Концепции современного естествознания - Степан Карпенков

2) создание ультрафиолетовых лазеров;

3) сокращение длительности импульса лазерного излучения до аттосекунд (1 ас = 10-18с).

Современные лазеры с перестраиваемой длиной волны обеспечивают широкий спектр излучения – от ближней ультрафиолетовой области до инфракрасной, включая видимый диапазон. Например, длина волны излучения криптон-фторидного лазера, что менее 300 нм, соответствует ультрафиолетовой области.

Минимальная длительность импульсов современных лазеров равна фемтосекундам (1 фс = 10-15с). Разрабатываются лазеры с длительностью импульсов, приближающейся к аттосекундам. Такие лазеры позволяют расшифровывать механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.

Сравнительно недавно – в конце 80-х годов XX в. – сотрудник Калифорнийского технологического института, американец египетского происхождения А. Зивэйл исследовал сверхбыструю реакцию распада молекул цианида иода, инициируемую импульсами лазерного излучения фемтосекундной длительности. За эту работу он удостоен Нобелевской премии по химии 1999 г.

Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования разных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер позволяет изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективного использования солнечной энергии; в химической кинетике при анализе различных процессов длительностью 10-12– 10-18с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии они позволяют исследовать живые организмы на клеточном уровне и т. д.

Возможности естественно-научных исследований расширяют разработанные сравнительно недавно лазеры на свободных электронах. Принцип их действия основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Для них характерна важная отличительная особенность – перестройка длины волны при большой мощности в широком диапазоне излучения.

Синхротронные источники излучения. Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. С помощью синхротронного излучения можно исследовать структуру твердого тела, определить расстояние между атомами, изучить строение молекул органических соединений и т. п.

Методы расшифровки сложных структур. Для идентификации, анализа и синтеза сложных химических соединений необходимо определить состав и структуру их молекул. Современные экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгено-структурного анализа, нейтронографии и т. п. позволяют исследовать состав и структуру весьма сложных молекул органических и неорганических веществ.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Он применяется в разных отраслях естествознания. Например, с помощью метода ЯМР можно определить структуру сегментов ДНК. Основанный на ЯМР, современный томограф позволяет наблюдать картину распределения неоднородностей таких крупных объектов, как организм человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия обеспечивает анализ спектра излучения вещества в различных агрегатных состояниях. Спектральный анализ – это физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе для интерпретации спектра используются таблицы и атласы, составленные для различных химических элементов и соединений. Состав исследуемого вещества при количественном спектральном анализе оценивается по интенсивности линий или полос спектра. С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или атом любого вещества. Лазерный спектроскопический метод позволяет регистрировать, например, загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

Масс-спектроскопия основана на превращении исследуемого вещества в ионизированный газ, ионы которого ускоряются электрическим полем. Масса частиц определяется по радиусу кривизны их траектории и времени пролета. Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью. С ее помощью можно обнаружить, например, три атома изотопа 14C среди 1016 атомов 12C. Они широко применяются для исследования структуры химических соединений, определения изотопного состава и строения молекул в разных областях: в производстве интегральных схем, металлургии, нефтяной, фармацевтической, атомной промышленности и т. п. Для идентификации методом масс-спектроскопии достаточно всего 10-10г вещества. Так, в плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны с концентрацией 0,1 мг на килограмм массы тела человека. В сочетании с газовым хроматографом возможности масс-спектроскопии существенно расширились.

Рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей, позволяет определить довольно сложные молекулярные структуры неорганических и органических веществ, что способствует синтезу, например, искусственных ферментов, гормонов роста и т. д.

Нейтронография обладает очень высокой разрешающей способностью. Она основана на дифракции пучка нейтронов, формирующихся в ядерных установках, что несколько ограничивает ее применение. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения расстояния между атомами. Она применяется при определении структуры молекул сверхпроводников, живых организмов и т. п.

Туннельный микроскоп, разработанный в 80-х годах прошлого века, значительно расширяет возможности экспериментального исследования физических, химических и других свойств вещества на атомном уровне.

2.7. Важнейшие достижения современного естествознания

В последние десятилетия благодаря развитию технических средств эксперимента достигнуты значительные успехи в естествознании. К важнейшим естественно-научным достижениям относятся: высоко-температурная сверхпроводимость, химические лазеры, молекулярные пучки, атомный лазер, нанотехнология, расшифровка генома человека и др. Многие из них отмечены Нобелевскими премиями.

Высокотемпературная сверхпроводимость. В 1911 г. нидерландский ученый X. Камерлинг-Оннес (1853–1926), исследуя электрические свойства металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры жидкого гелия (4,2 K) ее электрическое сопротивление скачком уменьшается до нуля, т. е. ртуть переходит в сверхпроводящее состояние. С течением времени по мере синтеза новых материалов температура перехода в сверхпроводящее состояние (критическая температура) неуклонно повышалась: в 1941 г. она достигла около 15 K, а в 1973 г. – примерно 23 K.

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости, т. е. сверхпроводимости при относительно высокой температуре. Для четырехкомпонентного керамического вещества на основе оксидов меди была достигнута критическая температура 376 K. Затем последовательно через сравнительно короткие промежутки времени она увеличилась до 40, 52, 70, 92 и даже выше 100 K. В 1993 г. обнаружены сверхпроводящие свойства металлооксидного вещества при температуре около 170 K, которая достигается при охлаждении не только жидким азотом, но и более дешевым жидким ксеноном. Даже такой широко распространенный материал, как алюминий способен приобретать сверхпроводящие свойства, однако не при охлаждении, а при нагревании.

Применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различных электрических цепях и особенно при электропередаче, потери в которой в настоящее время составляют около 20 %.

Химические лазеры. Сравнительно недавно установлено, что в результате реакции атомарного водорода с молекулярным хлором образуется хлороводород и атомарный хлор. При этом излучается инфракрасный свет. Анализ спектра излучения показал, что существенная часть энергии (около 40 %) обусловливается колебательным движением молекул хлороводорода. Исследования такого излучения привели к созданию первого химического лазера – устройства, преобразующего энергию реакции водорода с хлором в когерентное излучение. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энергию электрического источника, а энергию химической реакции. Созданы десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (иодный лазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер). Мощные химические лазеры позволяют разрабатывать специализированные технологические системы. Благодаря энергетической автономии и большой удельной энергии химические лазеры найдут применение при освоении новых технологий в космосе.