов. При повышении плотности изменяются св-ва Г.— они перестают быть идеальными. Ур-ние состояния (5) оказывается неприменимым, т. к. ср. расстояния между молекулами Г. становятся сравнимыми с радиусом межмол. вз-ствия. Для описания термодинамич. св-в реальных Г. используются разл. ур-ния состояния, б. или м. строго теоретически обоснованные. Простейшим примером ур-ния, к-рое качественно правильно описывает осн. отличия реального Г. от идеального, служит Ван-дер-Ваальса уравнение, учитывающее, с одной стороны, существование сил притяжения между молекулами (их действие приводит к уменьшению давления Г.), с другой стороны — сил отталкивания, препятствующих безграничному сжатию Г. К наиболее теоретически обоснованным (во всяком случае, для состояний, удалённых от критич. точки) относится вириальное ур-ние состояния:pV=RT(1+B/V+C/V2+...). (7) Значения вириальных коэфф. В, С и т. д. определяются соударениями молекул: парными (В), тройными (С) и более высокого порядка для последующих коэфф. Существенно, что вириальные коэфф. явл. ф-циями только Т. В Г. малой плотности наиб. вероятны парные столкновения молекул, т. е. для такого Г. в разложении (7) можно пренебречь всеми членами после члена с коэфф. В. В соответствии с температурным изменением В, при т. н. темп-ре Бойля ТB (см. Бойля точка) В обращается в нуль и умеренно плотный Г. ведёт себя, как идеальный, т. е. подчиняется ур-нию (5). Существование межмол. вз-ствия в той или иной степени сказывается на всех св-вах реальных Г. Внутр. энергия реального Г. оказывается зависящей от V (от расстояний между молекулами), т. к. потенц. энергия молекул определяется их взаимным расположением. С межмол. вз-ствием связано также изменение темп-ры реального Г. при протекании его с малой пост. скоростью через пористую перегородку (этот процесс наз. дросселированием). Мерой изменения темп-ры Г. при дросселировании служит коэфф. Джоуля — Томсона, к-рый в зависимости от условий может быть положительным (охлаждение Г.), отрицательным (нагрев Г.) либо равным нулю при т. н. темп-ре инверсии (см. Джоуля — Томсона эффект). Внутр. строение молекул Г. слабо влияет на их термич. св-ва — давление, темп-ру, плотность и связь между этими величинами. Для этих св-в в первом приближении существенна только мол. масса. Напротив, калорич. св-ва Г. (теплоёмкость, энтропия и др.), а также его электрич. и магн. св-ва существенно зависят от внутр. строения молекул. Напр., для расчёта (в первом приближении) теплоёмкости Г. при пост. объёме сV необходимо знать число внутр. степеней свободы iвн молекулы. В соответствии с равнораспределения законом на каждую внутр. степень свободы молекулы приходится энергия, равная 1/2kT. Отсюда теплоёмкость 1 моля Г. равна: (здесь число 3 — число степеней свободы молекулы как целого). Для точного расчёта калорич. св-в Г. необходимо знать уровни энергии молекулы, сведения о к-рых в большинстве случаев получают методами спектроскопии. Для большого числа в-в в состоянии идеального Г. калорич. параметры вычислены с высокой точностью, и их значения представлены в виде таблиц до Т ~ 10—22 тыс. К. Электрич. св-ва Г. связаны в первую очередь с возможностью ионизации молекул или атомов, т. е. с появлением в Г. электрически заряж. ч-ц (ионов и эл-нов). При отсутствии заряж. ч-ц Г. являются хорошими диэлектриками. С ростом концентрации зарядов электропроводность Г. увеличивается. При ^ Т большей неск. тыс. К всякий Г. частично ионизуется и превращается в плазму. Если концентрация зарядов в плазме невелика, то св-ва её мало отличаются от св-в обычного Г. По магн. св-вам Г. делятся на диамагнитные (к ним относятся, напр., инертные газы, а также H2N2, СO2, Н2О) и парамагнитные (напр., O2). Диамагнитны те Г., молекулы к-рых не имеют пост. магн. момента и приобретают его лишь под влиянием внеш. поля (см. Диамагнетизм). Те же Г., у к-рых молекулы обладают