Сочинения

(Еще не оценили)

Загрузка...

Известно, что одни лучше воспринимают понятия в рафинированном виде, в краткой формулировке, другие — при обстоятельном, всестороннем описании. Одним свойствен подход снизу, от частного к общему (индуктивный), другим — подход сверху, от общего к частному (дедуктивный). Среди преподавателей математики также есть приверженцы и индуктивного и дедуктивного методов. Кто же из них более прав? Чтобы разобраться в этом, примем для начала как очевидное, что в преподавании математики прежде всего надо стремиться к тому, чтобы основные понятия стали для учащегося естественными. Для этого они должны, как правило, появляться в уже знакомой учащемуся  обстановке. С этой точки зрения индуктивные методы изложения, когда происходит последовательное обобщение понятий, более благоприятны для активного усвоения материала. Именно поэтому на первых этапах обучения надо отдавать предпочтение индуктивному методу, постепенно подготавливая   и   используя    дедуктивный   подход.

Легко видеть, что индуктивный метод преподавания требует больших затрат времени, чем дедуктивный, когда учащимся сразу выкладываются некоторые основные положения, а из них затем выводятся разнообразные следствия. Однако, если считать время не по числу лекционных часов, а по числу часов, затраченных студентами на усвоение материала, то вряд ли оно окажется большим, чем при обучении, основанном на дедуктивном методе. Черты дедуктивного подхода по-разному могут проявляться в преподавании математики. Когда излагаются понятия, обобщающие уже известные, следует обязательно отметить это обстоятельство. Например, доказывая теоремы по линейной алгебре в многомерных пространствах, очень полезно показать, что следует из них для двумерной плоскости и трехмерного пространства. Ведь нередко случается, ЧТО студент, доказав ту или иную общую теорему, не в состоянии применить ее в простейшем конкретном случае.

При изложении новых понятий, НОВЫХ общих теорий необходимо и целесообразно потратить достаточно много времени на их конкретные иллюстрации, на разбор примеров, анализ частных ситуаций. При выполнении этих условий может оправдать себя и дедуктивный метод изложения.

(Еще не оценили)

Загрузка...

Гидрограф Е. Е, Китран, много лет занимавшийся этой проблемой, обратил внимание на то, что во время оползня массы грунта, сдвигаясь вниз и в сторону моря, давят на донные слои и вызывают их деформацию, Это приводит к образованию складок в виде валов, параллельных берегу и в отдельных случаях поднимающихся над уровнем воды, возникают так называемые валы выпирания. И хотя они состояли из легкоразмываемых грунтов, все же существовали месяц-другой. Ученый заметил, что штормы, прошедшие после оползня, подмывали берег всюду, кроме того участка, который был покрыт валами. Мало того, на этом участке шло образование пляжа за счет наносов, смытых с соседних участков. Именно эти наблюдения легли в основу идеи защитить морское дно и берег искусственным подводным барьером — порогом. Он должен играть роль подводного волнолома, который еще на подступах к критической глубине, где происходит первое разрушение волн, будет вызывать их частичное ослабление. Такая волна не сможет интенсив«о размывать дно, а наносы не уйдут в море — их задержит порог.

Казалось бы, что ничего мудреного в таком решении нет. Ведь морские порты укрывают суда за

[smszamok]

сплошными надводными стенками — молами и волноломами. И эти сооружения не частично, а полностью гасят волнение, поэтому нет надобности изобретать что-то, тем более подводный волнолом. Так рассуждали гидротехники, привыкшие к классическим портовым сооружениям. Но укрепление берегов приморских городов и курортов отличается от защиты портов от волнения. Протяженность приморских береговых сооружений значительно большая, и свои защитные функции они должны выполнять, не нарушая при этом санитарно-гигиенических норм по охране водной среды. Нельзя не учитывать, что стоимость гидротехнических сооружений очень сильно зависит от их высоты, поэтому подводный волнолом намного дешевле надводного. Кроме того, нетрудно представить, какой унылый вид имел бы пляж, отгороженный   от  моря   высоким   «забором».

Благодаря инициативе Е. Е. Китрана осенью 1933 года в Одессе, в бухте Ланжерон, был сооружен первый в мире подводный берегоукрепительный волнолом. Просуществовал он всего год, так как построили его на илистом дне без фундамента — каменной постели. Волны подмывали дно перед вертикальной стенкой, и она в конце концов опрокинулась.

Поистине ахиллесовой пятой морских портов во время шторма становится способность причальных сооружений отражать волны,    проникшие   через    ворота   в    порт. Любая вертикальная стенка отражает волны, которые, складываясь с вновь идущими или с отраженными от других сооружений, образуют сложную систему интерферированных волн. Именно они и нарушают нормальную работу порта: мешают перемещению судов по акватории, создают аварийную ситуацию для причалов и стоящих у них судов, затрудняют грузовые операции, которые нередко приходится вообще прекращать. Современному портостроению не известны радикальные средства борьбы с отраженными волнами. Закрывать ворота в порт во время шторма технически довольно трудно, да и с материальной точки зрения невыгодно. Поэтому на практике устройств для этого не применяют. Отказаться от причалов типа вертикальная стенка тоже нельзя, так как такие сооружения наиболее дешевые и технологичные в строительстве, а самое главное — они обеспечивают прямой контакт борта корабля с сушей. В некоторых портах, чтобы по возможности избавиться от отраженных волн, дублируют внешние оградительные сооружения дополнительными защитными устройствами. Понятно, что не от хорошей жизни тратятся в этих случаях миллионы рублей и ухудшается маневренность судов в порту. Но простои причалов обходятся дороже.

Известно, что откосы не так сильно отражают волны, как вертикальная стенка. Они даже способны полностью погасить волнение, но для этого должны быть ойенъ пологими и открытыми, чтобы волны могли свободно на них вкатываться. Применить пологий и открытый откос в порту нет возможности, ведь у откоса судно ни стоять, ни тем более разгружаться не может. Но соблазн был велик, и на свет появились так называемые подпри-чальные откосы. Делать их пологими дорого, поэтому они довольно крутые, а для приема судов устроили сверху «крышу» — платформу,  опирающуюся  на  сваи. Такие подпричальные откосы не только не решили проблему, но даже усложнили ее. Теперь волна, встречая на своем пути откос  и  платформу,  постепенно  загоняется в суживающееся между ними пространство. Происходит не потеря, а концентрация волновой энергии, максимум которой приходится на линию сопряжения откоса с верхним строением. Здесь бессилен даже очень прочный материал. Волны легко и быстро разрушают ловушку, устремляя многотонные фонтаны воды на вышедший из строя причал.

Подводные волноломы убедительно доказали высокую эффективность идеи, что с волной должна бороться сама волна. Весьма заманчивым поэтому было использовать подводный порог и образующийся обратный слив в портовых сооружениях. Но как реализовать это в конструкциях, которые всегда были надводными и таковыми обязательно   должны   оставаться? Поиски решения начались с создания модели подпричального откоса, так как больше всего нареканий в портах вызывают именно эти сооружения. Кроме того, наличие откоса дает возможность устроить на нем площадку—фундамент для подводного порога. Так и поступили. Выложили откос крупным камнем и из него же соорудили постель для массива подводного порога. У берегоукрепительных волноломов разрушенный, но еще сильный гребень, перескочивший подводный порог, растрачивает свою остаточную энергию на пробежку по заволноломному пространству.

[/smszamok]

А как этого добиться здесь, когда за установленным на откосе порогом всего с десяток-другой метров? С этой целью все пространство между подводным порогом и телом причала заполнили наброской — небольшими бетонными блоками и крупными камнями.

Исследования подтвердили правильность такого решения. Волна, проникшая под верхнее строение, встречает на своем пути препятствие; оно отсекает ее гребень, который разбивается о камни на многие струи воды, проникающие в пустоты наброски.

(Еще не оценили)

Загрузка...

Найдите 8 последовательных натуральных чисел, которые, будучи размещенными в вершинах куба, дадут сумму чисел каждой грани, равной  1976. Число 1976 можно представить в форме определителя третьего порядка, составленного из четных чисел 2, 4, 6…, 18. Предлагаю на суд читателей следующие примеры:

1.         Равенства

34 + 26 + 12 = 36 + 22+14 34 + 24 + 12 + 10 = 36 + 18 +16 + 10 служат основой для составления следующих тождеств, связанных с числом 1976: 342 + 262 + 122=1976 = = 362+222+142 342+ 242+ 122+ 102 = 1976 = = 362+182+162+102

2.         Двучлены

у(х) = 2х—1976 г(х) =2х2 — 2 605 026 имеют ту особенность, что

у(1)+у(2)+у(3)+…+ + у(1976) = 1976 2(1)+г(2) + г(3)+…+ + г (1976) = 1976

3.         Числовой треугольник, сумма которого представляет трижды повторенное число

1976.

