Физика и структура материи | Интересные факты

Физика и структура материи

Строение молекул и химия

Задолго до создания электронного микроскопа, вслед за первоначальными открытиями фон Лауэ и Брэггами дифракции рентгеновских лучей кристаллами, был разработан значительно более мощный, хотя и косвенный путь наблюдения даже еще более тонких структур. Эти методы анализа структуры кристаллов были сейчас настолько усовершенствованы, что представилось возможным в очень большом числе случаев определить точное положение, размеры и формы атомов в достаточно сложных молекулах. Так, например, структура молекулы пенициллина была вначале разработана целиком методами рентгеновских лучей, прежде чем она была подтверждена химическим анализом. Рентгеновский анализ показал, что атомы представляют собой определенные, более или менее сферические тела различных размеров, соответственно их внутреннему строению, имеющие внутри молекул или в кристаллах относительно постоянные и измеримые расстояния между ними. Было показано, что воображаемые картины молекул, нарисованные Кекуле и химиками-органиками XIX века для иллюстрации логических следствий химических реакций, имеют материальную и пространственную основу. Рентгеновские лучи являются не единственными коротковолновыми излучениями, которые могут быть использованы для раскрытия структуры молекул и кристаллов. Была также широко использована дифракция электронов, особенно для изучения поверхностных эффектов, часто имеющих жизненно важное практическое значение, и для определения структуры молекул в газах. В более поздние годы была использована также дифракция в кристаллах нейтронов из ядерных реакторов. Они имеют то большое преимущество, что дают сведения о ядрах атомов, а не об электронных облаках. Благодаря этому было обнаружено существование антиферромагнетизма, при котором магнитные моменты атомов располагаются так, чтобы нейтрализовать друг друга, вместо того, чтобы взаимно поддерживать друг друга, как это происходит, например, в ферромагнитном железе.

Внутренние колебания молекул

Картина строения молекул, раскрытая рентгеновскими лучами, была по необходимости статичной. Это была длительная экспозиция, в которой всякое внутреннее движение было затуманено; однако физика XX века компенсировала также и этот недостаток и дала сведения о динамичном поведении молекул, что было равнозначно созданию кинофильма об их движениях. Такое достижение явилось результатом применения квантовой теории молекулярных спектров, в особенности в инфракрасной области, где период колебаний света мог быть настроен в соответствии с естественными колебаниями атомов в молекулах. Как показали в 1928 году Раман и Мандельштам, можно найти величину этих частот с помощью мельчайших изменений, происходящих в цвете видимого света, рассеиваемого молекулами. Скорости колебаний в различных частях молекул должны были обеспечить чрезвычайно точные измерения сил, удерживающих атомы вместе в этих молекулах. Новые физические методы построили таким образом завершенную количественную физическую картину, с учетом расстояний и сил, вместо прежнего чисто формального знания того, как молекулы держатся друг возле друга с точки зрения таких качественных концепций, как валентность и сродство.

Новые химические теории

Уже в 1920 году, опираясь на теории Косселя и Льюиса, а также Ленгмюра, основанные на простой модели атома по Бору,способного присоединять или утрачивать электроны, чтобы превратиться в положительный или отрицательный ион, было возможно переосмыслить неорганическую химию в физических выражениях. Это было огромным выигрышем в рациональности. Химия XIX века могла найти простые формулы для соединении, но не могла объяснить ни свойств этих соединений, ни даже того, почему могли образовываться именно эти, а не другие соединения. Общая область химии могла быть теперь подразделена на четыре подобласти: редких газов, где все электроны оставались прикрепленными к атомам; металлов, где наблюдался избыток электронов; неметаллов, где электронов недоставало, и солей, где произошли обмены между металлическими и неметаллическими ионами. Таково современное обоснование арабо-пара-цельсовонспагирическоп системы ртути, серы, соли. Аналогии, покоящиеся на внешней видимости, находят свое объяснение на основании квантовой теории. С развитием квантовой теории эта общая картина могла в свою очередь принять количественный характер; в случае солей или ионных кристаллов силы, сдерживающие весь кристалл, могли быть вычислены через известные электростатические потенциалы.

Химия минералов

Это оказало непосредственное влияние на понимание сложной химии минералов и горных пород. Подробные рентгеновские анализы Лоренса Брэгга в сочетании с пространными обследованиями всех элементов В.М.Гольдшмидтом (1888—1947) и теоретической прозорливостью Паулинга показали, что устойчивость минеральных структур, а отсюда и их местонахождение в земле зависели от весьма простых соображений. Устойчивый минерал действительно встречается тогда, когда соответствующее число составляющих его атомов, которые могут рассматриваться как сферы различных размеров, плотно и правильно примыкают друг к другу. Мир минералов, некогда представлявший собой хаос, теперь был приведен в порядок, и новые знания о нем сразу же показали свою ценность для понимания распределения элементов в горных породах, а отсюда и сведений о том, где их можно найти. Структура кристаллов действительно должна была оказаться ключом к формулировке принципов геохимии, с помощью которой возможно было проследить быстротечные и длительные преобразования горных пород путем эрозии, отложения, складкообразования и вулканического действия.

