Билет 21

1. Электромагнитные излучения – один из основных элементов окружающего нас мира. Академик В.И.Вернадский писал: «Кругом нас, в нас самих, всюду и везде, вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения разной длины волны…Лик Земли ими меняется, ими в значительной степени лепится».

Электромагнитные излучения – это изменяющиеся во времени электромагнитные поля, распространяющиеся в вакууме со скоростью 3·10⁸ м/с и проявляющие свойства и волн и своеобразных частиц – фотонов. Установление законов электромагнитных излучений и их квантовой природы выдвинуло на первый план вопросы взаимодействия излучения с веществом и связи этих взаимодействий со структурой молекул, атомов, атомных ядер.

Почти без преувеличения можно сказать, что жизнь на нашей планете существует благодаря электромагнитным излучениям, посылаемым Солнцем. Каждую секунду наше светило «выбрасывает» 4·10²⁶ Дж энергии, на Землю попадает около 2∙10^-7 % от этой величины, т. е. 8·10¹⁷ Вт. В составе солнечного излучения содержатся все частоты (теоретически от нуля до бесконечности). Диапазон волн, пропускаемых на Землю атмосферой - от 290 нм до 24 мкм и от 8 мм до 20 м. Доли энергии, приходящиеся на разные диапазоны, различны. Ультрафиолетовые лучи часто желательны, но их высокая интенсивность вредна для многих форм растительной и животной жизни. Защитой от этих излучений служит озоновый слой. Учёные даже полагают, что жизнь на Земле не могла возникнуть, пока не образовался защитный озоновый слой.

Озон – газ, каждая молекула которого состоит из трёх атомов кислорода, Озон в стратосфере поглощает более 90% ультрафиолетового излучения, идущего от Солнца. В 1974 году была обнаружена серьёзная угроза разрушения озонового слоя. Озон разрушают хлор – и фтор – замещённые углеводороды и закись азота от сверхзвуковых реактивных самолётов, летающих в стратосфере, а также метилхлороформ и четырёххлористый углерод. Разрушение замедляется при снижении стратосферной температуры. Даже, если процессы разрушения и образования озона в целом уравновешивают друг друга, в отдельных слоях баланса может не быть. В настоящее время прогнозируемые эффекты разрушения озонового слоя весьма различны – от нового ледникового периода до повышения температуры всего на один градус.

2. Распад ядер нестабильных элементов порождает ионизирующие частицы и ионизирующее излучение – альфа, - бета, – гамма. Рентгеновские лучи тоже обладают высокой проницаемостью. Космические лучи, состоящие из частиц и электромагнитных излучений всевозможных частот, непрерывно бомбардируют нас из мирового пространства.

Интенсивность космических лучей возрастает с высотой и с приближением к полярным широтам. Получаемую дозу облучения измеряют в ремах и миллиремах – единицах, отражающих как интенсивность излучения, так и его действие на ткани человека. Рем – биологический рентген – эквивалент, т.е. доза, эквивалентная по биологическому воздействию дозе в 1 рентген жёсткого рентгеновского излучения.

Санкт – Петербург характеризуется повышенным уровнем всех факторов радиационного риска как природных, так и техногенных в силу исторических, геологических, географических особенностей и существующего спектра научных учреждений и предприятий. Природные источники излучений радиоактивные газы радон и торий постоянно выделяются в атмосферу из почвы, горных пород, грунтов и создают более 2/3 суммарной дозы облучения за счёт радона и продуктов его распада в воздухе помещений. Основной источник радиации – геологическое пространство под фундаментами зданий - в силу литологических причин существует на территории города

3. Исследования, пролившие свет на происхождение биолюминесценции, начались более 60 лет назад. Отечественный учёный А.Г.Гурвич открыл сверхслабое свечение у самых обычных растительных клеток. Свечение было настолько слабым, что в те годы не удалось даже сконструировать приборы, которые могли бы его уловить и измерить.

Такие приборы были созданы лишь в последнее время. С их помощью учёные смогли установить, что хемилюминесценция, то есть превращение химической энергии в световую, очень распространённое явление. Оказалось, что ткани растений и животных постоянно светятся, особенно интенсивно во время работы. Например, поверхность сокращающегося сердца лягушки даёт непрерывное световое излучение. А мы с вами светимся, к сожалению, сверхслабо.

Свечение тканей животных происходит в основном за счёт окисления жиров – липидов. В процессе этих химических реакций возникают возбуждённые молекулы, в которых электроны переходят на более высокие орбиты. Когда электроны возвращаются на прежние уровни, освобождающаяся при этом энергия используется для построения новых химических связей или уходит в виде квантов света. Происходящие в этом случае процессы прямо противоположны фотосинтезу, где свет вызывает переход электронов на более высокий уровень и энергия используется для синтеза углеводов.