• 145643244588 45649244588 5643244588
• +
• 588
• 88
• 8
• 197619761976

 В подборке, ставилась задача составить числовой треугольник, сумма которого равнялась бы 11975- 10й, где п = 11, 14, 16, 18 и 21… В. Алферов отмечает, что количество таких пирамид для числа каждого года бесконечно. Минимальная пирамида для числа 1976 получается при п = 1: Далее, можно получить пирамиды при П = 6, И, 14, 18, 21, 46, 71, 106, 116, 166 и т. д. и т. д. Причем начиная с п = 21 решения получаются в двух вариантах. Попытайтесь найти общий алгоритм нахождения таких числовых треугольников.

(Еще не оценили)

Загрузка...

Человечество помнит и чтит своих гениев, помнит и чтит тех, кого выделила сама природа, наградив высоким талантом, и кто отдал этот талант людям, посвятил его важным и добрым делам. Среди великих имен, навсегда вписанных в летопись мировой науки,— имя Альберта Эйнштейна, столетие со дня рождения которого отмечается в марте нынешнего года. Этот человек сумел увидеть важнейшие закономерности окружающего мира, закономерности, тщательно скрываемые природой. Он выполнил ряд глубоких теоретических исследований, получил чрезвычайно важные результаты, и можно смело сказать, что фундамент современной физики в огромной мере воздвигнут именно его трудами.

В истории физики, особенно в ее новейшей истории, охватывающей главным образом последнее столетие, немало удивительных открытий, приподнявших завесу над сложной и величественной картиной мира. И широко известны имена людей, сделавших эти открытия, выдающихся физиков нашего века. Альберт Эйнштейн занимает среди них особое место. Это связано с тем, что он внес новое в понимание таких физических реальностей, как пространство, время, энергия, о которых непременно задумывается каждый человек. К тому же некоторые выводы Эйнштейна, такие, скажем, как

[smszamok]

зависимость хода времени от скорости, взаимосвязь энергии и массы, предельность скорости света или искривление пространства-времени, были настолько парадоксальными, настолько меняли наше представление о мире, что вызвали в буквальном смысле слова сильнейшее волнение умов. Его устами наука, как никогда ранее, убежденно и убедительно заявила, что мир устроен намного сложней, чем это нам представляется. И что силой научного мышления можно понять, можно точно описать

Имя физика-теоретика Альберта Эйнштейна навсегда вошло в историю науки, в летопись мировой культуры. Ему принадлежит большое число замечательных открытий, оказавших сильнейшее влияние на развитие науки и техники, открытий, в конечном итоге сильно повлиявших на мир, в котором мы живем. И это не преувеличение. Именно идеи, высказанные и разработанные в работах Эйнштейна, привели в итоге к становлению ряда крупнейших научно-технических направлений нашего столетия, и в частности ядерной техники и квантовой электроники. Первая из них дала человеку возможность управлять процессом высвобождения внутриядерной энергии, вторая — управлять процессом излучения света.

Интересно и поучительно проследить судьбу идей Эйнштейна, его фундаментальных теоретических работ. На первый взгляд это совершенно отвлеченные, абстрактные работы, ставившие целью понять суть явлений природы. Но эти работы с неумолимой неизбежностью выходили в практику, всякий раз напоминая человечеству, как важны для него оригинальные идеи, высказываемые ученым с высоким творческим потенциалом и нестандартным, независимым мышлением. Многие работы, наметившие новую эпоху в физике, Эйнштейн сделал в первые годы своей научной деятельности, занимаясь исследованиями   самостоятельно,  как сейчас принято говорить, в свободное от работы время. И нужно сказать, что в те годы жизнь ставила немало препятствий на пути молодого человека в науку.

• …1900 год. Успешно сданы дипломные экзамены в Федеральном высшем техническом училище в Цюрихе. Эйнштейн пытается получить в этом же училище должность ассистента, но ему отказывают скорее всего из-за независимости его поведения и суж-дений.
• …1900—1902 годы. Период сильных ма-териальных затруднений, случайных заработков, временной работы как репетитора, преподавателя в техникуме и пансионе для мальчиков.
• …1902 год. По рекомендации отца одного нз друзей Эйнштейн получает постоянную должность государственного служащего — становится техническим экспертом 3-ГО класса в Швейцарском ведомстве по идейной собственности, проще говоря, в патентном бюро. Это было настоящим спасением: скромный, но постоянный заработок стабилизовал материальное положение Эйнштейна, чрезвычайно умеренного в своих потребностях. Свободное время, остающееся после службы, можно было отдать своей главной страсти — физике.
• …1905 год. Скромный 26-легний эксперт 3-го класса публикует в ведущем физическом журнале того времени «Анналы физии исследовать такие черты этого неочевидного мира, перед которыми, если их попытаться представить себе, просто бессильно человеческое воображение.

Здесь, видимо, уместно вспомнить, что некоторые теоретические построения Эйнштейна значительно опережали их экспериментальное подтверждение. И все это время ученый, несмотря на критику многих крупных специалистов, иногда очень резкую, твердо верил в правильность своих выводов. Уже одно это показывает, насколько глубоко он понимал физические реальности, насколько четко видел то, что от других оставалось скрытым.

Смелые теоретические выводы Эйнштейна не только подтвердились всем развитием современной физики, но и стали в конечном счете основой многих важнейших практических дел, таких, в частности, как атомная энергетика, лазерная техника, изучение атомного ядра, астрофизические исследования, создание ускорителей.

В нашей стране имя Альберта Эйнштейна пользуется глубоким уважением. Достаточно сказать, что именно у нас в 1965 году впервые в мире было издано собрание трудов ученого. С пониманием и признательностью вспоминается и то, что великий физик, продолжая до конца своих дней интенсивную научную работу, много сил отдавал общественной деятельности. Своим высоким авторитетом он всегда как мог поддерживал стремление народов к миру, к мирному сосуществованию, страстно призывал к бдительности, предупреждая о возможных рецидивах фашизма в западных странах, выступал против гонки вооружений, прежде всего ядерных, за мирное решение спорных международных вопросов.

В этой работе высказана гипотеза «квантов света», рассмотрены элементарные процессы их поглощения и испускания. Цитируем статью: «…согласно этому сделанному предложению, при распространении луча света, вышедшего из некоторой точки, энергия не распределяется непрерывным образом во все больших и больших объемах, а складывается из конечного числа локализованных В отдельных точках пространства квантов энергии, которые движутся как неделимые или возникают только целиком…» В этой работе рассмотрено «возбуждение катодных лучей при освещении твердых тел» и дано знаменитое уравнение для фотоэффекта (само это явление было открыто Г. Герцем и экспериментально исследовано А. Г. Столетовым): энергия электронов, выбитых светом из вещества, равна разности энергии поглощаемого кванта света и энергии, затраченной на выход электрона на свободу. Это была чисто теоретическая работа, предсказание количественных соотношений ЛИШЬ на основе понимания сущности процесса.

Через 10 лет этот важный вывод был количественно подтвержден в экспериментах Милликена, а в 1922 году, когда эта и все последующие работы Эйнштейна получили полное признание, ему была присуждена Нобелевская премия «за его работы в области теоретической физики и, в частности, за открытие закона фотоэлектрического эффекта». Введенное Эйнштейном представление о квантах света было совершенно новым. Стоит вспомнить, что еще спустя 8 лет после публикации статьи, то есть в 1913 году, рекомендуя Эйнштейна в члены Прусской Академии наук, Макс Планк и другие физики, перечислив научные заслуги Эйнштейна, сочли необходимым заметить: «То, что он в своих рассуждениях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком ставить ему в вину. Ибо, не решившись пойти на риск, нельзя осуществить нового даже в самом точном естествознании».

