Химия

Содержание раздела

Химия жизни

Новое

(О новых последних открытиях, о новых загадках, о новых поисках решения старых загадок)

В этой небольшой главе, добавленной перед самым отправлением тома в типографию (март 1973 г.), рассказывается о некоторых, самых последних, достижениях разных областей науки о веществе и движении. Но многое еще требует проверки. Думается, что вам будет очень интересно проследить дальнейшее развитие этих открытий, а может быть, и самим принять в этом участие.

Новые наблюдения и открытия

Десять миллиардов атмосфер с помощью лазера

Советские физики открыли способ создания давлений порядка десяти, миллиардов атмосфер (около 10¹⁵ Па). При таком чудовищном давлении твердое вещество должно сжиматься в тридцать раз. Это было достигнуто при помощи сферически симметричного облучения дейтериевой мишени лазерным излучением. Мишень разогревалась до 60 млн. градусов. Одновременно возникали нейтроны, что указывает на возможность термоядерной реакции с использованием лазерных систем.

Металлический алмаз

Созданы установки, на которых получают рекордные постоянные давления в несколько миллионов атмосфер (свыше 10¹¹ Па). Это помогает физикам сильно расширить границы исследований состояния различных веществ. Особенно интересные результаты получены при изучении влияния высоких давлений на кристаллы алмаза. Оказалось, что электрическое сопротивление алмаза уменьшается более чем в миллион раз, что, по-видимому, указывает на переход алмаза в металлическое состояние.

Самая низкая температура

Ученые США получили пока самую низкую температуру — она всего на две-три миллионных кельвина выше абсолютного нуля. Такая температура получена в результате исследований упорядоченной атомной структуры гелия-3.

Лазерный луч разделяет изотопы

Современная техника нуждается в чистых изотопах многих элементов. Ядерной технике нужен уран-235, для термоядерных процессов — тяжелый водород; биология и агрономия в своих исследованиях уже не могут обойтись без тяжелого кислорода ¹⁸О, без тяжелого азота, без изотопов серы. Физико-химические свойства различных изотопных соединений одного и того же элемента настолько близки между собой, что различие еле ощутимо. Приходится создавать гигантские многоцикловые технологические схемы, в которых тысячекратно, на тысячах ступенек повторяются одни и те же операции, что и позволяет накопить за счет ничтожных изменений изотопного состава в одной ступени большое обогащение. Процесс идет на гигантских заводах с огромной затратой энергии. Используют или различие в скоростях диффузии, или центробежную силу в центрифугах, совершающих тысячи оборотов в секунду, или ничтожные различия в химических свойствах элементов.

Советские исследователи сделали открытие, которое, возможно, совершит полный переворот во всей промышленной технологии разделения изотопов. Была создана новая конструкция лазеров с плавно изменяемой частотой излучения. Частоты колебаний молекулярных спектров лежат в инфракрасной области и зависят от изотопного состава молекулы. Если настроить инфракрасный лазер на частоту колебаний молекулы, в которой содержится нужный исследователю изотоп, то благодаря резонансу можно избирательно подействовать на нужную молекулярную связь и разрушить ее.

Это было осуществлено на процессе разделения изотопов азота. Обычный аммиак состоит из смеси двух аммиаков, один из которых содержит легкий изотоп — азот-14, другой — тяжелый — азот-15. Химически эти аммиаки почти неразличимы. Луч инфракрасного лазера, настроенного на частоту излучения молекул тяжелого аммиака, был пропущен через сосуд со смесью двух аммиаков. Затем смесь была подвергнута мощному импульсу облучения другим лазером с частотой в ультрафиолетовой области. При этом возбужденные молекулы аммиака с атомами тяжелого изотопа были разрушены, а «легкие» молекулы остались невредимыми. Химически отделить аммиак от продуктов его разрушения не составляет никакого труда.

