Текст книги "Юный техник, 2004 № 09"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Как взвесить… невидимку?

Оглянитесь вокруг. Дома, автомобили, самолет в небе. По радио объявили о запуске нового космического корабля… Все это и многое, многое другое было б немыслимо, если бы люди не знали, из какого вещества что делать, не умели составлять сплавы с заранее заданными свойствами, не умели анализировать, что у них получается. Причем все чаще примеси в том или ином материале (скажем, в полупроводнике) нужно исчислять с точностью до молекулы. Но как определить, что это за молекула?

Обычно это делают по ее молекулярному весу. Взвешивать же молекулы научились далеко не сразу. История тут длинная. Вот некоторые ее фрагменты…

Чтобы взвесить, нужно… сжечь?

Даже если бы мы вдруг настолько уменьшились в росте, что могли бы оперировать отдельными молекулами, которые разглядеть можно далеко не во всякий микроскоп, взвесить эти частички вещества оказалось бы не просто. Прежде всего, молекулы мечутся в броуновском движении. Особенно это свойственно молекулам газа. И когда встала задача научиться их взвешивать, к ней долго не могли подступиться.

Вот как справился с этой задачей в 30-х годах XIX века известный немецкий химик Юстус Либих. Он по-своему интерпретировал совет литературного героя – Тартарена из Тараскона.

Если помните, этот литературный родственник барона Мюнхгаузена разработал такой способ ловли львов в африканской пустыне. «Нужно просеять песок, – советовал он. – Когда он весь высыпется, в остатке останется чистый лев».

Поскольку химику приходится иметь дело вовсе не с песком и львами, то Либиху пришлось поломать голову над тем, как осуществить совет Тартарена на практике. И установка для поимки молекул, в конце концов, приобрела такой вид (см. рис.).

В длинную трубку из огнеупорного стекла помещается платиновый тигель с исследуемым веществом и нагревается газовой горелкой. Чтобы вещество лучше горело, в атмосферу трубки добавляют окислитель (чистый кислород), а по соседству размещают катализатор – обычно это окись меди. Далее следует конденсатор или водяной холодильник, в котором вещество, превращенное на горелке в дым, снова становилось жидким или даже твердым. Ну а чтобы разделить и взвесить компоненты дыма, Либих использовал ряд ловушек с веществами-поглотителями.

Предположим, нам пришлось бы анализировать состав воздуха. Тогда воду или водяной пар можно поглотить прокаленным хлористым кальцием (это вещество и по сей день представляет собой самый ходовой в лабораторной практике осушитель). Кислород сгорит. Углекислый газ (двуокись углерода) будет поглощен натронной известью. А в трубке останется чистый азот.

Остается понять, сколько чего было изначально. Для этого Либих взвешивал тот или иной поглотитель до и после реакции на обычных лабораторных или аптекарских весах. И по разнице масс определял количество того или иного газа в смеси. Ничем же не поглощенный азот экспериментатор собирал в отдельной емкости и измерял объем собранного газа.

Схема прибора Свентославского. При кипении раствора в сосуде левый термометр орошается кипящей жидкостью, а правый измеряет температуру паров растворителя. Разность их показаний подставляют в специальную формулу, по которой и вычисляют молекулярную массу исходного вещества.

Говорят, он так поднаторел в своих опытах, что ухитрялся, взяв всего лишь 0,5 г исходного вещества, проводить анализ с точностью 0,3 %, или 0,0015 г.

Впрочем, хотя установку Либиха по сей день используют в лабораторной практике, до взвешивания отдельных молекул еще далеко. Несмотря даже на то, что впоследствии лауреат Нобелевской премии, австриец И. Прегль создал лабораторные микровесы точностью до 1 мг, а сам анализ проводится автоматически, и процентный состав той или иной смеси печатается на бумажной ленте или высвечивается на экране компьютерного дисплея. Тем не менее, первый шаг был сделан!

Не испарим, так заморозим!

Более точно удается определять молекулярную массу газов по ее объему. Это стало возможным после того, как в 1811 году итальянский химик А. Авогадро открыл закон, носящий его имя. Согласно ему, «грамм-молекула любого газа занимает при нормальных условиях объем в 22,4 литра».