И все же после выхода ЭТОЙ работы Эйнштейна многие физики начали развивать квантовые представления о свете, о его взаимодействии с веществом, нередко весьма успешно, но нередко встречая трудности. Наиболее трудным оказалось объяснение хорошо известных волновых свойств света, исходя из корпускулярных представлений, и полное признание гипотезы световых квантов затянулось на многие годы. Еще в 1922 году Нильс Бор в работе о постулатах квантовой теории писал, что гипотеза световых квантов «не может никоим образом рассматриваться как удовлетворительное решение. Как известно, именно эта гипотеза приводит к непреодолимым трудностям при объяснении явлений интерференции…» Попытки разрешить это противоречие привели ,в конце концов Эйнштейна к идее корНо вернемся, однако, к нашим коротким рассказам о некоторых фундаментальных работах Эйнштейна, давших начало новым направлениям прикладной физики, а затем техники и индустрии. Настал момент вспомнить про работу несколько более позднюю (она появилась в печати через 11 лет после ранних научных публикаций), однако же опирающуюся на самую первую из опубликованных работ — «Об одной эвристической точке зрения на возникновение и поглощение света», к которой, кстати, Эйнштейн возвращался неоднократно.

В 1900 году Макс Планк ввел в физику понятие кванта — неделимой порции энергии, которая может быть поглощена или отдана в процессе излучения. Сам процесс излучения Планк не исследовал, в его теории кванты света испускались некими «гипотетическими вибраторами» твердого тела. В 1905 году Эйнштейн ввел понятие кванта света как реальной частицы электромагнитного поля. Затем Нильс Бор рассмотрел процесс излучения фотона свободным атомом и пришел к выводу: атом характеризуется набором определенных энергетических уровней (значений его полной энергии) Е\, Е2, Е3 и т. д., каждому такому уровню соответствует стационарное состояние атома, в котором он не излучает; излучение происходит только при скачкообразном или, как сейчас говорят, квантовом переходе атома из одного состояния в другое; частота излучения а связана с разностью энергий начального и конечного энергетических уровней: Е2 — ^=110) и отсюда со = (Е2— Е\) : й; здесь п — постоянная Планка.

Следующий важнейший шаг был сделан Эйнштейном именно в работе, о которой сейчас идет речь. Здесь было сделано вероятностное описание элементарных процессов испускания и поглощения света и предсказано два типа переходов атома или молекулы из одного квантового состояния в другое. Первый тип — спонтанный переход возбужденного атома в состояние с меньшей энергией, сопровождающийся испусканием кванта света. Эйнштейн пишет: «Этот переход происходит без внешних воздействий. Едва ли можно представить себе, что он аналогичен чему-либо другому, кроме радиоактивного распада». Второй тип квантового перехода — индуцированный, то есть вызванный внешним воздействием. Он обусловлен внешним излучением, падающим на атом, и вероятность такого индуцированного перехода пропорциональна интенсивности этого внешнего излучения. При этом возбужденный атом отдает дополнительный квант внешнему излучению, а невозбужденный, наоборот, поглощает из внешнего излучения такой же квант.

Эйнштейн ввел представление о спонтанном и индуцированном испускании квантов, опираясь главным образом на свою поразительную интуицию. Будучи абсолютно объективным исследователем, он тут же в статье замечает: «Конечно, я охотно признаю, что три гипотезы, касающиеся спонтанного и индуцированного излучения, вовсе не становятся достоверными результатами от того, что они ведут к формуле излучения Планка. Однако простота гипотез, общность и непринужденность рассмотрения… позволяют мне считать весьма вероятным, что это рассмотрение станет основой будущих теоретических представлений».

Эйнштейн оказался совершенно прав. Примерно через 10 лет трудами блестящей интернациональной плеяды физиков была создана квантовая механика, которая дала необходимую теоретическую базу для строгого описания взаимодействия света с атомами и молекулами. И почти сразу же, в 1927 году, выдающийся английский физик, один из создателей квантовой механики, Поль Дирак (в то время ему было 25 лет), построил квантовую теорию излучения, в которой была строго доказана полная справедливость гипотез Эйнштейна о спонтанном и индуцированном излучении, описаны свойства этих явлений. Было, в частности, показано, что фотон, испуг екание которого индуцировано другим фотоном, имеет совершенно одинаковые с ним характеристики — направление распространения, энергию (частоту излучения), поляризацию. На этой одинаковости, как известно, базируется вся квантовая электроника, и в частности создание лазеров, источников когерентного света.

[/smszamok]

Элементарные процессы испускания и поглощения кванта света; вверх — спонтанное (самопроизвольное) испускание иванта света возбужденным атомом; в середине — поглощение кванта света невоэбужденным атомом; внизу — стимулированное испускание кванта света возбужденным атомом под действием другого такого Же кванта света и, как результат, излучение квантов С одинаковой энергией И одним и Тем же направлением распространения. Во всех элементарных процессах энергия кванта (фотона) равна разности энергий возбужденного и невозбужденного состояний: Е2 — Е|.

(Еще не оценили)

Загрузка...

Земля не идеальный шар. Хотя мы всегда и употребляем выражение «земной шар», но на самом деле этот шар немного сплюснут у полюсов. Разница между радиусами Земли у экватора и у полюсов составляет 21,383 километра, то есть что-то около 0,2% от земного диаметра. Сплющивание земного шара произошло благодаря его вращению вокруг своей «оси» — воображаемой линии, соединяющей полюса. Для того, чтобы посмотреть, как это получается, воспользуемся тем же прибором, который мы сделали для предыдущего опыта. Только моделью Земли будет не шарик, а бумажное кольцо.

Из полоски рисовальной бумаги склейте кольцо диаметром 15 сантиметров и шириной 2 сантиметра. На его противоположных сторонах прорежьте ровные круглые отверстия, чтобы через них свободно проходили веревки, на которых подвешен диск. Нижнюю сторону кольца приклейте к картонному кругу и расправьте кольцо, чтобы оно имело правильную форму круга. Хорошо скрутив веревки, приведите диск во вращение.

Вы увидите прозрачный шар, который на ваших глазах по мере увеличения скорости вращения постепенно сжимается по оси.

Земля, несущаяся в мировом пространстве по своей орбите, испытывает притяжение всех небесных тел Солнечной системы. Но сильнее всего на нее действует притяжение Солнца и Луны. Солнце, как уже говорилось, не дает возможности Земле улететь с орбиты, а Луна «организует» на Земле регулярные морские приливы и отливы. Но, кроме этого, Солнце и Луна своим притяжением вызвали у земной оси особое конусообразное движение, называемое прецессией. Чтобы стало ясно, что такое прецессия, проделайте такой опыт. Вырежьте картонный кружок диаметром 4 сантиметра, вставьте в его центр заостренную спичку— получится волчок. Запустите его на столе, придав волчку небольшой наклон. Ось волчка (спичка), кроме быстрого вращения, будет еще медленно описывать конус, поставленный на вершину. Вот это конусообразное движение оси волчка и есть прецессия. В данном случае прецессия получилась в результате борьбы наклонно вращающегося волчка с силой земного притяжения, которая стремится его опрокинуть.

Земной шар тоже волчок. У его оси тоже есть прецессия. Земная ось описывает даже два конуса, соединенных вершинами в центре Земли. Полный конусообразный поворот земной оси происходит примерно за 26 тысяч лет. Первым ученым, который изучил и объяснил причину возникновения прецессии у земной оси, был великий физик Исаак Ньютон. Что же заставляет земную ось совершать такое дополнительное движение?

Земля, вращаясь, летит по орбите с некоторым наклоном к плоскости, которую можно было бы провести через ее орбиту.

(1голосов, средний: 3,00 out of 5)

Загрузка...

Эта работа содержала в зародыше всю специальную теорию относительности, или, как ее сейчас принято называть сокращенно, СТО. Эйнштейн начал статью с предположения, что во всех координатных системах, движущихся с постоянной скоростью друг относительно друга, справедливы одни и те же физические законы, и такое предположение он назвал принципом относительности. Он также ввел такой постулат: свет в пустоте всегда распространяется с постоянной скоростью С, не зависящей от скорости движения тела, и назвал его принципом постоянства скорости света. Эти две предпосылки, писал Эйнштейн в начале статьи, вполне достаточны для того, чтобы построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся сред, в которой будут излишними понятия эфира, абсолютного пространства и абсолютного времени.

Специальная теория относительности, являющаяся, безусловно, вершиной научной мысли, была подготовлена всем предыдущим ходом физических исследований (электродинамика Максвелла, преобразования Лоренца, опыт Майкельсона, работы Пуанкаре). Но требовалось совершенно свободное от предубеждений, совершенно независимое и, конечно, смелое, решительное мышление, чтобы

[smszamok]

взглянуть на всю проблему с новой точки зрения. Приняв принцип постоянства скорости света в пустом пространстве в качестве одного из основных законов природы, теория относительности кардинально изменила фундаментальные представления о природе пространства и времени.

