Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Пламя в невесомости
 Рис. 1а. Пламя свечи в условиях гравитации |
 Рис. 1б. Пламя свечи в условиях невесомости |
В невесомости конвекционные потоки отсутствуют, частички сажи не поднимаются, а пламя свечи принимает сферическую форму (рис. 1б). Из-за того что материал свечи представляет собой смесь предельных углеводородов, они при сгорании выделяют водород, который горит голубым пламенем.
Ученые стараются понять, как и почему огонь распространяется в невесомости. Изучение пламени в условиях невесомости необходимо для оценки пожароустойчивости космического корабля и при разработке специальных средств пожаротушения. Так можно обеспечить безопасность космонавтов и транспортных средств.
В другом эксперименте исследователи Ведхе Нейагам (Vedha Nayagam, Исследовательский центр, Кливленд) и Форман Виллиамс (Forman Williams, Университет Калифорнии, Сан-Диего) в наземных условиях зажгли пластиковый диск размером чуть больше компакт-диска. Диск подожгли в центре, и пламя распространялось к его периферии. Когда диск начали вращать с частотой от 2-х до 20 оборотов/с, пламя приняло форму запятой и стало перемещаться в направлении противоположном вращению.
С помощью этого метода ученые исследуют распространение пламени при возгорании различных материалов.
 Рис. 2. Горящий вращающийся диск |
Проводники из жидкости
 |
На рисунке представлено образование капли воды в масле (A...D). На последнем хорошо виден тонкий канал, соединяющий каплю с соплом (E).
Исследователи установили, что длина этого формирующегося при каплеобразовании канала тем больше (а толщина меньше), чем больше отношение вязкости внешней жидкости к вязкости жидкости, из которой образуется капля. Для объяснения этого явления и разработки соответствующего математического аппарата понадобилось два года работы.
В результате экспериментов по образованию капель в сверхвязких силиконовых гелях ученым удалось получить сверхтонкий канал, толщиной в 100 нанометров. Трудность заключалась в том, что капля геля формируется намного дольше, чем капля воды. Профессор Осман Басаран, принимавший участие в эксперименте сказал, что если образовывать капли из специального вещества, которое полимеризуется на свету, то можно получать из него тончайшие волокна.
Этим способом, как надеется профессор, в будущем можно будет получать тончайшие гибкие волокна из прочнейших материалов и сверхминиатюрные проводники электричества, например, из специальных полимеров. Планируется, со временем, создать проводники с диаметром меньшим, чем длина волны электрона, что позволит значительно снизить тепловыделение и увеличить проводимость, получив некий аналог сверхпроводимости.
Стимуляторы роста
Ростком серебряным
Рванулся ввысь...
М. Цветаева, 1921 г.
Рванулся ввысь...
М. Цветаева, 1921 г.
Давно замечено, что если обрезать верхушечную почку, ветка уже не растет вверх – где уж тут ростку рвануться ввысь! Отрежешь кончик корня, и его рост в длину прекращается...
 |
Дело в том, что на концах веток и корней располагаются так называемые точки роста – миниатюрные химические лаборатории, где вырабатываются сложные органические вещества, стимулирующие рост растений (гормоны роста). Такие вещества называются ауксинами (от греческого ауксо – увеличиваю, выращиваю). Ауксины управляют биохимическими процессами в клетках растений.
Первый ауксин был обнаружен случайно. У хлебных злаков есть постоянный и опасный спутник, сорное растение куколь с крупными темно-розовыми цветками и узкими листьями. Семена куколя содержат ядовитое вещество сапонин (от латинского сапо – мыло), водные растворы которого образуют стойкую пену. На полях, где пшеница сильно засорена куколем, урожай зерна на 70...80% выше, чем на соседних «чистых» полях. Химический анализ семян куколя показал, что в них находится в ничтожно малом количестве один из ауксинов, стимулирующий рост зерен пшеницы и их числа в колосе. Верно сказал в свое время Козьма Прутков: «И терпентин может быть на что-нибудь полезен» (и сорная трава на что-нибудь пригодится)! Этот стимулятор роста получил название гетероауксин и стал широко использоваться в садоводстве и овощеводстве, особенно после того, как химикам удалось искусственно получить его из органического вещества индола.