Обычно в лабораториях при этом используют прибор Свентославского, представляющий собой довольно сложную конструкцию из стекла, обращаться с которой приходится с особой осторожностью. А поскольку далеко не все вещества легко превращаются при нагревании в пар, то для анализа особо тугоплавких веществ используют тот факт, что с повышением содержания примеси температура плавления смеси понижается. Это правило используют и для самой очистки вещества. Стержень из него расплавляют на узком участке, а затем медленно передвигают нагреватель, смещая таким образом зону плавления. И все примеси постепенно смещаются к одному концу стержня.

Такой способ зонной плавки, например, очень выручил создателей первых полупроводников, которым были нужны материалы исключительной чистоты (99,999 %), но и с его помощью отдельную молекулу не взвесить.

Примерно так выглядят на графике диаграммы рассеивания «ядер» – молекул разного удельного веса; сильнее всего отклонятся в магнитном поле наиболее легкие частицы.

Положение не спасло и предложение пойти «от обратного». Некоторые вещества при анализе теперь не расплавляют, а, напротив, замораживают. И замеряют температуру замерзания смеси с помощью, например, термометра Бекмана – длинного лабораторного градусника, устроенного так, что на его шкале отмечены не только десятые, но даже тысячные доли градуса.

При этом известно, что если чистая вода замерзает при 0 °C, то соленая – при более низкой температуре. И чем выше соленость, тем ниже точка замерзания. Таким образом, кстати, удается довольно точно замерять не только соленость, скажем, проб морской воды, но и опреснять ее. Известно, например, что в природе довольно часто ледовые поля Северного Ледовитого океана состоят из пресного льда, с вмороженными в него капсулами особо соленой и потому не замерзшей воды.

Химиков не устраивает лишь то, что для большей точности анализируемую жидкость приходится постепенно охлаждать несколько раз, на что обычно уходит не менее 2–3 часов. Так что ни о какой оперативности анализа не может быть и речи. Да и вещества должно быть никак не менее нескольких сот миллиграммов.

Сумасшедшая стрельба

Даже самые умудренные опытом химики были поражены, когда физики предложили им использовать для анализа и взвешивания вещества своего рода… пушку. Но согласились, поняв суть дела.

Представьте себе кучу ядер из разных материалов, сваленных вперемешку – каменных, чугунных, даже деревянных. Их, конечно, неплохо было бы рассортировать. И вот некий сумасшедший артиллерист-вояка предлагает сделать это следующим образом.

«Все ядра хоть и одинакового диаметра, но различного веса, – рассуждает он. – Самые легкие – деревянные, затем следуют каменные и, наконец, чугунные. Стало быть, если каждый раз при выстреле мы будем закладывать в пушку одно и то же количество пороха, то дальше всех полетят деревянные ядра, ближе упадут каменные и, наконец, совсем неподалеку – чугунные. Остается расставить на соответствующей дистанции ящики и ловить в них ядра»…

Идея, казалось бы, сумасбродная. Хотя бы потому, что наш артиллерист не учитывает разброса ядер при стрельбе, сопротивления воздуха и многих других факторов. Но… Примерно так ведь и работает современный масс-спектрограф. Берется ничтожная крупинка вещества и испаряется в камере, где создан почти космический вакуум (давление одной около стотысячной доли миллиметра ртутного столба). В таких случаях, например, многие органические вещества – наиболее сложные для анализа – превращаются в пар, состоящий из отдельных не связанных друг с другом молекул, даже без нагрева.

Потом этот пар облучают пучком электронов. Сталкиваясь с молекулами, электроны, словно ядра, вышибают из молекул своих собратьев, превращая молекулы в положительно заряженные ионы. В результате такой операции масса самой молекулы изменится лишь на величину массы электрона, а она ничтожна, зато она приобретет электрический заряд, с помощью которого ее легче отсортировать от других.

С этой целью ионы сначала разгоняют электрическими полями, а потом пропускают поперек силовых линий магнитного поля. При этом возникает сила Лоренца, пропорциональная заряду, скорости и напряженности поля, а также массе иона. Чем ион легче, тем сильнее он отклонится под действием магнитного поля. Молекулы-ядра разной массы попадут в различные «ящики»-секции специальной мишени, выбивая из нее опять-таки электроны. Возникает вторичный ток, который затем усиливают и фиксируют либо на фотопленке или на ленте самописца, либо на дисплее компьютера.