4. Большая часть светящихся организмов живёт в морях и океанах. Наиболее распространены перидинеи – крохотные жгутиковые организмы. Это они создают неповторимые по красоте картины светящегося мира. Изумительное зрелище представится ночному пловцу, рискнувшему нырнуть в те дни, когда в воде скопилось много перидиней. Каждое движение вызывает фейерферк. За стеклом подводной маски в разные стороны разлетаются искры, как будто кто-то зажёг десятки бенгальских огней, которые вспыхивают ярким светом, чтобы, израсходовав весь запас энергии, погаснуть.

У самых маленьких существ светится всё тело, у более крупных светятся специальные органы. У побережья Америки встречаются стайки морских мичманов – небольших рыбок длиной 25 – 35 см. Своё название мичманы получили за своеобразную окраску и светящиеся точки, расположенные правильными рядами, как блестящие пуговицы на морском мундире. Фонарики мичмана – их около трёхсот – устроены очень сложно. Это как бы миниатюрные живые прожекторы. Снаружи орган одет тёмной непрозрачной оболочкой. Внутри она блестящая, хорошо отражающая свет – это рефлектор. В передней части находится прозрачная линза, концентрирующая световой поток, внутри – светящаяся в темноте слизь. Морской мичман вряд ли пользуется своими фонариками для освещения. Предполагают, что светится он только в брачный период. Морских светящихся рачков использовали во время войны. Каждый офицер носил коробочку с этими рачками. Сухие рачки не светятся, но стоит смочить их водой – и фонарь готов!

5. Свет, испускаемый живыми организмами, может быть разного цвета: белый, сине-зелёный, рубиново-красный. Иногда одно животное снабжено фонариками 3 – 4 цветов. Вероятно, цветовой свет имеет ряд преимуществ, так как многие животные, не научившиеся его вырабатывать, пропускают поток ахроматических лучей через окрашенные линзы своих фонариков и с их помощью устраивают весёлую цветную иллюминацию. Светящаяся слизь внутри живого прожектора представлена обычно скоплением светящихся микроорганизмов. Так поступают крупные существа: они предоставляют жилплощадь своим маленьким друзьям.

Свет одной бактерии ничтожен, однако, в 1935 году во время международного конгресса в Парижском океанографическом институте был освещен большой зал лампами, наполненными взвесью микроорганизмов в морской воде. Чтобы лампа давала свет, равный одной свече, в колбе должно находиться не менее 5·10¹⁴ микроорганизмов.

Очень заманчиво использовать свет морских организмов в качестве естественного освещения на подводных дорогах, на морском дне, где уже построены первые дома. Ещё интереснее освоить в искусственных условиях превращение химической энергии непосредственно в световую. Лампы должны быть экономичнее, так как вся энергия, затрачиваемая при биолюминесценции, полностью переходит в свет, тогда как у ламп накаливания в свет превращается только 12 % затрачиваемой энергии. Кроме того, что тоже отнюдь немаловажно, для них не нужно тянуть издалека электрический кабель. Воплощение этой идеи вполне реально.

6. Один из первых физических эффектов, продемонстрировавших необыкновенные возможности лазерного излучения, заключался в так называемом оптическом пробое газа. Ещё из опытов, проводимых в школьных лабораториях, известно, что между электродами с высоким напряжением, помещёнными в воздухе, проскакивает электрическая искра. Это явление называется пробоем газа. В природе мы встречаем его в виде грозового разряда – молнии. В месте пробоя образуется плазма, которая ярко светится и, расширяясь, создаёт звуковые волны – гром. Оказалось, что такого же рода физическое явление возникает, если лазерный свет достаточно большой мощности фокусируется в газ.

Исследованиями оптического пробоя газа, или, как его называют, лазерной искры, показали, что её температура может достигать миллиона градусов, а скорость возникшей в месте пробоя ударной волны – сотни километров в секунду. (Ударная волна – это предельный случай сильной звуковой волны, характеризуемый быстро (скорее скорости звука) распространяющимся скачком уплотнения среды, по которой движется волна).

Электроны атомов газа могут быть оторваны от ядра под действием самого электрического поля волны. Для этого электрону нужно сообщить энергию (потенциал ионизации) порядка 10 эВ и больше, в то время как энергия одного кванта лазерного излучения около 1 эВ (Nd – лазер). Следовательно, электрон должен поглотить одновременно несколько (около 10) фотонов, а это противоречит теории фотоэффекта.