Время и пространство, существовавшие до Эйнштейна в физике как независимые и самостоятельные, оказались связанными друг с другом скоростью света. С точки зрения эйнштейновской теории относительности во вселенной существует лишь собственное время различных движущихся тел, оно одинаково только для тех тел, которые находятся в покое друг относительно друга. Это и есть релятивистское представление о времени, представление о его относительности, которое ведет к фундаментальному заключению: для движущегося тела все процессы идут медленнее, само время течет медленнее и тем медленнее, чем ближе скорость движения к скорости света.

Этот вывод, конечно, был неприемлем для людей с консервативным мышлением, н поэтому вокруг теории относительности долгие годы бушевали споры. Их эхо дошло до наших дней в виде редких, но все еще проявляющихся научных публикаций, в которых оспариваются я смысл я существо теории относительности. Оспариваются безрезультатно. Ни одна физическая теория, писал выдающийся физик Макс Лауэ, не волновала и не возбуждала умы со времен античности так, как вторжение теории относительности в привычные представления о пространстве и времени.

Прошло много лет, теория относительности стала одним из оснований всей физической науки, от теории элементарных частиц до космологии, стала одним из оснований гигантского гармоничного здания современной теоретической физики. И уже сам Эйнштейн, вглядываясь в прошлое, писал: «Теория относительности является хорошим примером того, как развивается теория. Исходные гипотезы становятся все более абстрактными, далекими от жизненного опыта. Но зато мы приближаемся к благороднейшей научной цели: охватить путем логической дедукции максимальное количество фактов, исходя из минимального количества гипотез и аксиом… Надо разрешить теоретику фантазировать, ибо иной дороги к цели для него вообще нет. Разумеется, речь идет не о бесцельной игре фантазии, а о поисках самых простых и логичных возможностей и их следствий». И, вспоминая свой трудный путь к иетине, он пишет: «Только тот, кто сам это изведал, знает, что такое полные предчувствий, длящиеся годами поиски во мраке, волнение и страстное ожидание, переходы от уверенности к изнеможению и, наконец, рывок, приносящий ясность».

Экспериментально, в прямых опытах, замедление времени для движущихся тел было доказано гораздо позже, в 30-х годах, уже после полного триумфа СТО. Ускоренная до скорости, близкой к скорости света, элементарная частица (например, мезон) распадается гораздо медленнее, чем такая же частица с нерелятивистской скоростью. Это обусловлено именно замедлением времени для движущейся частицы.

Статья начинается так: «В этой работе будет показано, что, согласно молекулярно-кинетической теории теплоты, взвешенные в жидкости тела микроскопических размеров из-за молекулярного теплового движения должны совершать движения такой величины, что легко могут быть обнаружены под микроскопом. Возможно, что рассматриваемые движения тождественны с так называемым броуновским молекулярным движением; однако доступные мне данные относительно последнего настолько Не точны, что я не мог составить об этом определенного мнения». В этих строчках видны черты научного почерка молодого Эйнштейна: фундаментальность вывода, блестящая интуиция, связь теоретических представлений с экспериментальным фактом, абсолютная объективность.

Беспорядочное движение мельчайших Взвешенных частиц в жидкости, обнаружены

двух ядер дейтерия (Д + Д реакция) действительно возможно образование более тяжелых ядер: ядра 3Не (плюс свободный нейтрон) или еще более тяжелого изотопа водорода — трития (плюс свободный протон) . Обе эти ядерные реакции синтеза идут с выделением значительной энергии: 3,2 и 4,0 МэВ соответственно.

Правда, практически использовать энергию при таком методе синтеза невозможно—синтез нового ядра идет только при сильном сближении исходных ядер, а такому сближению препятствует электростатическое отталкивание. Поэтому ядра приходилось ускорять до высоких скоростей, и на это тратилось в конечном итоге больше энергии, чем получалось. Но есть, к счастью, другой путь — ядра могут сильно сближаться при высоких температурах (десятки и сотни миллионов градусов), когда скорость их хаотического движения очень велика. Поэтому реакция синтеза легких ядер была принята в качестве основного механизма выделения энергии в звездах. Американский физик Ганс Бете, разработавший теорию такого термоядерного горения в звездах, был впоследствии удостоен за эту работу Нобелевской премии. Как видите, принципиальная возможность получения термоядерной энергии в больших количествах была признана раньше, чем возможность использования энергии деления ядер. Отметим, что идея термоядерного происхождения энергии звезд за счет синтеза ядер гелия из ядер водорода была высказана английским астрофизиком А. Эддингтоном в 1920 году, задолго до экспериментального открытия реакции слияния ядер.

Прошло несколько лет после удачных экспериментов по синтезу гелия, и вот в 1939 году совершенно неожиданно немецкие физики О. Ган и Ф. Штрасеман открывают явление деления тяжелого ядра — ядра урана— при бомбардировке его нейтронами. Для ядра урана (Л = 238) энергия связи на нуклон равна 7,5 МэВ, когда же оно расщепляется на два примерно одинаковых осколка, то энергия связи у каждого из них примерно равна 8,4 МэВ. Следовательно, образующиеся два осколка в сумме легче исходного ядра,— у них энергия связи на 0,9 МэВ (на нуклон) больше, чем в исходном ядре урана. Если учесть, что ядро урана состоит из 238 нуклонов, то энергия, выделяющаяся при делении каждого такого ядра, достигает 214 МэВ. Обнаруженное деление ядер открывало второй путь высвобождения внутриядерной энергии, но получение нейтронов этих снарядов, необходимых для расщепления ядра урана, представлялось чрезвычайно сложным делом.

[/smszamok]

Трудно сказать, как решилась следует предсказанное Эйнштейном существование нового физического объекта — кванта, Планк никак не хотел признать то, что следовало из его собственных представлений — событие удивительное, но таких событий было не мало в истории естествознания.

Хочется отметить, что А. Эйнштейн был членом нашей Академии (избран в 1922 году), куда «го рекомендовали академики А. Ф. Иоффе, П. П. Лазарев и В. А. Стеклов, писавшие в своем представлении: «…поразительные успехи, которых добилась физика за последние пятнадцать лет, в значительной степени обязаны его идеям».

(Еще не оценили)

Загрузка...

Теплород и держался в науке так долго именно потому, что в нем отразились многие истинные свойства теплоты, хотя, конечно, на молекулярном уровне ясно полное отличие теплоты и теплорода. Еще при его жизни гениальный физик Больцман освободил природу от опеки бога. Он показал, как в природе реализуется то, что Энгельс утверждал на основе общих положений диалектического материализма — движение бесконечно, мир не умрет, не остановится в своем развитии. Вы спросите — как же так? Второй закон термодинамики утверждает, что мир стремятся к покою, а Больцман берет на себя смелость утверждать, что вопреки этому велению природы движение вечно. За счет чего же?

В результате изучения явлений природы Больцман стихийно пришел к тому, к чему диалектический материализм приводит строго научно. Он повял и объяснил парадоксальное уклонение природы от собственных запретов. Примирил теорию и реальность. Узаконил жизнь вопреки правам смерти и отнес вывод о тепловом угасании мира к области заблуждений.

Проследим же за рассуждениями Больцмана. Проделаем два мысленных эксперимента.

1.         Нальем в сосуд две одинаковые жидкости, различающиеся только цветом, в подождем. Они смешаются. Сегодня и для школьника не секрет, что это результат хаотического теплового движения частиц жидкости.

2.         Насыплем в барабан слой белых шаров, а на них слой черных и приведем барабан во вращение. Шары постепенно перемешаются, и, вынув вз любой части барабана достаточно большую порцию шаров, мы обнаружим в ней одинаковое количество белых и черных.

Если мы взглянем на уравнения, описывающие процесс, то увидим странную картину. Время входит в них симметрично: со знаком плюс и со знаком минус. Уравнения построены так, словно описываемые ими процессы могут одинаково свободно развиваться как в сторону будущего, так и в сторону прошлого! Но ведь это противоречит многовековому опыту человечества — время, как в теплота, неотвратимо течет в одну сторону, от прошлого к будущему, и нет никакой возможности не только повернуть его вспять, но в остановить хотя бы на мгновение! Разве кто-нибудь когда-нибудь видел хоть одно исключение из этого правила? Уравнения, о которых идет речь, дают основание предположить, что, вращая барабан в обратную сторону, можно добиться разделения шаров на белые в черные, то есть вернуть систему в первоначальное состояние, в прошлое. Но в действительности этого не происходит. Не разделяются и смешавшиеся жидкости. Почему?