Так, однократное облучение лазерными лучами заменило тысячи повторных операций в гигантских цехах современных заводов по разделению изотопов. Самое замечательное в этом открытии то, что лазерный луч, оказывается, может стать в руках химика универсальным средством тончайшей перестройки молекул.

Открытие антигелия

Физики уже давно твердо установили, что у каждой элементарной частицы существует свой, как бы зеркальный двойник — античастица. Античастицы сходны между собой, но некоторые их свойства об-ратны по знаку. Самую первую античастицу в космических лучах обнаружил академик Скобельцын. Она вела себя настолько странно, что только через несколько лет американский физик К. Андерсон установил, что это были античастицы электрона, получившие название «позитрон». Позднее на большом ускорителе в Беркли (США) были открыты антипротон и антинейтрон. Затем в Женеве было обнаружено ядро атома тяжелого антиводорода — антидейтрон. На одном из самых больших в мире ускорителей в Серпухове (СССР) было открыто ядро атома легкого изотопа антигелия — антигелий-3.

Таким образом, доказано, что в мире существуют все элементарные античастицы, необходимые для построения антиматерии, и уже открыты ядра простейших антиатомов антидейтерия и антигелия. Этим подтверждается возможность существования во Вселенной антивещества. Впервые сгусток антиматерии был получен в Новосибирске: интенсивный пучок позитронов в вакууме.

«Печка» «Лунохода»

Замечательным советским автоматическим станциям «Луноход-1» и «Луноход-2» предстояло работать на Луне в очень тяжелых условиях. Температура поверхности лунной почвы лунным днем поднимается до 4-130° С, а лунной ночью опускается до —170° С. Чтобы вся сложнейшая аппаратура автоматической станции могла работать нормально и совершенно безотказно, чтобы не могла выйти из строя ни одна система радиосвязи и была бы обеспечена абсолютная надежность, полная автономность и безотказная работа всей установки в течение многих месяцев — огромные температурные перепады недопустимы. Для нормальной работы всех приборов внутри «Лунохода» должна поддерживаться почти постоянная оптимальная температура. Для этого он снабжен удивительной «печкой» — компактной, легкой и совершенно безотказной. «Топливом» в ней служит искусственный радиоактивный изотоп полоний-210. Его получают в атомном реакторе, облучая в течение длительного времени металл висмут. Полноний-210 распадается наполовину за время достаточно длительное, чтобы обеспечить теплом «Луноход» во время работы его на Луне, но и достаточно короткое, чтобы выделялось нужное количество тепловой энергии. Период его полураспада равен 138 дням. При распаде он выделяет частицы и очень в малой степени у-лучи и нейтроны. Изотоп полония-210 очень удобный тепловой источник не только для работы в космосе, но и в земных условиях — не нужна радиационная защита.

Благодаря полониевой «печке» наш «Луноход-1» успешно проработал на Луне одиннадцать лунных суток или почти десять с половиной земных месяцев, прошел по Луне 10 540 м, 20 тыс. раз сфотографировал лунную поверхность, выполнил 500 измерений свойств лунного грунта и 25 анализов химического состава лунных пород. Правда, на «Луноходе» есть еще солнечные батареи, которые работают лунным днем и обеспечивают энергией всю его аппаратуру, но в течение лунной ночи они безжизненны. Безотказная изотопная «печка» «Лунохода» — замечательное достижение советских ученых и инженеров.

Чем были пробиты шлемы космонавтов

Шлемы американских космонавтов были изготовлены из поликарбонатного материала лексан. После полета в космосе шлемы были тщательно изучены. В них обнаружили сквозные треки космических частиц, в среднем по три пробоины на каждые 2 см² поверхности. После полета корабля «Аполлон-12» у всех трех космонавтов было одинаковое число космических пробоин, хотя один из них оставался в кабине, а два других высаживались на Луну.