пост. магн. моментом, во внешнем магнитном поле ведут себя как парамагнетики (см. Парамагнетизм). Учёт межмол. вз-ствия и внутр. строения молекул необходим при решении мн. проблем физики Г., напр. при исследовании влияния верхних разреж. слоев атмосферы на движение ракет и спутников (см. Газовая динамика). В совр. физике Г. называют не только одно из агрегатных состояний в-ва. К Г. с особыми св-вами относят, напр., совокупность свободных эл-нов в металле (электронный Г.), фононов в кри- 102сталлах или жидком гелии (фононный Г.). Св-ва Г. элем. ч-ц и квазичастиц рассматривает квантовая статистика. • Кириллин В. А., С ы ч е в В. В., Ш е й н д л и н А. Е., Техническая термодинамика, 3 изд., М.,1979; Ч е п м е н С., Каулинг Т., Математическая теория неоднородных газов, пер. с англ., М., 1960; Гиршфельдер Дж., К е р т и с с Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник, 3 изд., т. 1—3, М., 1978-81. Э. Э. Шпильрайн.^ ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА, раздел гидроаэромеханики, в к-ром изучается движение сжимаемых сплошных сред (газа, плазмы) и их вз-ствие с тв. телами. Как часть физики, Г. д. связана с термодинамикой и акустикой. Св-во сжимаемости состоит в способности в-ва изменять свой первонач. объём под действием перепада давления или при изменении темп-ры. Сжимаемость становится существенной при больших скоростях движения среды, соизмеримых со скоростью распространения звука в этой среде и превосходящих её, т. к. при таких скоростях в среде могут возникать большие перепады давления (см. Бернулли уравнение) и большие градиенты темп-ры. В совр. Г. д. изучают также течения газа при высоких темп-pax, сопровождающиеся хим. (диссоциация, горение и др. хим. реакции) и физ. (ионизация, излучение) процессами. Изучение движения электропроводных газов в присутствии магн. и электрич. полей составляет предмет магн. газодинамики. Движение газов при таких условиях, когда газ нельзя считать сплошной средой, а необходимо рассматривать вз-ствие составляющих его молекул между собой и с тв. телами, относится к области динамики разреженного газа, основанной на молекулярно-кинетич. теории газов. Динамика больших возд. масс при малых скоростях движения составляет основу динамич. метеорологии. Г. д. исторически возникла как дальнейшее развитие и обобщение аэродинамики, поэтому часто говорят о единой науке — аэрогазодинамике. Исходные ур-ния Г. д. явл. следствием применения осн. законов механики и термодинамики к движущемуся объёму сжимаемого газа. Неустановившиеся движения вязкого сжимаемого газа, когда параметры газового потока в каждой его точке изменяются с течением времени, описываются полными Навье — Стокса уравнениями. Одной из осн. физ. особенностей движения сжимаемых сред явл. возможность образования и распространения в них ударных волн, к-рые движутся со скоростью, превышающей скорость распространения звук. волн и представляют собой узкую область чрезвычайно больших градиентов давления, плотности, темп-ры и скорости газа. Интенсивное развитие Г. д. связано с быстрым развитием соответствующих областей техники: реактивной авиации, ракетного оружия, созданием ат. и водородных бомб, взрыв к-рых влечёт за собой распространение сильных взрывных и ударных волн. Задачи Г. д. при проектировании разнообразных аппаратов, двигателей и газовых машин состоят в определении сил давления и трения, темп-ры и теплового потока в любой точке поверхности тела или канала, омываемых газом, в любой момент времени. При исследовании распространения газовых струй, взрывных и ударных волн, горения и детонации методами Г. д. определяются давление, темп-pa и др. параметры газа во всей области распространения. Изучение поставленных техникой сложных задач превратило совр. Г. д. в науку о движении произвольных смесей газов, к-рые могут содержать также твёрдые и жидкие ч-цы (напр., выхлопные газы ракетных двигателей