В итоге получаются графики с кривыми распределения Гаусса, по которым и судят, какие молекулы самые легкие, а какие – самые тяжелые. При этом аналитики могут по показаниям масс-спектрографа определить массу даже одной-единственной молекулы.

Но для чего все же это нужно? Наверное, не для того, чтобы удовлетворить наше любопытство: верно, масс-спектрограф используется для решения многих как сугубо научных, так и прикладных задач.

Например, несколько лет тому назад палеонтологи нашли окаменевшую раковину моллюска, жившего около 120 млн. лет тому назад, и решили узнать, в каких условиях он жил. Для этого с раковины слой за слоем, буквально по микрону, стали соскабливать известняк, из которого состоит раковина. Затем, нагревая, разложили его на составляющие, в том числе и на двуокись углерода. А уж по количеству содержания в двуокиси изотопа кислорода  ₁₈О стало можно судить о том, насколько было тепло в тот или иной период. Ведь известно: чем холоднее вода, в которой жил моллюск, тем больше изотопа в его панцире. Таким образом, удалось узнать, что родился моллюск весной, прожил четыре года. Причем весна была на редкость холодной…

Аналогичным образом анализируя воздух, заключенный в микроскопических капсулах, которые содержатся в кернах-образцах льда, добываемого с глубин в десятки, а то и сотни метров в Антарктиде, ученые надеются узнать об особенностях климата, царившего на нашей планете сотни миллионов лет назад. Уже сегодня ученые, например, узнали, что нынешнее глобальное потепление – не единственное в своем роде. Примерно такое же было около 40 000 лет тому назад.

А как вам нравится, например, такое практическое применение масс-спектрографа? Ныне отыскивают преступников по их следам, выявляют наркотики, взрывчатку, спрятанные в багаже пассажиров, специально обученные собаки-ищейки. Однако они быстро устают, не могут работать при сильной жаре, вблизи автозаправок, где сильно воняет бензином и т. д. Поэтому в скором будущем их заменят портативные «электронные носы», которые по чувствительности на определенные вещества могут в 1000 раз превосходить ищеек, вылавливать из воздуха буквально отдельные молекулы примеси…

С.СЛАВИН

ДОСЬЕ ЭРУДИТА
Прольется вулкан золотым дождем?

Время от времени удивительные подарки способны преподносить недра нашей планеты. Так американцы из штата Орегон ждут не только очередного извержения одного из находящихся поблизости вулканов, но и… золотого дождя.

Дело в том, что несколько месяцев назад космический спутник, пролетая над центральной частью штата, обнаружил в земной коре большую квадратную выпуклость: высота – 10 см, стороны – около 20 км. Находится она вблизи трех вулканических гор, которые так и называются – Три Сестры. Геологи предположили, что рядом с ними следует ожидать рождения и четвертой – нового вулкана, который непременно заявит о своем появлении на свет извержением.

Событие, конечно, для местных жителей малоприятное, тем более что извержение, по оценкам геологов, обещает быть очень мощным. И тем не менее его ждут с нетерпением. Ведь в отличие от других вулканов, расположенных в тех краях, этот растет рядом с массивной жилой золотоносной руды. И при извержении есть вероятность, что вулкан зацепит эту жилу, расплавит золото и начнет разбрасывать самородки по окрестностям. А то и вообще прольет из жерла реку золотой лавы.

Участки земли по соседству с вулканом уже взлетели в цене, хотя некоторые специалисты предупреждают, что концентрация золота в горной породе может оказаться не столь велика, как того хотелось бы владельцам этих земельных участков. А вот само по себе извержение может оказаться смертельно опасным для всех, кто окажется поблизости.

СЕКРЕТЫ НАШИХ УДОБСТВ
Порядок как в аптеке

При слове «склад» у многих перед глазами возникает полутемное низкое помещение, заставленное стеллажами и захламленное разными вещами. Всем этим царством заведует угрюмый кладовщик Иван Иванович – единственный человек, которому доступна великая тайна – что и где лежит.