При полете корабля «Аполлон-8», проходившем в период большой солнечной активности, число треков в шлемах космонавтов было значительно меньше, что можно объяснить усилением магнитного поля Солнца, сильнее отклоняющего на себя потоки космических лучей. Частицы высоких энергий, пронизывающие шлемы космонавтов, — это чаще всего ионизированные атомы элементов, занимающих в таблице Менделеева места под номерами 24—28: хром, марганец, железо, кобальт, никель. Значит, эти элементы, как считают исследователи, тоже присутствуют в космическом пространстве. Обнаруженные дозы проникающего космического излучения пока безопасны для космонавтов. Но при длительных полетах ими уже нельзя пренебрегать. Если экспедиция на Марс займет два года, то примерно пять из каждых 1000 клеток сетчатки глаза будут поражены, что уже опасно.

Совершенно необычайный сплав

В одной из лабораторий США исследователи работали со спиралью, изготовленной из сплава титана с никелем. Спираль была растянута под большой нагрузкой и превратилась в прямую проволоку. Потом она случайно была нагрета. На глазах у пораженных экспериментаторов проволока вдруг сама собой снова свернулась в спираль. Так было открыто удивительное свойство некоторых сплавов, содержащих титан, «запоминать» свою форму и снова ее восстанавливать при нагревании.

Любое изделие из нитинола (так был назван этот необычайный сплав) можно нагреть и охладить, затем как угодно смять, скрутить, до неузнаваемости деформировать. А если изделие снова нагреть, то оно немедленно примет свою прежнюю форму. Никто не знает, чем это можно объяснить.

Новые и старые нерешенные загадки

Старая великая загадка

Не следует думать, что наука решает все возникающие перед ней задачи по мере их появления. Существует много таких принципиальных проблем, которые столь же стары, как стара сама физика, но до сих пор они не нашли решения.

Каждый школьник, изучающий физику, уже знает, что законы взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов совершенно одинаковы. А именно: сила взаимодействия электрических зарядов (магнитных полюсов) прямо пропорциональна произведению зарядов (полюсов) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В чем же тогда разница между электрическими зарядами и магнитными полюсами? При попытке дать ответ на этот вопрос мы сразу сталкиваемся с одной из наиболее глубоких загадок во всей современной физике: оказывается, что заряд квантован! Заряд электрона наименьший. Положительные заряды протонов в точности равны заряду электрона и отличаются только по знаку. Наименьший заряд в принципе нельзя разделить на еще меньшие части. Все заряды, всюду, во всей Вселенной всегда являются целыми кратными заряда электрона. Причины этого (если они существуют) неизвестны. Попутно отметим, что массы не квантуются. Хотя и известно, что существуют элементарные частицы, массы которых нельзя разделить на более мелкие части, их массы не составляют целого кратного от какой-то наименьшей. Почему — мы тоже не знаем.

Мы пока не знаем, квантуются ли магнитные полюса. Они существуют в природе только в виде диполей: двух противоположных полюсов, соединенных вместе. Разрезав поперек любой магнит, обязательно получим два новых магнита, и у каждого будет опять по два полюса. Физики-теоретики уже давно выдвинули гипотезу о возможности существования монополей — магнитных «зарядов» одного знака. Но физики-экспериментаторы, несмотря на все усилия, уже в течение нескольких десятилетий найти их не могут. Существуют ли отдельные магнитные полюсы — монополи, мы не знаем.

Кварки — новая нерешенная загадка

Очень много внимания уделяют физики элементарным частицам: электронам, протонам, нейтронам, образующим атомы и их ядра. Кроме них найдено еще много других нестабильных элементарных частиц, распадающихся после образования. При столкновении элементарных частиц друг с другом происходят различные процессы превращения одних частиц в другие. Название «элементарные частицы» означает, по-видимому, только то, что мы еще не знаем их структуры.