на жидком или твёрдом топливе), причём параметры, характеризующие состояние этих газов — давление, темп-pa, плотность, электропроводность и др., могут изменяться в самых широких пределах. Законами Г. д. широко пользуются во внеш. и внутр. баллистике, при изучении взрыва, горения, детонации, конденсации в движущемся потоке. Для совр. Г. д. характерно неразрывное сочетание расчётно-теор. методов, использование ЭВМ и постановка сложных аэродинамич. и физ. экспериментов. Теор. представления, частично опирающиеся на найденные экспериментальным путём закономерности, позволяют описать с помощью соответствующих ур-ний движение газовых смесей сложного состава, в т. ч. многофазных смесей при наличии физ.-хим. и фазовых превращений. Методами прикладной математики разрабатываются эфф. способы решения этих ур-ний на ЭВМ. Наконец, из эксперим. данных определяются необходимые значения физ. и хим. характеристик, свойственных изучаемой среде и рассматриваемым процессам (коэфф. вязкости, теплопроводности, скорости хим. реакций, времена релаксации и др.). Многие задачи, поставленные совр. техникой перед Г. д., пока не могут быть решены расчётно-теор. методами, в этих случаях широко пользуются газодинамич. экспериментами, поставленными на основе подобия теории и законов гидродинамич. и аэродинамич. моделирования. Газодинамич. эксперименты проводятся в сверхзвук. и гиперзвук. аэродинамических трубах, на баллистич. установках, в ударных и импульсных трубах и на др. газодинамич. установках спец. назначения (см. также Аэродинамические измерения). Прикладная Г. д., в к-рой обычно применяются упрощённые теор. представления об осреднённых по поперечному сечению параметрах газового потока и осн. закономерности движения, найденные эксперим. путём, используется при расчёте компрессоров и турбин, сопел и диффузоров, ракетных двигателей, аэродинамич. труб, эжекторов, газопроводов и мн. др. техн. устройств. • Основы газовой динамики, под ред. Г. Эммонса, пер. с англ., М., 1963: А б р а м о в и ч Г. Н., Прикладная газовая динамика, 4 изд., М., 1976; Ч е р н ы й Г. Г., Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью, М., 1959; 3 е л ь д о в и ч Я. Б., Р а й з е р Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966. С. Л. Вишневецкий.^ ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ (R), универсальная фнз. постоянная, входящая в ур-ние состояния 1 моля идеального газа: pv=RT (см. Клапейрона уравнение), где р — давление, v — объём моля, Т — абс. темп-pa. Г. п. по своему физ. смыслу — работа расширения 1 моля идеального газа под пост. давлением при нагревании на 1 К. С другой стороны, Г. п.— разность молярных теплоёмкостей при пост. давлении и при пост. объёме cр-cv=R (для всех сильно разреженных газов). Численное значение Г. п. в единицах СИ (на 1980) 8,31441(26) Дж/(моль•К). В других ед. R = 8,314•107 эрг/(моль•К)=1,9872 кал/(моль•К) = 82,057 см3•атм/(моль•К).^ ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДЫ, то же, что электрические разряды в газах. ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, оптический квант. генератор с газообразной активной средой. Газ, в к-ром за счёт энергии внеш. источника (накачки) создаётся состояние с инверсией населённостей двух уровней энергии (верхний и нижний лазерные уровни), помещается в оптический резонатор или прокачивается через него. В резонаторе возбуждённые на верхний лазерный уровень ч-цы газа в результате вынужденных переходов на ниж. уровень излучают. Часть эл.-магн. излучения выводится из резонатора наружу (см. Лазер). В тех случаях, когда время жизни верхнего лазерного уровня мало, а коэфф. усиления велик, генерируется не вынужденное излучение, а усиленное спонтанное излучение (суперлюминесцентные Г. л. или Г. л. на сверхсветимости, характерные для УФ диапазона). Семейство Г. л. многочисленно. Они охватывают диапазон длин волн К от УФ области спектра до субмиллиметровых волн. Большинство Г. л. работают в непрерывном, а также и в импульсном режимах и позволяют получать большие выходные мощности при высокой направленности излучения и стабильности его частоты.