Этот процесс, так же как и фотоэффект, носит чисто квантовый характер, но возможен только в интенсивных световых полях, при высокой концентрации фотонов в пучке излучения. Он получил название многофотонной ионизации и был экспериментально обнаружен с появлением достаточно мощных лазеров. Так лазерный свет внёс существенную поправку в эйнштейновскую модель фотоэффекта, устранив, по существу, из теории понятие «красная граница». Действительно, при достаточно большой интенсивности сколь угодно малые кванты «сообща» могут вырвать электрон. Следует сказать, что А. Эйнштейн предвидел возможность многофотонного фотоэффекта, заметив, что его теория соответствует условию поглощения электроном только одного фотона.

7. Один из первых физических эффектов, продемонстрировавших необыкновенные возможности лазерного излучения, заключался в так называемом оптическом пробое газа. Ещё из опытов, проводимых в школьных лабораториях, известно, что между электродами с высоким напряжением, помещёнными в воздухе, проскакивает электрическая искра. Это явление называется пробоем газа. В природе мы встречаем его в виде грозового разряда – молнии. В месте пробоя образуется плазма, которая ярко светится и, расширяясь, создаёт звуковые волны – гром. Оказалось, что такого же рода физическое явление возникает, если лазерный свет достаточно большой мощности фокусируется в газ.

Механизм оптического пробоя, в случае достаточно большого давления газа (p около 1 атм), заключается в следующем. В газе всегда присутствует некоторое (малое) количество свободных электронов, появившихся, например, под действием космических лучей (гамма – квантов).

Эти так называемые затравочные электроны, попав в переменное электрическое поле лазерной волны, начинают колебаться под действием этого поля и приобретают тем самым некоторую энергию. Фактически на тепловое движение электрона накладывается быстрое колебательное движение. Колебательную энергию электрон имеет только в течение времени, пока он находится в поле волны. Когда поле «уходит» из места нахождения электрона, т. е. в момент окончания лазерного импульса, колебания электрона обрываются, и он остаётся «ни с чем».

Однако ситуация меняется, если в процессе колебаний электрон сталкивается с атомами или ионами газа. В этом случае электрон в момент соударения «присоединяет» к своей тепловой скорости некоторую добавку от колебательного движения. В результате тепловая энергия электрона возрастает. Таким образом, свободный электрон может отбирать энергию от электромагнитной волны только в процессе столкновения с атомами и ионами газа.

Разгоняясь указанным образом в поле волны, «затравочные» электроны при определённых условиях набирают энергию, превышающую потенциал ионизации атомов данного газа. После чего они оказываются способными «вышибать» атомные электроны. Возникшие вторичные электроны также набирают энергию от лазерного поля, достигают потенциала ионизации и сами порождают новые электроны и т. д. В результате возникает электронная лавина, т. е. число электронов лавинообразно нарастает со временем. Рассмотренный механизм оптического пробоя называется лавинной ионизацией. Итак, лазерное излучение достаточно большой мощности может перевести газ в состояние плазмы.

8. Как же образовались самые тяжёлые элементы? Если повышать плотность свободных нейтронов в звёздном веществе, то можно достичь условий, когда ядро элемента успевает последовательно захватить много нейтронов, прежде чем произойдёт распад (если ядро нестабильно). Для того, чтобы эти так называемые реакции быстрого нейтронного захвата стали реальностью, необходимы плотности нейтронных потоков 10³¹ – 10⁴⁴ нейтронов/(м²×с). Плотность этих потоков на Земле при искусственных ядерных взрывах достигает 10³⁵ нейтронов/(м²×с), а в самых массивных стационарных звёздах – 10²⁰ нейтронов/(м²×с).

Грандиозные вспышки сверхновых звёзд – вот те места во Вселенной, где нейтронные потоки достигают необходимых значений для осуществления цепочки последовательных актов быстрого захвата нейтронов тяжёлыми ядрами. По теперешним представлениям, сверхновые – это далеко проэволюционировавшие звёзды, содержащие значительный процент тяжёлых элементов. Спектры сверхновых имеют широкие линии поглощения ионизированных атомов железа, кальция, кремния и нейтрального гелия, но не имеют ярких линий водорода.

При вспышке сверхновой мощность излучения превосходит солнечную в 10⁹ раз; скорость движения газовой оболочки, сброшенной взрывом, достигает значений 10 – 20 тысяч километров в секунду; светящаяся сфера (фронт ударной волны) в максимуме светимости достигает размеров, в десятки раз превышающих размеры орбиты Земли.

Ударная волна, выходящая на поверхность взрывающейся звезды, вызывает кумуляцию энергии в относительно тонких слоях звёздного вещества. Генерируемые при этом мощные потоки нейтронов могут обеспечивать интенсивное протекание процессов быстрого захвата нейтронов ядрами с образованием самых тяжёлых элементов.