МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

ПОПОВ Г. В., ЗЕМСКОВ Ю. П., КВАШНИН Б. Н.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В ТЕХНОЛОГИЯХ ПИЩЕВОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ 2013

УДК 620.1.08 (075)

ББК Ж10я7

П-58

Научный редактор профессор Г. В. ПОПОВ

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра материаловедения и физики металлов Воронежского государственного технического университета;

д – р техн. наук, В. К. АСТАНИН

(Воронежский государственный аграрный университет)

Печатается по решению

редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Попов Г. В.,

Физические основы измерений в технологиях пищевой и

П-58 химической промышленности. [Текст] : учебное пособие/ Г. В. Попов, Ю. П. Земсков, Б. Н. Квашнин, Воронеж. гос. ун-т. инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2013. – 212 с.

ISBN 5-89448-

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС и ГОС ВПО подготовки выпускников по направлению 221700.62 – «Стандартизация и метрология» (профиль - «Стандартизация и метрология») и специальности 200503 – «Стандартизация и сертификация». Предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплин циклов ОПД и Б3. Изложен теоретический материал, даны контрольные вопросы.

П

Без объявл.

УДК 620.1.08 (075) ББК Ж10я7 ББК Ж3я7

ISBN 5-89448- © Попов Г. В., Земсков Ю. П., Квашнин Б. Н. 2012

© ФГБОУ ВПО «Воронеж. гос. ун-т. инж. технол.», 2012

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежской государственной технологической академии, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия академии запрещается.

Предисловие

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ГОС ВПО подготовки выпускников, обучающихся по направлению 200500 – «Метрология, стандартизация и сертификация» (специальность 200503 – «Стандартизация и сертификация») и ФГОС ВПО - по направлению 221700.62 – «Стандартизация и метрология» (профиль - «Стандартизация и метрология»).

Настоящий методический материал включает следующие разделы: физические величины и единицы измерения, измерения и измерительные системы, фундаментальные пределы точности измерений, физические явления, используемые в измерениях, фундаментальные физические законы, используемые в измерительной технике.

Изучение дисциплины «Физические основы измерений и эталоны» позволит будущим специалистам и бакалаврам освоить следующие профессиональные компетенции:

ПК-03 - «Выполнять работы по метрологическому обеспечению и техническому контролю; использовать современные методы измерений, контроля, испытаний и управления качеством»;

ПК-04 – «Определять номенклатуру измеряемых и контролируемых параметров продукции и технологических процессов, устанавливать оптимальные нормы точности измерений и достоверности контроля, выбирать средства измерений и контроля; разрабатывать локальные поверочные схемы и проводить поверку, калибровку, юстировку и ремонт средств измерений»;

ПК-08 - «Разработка планов, программ и методик выполнения измерений, испытаний и контроля, инструкций по эксплуатации оборудования и других тестовых инструментов, входящих в состав конструкторской и технологической документации».

1. Физические величины и единицы измерения

1.1 Элементы современной физической картины мира.

Физическая картина мира. При изучении различных проблем человеком его поведение, степень эффективности решаемых ими задач, зависит от того, насколько адекватно и глубоко его понимание реальности, в какой мере он может правильно оценивать ту ситуацию, в которой приходится действовать и применять свои знания. От этого зависит, насколько правильным будет его выбор.

С развитием человечества задачи им решаемые усложнялись, постепенно все большое значение приобретали не только те знания, которые имели непосредственное практическое значение, но и те, которые относились к общим представлениям об окружающем мире.

Современная наука нацелена на построение единой целостной картины мира, изображая ее как взаимосвязанную "сеть бытия".

В общественном сознании исторически складываются и постепенно изменяются разные картины мира, которые обычный человек воспринимает как данность, как объективность, существующую независимо от наших личных мнений.

Мы будем рассматривать только научный взгляд на мир, который возник в рамках естественных наук и называется естественно-научной картиной мира. Существенный вклад в эту картину вносит физика. С каждым естественно-научным открытием система научных представлений о мире становится все полнее. С развитием науки на смену одной картине мира приходит другая. Это называют научной революцией, понимая под ней коренную ломку прежних представлений о мире.

Научная картина мира - это наши теоретические представления о мире. Она не только итог развития знания, но и самое общее теоретическое знание - система важнейших понятий, принципов, законов, гипотез и теорий, лежащих в основе описания окружающего нас мира. Картина мира не только обобщает все ранее полученные знания о природе, но и вводит в естествознание новые философские принципы и гипотезы, которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания.