Уравнения утверждают: чтобы шары, смешавшиеся в барабане, вновь разделились, при вращении в обратном направлении, нужно обеспечить точное воспроизведение всех элементарных шагов. То есть каждый шар в отдельности и все вместе должны воспроизвести в обратном порядке все свои движения — возвращением в прошлое мы назвали бы точное повторение событий в обратном порядке. Точное! Но это невозможво уже потому, что «шероховатости» — мельчайшие неровности поверхности шаров — деформируются случайным образом. Вращая барабан обратно и думая, что возвращаем процесс в прошлое, мы на самом деле уводим его еще дальше в будущее, в сторону беспорядка. Этим рассуждением Больцман не только не опроверг, но подкрепил вывод Томсона о неуклонном развитии природы от порядка к хаосу, о движении мира от состояния, при котором механическая, электрическая, химическая, тепловая и другие виды энергии распределены нераввомерво,— к состоянию, в котором все и везде одинаково, и одинаково навсегда: безжизненно, невозмутимо!

Но вернемся еще раз к барабану с шарами. Взяв нз него тысячу шаров, мы почти всегда будем иметь 500 белых и столько же черных. Если же вынуть два шара, то часто оба будут белыми или черными, будут одинаковыми.

И вывод: в малых частях большой системы может самопроизвольно возникать упорядоченность! Самопроизвольно, то есть без помощи бога, лишь по воле случая…

Случай — вот всесильный джинн, которого обнаружил Больцман.

Мысль Больцмана сводится к тому, что Вселенная, огромная совокупность звездных систем, в целом находится в состоянии теплового равновесия — в полном беспорядке и в полном соответствии со Вторым началом термодинамики. Но в отдельных ее частях, и даже в объемах, колоссальных, с нашей точки зрения, но малых по сравнению со всей Вселенной, хозяином может стать случай. Он может породить всплеск энергии, как говорят ученые,— флуктуацию. Из-за игры случая кое-где могут случайно возникнуть очаги повышенной температуры. Они дадут ту разность тепловых уровней, которая породит движение, жизнь. «Этот метод,— пишет Больцман,— кажется мне единственным методом, при котором можно представить себе… тепловую смерть единичного мира, без одностороннего изменения всей Вселенной от определенного начала  к  заключительному  состоянию». Можно сказать, что существование Вселенной и состоит в том, что в ней постоянно возникают случайные неупорядоченности, которые «рассасываются», чтобы по закону случая возникнуть вновь. Мы живем в одной из таких «возмущенных» областей. Наш мир — видимая нами часть Вселенной — существует уже около десяти миллиардов лет и просуществует еще много больше. Человечество возникло лишь пару миллионов лет назад, а цивилизация развивается всего несколько тысячелетий. Масштабы времени таковы, что нам незачем беспокоиться о том, когда завершится «возбужденность» нашего мира.

Но вернемся еще раз к законам термодинамики. Мы уже знаем, что ее первый закон, закон сохранения энергии, не основав ни на каких более фундаментальных законах.

(Еще не оценили)

Загрузка...

Звезда, дающая нам жизнь, наше Солнце, все еще полно загадок. И вместе с тем трудами астрофизиков все больше выясняется конкретных механизмов солнечной активности, все более понятным становится, что и как именно происходит в этом гигантском термоядерном реакторе. Один из примеров — объяснение механизма солнечных вспышек, грозного явления, привлекающего пристальное внимание физиков, астрономов, энергетиков, метеорологов, биологов, медиков, специалистов в области космонавтики. Используя богатейшие материалы астрофизических наблюдений, теоретики разработали модели солнечной вспышки, где главные действующие лица — это магнитные сгустки, выплывающие из недр Солнца, плазма солнечной атмосферы, пронизанная магнитными полями и гигантской силы электрические токи, которые при изменении магнитного поля наводятся в плазме, как и в любом проводнике, в полном соответствии с правилом правой руки.

Динамика плазмы в сильных магнитных полях — лишь в последние десятилетия. Интерес к плазме появился

[smszamok]

сначала в основном в связи с задачами физики Солнца и астрофизики, а затем — и очень интенсивно— в связи с исследованиями по проблеме управляемого термоядерного синтеза. В этих исследованиях плазма в сильных магнитных полях как раз и является основным объектом изучения. Любопытно, что и в этой области, как и в астрофизике, в последнее время стала выясняться важная роль процессов так называемого «лересоединения», которые играют фундаментальную роль для солнечных вспышек и о которых пойдет речь ниже.

И вот еще что — солнечные вспышки имеют принципиальное значение для астрофизики как наиболее близкий и доступный для исследования пример генерации нетепловых частиц, радиоволн, рентгеновских и гамма-лучей во Вселенной.

Более того, процессы типа солнечных вспышек происходят также в магнитосфере Земли (здесь с ними связано известное явление полярных сияний) и в магнитосферах других планет, например, Юпитера. Наконец, эти процессы существенны также в некоторых лабораторных экспериментах и установках с сильными разрядами в магнитном поле. Таким образом, изучение солнечных вспышек очень важно не только для астрофизики, но и для физики плазмы вообще.

Исследование солнечных вспышек имеет и прямое практическое значение. Уже давно известно, что вспышки на Солнце оказывают сильное воздействие на ионосферу, вызывая нарушения радиосвязи, работы радионавигационных устройств и другой техники, связанной с радиоволнами. В последние десятилетия в связи с пилотируемыми космическими полетами возникла очень серьезная задача защиты экипажей космических кораблей от ионизующего излучения вспышек и заблаговременного предупреждения о возможной радиационной опасности. Имеются данные о влиянии вспышек на погоду. Как уже отмечалось, непосредственное энергетическое воздействие вспышек на земную атмосферу относительно невелико. Однако большой поток ультрафиолетового и рентгеновского излучения от вспышек, значительно превышающий поток от спокойного Солнца, может изменять состояние верхней атмосферы и соответственно характер переноса главных потоков тепла в атмосфере. Эти вопросы стали сейчас предметом серьезного изучения. Наконец, имеются свидетельства влияния вспышечной активности Солнца на биосферу. Так, в частности, ряд исследователей, по данным массовых клинических наблюдений, устанавливают связь между вспышками и ходом сердечнососудистых и других заболеваний.

Что же мы знаем о солнечных вспышках? Что известно о природе этого явления?

Прежде всего, заметим, что результаты наблюдений вспышек публикуются в научных журналах уже более ста лет, начиная с первой документально зарегистрированной вспышки 1 сентября 1859 года. Уже несколько десятилетий наблюдения за солнечными вспышками ведутся на регулярной основе многими обсерваториями мира. За это время накоплен огромный материал, и были высказаны и серьезно обсуждались в литературе самые разнообразные гипотезы происхождения вспышек. В их числе были и такие, как удар больших масс вещества о поверхность Солнца или термоядерные взрывы непосредственно на этой поверхности.

Трудность выбора наиболее правдоподобной гипотезы была в основном связана с тем, что наблюдения, хотя и весьма многочисленные, были очень ограниченными по своему характеру: все они велись в оптическом диапазоне спектра. В то же время, как показали уже первые внеатмосферные наблюдения на спутниках и ракетах, при солнечной вспышке оптическое излучение, скорее всего, возникает как вторичный эффект, причем, как правило, вдали от сердцевины вспышки. Непосредственно в этой сердцевине возникает рентгеновское излучение, которое нельзя наблюдать с Земли из-за его сильного поглощения в атмосфере.

И все же многие годы оптических наблюдений нельзя считать затраченными впустую. Благодаря им были установлены закономерности развития вспышек в хромосфере, их связь с активными областями и, что особенно важно для понимания механизма вспышек, тесная связь вспышек с магнитными полями на поверхности Солнца. Именно измерения магнитного поля, а они ведутся в процессе наблюдения линий оптического спектра, показали, что вспышки возникают там и только там, где имеется достаточно сильное магнитное поле. Более того, детальные наблюдения магнитных полей, выполненные в Крымской астрофизической обсерватории, выявили в атмосфере Солнца в области вспышки электрические токи огромной силы — в сотни миллиардов ампер.

Связь вспышек с магнитными полями и токами в солнечной атмосфере и дает ключ к пониманию этого явления. Но прежде, чем говорить об этом конкретно, нужно хотя бы кратко остановиться на поведении магнитного поля в хорошо проводящей электричество подвижной среде, какой является высокоионизованная плазма солнечной атмосферы.

