Синхротронные источники излучения.
Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемом длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых телопределение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений - успешному решению этихи других задач способствует синхротронное излучение.
Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.
Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне - ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия, масс спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т. п. - позволяют исследовать состав и структуру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологических процессов.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т. п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем. Масса частиц может быть определена двумя способами:
измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа 14С среди 1016 атомов 12С. Такое содержание изотопа 14С соответствует, согласно радиоизотопному методу определения возраста пород возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава 1 строения молекулы в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.
Комбинированные приборы - хромато-масс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации од ного из самых ядовитых веществ - изомеров диоксина.
Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром - лучший аналитический прибор для работы со сложными смеся ми, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биола гаи, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора ограничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спекгроскопии значительно расширились. Существенно увеличились предельные молекулярные массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопив Например, плазменная десорбция с применением бомбардировки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и про извести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные характеристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестного вещества методом масс-спекгроскопии достаточно всего 10-10 соединения. В плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны в концентрации 0, 1 мг на кило грамм массы тела.
Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящая внутри клетки.
Для определения строения молекул необходимо знать пространственное расположение атомов. Зная молекулярную структуру, легче понять физические и химические свойства соединения, механизмы химических реакций и идентифицировать новые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур - Рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции, позволяет изучать все те соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают рентгенограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентгеноструктурный анализ способствовал получению феромонов насекомых, применяемых для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для увеличения производства пищи и биомассы.
Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, основанная на дифракции нейтронов. Для нейтронографии необходимы потоки нейтронов, которые получаются в ядерных реакторах, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии - высокая точность определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при определении структур сверхпроводников, рибосомы и других сложных молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в образовании водородных связей, определяющих строение белков.
Важнейшие достижения современного естествознания
Несмотря на отставание экспериментальных исследований от теоретических, в естествознании второй половины XX столетия благодаря развитию экспериментальной базы достигнуты значительные успехи. Невозможно перечислить все достижения во всех отраслях естествознания, но можно однозначно утверждать, что большинство из них воплотилось в современных наукоемких технологиях. Высокотемпературная сверхпроводимость, молекулярные пучки, химические лазеры, достижения ядерной химии, химический синтез ДНК, клонирование и т. п. - вот некоторые °чень важные достижения современного естествознания.
Высокотемпературная сверхпроводимость. История сверхпроводимости начинается с 1911 г, когда датский ученый X. Камер-линг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры
жидкого гелия, составляющей около 4, 2 К, электрическое с противление этого металла скачком уменьшается до нуля. А это означает, что металл при данной температуре переходит сверхпроводящее состояние. По мере синтеза новых материал сверхпроводников температура перехода их в сверхпроводящее состояние неуклонно повышалась. В 1941 г. для бинарного сплава NaN была установлена температура сверхпроводящего перехода около 15 К, а в 1973 г. - примерно 23 К для другого бинарного сплава - NвGe.
С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости: был синтезирован четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода которых составляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное время температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и д же выше 100 К. В результате многочисленных эксперимент было установлено, что четырехкомпонентные оксиды меди, обладающие сложной кристаллической структурой, переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.
В 1992 г. синтезирован материал, переходящий в сверхпроводящее состояние уже при 170 К. Такое сверхпроводящее состояние можно реализовать при охлаждении не жидким азоте а более дешёвым охладителем - жидким ксеноном. Этот сверхпроводящий материал состоит из оксида меди, стронция кальция; структура его относительно проста.
Широкое применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различного рода электрических цепях, и особенно при электропередаче, потери которой составляют около 20% при использовании обычных проводников.