– Это понятие давно устарело, – уверяет меня Андрей Скирда, менеджер фирмы «Интек Системз». – Так может выглядеть склад лишь прошлого века…

И он стал рассказывать и показывать, как работает современное хранилище товаров. Во-первых, современное складское помещение часто напоминает ангар – огромное по своим размерам и с высоченным потолком. Только вместо самолетов здесь до самой крыши вздымаются «небоскребы» многоэтажных металлических стеллажей. Каждая ячейка каждого стеллажа пронумерована и зашифрована специальным штрих-кодом, наклейка которого четко виднеется в строго определенном месте.

По проходам между стеллажами разъезжают электрические кары-погрузчики, на подъемниках которых размещаются разного рода ящики, упаковки, контейнеры. И на каждом – своя штрих-кодовая наклейка.

Таким образом, уже при поступлении на склад каждая вещь получает свой порядковый номер, а также координаты места – ячейки, где она будет храниться. Одновременно информация о количестве полученного товара, его весе и местоположении заносится в память персонального компьютера.

– Вот и вся логистика, – сказал Андрей. – Этим термином, если кто не знает, именуют логическую научную систему распределения грузов, их транспортировки и хранения.

В итоге ее применения, в любую минуту, взглянув на экран компьютерного дисплея, можно узнать, какое количество какого товара и где хранится. И если это, например, склад магазина, компьютер может подсказать, что следует пополнить запасы, скажем, сыра или колбасы. В тот же складской компьютер могут поступать сведения и о температурном, влажностном режиме помещения.

Кроме того, многие склады оборудованы еще и компьютеризованной системой охраны товара. С ее применением каждый может ознакомиться, например, в крупном книжном или промтоварном магазине. Каждая книга или вещь снабжена магнитной меткой, и вынести ее незаметно за пределы помещения нельзя – тут же зазвенит тревожный сигнал.

Модель склада помогает объяснить структуру современного хранилища.

Главный транспорт на складе – электрокар-погрузчик. Руками современные грузчики уже не работают.

Еще одна интересная техническая новинка – складские весы. Они могут быть самыми различными. На одних можно взвесить сразу целый многоосный автомобиль, на других, аптекарских, точность взвешивания – миллиграммы. Но большинство их опять же снабжены электронными приставками, передающими информацию в главный компьютер. А некоторые весы представляют собой как бы «вещь в себе». Представьте себе плоский жидкокристаллический монитор в прозрачной герметичной упаковке. А рядом с ним – вместо привычной клавишной доски – панель из нержавеющей стали.

На панель кладут взвешиваемый товар, и на мониторе тотчас появляется его вес, а если нужно, то и стоимость. Кроме того, печатающая приставка тут же выдает самоклеящуюся штрих-кодовую этикетку, которая нашлепывается на упаковку мяса, рыбы или, скажем, масла. При этом следить за гигиеной всей этой системы очень просто.

Время от времени работник или работница просто протирает обе панели чистой тряпочкой. Причем поверхность компьютерной панели – сенсорно чувствительна. То есть, вместо того, чтобы работать «мышью» или стучать по быстро загрязняющимся клавишам обычной приборной доски, здесь буквально одним касанием пальца вызывают изображение клавиатуры на экран и уже с ее помощью вносят необходимые изменения в режим работы компьютера.

Погрузчик может поднять груз на высоту многоэтажного дома.

Стеллажи располагаются в несколько этажей. Но на каждой ячейке есть своя маркировка.

– Говорят, первые такие компьютеры были заказаны военными, – поделился секретом Андрей. – А потому система не боится ни тряски, ни ударов, может работать даже под проливным дождем.

– Наверное, пока в работе подобный склад можно увидеть лишь у вас на фирме, да еще где-нибудь на выставке, – поинтересовался я.

– Нет, многие крупные московские магазины, оптовые базы, терминалы столичных аэропортов и вокзалов уже имеют подобное оборудование, – ответил А. Скирда. – Начали интересоваться подобными складскими системами и фирмы других российских городов. В общем, не скажу, что семимильными шагами, но дело идет…

Д. НИКОЛАЕВ

СОЗДАНО В РОССИИ
Что будет вместо парашюта?

В Научно-исследовательском центре им. Бабанина создана не имеющая аналогов в мире система для спасения людей при падении с большой высоты.