Растения в природных условиях самостоятельно вырабатывают гетероауксин; содержание его может составлять от 1 до 100 мг на 1 кг сырой массы листьев, стеблей и корней. Обнаружено это вещество и в продуктах жизнедеятельности бактерий и грибов.
Помимо гетероауксина, химики синтезировали другие стимуляторы роста растений и установили, что стимулирующими свойствами обладают гиббереллины и некоторые давно известные вещества, например, янтарная кислота. Действие разных ауксинов неодинаково. Одни ускоряют рост корневой системы растений, другие – цветение и развитие семян и клубней, третьи – рост зеленой массы растения. Как правило, стимуляторы роста в малых дозах ускоряют рост, а в больших почти всегда губят растение: стебли его удлиняются в три-четыре раза, становятся чрезмерно тонкими или, наоборот, толстыми, листья сморщиваются и опадают, и в конце концов растение гибнет. Так, гетероауксин в концентрации 0,06 г/л воды способствует росту многих растений, а свыше 0,6 г/л уничтожает сорняки в посевах пшеницы и листву деревьев.
Чтобы урожай картофеля был выше, следует за один-два дня до посадки обработать клубни водным раствором гетероауксина. После такой обработки картофель растет как на дрожжах: и всходы появляются на 4...5 дней раньше, и средняя масса клубней увеличивается, и растет их число – словом, ждите повышения урожая на 20...30%. К тому же картофель вырастает более питательный и вкусный: в клубнях накапливается больше крахмала, белков и витаминов.
Перед посадкой в грунт саженцев со слабой корневой системой рекомендуют погрузить их до самой корневой шейки в водный раствор гетероауксина с концентрацией 0,06 г/л на 18...20 часов. Такое «купание» поможет юному деревцу прижиться на новом месте за счет усиленного роста корней. При пересадке плодового дерева, корневая система которого хорошо развита, следует обмазать ее со всех сторон сметанообразной массой, состоящей из торфяной крошки и глины, замешанных на водном растворе гетероауксина и сразу же поместить саженец в посадочную яму. После этого дерево полезно полить остатком стимулирующего раствора гетероауксина (хорошо, если этот остаток составляет 5...6 л).
Водный раствор гетероауксина с концентрацией 0,06 г/л используют для замачивания в нем перед посадкой луковиц и клубней цветов (пионов, гладиолусов, тюльпанов и крокусов); время такой обработки составляет не менее суток.
Черенки, обработанные гетероауксином, лучше приживаются и растут, на них быстрее появляются корни. Для обработки деревянистых черенков применяют раствор с концентрацией 0,6 г/л, погружая в него черенки на 2/3 длины и выдерживая их там до суток. Зеленые черенки опускают в раствор меньшей концентрации (0,3...0,4 г/л), погружают только на 1/3 длины и выдерживают 8...12 часов.
Помимо стимуляторов роста (ауксинов), обнаружены и синтезированы вещества с противоположным действием – антиауксины, которые задерживают рост растений. Например, чтобы не было преждевременного прорастания клубней картофеля при хранении, их опрыскивают водным раствором метилового эфира альфа-нафтилуксусной кислоты (препаратом М-1). А если кусты картофеля, грядки свеклы и лука за несколько дней до уборки урожая опрыснуть водным раствором гидразида малеиновой кислоты (препаратом ГМК), то это вещество успеет проникнуть в клубни, корнеплоды и луковицы и задержит в будущем их преждевременное прорастание, не причиняя вреда здоровью человека.
Таким образом, применяя ауксины и антиауксины, можно, как в волшебной сказке, приказать растению: «Расти!» или «Не расти!» – и оно послушно исполнит желание садовода.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)
Явление магнитного резонанса используется для обнаружения и измерения электрических и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества. Это явление обусловлено парамагнитной ориентацией электронного и ядерного токов внешним полем и их ларморовской прецессией относительно направления внешнего поля. Частота ларморовской прецессии пропорциональна напряженности магнитного поля, приложенного в области нахождения прецессирующего электрона или ядра. Когда соседние частицы дают вклад в локальное магнитное поле, он измеряется по сдвигу частоты прецессии. Дополнительный сдвиг частоты прецессии может произойти также за счет неоднородных электрических полей, создаваемых соседними частицами.