Как известно еще со времен Фарадея, изменяющееся магнитное поле наводит электрический ток в проводниках, которые находятся в этом поле,— на этом эффекте основано действие машинных генераторов тока. С другой стороны, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, которая стремится привести проводник в движение — этот эффект используется в электродвигателях. Если же проводником является жидкость, плазма или газ, заполняющие большой объем и пронизанные полем, то оба эффекта осуществляются одновременно: изменения магнитного поля возбуждают в такой среде электрические токи.

До сих пор мы говорили о магнитном поле пятен, полностью пренебрегая тем обстоятельством, что атмосфера Солнца представляет собой очень хорошо проводящую плазму. Если считать, что плазма — идеальный проводник, что ее электрическое сопротивление равно нулю, то нетрудно выяснить характер взаимодействия старого и нового полей. Именно в силу уже известного нам свойства вмороженности поля каждая силовая линия остается связанной с одними и теми же частицами плазмы, и мы можем непрерывно следить за перемещением и деформацией поля. В частности, если какая-то силовая линия вначале соединяла два определенных магнитных пятна, то при любых перемещениях плазмы и пятен она будет соединять те же самые пятна. Иначе пришлось бы допустить «перескок» магнитных силовых линий от одного пятна на другое, например, с южного полюса нового «магнита» на южный полюс старого «магнита», а это противоречит условию вмороженности поля.

Вместо нулевой линии появится граница раздела этих двух полей — поверхность, на которой происходит переход от нового поля к старому. Как показывает теория, эта поверхность имеет первостепенное значение для развития вспышек.

[/smszamok]

Старое и новое магнитные поля независимы и поэтому практически всегда по-разному направлены — в нашем примере они противоположны друг другу на границе раздела. Следовательно, на поверхности раздела старого и нового полей происходит быстрое изменение, как говорят, «скачок» величины и направления магнитного поля. Токовые слои в атмосфере Солнца как раз и являются причиной солнечных вспышек, причем вспышки появляются именно в области токовых слоев. Прежде чем перейти непосредственно к конкретному механизму появления солнечных вспышек, скажем еще несколько слов об их первопричине, о токовых слоях.

(Еще не оценили)

Загрузка...

Очисткой веществ человек занимается с незапамятных времен. Известно, что еще в далекой древности воду для питья очищали фильтрованием, при помощи овечьего руна отделяли золото от «пустой породы». Опыт очистки, накопленный в практических ремеслах, впоследствии развили алхимики, много занимавшиеся процессами дистилляции, возгонки, кристаллизации. Разработанные способы «очищать и разрешать» вещества сделали возможным открытие новых элементов и определение истинного состава ряда веществ. Необычайно плодотворной в этом отношении была первая половина 19-го столетия: за это время было выделено и изучено 27 ранее неизвестных химических элементов. Установление законов химии с их вершиной — периодическим законом — также обязано чистоте объектов исследования и чувствительности методов и приборов.

На приборном отсеке космического корабля «Союз», изображенного на рисунке, укреплены солнечные батареи: они расходятся в стороны от корпуса корабля, словно крылья диковинной птицы. В батарее применен кремний высокой чистоты: кремниевые диоды преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую.

Можно ли получить абсолютно чистое вещество? Под этим термином подразумевают

[smszamok]

химически и физически однородное простое тело или химическое соединение, состоящее из одного определенного вида атомов (ионов) или молекул и обладающее только ему присущим комплексом постоянных свойств. В реальных условиях абсолютно чистых веществ нет, и не может быть. Абсолютная чистота в химии недостижима, подобно абсолютному нулю температуры в физике. Мы приближаемся к ней, но на пути к ее достижению встречаемся с принципиальными трудностями. Дело в том, что очистка производится с помощью той или иной химической реакции. А скорость любой реакции пропорциональна концентрации вещества. По мере снижения концентрации примесных атомов уменьшается и скорость их удаления. Отсюда следует, что удаление «последних» следов примесей и достижение их нулевой концентрации теоретически потребуют бесконечного времени. Другая особенность глубокой очистки связана с сохранением достигнутой чистоты. Не существует такого идеально инертного вещества, атомы которого не участвовали бы в процессах адсорбционного, диффузионного или химического взаимодействия. Эти процессы неизбежно протекают на поверхности образца, приготовленного из очищенного вещества.

Поэтому сохранить высокую чистоту часто бывает даже труднее, чем ее достигнуть.

С точки зрения аналитической химии особо чистым веществом считается такое, в котором тем или иным методом современной экспериментальной техники не обнаруживаются примеси. А это значит, что те вещества, что вчера считались особо чистыми, сегодня могут уже не соответствовать этому определению. В технике вещество считают достаточно чистым, если оно не содержит примесей такого рода и в таких количествах, которые мешают использованию этого вещества для данной конкретной цели. Отсюда возникли и названия частот — вещества реакторной чистоты, полупроводниковой чистоты и пр. До сих пор речь шла о химической чистоте, характеризующей степень загрязненности вещества чужеродными частицами. Не менее важное значение имеет и чистота физическая. Даже очищенное от химических примесей вещество может быть загрязнено своими же атомами, такими же по химическим свойствам, но отличающимися от основных лишь своей массой — изотопами. Содержание изотопов во многих производствах не вызывает интереса. Но в отдельных случаях необходимость изотопической чистоты выдвигает особые требования к методам разделения и очистки. Так, для получения тяжелой воды, содержащей изотоп водорода — дейтерий, создана особая технология производства. Для твердых веществ особое значение имеет строение кристаллической решетки. Алмаз и графит, состоящие из одинаковых атомов углерода, белое и серое олово различаются лишь структурами кристаллов. С точки зрения физиков, эти различия делают их разными веществами. И действительно, алмаз с примесью графита никак нельзя считать чистым, а примесь серого олова в белом изменяет его свойства.

Нарушения или искажения кристаллической решетки способны вызвать такие же изменения, какие возникают от присутствия примесей. Здесь химическая и физическая чистота тесно связаны между собой: появление примесных атомов провоцирует структурные дефекты в кристалле, а нарушение кристаллической решетки облегчает проникновение примеси. Даже весьма чистый в химическом отношении металл бывает иногда непригоден, если он состоит из множества кристаллических зерен, пронизан микротрещинами и порами. В таких случаях предпочтительны монокристаллы — образцы с единой для всего их объема кристаллической решеткой. Для изготовления материалов высокой чистоты обычно используются многоступенчатые процессы с последовательным применением химических и физических методов. Сложность их настолько велика, что, по мнению одного из видных ученых в этой области, академика Н. П. Сажина, «есть все основания считать настоящим научным подвигом разработку технологических методов получения веществ с содержанием примесей менее миллионных долей процента».

Свои истинные свойства вещество может проявлять только в предельно чистом виде. С появлением примеси мы наблюдаем уже, как говорят специалисты, «кооперативные свойства ансамблей атомов».

Еще в начале века английский химик Бейкер обнаружил поразительное явление: различные жидкости после очень длительного обезвоживания (в продолжение 8—9 лет) показали резкое повышение температуры кипения. У бензола она повысилась на 26°, у четыреххлористого углерода — на 34°, у брома — на 55°, у этилового спирта — на 60°, у ртути — на 62°. Коренным образом изменяются и химические свойства обезвоженных веществ: окись углерода не горит больше в кислороде, водород перестает реагировать с хлором, смесь кислорода с водородом, которую за бурную реакцию соединения обычно называют гремучим газом, больше не взрывается. Все эти вещества после удаления следов воды теряют свою химическую активность.

Вот какова степень влияния примесей на свойства веществ! Хром, тантал, молибден, цирконий, титан, вольфрам имели репутацию хрупких металлов, не поддающихся механической обработке. Лишь после того, как содержание примесей удалось снизить до стотысячной доли процента, они предстали в новом качестве — пластичных мягких металлов.
Хром, например, не уступает своей пластичностью ковкому железу. А 10 граммов тугоплавкого вольфрама, нагретого до 500—700°С, можно вытянуть в тонкую нить длиною четыре километра. Долгое время для хрома не была известна температура плавления — в зависимости от чистоты она изменялась от 1513° до 1920°С. Высокой чистоты хром плавится при 1890°С, но и это значение нельзя считать окончательным.

Железо высшей чистоты (Ю-4 процента примесей) теряет способность растворять кислород и другие газы, становится химически инертным. Если столь чистое железо легировать определенными металлами, оно способно выдерживать нагрузку до 600 кГ/мм 2 вместо обычных 17—21.