Термин "картина мира" указывает, что речь идет не о части или фрагменте знания, а о целостной системе. Поэтому она позволяет нам видеть мир, не полагаясь на опыт и не зная многих его деталей, а также качественно объяснять и не охваченные теориями явления.

Когда мы говорим "картина мира", то предполагаем, что есть мир и есть еще его картина, точно так же, как считается, что есть события и есть еще восприятие событий. Она указывает на отнесенность наших знаний к объекту - миру в целом - и свидетельствует об относительности человеческого знания. Картина мира является необходимым элементом современного естественно-научного мышления.

Физическая картина мира создается благодаря фундаментальным экспериментальным исследованиям, на которых основываются теории, объясняющие факты и углубляющие наше понимание природы. Девятнадцатый век. стал веком коренной смены парадигм научного мышления и радикального изменения естественно-научной картины мира.

Вплоть до нашего времени, в науке господствовала возникшая в Новое время ньютоновско-картезианская парадигма - система мышления, основанная на идеях, Ньютона и Декарта.

Последнему принадлежала идея принципиальной двойственности реальности: материя и ум (сознание) являются различными, независимыми, параллельными субстанциями или мирами. Другими словами, мир существует независимо от воли людей. Поэтому материальный мир можно описать объективно, не включая в описание человека-наблюдателя с его специфической позицией, его субъективностью. \

Таким образом, идея строго объективной науки вытекает из декартовских онтологических построений (онтология - теория бытия).

Данное разделение позволило ученым рассматривать материю как нечто неживое и полностью отдельное от них самих, а материальный мир - как огромный и сложный агрегат, состоящий из множества различных частей. Эти идеи оказали огромное влияние на развитие общества и в наше время еще полностью не изжиты. Это проявляется в том, что такое разделение отражает наш взгляд на "внешний" мир, который мы воспринимаем как множество отдельных вещей и событий.

Наше стремление разделить мир на отдельные самостоятельные вещи - это всего лишь иллюзия, которая порождена нашим оценивающим и анализирующим сознанием. Ряд фактов говорит о том, что современную цивилизацию ожидают качественные перемены. Существует множество примеров - предупреждений, что возможности порядка, существующего тысячелетия, уже исчерпаны. В настоящее время людям нужны новые знания и новое мировоззрение. Этому способствует современная естественно-научная картина мира.

В своем развитии физика прошла длинный путь: от первых шагов, которые начинались в лоне древнегреческой философии две с половиной тысячи лет назад, до современных представлений о мире. Однако основные открытия были сделаны в последние 300 лет. Мы остановимся лишь на трех наиболее крупных этапах развития: ХVII - середина XIX вв., середина XIX в. - 1930 г. и период с 1885 по 1905 гг. Именно в это время были сформулированы представления об окружающем мире, которые теперь называют механической (механистической) и электромагнитной картинами мира.

Механистическая картина мира. Становление механической картины мира связывают с именами Г. Галилея, И. Кеплера, и особенно И.Ньютона. Формирование механической картины мира потребовало нескольких столетий; практически оно завершилось лишь в середине XIX века. Механистическая картина мира возникла на основе классической механики, обобщении законов движения свободно падающих тел и движения планет, а также создания методов количественного анализа механического движения в целом. Эту картину следует рассматривать как важную ступень в познании человеком окружающего мира.

Основу механистической картины мира составляет идея атомизма, т. е. все тела (твердые, жидкие, газообразные) состоят из атомов и молекул, находящихся в непрекращающемся тепловом движении. Взаимодействие тел происходит как при их непосредственном контакте (трение, силы упругости), так и на расстоянии (силы тяготения). Все пространство заполняет всепроникающий эфир - среда, в которой распространяется свет. Атомы рассматриваются как некие цельные, неделимые "кирпичики"; сцепляясь друг с другом, они образуют молекулы и в конечном счете все тела. Природа этого сцепления не исследовалась, не было понимания сущности эфира.

Эта картина мира основана на четырех принципиальных моментах.

1. Мир построен на едином фундаменте - на законах механики Ньютона. Все наблюдаемые превращения в природе, а также тепловые явления сводились на уровне микроявлений к механике атомов и молекул.

2. Механистическая картина мира исходила из представлений, что микромир аналогичен макромиру.

3. В механистической картине мира отсутствует развитие, т. е. мир считался в целом таким, каким он был всегда.

4. В механистической картине мира все причинно-следственные связи - однозначные, здесь господствует лапласовский детерминизм, согласно которому, если известны начальные данные системы, то можно точно предсказать ее будущее.