Уже известно много десятков элементарных частиц с разными свойствами, с разной массой и разными зарядами. Их множество, и законы их взаимного превращения стали загадкой. И вдруг оказалось, что все свойства элементарных частиц и их античастиц, все их отличительные признаки можно очень хорошо описать и свести все их множество в одну стройную систему, если предположить, что они построены из очень малого числа первичных частиц — всего только трех. Эти три частицы (и их античастицы) были названы кварками, (это странное слово было заимствовано из одного фантастического романа — так кричали фантастические птицы). Пришлось приписать этим выдуманным, гипотетическим частицам очень странные свойства: кварки должны иметь дробные электрические заряды, равные 1/3 и 2/3 заряда электрона. Не менее странными должны быть и их остальные свойства.

Гипотеза кварков многое объяснила в физике элементарных частиц. Многие теоретические предсказания на основе этой теории блестяще оправдались. Но усердные поиски кварков, которые много лет упорно ведут физики всего мира, пока безуспешны. Никто еще не знает, где и как их искать. Каковы свойства частиц с дробным зарядом? Какова их химия? Как же можно их собрать и изучить? Может быть, поэтому они до сих пор и не найдены. Последние поиски кварков советскими физиками с помощью одного из самых больших в мирэ ускорителей в Серпухове дали отрицательные результаты. Но все же никто не может еще сказать, что кварков в мире нет. Надо их искать.

Самая главная сила Вселенной

Два электрона, находясь на расстоянии одного метра, отталкиваются друг от друга с силой 2,6*10^-29 Н (сосчитайте и проверьте). Эти же два электрона, на том же расстоянии, притягиваются благодаря гравитационному взаимодействию с силой 5,6*10^-73 Н. Следовательно, гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабое. Оно приблизительно в 4*10⁴² раз (!) слабее, чем электростатическое. Силы притяжения — самые слабые силы во Вселенной. Но в то же время гравитацию можно назвать самой главной силой в мире. Электрическое взаимодействие отсутствует у нейтральных, незаряженных тел. Для тяготения нет исключений. Все, что существует в природе, ему подвержено. Все тела притягивают друг друга. Кванты света, обладая массой, также притягиваются тяжелыми телами. Световые лучи изгибаются и отклоняются, проходя мимо таких тел.

Природа сил гравитации остается загадкой. Попытки физиков построить их теорию рождают множество вопросов. Существуют ли кванты гравитации — гравитоны? Где и как их искать? Возможна ли антигравитация? Возможны ли волны гравитации? Существуют ли частицы с отрицательной массой? Они должны иметь скорость больше скорости света! Физики для них уже придумали название — тахионы.

«Черные дыры»

Теория предсказывает, что звезды с массой в десятки раз больше Солнца после выгорания в них водорода и гелия, после исчерпания запаса звездного горючего, когда ослабевает внутризвездное световое давление, поддерживавшее звезду в равновесии, должны резко сжаться. С уменьшением размеров звезды силы тяготения резко возрастают. Существует такой критический радиус звезды, при котором ничто, никакое излучение, попавшее в ее сферу притяжения, не может вырваться «наружу». Эта сжавшаяся, кол-лапсировавшая звезда поглощает все, всякое излучение, но сама ничего не испускает. Такое фантастическое, страшное космическое тело получило образное название — «черная дыра». «Черную дыру» увидеть нельзя, но ее чудовищная масса должна влиять на соседние звезды, и по их поведению можно обнаружить присутствие «черной дыры». Астрофизики ищут их в космосе.

Волны гравитации

Особенно упорно и настойчиво физики США и СССР пытаются обнаружить приходящие из космоса гравитационные волны. Эти волны должны возникать при изменении расположения больших космических масс и распространяться со скоростью света. Они должны излучаться при вращении двойных звезд, при столкновении плотных звезд.

Результаты сложных экспериментов американских исследователей как будто бы подтверждают существование вспышек гравитационного излучения, нерегулярно повторяющихся несколько раз в месяц и излучаемых из центра Галактики. Если эти опыты верны, то мощность гравитационного излучения из центра Галактики в миллион раз превышает мощность всех видов излучения, вместе взятых. Некоторые физики считают, что только столкновение «черных дыр» может стать причиной выделения такой энергии в виде гравитационных волн. Поверить в это трудно.