Особенности Г. л. Газы по сравнению с конденсиров. средами обладают большей однородностью. Поэтому световой луч в газе в меньшей степени искажается и рассеивается. В результате направленность излучения Г. л. достигает предела, обусловленного дифракцией света (дифракционный предел расходимости). Расходимость светового луча Г. л. 103в видимом диапазоне ~10-5—10-4 рад. В ИК диапазоне ~10-4—10-3 рад. Благодаря малой плотности газа ширина спектр. линии обусловлена гл. обр. доплеровским уширением (см. ^ Доплера эффект), величина к-рого мала. Это, а также применение ряда методов, использующих св-ва доплеровски уширенной линии, позволяет достичь высокой стабильности частоты (см. Оптические стандарты частоты, Квантовые стандарты частоты). Вместе с тем малая плотность газа препятствует получению такой высокой плотности возбуждённых ч-ц, к-рая характерна для тв. тел и жидкостей. Поэтому уд. энергосъём у Г. л. ниже, чем у твёрдотельных лазеров и жидкостных лазеров. Однако переход к более высоким давлениям и создание быстропроточных Г. л. резко увеличили их мощность (см. ниже). Специфика газов проявляется в разнообразии типов ч-ц, уровни к-рых используются для возбуждения генерации (нейтр. атомы, ионы, неустойчивые молекулы). Поэтому процессы, используемые для создания инверсии населённостей, в Г. л. весьма многообразны. К их числу относятся электрич. разряд, хим. возбуждение, фотодиссоциация, газодинамич. процессы, возбуждение электронным пучком и т. д. Оптич. накачка с помощью газоразрядных ламп, применяемая в жидкостных и твёрдотельных лазерах, мало эффективна для большинства Г. л., т. к. газы обладают узкими линиями поглощения. В подавляющем большинстве Г. л. инверсия населённостей создаётся в электрич. разряде (газоразрядные лазеры). Эл-ны, образующиеся в разряде при столкновениях с ч-цами газа (электронный удар), возбуждают их, т. е. переводят на более высокие уровни энергии. Возбуждение электронным ударом обычно сочетается в Г. л. с др. механизмом возбуждения — резонансной передачей энергии ч-цам одного сорта (рабочим ч-цам) от добавляемых ч-ц др. сорта (вспомогательных) при неупругих соударениях. Лазеры на нейтральных атомах. Исторически первым Г. л., появившимся в 1961 (амер. физик А. Джаван), был гелий-неоновый лазер. В гелий-неоновом лазере рабочим в-вом явл. нейтр. атомы неона Ne. В электрич. разряде часть атомов Ne переходит с осн. уровня ξ1 на возбуждённый верх. уровень энергии ξ3 (рис. 1). Но в чистом Ne время жизни на уровне мало, атомы быстро «соскакивают» с него на уровни ξ1 и ξ2, что препятствует созданию достаточно высокой инверсии населённостей (превышающей порог генерации) для пары уровней ξ2 и ξ3. Примесь Не существенно меняет ситуацию. Пер- вый возбуждённый уровень атома Не совпадает с верх. уровнем ξ3 неона. Поэтому при столкновении возбуждённых электронным ударом атомов Не, с невозбуждёнными атомами Ne (с энергией ξ1) происходит передача возбуждения, в результате к-рой атомы Ne будут возбуждены на уровень ξ3, а атомы Не возвращаются в осн. состояние. При достаточно большом^ Рис. 1. Схема уровней энергии рабочих атомов Ne и вспомогат. атомов Не, используемых в гелий-неоновом лазере.числе атомов Не в газовой смеси можно добиться преимущественного заселения уровня ξ3 неона. Этому же способствует опустошение уровня ξ2 неона, происходящее при соударениях атомов со стенками газоразрядной трубки (рис. 2). Для эфф. опустошения уровня ξ2 диаметр трубки должен быть достаточно мал. Однако малый диаметр трубки ограничивает число атомов Ne и, следовательно, мощность генерации. Оптимальным с точки зрения макс. мощности генерации явл. диаметр трубки ок. 7 мм при давлении1 мм рт. ст. и определ. соотношении Ne и Не (1 : 10).