Данная парадигма господствовала в естествознании до середины второй половины XIX века. По своей сути эта картина мира является метафизической, поскольку в ней отсутствуют внутренние противоречия и качественное развитие, все происходящее в мире жестко предопределено, а все разнообразие мира сведено к механике. В механистической картине мира понимание сводится к построению механической модели: если я могу представить такую модель - я понимаю, если не могу - значит, не понимаю его.

Электромагнитная картина мира. Электромагнитная картина мира начала формироваться во второй половине XIX века. на основе исследований в области электромагнетизма.

Основную роль здесь сыграли исследования М. Фарадея и Д. Максвелла, которые ввели понятие физического поля. В процессе формирования этого понятия на смену механической модели эфира пришла электромагнитная модель: электрическое, магнитное и электромагнитные поля трактовались первоначально как разные "состояния" эфира. Впоследствии необходимость в эфире отпала. Пришло понимание того, что электромагнитное поле само есть определенный вид материи и для его распространения не требуется какая-то особая среда-эфир.

Электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение трех десятилетий ХХ века. Она использовала не только учение о магнетизме и достижения атомистики, но также и некоторые идеи современной физики (теории относительности и квантовой механики). После того как объектом изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер, но все равно это была картина классической физики.

Основные ее черты следующие. Согласно этой картине материя существует в двух видах - веществе и поле, между которыми имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Известны два вида поля - электромагнитное и гравитационное, соответственно - два вида фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие -оптические, химические, тепловые. Теперь все стремятся свести к электромагнетизму. Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение.

В качестве элементарных "кирпичиков", из которых состоит вся материя, рассматриваются три частицы - электрон, протон и фотон. Фотоны - кванты электромагнитного поля.

Корпускулярно-волновой дуализм "примиряет" волновую природу поля с корпускулярной, т. е. при рассмотрении электромагнитного поля используются, наряду с волновыми, и корпускулярные (фотонные) представления. Элементарные "кирпичики" вещества - электроны и протоны. Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атом имеет массивное ядро и электронную оболочку. Ядро состоит из протонов. Силы, действующие в веществе, сводились к электромагнитным. Эти силы отвечают за межмолекулярные связи и связи между атомами в молекуле; они удерживают электроны атомной оболочки вблизи ядра; они же обеспечивают прочность атомного ядра (что оказалось неверным). Электрон и протон - стабильные частицы, поэтому атомы и их ядра тоже стабильны. Картина, на первый взгляд, выглядела безупречно. Но в эти рамки не вписывались такие, как считалось тогда, "мелочи", например, радиоактивность и др. Скоро выяснилось, что эти "мелочи" являются принципиальными. Именно они и привели к "краху" электромагнитной картины мира.

Электромагнитная картина мира представляла огромный шаг вперед в познании мира. Многие ее детали сохранились и в современной естественно-научной картине: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, отвечающих за различные явления в веществе (но не в самих атомах), ядерная модель атома, дуализм (двойственность) корпускулярных и волновых свойств материи и др. Но и в этой картине мира также господствуют однозначные причинно-следственные связи, все таким же образом жестко предопределено. Вероятностные физические закономерности не признаются фундаментальными и поэтому не включаются и в нее. Эти вероятности относили к коллективам молекул, а сами молекулы все равно следовали однозначным ньютоновским законам. Не менялись представления о месте и роли человека во Вселенной.

Таким образом, и для электромагнитной картины мира также характерна метафизичность мышления, где все четко разграничено, внутренние противоречия отсутствуют.

Особое место в развитии науки занимает период с конца 19 по начало XX вв. К 80-м годам XIX в. сложилось убеждение, что физика как наука находится на завершающем этапе своего развития, а описание законов природы должно вскоре принять всеобъемлющую и окончательную форму. Достижения физики в области механики, электромагнетизма, оптики, термодинамики породили иллюзию полного торжества человеческого разума, раскрывшего все тайны природы, привели к абсолютизации знаний.

Но, в относительно короткий период с 1885 по 1905 гг, были сделаны открытия, которые говорили, что ни о каком завершении физики как науки не может быть и речи. Эти открытия не только вступали в противоречие с существующими концепциями, но и опровергали многие "старые" принципы.

Перечислим кратко некоторые наиболее важные открытия. В 1885 г. И. Бальмер обнаружил закономерность в открытой им серии спектральных линий водорода; в 1887 г. Г. Герц открыл фотоэффект. В 1895 г. В. Рентген открыл новый вид излучения (Х-лучи) - рентгеновское излучение. В 1896 г. А. Беккерель - явление самопроизвольного излучения урановой соли, которое получило название радиоактивности. В 1898 г. открыты новые элементы, обладающие радиоактивностью. В 1897 г. Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу - электрон. Природа новых открытий не была понятна, они не укладывались в рамки сформированных к тому времени представлений. Впервые в физике была обнаружена дискретность, которая проявилась в линейчатости спектров газов. Понятие дискретности потребовалось и для объяснения загадок фотоэффекта. Физики привыкли к тому, что физические величины всегда изменяются непрерывно - идея дискретности им казалась "безумной".

