Физика в технике
Шрифт:
Твердые тела, например металлы, испускают непрерывный спектр, а разогретые газы — линейчатый, т. е. спектр, состоящий из отдельных линий. Если металл перевести в парообразное состояние, его пары также будут испускать линейчатый спектр (рис. 19). Каждому элементу периодической системы Д. И. Менделеева соответствует вполне определенный,
В спектре водорода наиболее характерной является красная линия, длина волны которой равна 6563A.
В настоящее время спектры почти всех элементов периодической системы изучены достаточно хорошо, и составлены атласы спектральных линий, где указаны длины волн той или иной линии в спектре и ее принадлежность к тому или иному элементу.
Таким образом, сфотографировав с помощью спектрографа спектр какого-либо вещества, введенного в электрическую дугу постоянного или переменного тока, по атласу можно определить, какие элементы содержатся в исследуемом веществе. Однако можно не только качественно определить присутствие той или иной примеси в данном веществе, но и количественно ее измерить. При этом спектральный анализ позволяет обнаруживать и измерять ничтожно малое количество примесей (до миллионной доли процента).
Спектральный анализ имеет очень большое значение во многих отраслях науки и техники. С его помощью, на сталелитейных заводах определяют качество выплавленных сталей, содержание в них углерода, никеля, кремния, марганца и др. Спектральный анализ позволяет определять химический состав звезд и скорости их движения относительно Земли, измерять температуру светящихся объектов, определять структуру атомов, строение электронных оболочек и даже исследовать магнитные свойства атомных ядер.
До сих пор говорилось об объектах, которые сами испускают свет. Однако в ряде случаев оказывается невозможным разогреть то или иное вещество до высокой температуры без изменения его свойств. Невозможно разогреть, например, воду или какое-либо органическое соединение до температуры, при которой эти вещества стали бы излучать свет, так как при гораздо более низкой температуре эти вещества распадутся или перейдут в другое агрегатное состояние.
Каким же образом исследовать структуру таких веществ?
На помощь приходит молекулярный спектральный анализ, основанный на том, что при прохождении света, спектр которого является непрерывным, через прозрачное вещество в спектре наблюдаются полосы поглощения.
Изучая эти полосы, можно изучить характер молекулярных связей в веществе и структуру самих молекул. Некоторые вещества (например, вода), являясь прозрачными для видимого света, дают ряд полос в инфракрасной области спектра, обусловленных структурой самих молекул воды.
С помощью молекулярного спектрального анализа изучено чрезвычайно большое количество различных видов веществ и химических соединений, в том числе таких, как нефть
Однако область физической оптики далеко не исчерпывается применением спектрального анализа. Так, с помощью интерференционных явлений молено осуществлять контроль при изготовлении очень точных деталей и механизмов, контролировать качество различных поверхностей с точностью до одной стотысячной доли миллиметра, изготовлять светофильтры, обладающие очень узкой спектральной полосой пропускания.
Такие светофильтры были с успехом использованы при фотографировании натриевого облака — искусственной кометы, созданной впервые советскими учеными при запуске космической ракеты в сторону Луны
Интерференционные явления легли в основу опытов Майкельсона, результаты которых послужили фундаментом для создания теории относительности.
Немалую роль в развитии физической оптики сыграли такие ученые, как Ньютон, большая часть работ которого посвящена исследованию различных оптических явлений, Р. Вуд, создавший новый тип диффракционной решетки — прибора для спектрального разложения света, Рэлей, Вавилов и другие.
Самостоятельным разделом физической оптики является изучение люминесцентных свойств жидких и твердых соединений (люминесценцией называют способность веществ светиться после облучения их видимым, ультрафиолетовым или инфракрасным светом).
На люминесценции основан люминесцентный анализ, с помощью которого можно производить весьма точные измерения количественного состава различных органических соединений, восстанавливать стершиеся надписи, анализировать состав красок и многое другое.
Здесь приведены лишь некоторые примеры, из которых видно, что в современной науке и технике физическая оптика занимает далеко не последнее место.
Ядерная физика и ядерная энергетика
После открытия Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивности урана в физике появилось новое направление — ядерная физика, изучающая свойства и строение атомных ядер.
Представления об атомном ядре менялись по мере накопления количества наблюдений и экспериментов с «элементарными» частицами.
Пьер и Мария Кюри, Э. Резерфорд и другие ученые открыли три типа радиоактивных ядерных излучений: излучение -частиц (ядер атомов гелия); -излучение, т. е. излучение потока электронов атомными ядрами; -лучи — электромагнитное излучение, подобное свету, но с очень короткой длиной волны.
Каждое из этих излучений возникает при распаде атомных ядер и является, таким образом, одним из источников нашего познания о строении и свойствах ядер.
В 1932 году советский физик Д. Д. Иваненко высказал гипотезу, согласно которой атомные ядра рассматривались как состоящие из положительно заряженных частиц — протонов и нейтральных частиц — нейтронов, открытых незадолго перед этим англичанином Дж. Чедвиком при облучении элемента бериллия -частицами.
В дальнейшем с развитием квантовой механики и экспериментальной ядерной техники появилась теория различных ядерных процессов, а также выявлен характер и особенности ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами, находящимися на весьма близких расстояниях. Немалая заслуга в этом принадлежит советским физикам И. М. Франку, Л. В. Грошеву, А. И. Алиханову, Д. Д. Иваненко и др., труды которых наряду с работами Гейзенберга, Бора и Ферми послужили основой, на которой была построена современная теоретическая ядерная физика.