Эксперименты, в которых прослеживается отклик атомов на магнитное поле, дают ключевую информацию об атомной механике. Ларморовская прецессия атомов и других частиц в магнитном поле состоит в том, что средний магнитный момент атомов периодически изменяет направление. Описание этого изменения служит прототипом описания нестационарных состояний атомных систем. Изучая нестационарные состояния, мы прослеживаем развитие атомных явлений во времени, тогда как при изучении стационарных состояний мы сосредотачиваемся на свойствах, остающихся неизменными.
 Рис. 1. Прецессия вращающегося волчка. J – момент импульса, Р – сила тяжести, R – реакция опоры, М – вращающий момент. |
Механическим аналогом Ларморовской прецессии служит вращающийся волчок.
Действие вращающего момента, например на атом газа, приводит к гироскопическому эффекту, при котором инерция атома проявляется как момент импульса. Иными словами, воздействие внешнего постоянного магнитного поля B на атомный контур с током аналогично воздействию силы тяжести на вращающийся волчок и описывается аналогичным уравнением. Вращающий момент М волчка стремится опустить его центр масс, поворачивая ось вращения относительно точки опоры. В случае атома с кольцевым током вращающий момент М, определяемый равенством M = [μ•B], стремится повернуть атом вокруг его центра масс. В обоих случаях воздействие вращающего момента изменяет момент импульса J, обусловленный вращением волчка или циркуляцией носителей тока в атоме. Уравнение движения имеет вид:
Векторная добавка dJ/dt к мгновенному значению момента импульса J вызывает прецессию его направления относительно оси, вертикальной в случае волчка и параллельной вектору индукции внешнего магнитного поля B в случае атома. В ходе прецессии угол между J и осью прецессии остается постоянным. Угловая скорость прецессии обычно описывается вектором ω, параллельным этой оси:
Таким образом, мы видим, что атомы могут прецессировать вокруг направления приложенного внешнего магнитного поля.
Схема экспериментальной установки изображена на рис. 2.
 Рис. 2. Схематическое изображение установки для эксперимента по магнитному резонансу. Резонанс достигается в радиочастотном диапазоне. Катушка (а) и резонатор (б) присоединяются к источникам переменного поля и измерителям потери мощности. |
 |
 Современные ЯМР спектрометры |
Исследуемый образец помещается внутрь радиочастотной катушки или микроволнового резонатора, расположенных между полюсами магнита. Крайне высокая точность настройки установки и ее чувствительность при определении поглощаемой мощности – главное преимущество метода магнитного резонанса. В стандартной экспериментальной методике частота колебаний ω поперечного поля поддерживается постоянной и резонанс достигается с помощью изменения напряженности поля B0, что приводит к медленному изменению частоты прецессии γB0. На экране осциллографа при этом можно наблюдать компоненту M, колеблющуюся либо в противофазе с управляющим поперечным полем В1cosωt (т.е. поглощаемую мощность), либо в фазе с ним (рис. 3).
 Рис. 3. Сигналы магнитного резонанса протона в жидком водороде а) Потеря мощности, б) Компонента М, находящаяся в фазе с поперечным полем. |
Магнитный резонанс наблюдается по изменению магнитного момента M образца вещества, помещенного во внешнее поле. Вектор M равен сумме средних моментов <μ> всех атомных систем, составляющих данный образец, обычно наблюдаемые изменения вектора M обусловлены прецессией моментов <μ> отдельных составляющих, например ядер атомов водорода.
Средний магнитный момент <μ> атомной системы, возникающий в результате парамагнитной ориентации, обычно параллелен локальному полю B0, которое мы считаем постоянным. Следовательно, если момент <μ> не отклоняется от направления B0 каким-либо возмущающим полем, то он не прецессирует вокруг B0. При отклонении момента <μ> возникает прецессия с частотой γB0, гиромагнитное отношение γ предполагается известным из других экспериментов. Отклонение <μ> происходит при наложении переменного поперечного поля напряженности В1cosωt, если ω совпадает с частотой прецессии γB0.Такое совпадение частот и обеспечивает возникновение магнитного резонанса. Появление прецессии наблюдается чаще всего по поглощению энергии переменного поперечного поля. Эксперименты по магнитному резонансу позволяют найти распределение поля в веществе в местах расположения токов, для которых наблюдается этот резонанс. Например, в типичном эксперименте по обнаружению резонанса спиновых токов в органических веществах определяются напряженности магнитного поля в местах нахождения различных атомов водорода. Если напряженности Bi, поля в разных точках образца одинаковы, резонанс наблюдается на одной частоте, которая равна ω при Bi = B0 и отличается от нее на постоянную величину в противном случае. Изменение величины внутреннего поля от точки к точке приводит к возникновению резонанса на разных частотах.
1. Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул. Пер. с англ. / Под ред. Л.И. Пономарева. – М.: Наука, 1980.
2. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. [Гл. ред. Д.В. Ширков]. – М.: «Сов. энциклопедия», 1980.
1. Эткин В.А. О специфике спин-спиновых взаимодействий. НиТ, 2002.
2. ПЁРСЕЛЛ (Purcell), Эдуард. Биография нобелевского лауреата. НиТ, 1998.
3. БЛОХ (Bloch), Феликс. Биография нобелевского лауреата. НиТ, 1998.
Антипузыри
 Рис. 1. Процесс образования антипузыря |
 |
 |
Процесс образования антипузыря можно изобразить так, как это сделано на приводимых рисунках. И поверхность воды, и поверхность падающей на нее капли покрыты слоем поверхностно-активных молекул-спичек, при этом вовне обращены концы молекул, «не любящие» воду. Капля, подлетающая к поверхности, изгибает ее. Причин тому может быть несколько. Например, такая: увлечение падающей каплей слоя воздуха, который, препятствуя слиянию капли с поверхностью воды, изгибает эту поверхность. Может играть роль и то обстоятельство, что концы поверхностно-активных молекул, «не любящие» воду, препятствуют слиянию капли с водой, а значит, отталкивают воду от капли. Заключительный этап процесса состоит в том, что над каплей смыкается изогнутая поверхность воды и образуется замкнутая конструкция – мыльный антипузырь.
Опыты с антипузырями обнаружили много фактов и возбудили множество вопросов, безусловно, достойных поисков ответов на них.
Выяснилось, что «отрицательные» мыльные пузыри, значение радиуса которых Rа находится в интервале от 5·10–4 до 5·10–3 м, медленно всплывают к поверхности воды. И притом тем медленнее, чем больше размер пузыря.
Если пузырь лопается в объеме жидкости, возникает газовый пузырек, радиус которого Rп ≈ 10–4 м. Оба эти факта свидетельствуют о том, что на рисунке мы правильно изобразили структуру отрицательного пузыря – газовый сферический слой в жидкости. Толщина этого слоя h связана с величинами Ra и Rп формулой: h = Rп3/3•Ra2, которая легко получается, если объем слоя приравнять к объему всплывающего пузырька.
При Rп ≈ 10–4 м и Ra ≈ 10–3 м оказывается h ≈ 3•10–7 м. Это близко к толщине пленки обычных мыльных пузырей, при которой должны обнаруживаться интерференционные цвета. В одном из описаний отрицательных пузырей сказано, что на их поверхности «...была видна переливающаяся радужная пленка».
Всплывающий мыльный антипузырь подвержен значительно меньшей выталкивающей силе Fв, чем обычный газовый пузырь того же размера. Легко понять, что, в согласии с законом Архимеда, силы, определяющие всплывания газового пузыря (Fп) и антипузыря (Fa) равных радиусов, относятся так, как объемы заключенного в них газа: Fп/Fa = (Rп/Ra)3.
При Rп ≈ 5•10–5 м, а Ra ≈ 5•10–3 м, оказывается, Fп/Fa ≈ 103. Такое отличие сил Fп и Fa и является причиной весьма медленного всплывания антипузыря. Это, например, означает, что, подойдя к поверхности воды, мыльный пузырь, даже если он и не маленький, может не найти в себе силы «пробить» поверхностный слой и выйти из объема.
Попытаемся представить себе, как может лопнуть мыльный антипузырь. Видимо, так же, как и обычный, с тем лишь отличием, что случайно возникшее зародышевое «отверстие» появится не на верхнем полюсе, как у пузыря на воде, а на нижнем полюсе, где газовая прослойка должна быть тоньше. В обсуждаемом случае роль отверстия в истинной пленке должна играть водяная перемычка между жидким ядром отрицательного пузыря и его жидким окружением.
1. Гегузин Я.Е. Пузыри – М.: Наука, 1985.
2. Павлов-Веревкин Б.С. Мыльные антипузыри. «Химия и жизнь» №11, 1966.