Электронная теория металлов и сплавов

Более серьезное практическое значение имели успехи, обусловленные применением рентгеновского анализа к металлам. Оказалось, что эти последние имеют исключительно простую кристаллическую структуру, объясняющую ту легкость, с какой они сплавляются друг с другом. При этом было выяснено, что число свободных электронов, придающих металлам их способность к отражению и одновременно электропроводность, имеет преобладающее значение, что обусловило возможность ввести в металлургию рациональное начало вместо прежнего принципа «проб и ошибок».Но структурное исследование сделало даже больше того: оно объяснило основные, ценные в экономическом отношении, свойства металлов—их пластичность и способность к затвердению, а также способы, с помощью которых их можно ковать, прокатывать и тянуть,—и позволило ввести рациональный контроль этих процессов.

Квантовая теория валентности и межатомных связей

Значительно более сложной, однако, была проблема соединений между неметаллами. Только в 1927 году была найдена первая нить, ведущая к разгадке природы действующих между ними сил. Силы эти были приписаны—это может быть понято только в выражениях квантовой теории—возможности обмена идентичными электронами, принадлежащими одновременно одной паре атомов. И только в 1934 году Гейтлером и Лондоном было разработано количественное объяснение гомополярной или ковалентной связи, которое было применено ими для простейшего случая—молекулы водорода с двумя протонами и электронами. Несмотря даже на то, что метод этот не мог быть количественно применен к более сложным случаям, он все же дал физическое понимание большинства до тех пор совершенно необъяснимых, чисто экспериментальных фактов химии. Он объяснил общую природу химических реакций и то, почему в ходе каждой реакции освобождалось или поглощалось известное количество теплоты, соответствующее изменению в уровнях энергии электронов в начальном и конечном состоянии. Он также пролил свет на самые важные в практическом отношении достижения химии XX века—осуществление реакций с помощью искусственных катализаторов или естественных энзимов, которые, и те и другие, действуют путем уменьшения количества энергии, необходимого для того, чтобы могла начаться химическая реакция, хотя они и не оказывают влияния на ее конечное состояние. В свете этого метода стал ясен и механизм цепных реакций, которые либо в быстрой форме горения в цилиндре двигателя, либо в процессах полимеризации для производства пластических масс приобрели важное промышленное значение.

Взаимоотношения химии и физики

Не следует, однако, представлять себе дело так, что будто бы в результате всех этих достижений химия превратилась в простую отрасль физики. Произошло другое: физическая теория и физические экспериментальные методы все больше проникали в старые качественные идеи и в кустарную практику ранних химиков и рационализировали их. Оперируя все более запутанными и неустойчивыми соединениями, химия возрастала в своей сложности столь же быстро, если не еще быстрее, чем шел процесс преобразования ее основных теорий под влиянием физики. Физика представляет собой орудие для химика, точно также, как химия является полем для теоретических упражнений физика.

Науки о земле. Геология и геофизика

Положение наук о земле—геологии, океанографии и метеорологии—качественно отличается от положения основных наук—физики и химии. Это объясняется более низкой степенью обобщения в этих науках, поскольку они имеют дело скорее с частными положениями и периодами, чем с установлением законов, общих для всех мест и времен. Они содержат больше описательных и исторических п меньше логических и математических элементов. Они являются скорее графиями, чем—логиями. По этой причине, хотя они и выросли колоссально в своем объеме, изменения, которые в них произошли, были обусловлены главным образом новыми техническими методами и новыми идеями, заимствованными у физики и химии.

В XX веке не произошло ничего, что могло бы явиться причиной коренного пересмотра принципов геологии, установленных в XIX веке. Однако они были в огромной степени уточнены и расширены. Под давлением непрерывно возраставшего спроса на нефть, уголь и металлы методы изыскания их были совершенно преобразованы. Возникла новая наука,геофизика, благодаря которой самые усовершенствованные инструменты для гравитационных, сейсмологических и магнитных измерений были приспособлены для использования в поле, а в некоторых случаях и в воздухе. Получаемые с их помощью данные о характере пластов, лежащих на глубине нескольких тысяч футов, были приведены в соответствие с результатами пробных буровых скважин. Геолог прежних времен с его маленьким молоточком стал столь же неуместным, как и прежний старатель с его ослом, киркой и тазом. Их место занимают целые армии инженеров и ученых с самолетами, грузовиками и буровыми вышками, опирающихся в своей работе на структурные теории, причем результаты этой работы проверяются в базовых лабораториях. Именно в этой области новые социалистические страны, освободившиеся от ограничений и секретности конкурентной коммерческой эксплуатации недр, ушли далеко вперед; Азербайджан готовит больше полевых геологов из местного населения, чем Англия.