Алюминий — второй после железа металл по объему потребления — с повышением чистоты изменяет практически все свои свойства. Способностью отражать свет он почти не уступает серебру, притом в отличие от серебра он не темнеет под действием некоторых газов (например, сероводорода). Поэтому им покрывают поверхности технических зеркал, прожекторов, рефлекторов. Чаша самого большого на нашей планете телескопа, установленного в этом году на Северном Кавказе, покрыта тончайшим слоем чистого алюминия. Чистый алюминий не окисляет витамины в пище: им покрывают изнутри кухонную алюминиевую посуду. Но значительнее всего возрастает коррозионная устойчивость алюминия — в 10—25 раз по мере повышения чистоты. Вот почему львиная доля выпускаемого чистого алюминия идет на защитные антикоррозионные покрытия самолетов, судов, на изготовление аппаратуры для химической и пищевой промышленности, на нужды многих других областей народного хозяйства.

Во всех приведенных примерах с повышением чистоты материалы как бы освобождались от недостатков и обретали более полезные и ценные свойства. Но чистота не всегда благо.

Вводимые в чистые вещества дозированные добавки примесей могут вести себя как истинные «друзья», выявляя лучшие черты и свойства материалов. Это относится в первую очередь к полупроводникам. Ничтожно малая примесь может привести к значительному повышению их электропроводности. Полупроводники, в которых проводимость создана преднамеренно внесенными примесями, широко используются для изготовления диодов и триодов.

Иногда чрезмерная чистота может принести не пользу, а вред. Для примера вспомним широко известные фотографические материалы. Все они содержат слой желатины с зернами светочувствительного вещества — бромида серебра. Но, как это ни покажется парадоксальным, совершенно чистый бромид серебра был бы вообще лишен чувствительности к свету. Центрами светочувствительности в зернах бромида серебра служат дефекты кристаллической решетки. Успехи производства органических полимеров во многом обязаны повышению чистоты исходных веществ — мономеров. Химикам известно двоякое влияние примесей на синтез органических полимеров.

[/smszamok]

В одних случаях примеси могут затормозить рост полимерной молекулы. Так было, например, с давно известным процессом полимеризации формальдегида. Попытки наращивать молекулярную массу до необходимой величины оставались безуспешными до тех пор, пока мономер содержал следы воды и метилового спирта. Лишь очистив от них мономер, удалось получить полиформальдегид— одну из самых прочных пластмасс.

В других случаях, наоборот, примесные частицы инициируют полимеризацию. И даже если они несколько ухудшают качество полимера, их все же сознательно вносят — без них не обойтись.

Теперь судите сами, чем же являются примеси — врагами или друзьями.

(Еще не оценили)

Загрузка...

Большое внимание, уделяемое в последние годы охране окружающей среды, активизировало интерес к этим проблемам со стороны широкого круга специалистов, в частности физиков и химиков. Их участие в разработке экологических проблем наверняка может оказать помощь исследователям атмосферы, климата, влияния природной среды на развитие растительного и животного мира, то есть тем ученым, для которых экология лежит в сфере основных, профессиональных интересов. Автор публикуемой статьи Борис Михайлович Смирнов, заведующий лабораторией Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, специалист в области элементарных процессов в плазме, стремится привлечь внимание к изучению конкретных механизмов, определяющих влияние человека на атмосферу, и утверждает: знание этих механизмов совершенно необходимо для грамотной организации взаимодействия человека с природой.

Казалось бы, что степень нашего воздействия на окружающую природу можно было

[smszamok]

установить, сравнивая интенсивность естественных процессов и искусственных, то есть протекающих при активном участии человека. Из этой таблицы, которая любопытна сама по себе, видно, что современное производство опирается на энергетику, интенсивность которой значительно ниже интенсивности основных естественных процессов, определяющих тепловой баланс Земли. Однако влияние человека на природу оказывается гораздо сильнее, чем это может показаться при знакомстве с таблицей. И в основном за счет загрязнения атмосферы.

Атмосфера, если можно так сказать, важна для человека главным образом в двух отношениях. Во-первых, само существование человека и растительного мира на Земле связано с химическим составом воздуха, и, во-вторых, совокупность протекающих в атмосфере процессов определяет климат, формирует погоду. При этом оказывается, что даже очень малая концентрация примесей в атмосфере способна заметно изменить ее оптические свойства и этим самым повлиять на климат. Существенную роль могут играть примеси, которые имеют концентрацию уже порядка 10~8— Ю-7, то есть число молекул, которых составляет миллионные доли процента от числа молекул воздуха. Тот факт, что на состояние атмосферы сильно влияют весьма малые изменения в ее составе, требует, с одной стороны, более детального исследования явлений, протекающих в атмосфере, и, с другой стороны, заставляет задумываться о тех конкретных механизмах, которые могут привести к воздействию человека на атмосферу.

А, предположив, что Земля испускает инфракрасное излучение как абсолютно черное тело, легко придем к выводу: наше гипотетической загрязнение атмосферы увеличит температуру поверхности Земли примерно на 5°С. Это, конечно, предельная ситуация — мы предположили, что загрязнение атмосферы полностью закрыло ее «окна прозрачности» в инфракрасном диапазоне. И оказалось, что даже в таком крайнем случае изменение теплового баланса Земли ограниченно. Это, конечно, не основание для благодушия — существует мнение, что серьезные и притом необратимые явления, существенные для жизни на Земле, произойдут уже и в том случае, когда средняя температура Земли поднимется на 1°С.

Попробуем представить себе, какие конкретно загрязнения могут повлечь за собой значительное изменение прозрачности атмосферы в инфракрасной области. В таблице 2 приведены данные для некоторых веществ, появляющихся в результате деятельности человека, и указано, какая концентрация этих веществ в атмосфере (третья строка таблицы; приведенную величину необходимо умножить на 10~8) приведет в итоге к увеличению температуры Земли на 1°С. Таблица построена, исходя из предположения, что до введения данного вещества, в той области спектра, где оно поглощает, атмосфера была для него абсолютно прозрачна.

Анализ таблицы 2 приводит к выводу: даже очень небольшие концентрации (порядка 1С-8—Ю-7) некоторых молекул в атмосфере могут привести к заметному повышению температуры Земли. Атмосфера Земли не всегда была такой, какой мы наблюдаем ее сейчас. На первой стадии существования нашей планеты так же, как на наших ближайших соседях, на Венере и Марсе, основными компонентами ее атмосферы были углекислый газ и азот. В начальной атмосфере Земли давление углекислого газа составляло 3,2 атм, а давление азота — 0,8 атм (сейчас соответственно 3.10—4 атм и 0,8 атм).

Анализ горных пород показывает, что кислород начал появляться в земной атмосфере примерно 1,8 млрд. лет назад (возраст Земли — 4,6 млрд. лет) в результате деятельности бактерий, перерабатывавших углекислый газ в кислород. Появление кислорода привело к образованию озонового пояса, который мог защитить живые организмы от губительного действия ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 3000 ангстрем. А это, в свою очередь, привело к появлению большого разнообразия живых организмов и растений, жизнедеятельность которых связана с переработкой углекислого газа, и еще сильнее изменило состав атмосферы — из нее почти полностью исчез углекислый газ, и появилось большое количество кислорода. Наличие же кислорода привело к появлению таких организмов, жизнь которых связана с окислительными процессами, то есть в итоге с превращением кислорода и углерода органических веществ в углекислый газ. Эти превращения происходят также в процессах гниения и горения. В итоге установился определенный баланс кислорода, углекислого газа и других компонентов атмосферы. Человек, в последнее время активно включившийся в эти процессы, начинает изменять сложившееся в природе равновесие, и сейчас мы попытаемся оценить, насколько велики эти изменения для ряда составных частей атмосферы.

Баланс углерода, основные пути углеродного обмена между атмосферой и поверхностью Земли с учетом деятельности современного человека. В биосфере содержится 800 млрд. тонн углерода, в органическом веществе почвы — 1000—3000 млрд. тонн и в океанах — 40 000 млрд. тонн. На рис. 2 показана лишь та часть этого углерода, которая участвует в активном обмене с атмосферой, при этом используются данные концентрации углекислого газа в атмосфере, получаемые в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайских островах, где были выполнены наиболее детальные измерения такого типа. Прогнозы на 2000 год, приведенные на рисунке, основаны на данных по добыче горючих ископаемых, приводимых американским энергетиком Ротти; кроме того, сделано предположение, что доля углерода, остающегося в атмосфере в результате деятельности человека, не изменяется.