^ Рис. 2. Схема гелий-неонового лазера: 1 — зеркала оптич. резонатора; 2 — окна газоразрядной трубки; a — электроды; 4 — газоразрядная трубка.Уровни неона ξ2 и ξ3 обладают сложной структурой, т. е. состоят из множества подуровней. В результате гелий-неоновый лазер может работать на 30 длинах волн в области видимого света и ИК излучения. Зеркала оптич. резонатора имеют многослойные диэлектрич. покрытия. Это позволяет создать необходимый коэфф. отражения для заданной длины волны и возбудить тем самым в Г. л. генерацию на требуемой частоте. Мощность генерации гелий-неонового лазера достигает всего десятых долей Вт при кпд 0,1%. Тем не менее высокие монохроматичность и направленность излучения, а также простота устройства обусловили широкое применение гелий-неоновых Г. л. Красный гелий-неоновый лазер (=0,6328 мкм) используется при юстировочных и нивелировочных работах. Гелий-неоновые лазеры применяются при наладочных работах в голографии, в квантовых гироскопах и оптических стандартах частоты. Со времени появления гелий-неонового лазера генерация получена более чем на 450 разл. переходах между уровнями нейтр. атомов 34 хим. элементов. Возбуждение непрерывной генерации происходит в положит. столбе тлеющего разряда при плотности тока j~100—200 А/см2. Для импульсной генерации используется импульсный разряд с послесвечением. Плотность тока в импульсном разряде может достигать 300 А/см2, а в случае импульса с крутым фронтом — сотен и тысяч А/см2, что создаёт высокую пиковую мощность генерации. Ионные лазеры обладают большей выходной мощностью, чем Г. л. на нейтр. атомах. Генерация на ионизиров. газах впервые получена амер. физиком У. Б. Бриджесом в 1964. Инверсия населёиностей создаётся между уровнями энергии атомарных ионов в электрич. разряде. Относительно большая концентрация ионов обеспечивается высокой плотностью тока, к-рый в ионных лазерах достигает десятков тысяч А/см2. Поэтому электрич. разряд осуществляется в тонких капиллярах (диам. до 5 мм), обладающих высокой теплопроводностью (напр., из бериллиевой керамики). Кпд ионных лазеров невысок (0,1%). Генерация наблюдается на 440 переходах ионов 29 элементов. Наиболее мощная генерация (неск. сотен Вт) получена в сине-зелёной области спектра (=4880 мкм, =0,5145 мкм) на ионах Ar2+, в жёлто-красной^ Рис. 3. Зависимость выходной мощности Р лазера на Аr2+от разрядного тока I для наиб. интенсивной линии генерации; L — расстояние между зеркалами; D—диаметр зеркала. 104(0,5682 мкм, 0,6471мкм) на ионах Kr2+, на УФ линиях Ne2+, Ar3+ и Kr3+. Выходная мощность ионных Г. л. резко зависит от тока разряда I (рис. 3). Ионные Г. л. применяются в физ. исследованиях, в оптич. связи и локации ИСЗ, в технологии, фотобиологии и фотохимии (см. ^ Лазерная химия) и в лазерном разделении изотопов.Лазеры на парах металлов. В особую обширную группу выделяются Г. л. на парах металлов (атомы и ионы), Перспективные для получения высоких кпд. Для получения высокого кпд необходимо, чтобы опустошение ниж. лазерного уровня происходило не за счёт спонтанных переходов, а в результате столкновений с атомами и молекулами (столкновнтельные Г. л.). Атомы нек-рых металлов обладают благоприятной для этого структурой уровней. Для них квант. выход может достигать 0,7. Генерация осуществлена для 27 металлов; наилучшие результаты получены для Г. л. на парах Си (уровни Cu+ ): =510,5 нм, =578,2 нм, ср. мощность 43,5 Вт, пиковая мощность 200 Вт, кпд ~1%. Чрезвычайно высокий коэфф. усиления позволяет использовать их в кач-ве квант. усилителей света (без резонатора). На этом основан лазерный проекц. микроскоп. Распространены также Г. л. на парах Cd (уровни Cd2+ ). Инверсия населённостей образуется в результате передачи энергии от возбуждённых атомов Не. Гелий-кадмиевый Г. л. в непрерывном режиме позволяет получить мощность генерации 10—50 мВт на линии = 441,6 нм (синяя область) и неск. мВт на линии =3250 нм (УФ область) при кпд 0,1%.