«Мы ее называем НТУ – надувное техническое устройство, – пояснил начальник отдела центра Валентин Сысоев. – Оно предназначено как для эвакуации людей при пожаре небоскребов, так и для спасения экипажей орбитальных станций, космических кораблей»…

В раскрытом состоянии НТУ больше всего напоминает волан для игры в бадминтон, только существенно больших размеров. Человек или спасаемый груз находятся внутри волана, на его дне, представляющем собой очень прочный надувной многослойный матрас.

Использовать систему просто. Человек надевает рюкзак с уложенным в нем устройством, подходит к раскрытому окну, садится на подоконник так, чтобы его спина с рюкзаком оказалась за окном, и вываливается наружу.

Во время падения, как при прыжке с парашютом, надо дернуть за кольцо, и через секунду конус волана и подушка на его дне автоматически надуваются, а человек оказывается лежащим на спине внутри, на упругой подстилке, и плавно спускается вниз. Форма и аэродинамика конуса, а также материал, из которого он сделан, являются секретом. Можно лишь сказать, что конус изготовлен из прочного мягкого материала и покрыт специальным теплоизолятором, который позволяет лететь даже сквозь огонь. Скорость снижения устройства ниже, чем у парашюта. Причем, вне зависимости от высоты, с которой начался полет, он остается устойчивым, а скорость приземления постоянна.

При вертолетных испытаниях полезную нагрузку – манекен – сбрасывали с высоты 800 метров, а при космических – с высоты 200 километров. И всегда груз оказывался совершенно целым. Есть вся документация для серийного выпуска, есть опытные образцы, но испытать систему человеком и наладить массовое производство ученые пока не могут.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

НЕИЗВЕСТНЫЙ НЬЮТОН.Кроме всего прочего, Ньютон, оказывается, бы еще и магом. Он оставил после себя 4500 страниц неопубликованных рукописей. В одной из них той же рукой, что описала нам закон всемирного тяготения, указана и дата конца света. Об этом рассказывает телефильм, недавно прошедший по второму каналу ТВ Великобритании. Его создатели показывают, что занятия наукой не были главной страстью сэра Исаака. Большую часть своего времени он отдавал алхимии, оккультизму и прочим занятиям, которые церковники наверняка признали бы ересью. Более того, создатель дифференциального исчисления за свое «чернокнижничество» мог попасть на костер.

Однако Ньютон никому своих записей не показывал. На протяжении большей части своей жизни он старательно изучал Библию. Однако в ней он видел всего лишь зашифрованное послание высших сил о будущем мира. Особенно его интересовала книга пророка Даниила в Ветхом Завете. Он верил, что каждое слово этой книги несет в себе тайный смысл. И в конце концов нашел в ней зашифрованную дату конца света.

Апокалипсис случится в 2060 году, полагал Ньютон. Насколько можно доверять этому прогнозу? Наверное, не больше, чем другим подобным же предсказаниям. Закон всемирного тяготения все же намного точнее.

ТЕПЕРЬ И НЕ СОВРЕШЬ?Исследователи Манчестерского университета утверждают, что им удалось значительно усовершенствовать технику автоматического выявления лжи. Доктор Дж. Бандер и его коллеги создали компьютерную программу, способную анализировать видеозапись говорящего человека и отделять полуправду и прямой обман от истины. Вероятность ошибки, как утверждают эксперты, не превышает 20 процентов.

ПРОТИВ КОРОВЬЕГО БЕШЕНСТВА.Сотрудники Берлинского института имени Роберта Коха разрабатывают новый метод диагностики болезни, получившей название коровьего бешенства. Причиной этой болезни служат прионы – патогенные белки, обладающие аномальной пространственной структурой, за открытие которых несколько лет назад Стенли Прузинер получил Нобелевскую премию. Ученые полагают, что инфракрасная спектроскопия крови даст возможность в течение 15 минут обнаружить присутствие в пробе прионов. Испытания новой аппаратуры показали, что вероятность ошибки уже сейчас составляет не более 3 процентов.

РЫЖИМ ОПЯТЬ НЕ ВЕЗЕТ…Их дразнят, волосы у них реже, чем у других, от солнца им приходится прятаться, чтобы не обгореть… А теперь, как выяснилось, они еще и чувствительнее к боли. Во всяком случае, как полагают немецкие медики, при операциях рыжим надо давать на 20 процентов больше наркоза, чтобы обезболивание было эффективным.