Если бы не было углекислого газа в атмосфере, то не существовал бы растительный мир на Земле. Скорость фотосинтеза в растениях пропорциональна концентрации углекислого газа в атмосфере, и увеличение этой концентрации должно приводить к повышению урожая, к ускорению роста растений (если, конечно, достаточно влаги, удобрений и т. п.). В то же время с накоплением углекислого газа в атмосфере связано изменение температуры поверхности Земли. Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли в 1958 году составляла 312-Ю-6, в 1978 году — 330-10—6, и есть основания считать, что в 2000 году концентрация углекислого газа составит 363-Ю-6, а в 2025 году — 444-Ю-6.

При средней влажности воздуха 70% расчеты дают такие изменения температуры поверхности Земли по сравнению с 1958 г.: +0,05, +0,17 и +0,46 градуса Цельсия соответственно для 1978, 2000 и 2025 годов. Как видно, в ближайшие десятилетия изменение температуры за счет накопления углекислого газа не превысит ее естественных колебаний.

Один из наиболее важных элементов, необходимых для жизни на Земле,— это азот. Он входит в состав биологических молекул и занимает четвертое место по распространенности в химических соединениях живых клеток. Атомарный азот, как и многие его соединения, является химически активным, в то время как молекулярный азот (N2), составляющий основную массу атмосферы, сравнительно инертен. Молекула азота очень прочна, у нее одно из самых высоких значений энергий диссоциации (развала молекулы), оно превышает энергию, необходимую для ионизации многих химических элементов. В то же время связанный азот, который входит в состав различных соединений, активно участвует в химических превращениях.

Масса связанного азота, находящегося у поверхности Земли, оценивается в Ю12 тонн; это сравнительно немного — масса молекулярного азота в атмосфере составляет примерно 4.1015 тонн, то есть в 4000 раз больше. Основная часть связанного азота находится в океане; в биомассе, сосредоточенной на суше, его всего около 1%, то есть около Ю10 тонн, Рисунок 4 показывает потоки связанного азота при его образовании и разрушении в атмосфере и на поверхности Земли. В верхних слоях почвы и в океане связанный азот появляется главным образом в результате жизнедеятельности бактерий и превращается в молекулярный азот, в частности при разложении органического вещества. Летучие соединения азота, главным образом аммиак и его соединения, попадают в атмосферу при испарении влаги, а из атмосферы вымываются дождем и возвращаются в почву или в океан. Следует отметить, что эти соединения составляют основу аэрозолей.

Важную роль в связывании азота играет человек.

Удивительный парадокс сопутствует развитию человеческой цивилизации: чем дальше идет она по пути увеличения материальных благ и комфорта в жизни, тем больше зависит от естественных богатств земли. Вот несколько цифр. Некоторые из них, впрочем, стали в последнее время известны не менее, чем самые громкие космические ракорды.

За 75 лет XX века мировая добыча угля возросла примерно в 3,3 раза, нефти— в ИЗ раза, газа — в 632 раза, выплавка чугуна1—в 12 раз, стали — в 17,6 раза, вывозка древесины — в 8 раз. А население Земли увеличилось за это время более чем в 2,4 раза. Если сравнение с началом века кому-то покажется неубедительным, вот те же данные за последние 25 лет (1951—1975 гг.): добыча угля увеличилась в 1,6 раза, нефти — в 8,3 раза, газа — в 6,5 раза, выплавка чугуна— в 3,6 раза, стали — в 3,4 раза, вывозка древесины— в 1,6 раза, а население возросло почти в 1,6 раза.

И, наконец, переработка и использование минерального сырья ведет к образованию большого количества отходов — производственных (иногда небезвредных), эксплуатационных, которые оказываются источником засорения биосферы.

Способов экономии природного сырья не так уж мало, но все они взаимосвязаны, и ни один из них сам по себе не может решить проблему. С каждым днем, например, возрастает значение использования вторичных ресурсов, этих отходов производства, которые наверняка в близком будущем станут хлебом индустрии. Но уже сейчас они определяют собой важнейший фактор повышения эффективности общественного производства, и, что не менее важно, снижения загрязнения биосферы.

Прежде всего, мы должны научиться брать у природы максимум того, что она нам предлагает. Что это означает? Допустим, открыто новое месторождение железной руды с запасами 500 миллионов тонн. Это, к сожалению, не значит, что, построив горнорудное предприятие, мы сумеем, в конце концов, получить все эти пятьсот миллионов. Из-за несовершенства технологии добычи значительная часть сырья теряется при эксплуатации, а существенная часть железной руды так и остается в недрах — 13—14 процентов при шахтной добыче и 8—10 процентов при открытой разработке. Еще больше потери при подземной добыче угля — до 20 процентов. Мы до сих пор не умеем брать более 45 процентов продукта из нефтяного продукта, хотя это и довольно высокий уровень на общем мировом фоне. При добыче цветных металлов потери достигают 15—30 процентов, калийных солей — 50 процентов и т. д.

Конечно, чтобы повысить степень использования месторождения нефти, скажем, до 50 процентов и выше с помощью поддержания пластового давления или других методов, необходимы определенные затраты, которые удорожают стоимость добычи. Тем не менее, учитывая это, можно было бы подождать с созданием еще одного или нескольких нефтедобывающих предприятий. Разумеется, специальные научные исследования и расчеты должны помочь в каждом конкретном случае найти оптимальное решение.

Итак, полнота использования месторождения. Но она состоит не только в уменьшении потерь при добыче. Важнейший путь рационального расходования природных ресурсов — в комплексном их использовании. Сейчас это направление рассматривается, пожалуй, как самое главное. Дело в том, что в природе редко встречается месторождение лишь с одним полезным ископаемым. Обычно из породы извлекается наряду с основным содержимым один-два сопутствующих компонента. Остальное — отходы, так называемая пустая порода, или шлам. Вот наглядный пример. В Загликском месторождении в Азербайджане добывается руда под названием «алунит». На Кирова-бадском алюминиевом заводе, куда она поступает, из нее извлекают три продукта — глинозем, или окись алюминия (основной продукт), серную кислоту и сульфат калия. Остальное идет в отвал. Но в шламе содержатся еще 7 полезных компонентов, в числе которых окись титана. В тонне алунита ее до 10—f5 килограммов. А ведь в шламе алунита еще немало ванадия. Кстати, шлам этого завода уже сейчас ложится тяжелым бременем на земельные угодья. К сожалению, технология извлечения титана из алунита еще не ‘разработана. Но имеется технология получения из шлама (около 90 процентов кремнезема) силикатного кирпича, нужда в котором не иссякает.

Теперь давайте сравним. Сейчас алунит используется на 45 процентов, а при получении из него титана, ванадия и силиция полнота использования возрастет до 90 процентов.

В Армении, на Каджаранском месторождении с значительными запасами меди и молибдена, используются только руды с высоким содержанием этих металлов, а остальное сбрасывается в отвалы. Расчеты показывают, что вовлечение в переработку так называемых «смешанных» степень использования руд месторождения до 84 процентов. Кроме того, переработка этих руд позволит получить немало рения, селена, теллура и других редких металлов, на которые современная техника предъявляет большой спрос.

Сейчас более полное извлечение полезных ископаемых из недр и рациональное, комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов становятся одним из важнейших направлений технической политики в горнорудной промышленности.

Холодильник нужен каждой семье. Но как самостоятельный агрегат в каждой квартире он нерационален. Не лучше ли в каждом доме иметь один или несколько компрессорных агрегатов, а в квартирах — встроенные шкафы, куда подавать хладагент от централизованного пункта. Расчеты показывают, что на 1 килограмм веса холодильного агрегата бытового холодильника вырабатывается примерно 4—5 килокалорий, а в крупных агрегатах, типа торговых (ФАК), не менее 15, при этом удельная холодопроизводительность (выработка холода на 1 ватт-час) последнего почти в 1,5 раза превышает показатели первого. Групповое использование бытовых предметов позволит сэкономить большое количество металла (значительная часть его — нержавеющая сталь), полистирола, кабеля, приборов и других материалов; трудовых затрат на их изготовление; средств населения на их покупку и содержание; существенно освободит площади квартир и обеспечит квалифицированный уход за этим оборудованием.

[/smszamok]

Кроме того, переход на групповое использование бытовых приборов значительно сократит потребность в них. А это, в свою очередь, позволит использовать рациональнее освобождающиеся производственные площади заводов, организовывая выпуск других изделий, нужных народному хозяйству и населению, и тем самым экономя значительные капитальные вложения и время.