^ Молекулярные лазеры явл. наиболее мощными Г. л. и обладают высоким кпд. Первый возбуждённый уровень атома или иона обычно имеет энергию, равную 1/2 энергии ионизации (порядка неск. эВ), остальные уровни расположены выше, сгущаясь к ионизац. пределу (см. Атом). Поэтому большинство процессов возбуждения неселективно: возбуждается одновременно много уровней. В результате квант. выход и кпд невелики. • Молекулы, в отличие от атомов, кроме электронных уровней имеют колебат. и вращат. уровни энергии (см. ^ Молекула, Молекулярные спектры). Расстояния между ниж. колебат. уровнями часто малы (10-1—10-2 эВ), поэтому можно возбудить только колебания молекул, не «затрагивая» эл-ны. У многоат. молекул существует неск. типов колебаний. Излучат. переходы между уровнями одинакового типа дают квант. выход, близкий к единице. Высокая эффективность возбуждения колебат. уровней, большой квант. выход и селективность резонансной передачи энергии позволяют достичь в мол. Г. л. кпд ~20—25%. Генерация наблюдается на колебательно-вращат. переходах 23 молекул. Наиболее интересны мол. лазеры на СO2 (= 9,4 мкм, =10,6 мкм). В газоразрядных СO2-лазерах эл-ны в тлеющем разряде возбуждают колебат. уровни молекул СO2 и N2. Инверсия населённостей достигается электронным ударом и резонансной передачей возбуждения. Молекулы N2 при столкновении с молекулами СO2 передают им энергию, заселяя верхний лазерный уровень.Рис. 4. Схема СО2-лазера с поперечным разрядом и прокачкой газов: 1 — зеркала резонатора; 2 — катод; 3 — анод.Высокая инверсия населённостей достигается при введении в газовую смесь кроме N2 др. газов, опустошающих ниж. лазерный уровень (Не, Н2О). Давление газа р и диам. разрядной трубки D ограничены условием устойчивости горения разряда и необходимостью теплоотвода. Поэтому достижимая мощность излучения ~1 кВт. В более мощных СО2-лазерах используется схема с поперечным разрядом и непрерывной прокачкой газа (рис. 4). При этом давление р газа и плотность тока j ограничены только устойчивостью газового разряда. Переход к несамостоят. разряду (ионизация газа обеспечивается электронным пучком, УФ излучением и др.) позволяет возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях (до 20— 50 атм). Быстропроточные СO2-лазеры с поперечным несамостоят. разрядом генерируют излучение мощностью в десятки кВт при кпд ~15—20%. Возможность импульсно возбуждать большие объёмы газа при высоких давлениях привела к созданию импульсных СО2-лазеров с энергией излучения до 10 тыс. Дж в импульсе. Быстро-проточные Г. л. используются в технологии, а импульсные СО2-лазеры — для разделения изотопов. Помимо электрич. разряда в мол. Г. л. для возбуждения генерации используются др. методы. В газе, нагретом до высокой темп-ры, при быстром охлаждении, напр. во время истечения газа из сверхзвук. сопла, колебат. уровни могут оказаться возбуждёнными. Большие выходные мощности (~100 кВт) в непрерывном режиме обусловлены тем, что сверхзвук. поток газа проносит через резонатор огромное число возбуждённых молекул (см. Газодинамический лазер). В процессе многих хим. реакций выделяется значит. энергия, в результате чего образуются возбуждённые атомы, радикалы и молекулы. При этом в ряде случаев возникает инверсия населённостей (см. Химические лазеры). Генерацию в УФ (0,2 — 0,4 мкм) области спектра получают на переходах между электронными состояниями устойчивых молекул, а также на переходах с возбуждённого устойчивого верхнего в нижнее неустойчивое электронное состояние неустойчивых молекул типа димеров инертных газов или димеров: атом инертного газа — атом галогена (атомы могут объединяться в такие молекулы только в возбуждённом состоянии, см. Эксимерные лазеры). Возбуждение активной среды осуществляется в импульсном электрич. разряде или с помощью пучка быстрых эл-нов. Эти Г. л. используются в физ., хим. и биол. исследованиях. • Справочник по лазерам, пер. с англ., под ред. А. М. Прохорова, т. 1, М., 1978; К а р л о в Н. В., Конев Ю. Б., Мощные молекулярные лазеры, М., 1976; Гор д и е ц Б. Ф., Осипов А. И., Шелепин Л. А., Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры, М., 1980.