Где кончается химия

Там, где начинается сверхплотное вещество, там химия, как мы ее понимаем, кончается. Что такое ядра галактик — ответить трудно. Это сверхмассивные объекты. Не просто очень большие — очень плотные звездные группировки вроде шаровых скоплений, как полагали астрономы еще четверть века назад. По данным последних астрофизических наблюдений, диаметры галактических ядер, возможно, меньше светового года, а средняя плотность вещества там в миллионы раз выше, чем в шаровых скоплениях. Не исключена возможность, что ядра галактик состоят

из сверхплотного вырожденного вещества. В таком случае ядро галактики, подобно нейтронной звезде, должно быть сплошным атомным ядром гигантских размеров: нейтроны, протоны, более тяжелые барионы. А химия, как известно, наука об элементах... Впрочем, это не означает, что химические понятия и закономерности для ядра галактики абсолютно неприемлемы. Термодинамические понятия здесь, бесспорно, продолжают действовать.

Еще одна загадка нейтрино

Нейтрино — самая загадочная из всех элементарных частиц: масса его равна нулю; скорость равна скорости света; длина свободного пробега больше видимых размеров Вселенной. Возникает нейтрино в ядерных реакциях вместе с позитроном, в реакциях бета-распада вместе с электроном образуется антинейтрино. Никто не знает, куда они исчезают. Физики все же сумели поймать эту неуловимую частицу. Они воспользовались тем, что антинейтрино способно реагировать с протоном. При этом возникают позитрон и нейтрон, а их можно обнаружить. Вероятность такой реакции исчезающе мала. От мощного атомного реактора удалось зарегистрировать около трех отсчетов в час. Но всЈ же удалось.

Но все попытки обнаружить поток нейтрино от Солнца, где в гигантских масштабах протекают ядерные реакции, пока окончились неудачей. От Солнца к нам на землю нейтрино не приходят. Куда же они деваются? Может быть, мы неправильно представляем себе, что происходит на Солнце? Это совершенно невероятно. Может быть, нейтрино до Земли не доходят? Была высказана гипотеза, что наши представления о природе нейтрино неверны и что на самом деле это нестабильная частица, продолжительность жизни которой меньше 500 с. Столько времени ей необходимо, чтобы долететь от Солнца до Земли.

Что же с ней по дороге происходит? Во что она превращается ?

Невероятно!

Опубликованы два странных сообщения. Они относятся к разным областям физики, но в обоих затрагиваются самые основы современного естествознания и оба совершенно невероятны. Радиоастрономы обнаружили в космосе два квазара, которые, судя по их спектрам, удаляются от нас со скоростями, значительно превышающими скорость света: один — в четыре, другой — в шесть — десять раз. Пока нет доказательств, чтобы подвергать сомнению основной постулат современной физики.

Возникло сомнение: постоянна ли постоянная Планка — одна из фундаментальных констант природы, которая связывает энергию кванта с частотой световой волны? Возникло сомнение: одинаково ли значение постоянной Планка в разных частях Вселенной? Если оно не одинаково, то свет, приходящий к нам из очень далеких областей, не будет поглощаться межзвездным газом в нашей Галактике, так как кванты этого «чужого» света будут отличны от квантов «нашего» света. Исследования спектра излучения далекого пульсара Крабовидной туманности показали, что оно, по-видимому, не испытало никакого поглощения. Похоже, что постоянная Планка для пульсаров отличается от постоянной Планка для межзвездного газа.

Обоим сообщениям поверить трудно. Может быть, их не подтвердит более тщательная проверка. Может быть, будет найдено простое объяснение. А может быть, вам придется еще раз пересматривать основы современной физики. Конечно, этим не исчерпываются все открытия и все нерешенные загадки.

перейти к началу страницы