Полная научная ценность этой массы новых сведений еще недостаточно осознана. В сочетании с геохимией и дополненные экспериментами-образцами, ведущимися по последнему слову техники, новые геологические и геофизические данные должны стать основой для полного количественного объяснения таких явлений, как горообразование, вулканы, землетрясения и ледниковые периоды. Огромные успехи были сделаны в области исторического аспекта геологии путем использования радиоактивных изменений для измерения абсолютного возраста пластов, так что сейчас даты являются такой же неотъемлемой частью истории геологии, как и истории человечества. Применение изотопов для прослеживания точного происхождения различных формаций только еще начинается, однако обещает обеспечить ключ для определения решающих дат в геологии, таких, например, как дата происхождения жизни. Опыт новых методов дал уже достаточно указаний на то, что в геологии, как науке, скоро должно будет совершиться огромное преобразование, однако оно будет иметь место только тогда, когда каждая часть земли будет открыта для использования ее теми людьми, которые на ней живут, и когда механические и научные возможности человечества смогут быть использованы для обнаружения и использования естественных ресурсов в конструктивных, а не разрушительных целях.

Океанография

В то время как в изучении твердой коры земли преобладающее значение имеют структурные и исторические элементы, при изучении вод и атмосферы должен быть понят динамический элемент и быстрота изменений. Классические дни океанографии относятся к XIX веку, когда нанесение на карты океанских течений и измерение глубин представляло собой естественный аккомпанемент к открытию мировой торговли и прокладыванию подводных кабелей. Развитие этой науки в XX веке было более широким, чем эффективным. Настойчиво накапливались данные о физических условиях в океанах, проливался свет на законы испарения, приливов и гонимых ветром течений. Величайший прогресс был достигнут на краях океанских бассейнов, континентальных выступах, изборожденных извилистыми и глубокими каньонами все еще не известного происхождения, которые были изучены с помощью противолодочного прибора первой мировой войны—пьезоэлектрического эхолота. Морские десантные операции второй мировой войны привели к первому подлинно количественному изучению морских побережий, волн и течений, которые участвуют в их образовании. Со времени окончания войны было проведено захватывающее изучение глубоководного морского дна, которое люди начинают посещать в батисферах. Длинные цилиндрические куски грунта, которые могут теперь извлекаться из ила глубоководных морей с помощью колонковых буров, свидетельствуют о десятках миллионов лет постепенных отложений,и их интерпретация дает ключ к познанию климатов ранних веков. На еще большей глубине взрывное эхолотирование проследило отложения вплоть до самой кристаллической коры. Здесь океанография идет в ногу с геофизикой и сейсмологией, и заинтересованность в результатах этих исследований является более чем чисто академической. До сих пор человек эксплуатировал только подземные богатства; значительно более обширные подводные пространства еще ожидают, чтобы их вскрыли.

Метеорология

С другой стороны, воздух полностью занял подобающее ему место в научных исследованиях только в XX веке, когда потребность в воздушных сообщениях в мирное время и даже в еще большей степени во время войны стимули-решала ежечасное знание температур и ветров. Требовалось познать также и более высокие слои атмосферы, выходя далеко за пределы сферы деятельности старых, связанных с землей метеорологических станций. Одним из первых плодов этого явилось открытие в 1900 году верхней границы возмущенных нижних слоев воздуха, тропосферы, и существования плавно текущих более высоких слоев стратосферы. Следующее решающее открытие было сделано в 1918 году Бьеркнесом, выдвинувшим свою теорию полярного фронта циклонов. Сам циклон едва ли представлял собой какое-то новое открытие. Это—явление, которое вряд ли может пройти незамеченным: небесный дракон китайцев, страшный, но в конечном счете благодетельный и приносящий дождь, представляет собой олицетворенное торнадо. Первое точное описание его было дано Дампьером в 1687 году; первое объяснение его как явления поднимающихся вверх масс воздуха, которые начинают крутиться под действием вращения земли, было предложено Эспи в 1841 году.

Эго объяснение было дополнено Бьеркнесом, который выступил с концепцией решающего значения, утверждавшей, что изолированные массы теплого и холодного воздуха взаимодействуют только на наклонных плоскостях” контакта—холодных и теплых фронтах,—результатом чего являются облака и дождь. Теория Бьеркнеса была косвенным или, быть может, негативным следствием первой мировой войны. Будучи отрезан в Норвегии от зарубежной метеорологической информации, он был вынужден изобрести самостоятельный способ предсказания погоды. Введя в метеорологию третье измерение, Бьеркнес предвосхитил новое огромное значение физики высоких слоев атмосферы, которой предстояло вырасти из насущных потребностей авиации. Во время второй мировой войны эти потребности были отчасти удовлетворены путем использования радиоприборов, в частности радиозонда, передающего метеорологические сведения из точно локализуемых шаров, и с помощью прямого применения радиолокации, особенно ценной при изучении штормовых условий. Даже непрерывный дождь имеет поддающийся обнаружению радиолокацией плоский потолок, где оп образуется из тающего снега. Несмотря на все это новое богатство сведений и даже несмотря на наличие электронных вычислительных машин, тщетно ожидающих, чтобы их уменьшили до приемлемых размеров, метеорологии еще только предстоит стать полноценной наукой со своими количественными законами, связанными с остальными областями физики.

лучшая сантехника склад для дома .