Н. В. Карлов, А. С. Ковалёв. ^ ГАЗОВЫЙ ТЕРМОМЕТР, прибор для измерения темп-ры Т, действие к-рого основано на зависимости давления р или объёма V идеального газа от темп-ры: pV—RT (R — газовая постоянная). На измерениях темп-ры Г. т. построены совр. температурные шкалы. Г. т. применяется как первичный термометрич. прибор для определения реперных точек Международной практической температурной шкалы. Обычно применяют Г. т. пост. объёма (рис.), в к-ром изменение темп-ры газа пропорц. изменению давления. Г. т. измеряют темп-ры в интервале от ~2 до 1300 К. Предельно достижимая точность в зависимости от измеряемой темп-ры составляет 3•10-3—2•10-2К. Г. т. такой высокой точности — сложное устройство, т. к. необхо0=cp/el, и сильным, если Н>>Н0. При комнатной темп-ре для металлов и хорошо проводящих полупроводников H0105—106 Э, для плохо проводящих полупроводников H0108—109 Э. С понижением темп-ры l увеличивается и потому уменьшается Н0. Это позволяет, используя обычные магн. поля 104 Э, осуществлять условие H>>H0. При низких темп-pax наблюдаются квант. осцилляции сопротивления и постоянной Холла при изменении магн. поля (см. ^ Шубникова — де Хааза эффект). • Займан Дж., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Вайcс Г., Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение, пер. с нем., М., 1974; Ангрист Ст., Гальваномагнитные и термомагнитные явления, в кн.: Физика твердого тела. Электронные свойства твердых тел, пер. с англ., М., 1972 (Над чем думают физики, в. 8); В о н с о в с к и й С. В., Магнетизм, М., 1971.ГАЛЬВАНОМЕТР, электроизмерительный прибор высокой чувствительности для измерения малых токов, напряжений и кол-ва электричества (см. Баллистический гальванометр). Широко применяется в кач-ве нулевого индикатора для определения отсутствия тока в электрич. цепи или нулевой разности потенциалов между к.-л. двумя точками цепи. Наибольшее распространение получил Г. пост. тока с магнитоэлектрическим измерительным механизмом. Для повышения его чувствительности используют оптические отсчётные устройства, располагая выносную шкалу на значит. расстоянии от подвижной части механизма, либо применяют спец. оптич. систему с многократным отражением луча света. Чувствительность Г. и хар-р движения его подвижной части зависят от сопротивления внеш. электрич. цепи, на к-рую замкнут Г. На практике Г. характеризуются величиной, обратной чувствительности, т. н. постоянной Г. (b). В документации указывают значение b при внеш. сопротивлении, равном критическому, при к-ром движение подвижной части переходит от колебательного к апериодич. Значения b у совр. Г. пост. тока достигают: потоку 10-12 А•м/мм, по напряжению 3•10-8 В•м/мм. В цепях переменного тока низкой частоты (от 30 до 100 Гц) используют вибрац. Г. (см. Вибрационный электроизмерительный механизм) с постоянными по току — до 10-8А/мм, а по напряжению — до 2•10-5 В/мм. Техн. требования к Г. стандартизованы в ГОСТе 22261—76 и ГОСТе 7324—80. • Основы электроизмерительной техники, М., 1972; М и н ц М. Б., Магнитоэлектрические гальванометры, М.— Л., 1963.В. П. Кузнецов.^ ГАЛЬТОНА СВИСТОК, газоструйный излучатель звук. и ультразвук. волн, работающий при малых скоростях истечения газа. Предложен англ. учёным Ф. Гальтоном (F. Galton; 1883). Г. с. представляет собой сопло 1 с узкой кольцевой щелью 2 (рис.), перед к-рой расположен полый цилиндрич. резонатор 3 с острыми клиновидными краями, 4 — подвижное дно резонатора. Газ, выходящий из щели под небольшим избыточным давлением (обычно не больше 0,1 атм),