Оказалось, что эфир не существует, не была понятна природа Х-излучения. Всегда считалось, что химические элементы незыблемы, но выяснилось, что они могут взаимопревращатъся. Непонятно откуда берется энергия. Все это сильно потрясло физиков. В связи с этим стали возникать сомнения в справедливости даже закона сохранения энергии. Создалось впечатление, что рушатся фундаментальные законы. Начали ставиться под сомнение основополагающие принципы: закон сохранения энергии, второе начало термодинамики и другие.

Среди физиков стала модной фраза, что материя исчезла - остались лишь одни уравнения. Этот период можно назвать кризисом физики.

Таким образом, XIX век. подвел человека к пониманию диалектики природы, как говорят философы, но он сам остался на позициях метафизического материализма.

Современная естественно-научная картина мира. Современные представления о мире сложились практически целиком на основании достижений науки ХХ века.

Теория относительности радикально изменила наше понимание пространственно-временных отношений, квантовая механика - причинно-следственных связей. Современная космология нарисовала удивительную историю эволюции Метагалактики, начавшуюся около 10 … 20 млрд лет тому назад, раскрыла единство и целостность космоса, проявляющиеся, прежде всего, во взаимосвязи фундаментальных физических взаимодействий.

Биология выявила молекулярные основы процессов жизнедеятельности, проникла в тайны передачи наследственной информации, соединила идеи эволюции и генетики в новую синтетическую теорию, на основе которой удалось понять механизмы образования и изменения живых организмов.

Синергетика продемонстрировала, что процессы самоорганизации могут происходить не только в мире живого, но и в неживой природе.

Математика, химия, информатика, языкознание, психология и другие науки также внесли немалый вклад в современную научную картину мира.

Имеются все основания для того, чтобы сказать, что не в одном прошлом столетии наше понимание мира не претерпело столь значительных изменений в результате развития науки.

Сейчас все осознают огромное значение науки не только для практической деятельности, но и для духовной жизни, для формирования современного мировоззрения.

Естественнонаучная картина мира рассматривает Вселенную как единое целое. Наука рисует Вселенную как однородную, самосогласованную и простую в больших, масштабах. Физика показала, что "инструкции" для самосогласованного однородного космоса заключены в ее законах.

Свойства фундаментальных взаимодействий определили развитие ранней Вселенной и организацию ее единой структуры, отличающейся простотой в больших масштабах.

При смене картины мира пересматриваются основные вопросы мироздания, структура знаний и место науки в жизни общества.

Вселенная возникла внезапно, в результате Большого взрыва - чудовищного катаклизма, когда температура и давление значительно превосходили их предельные значения, которые мы наблюдаем сегодня.

В настоящее время приходит осознание, что мир является нелинейным. Нелинейность присуща не только физическим процессам. Все глобальные процессы - экономические, социологические, демографические, экологические - описываются нелинейными законами.

В естествознании активно исследуются процессы самоорганизации материи. Показано, что новые структуры могут возникать в точках ветвления системы (точках бифуркации), когда становится существенным выбор решения и пути развития, а в промежутках между ними поведение системы описывается обычными причинно-следственными законами.

Упорядоченные структуры возникают не только в термодинамике, но и в астрофизике, нелинейной оптике, химии, биологии, экологии, геологии и т. д. Все это свидетельствует в пользу единства естествознания.

Новая картина мира пока только формируется. Картина мира, рисуемая современным естествознанием, необыкновенно сложна и одновременно проста. Ее сложность состоит в том, что она может поставить в тупик человека, привыкшего мыслить классическими представлениями с их наглядной интерпретацией явлений и процессов, происходящих в природе. С такой точки зрения современные представления о мире выглядят в какой-то мере "безумными". Существует ряд принципов организации современного научного знания, как системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация и историчность.

Системность отражает воспроизведение наукой того факта, что Вселенная предстает перед нами как самая крупная из известных нам систем, состоящая из огромного множества подсистем различного уровня сложности и упорядоченности.

Эффект системности состоит в появлении у системы новых свойств, которые возникают благодаря взаимодействию ее элементов между собой.

В настоящее время можно утверждать, что практически вся современная картина мира пронизана и преобразована физикой и химией. Более того, она включает в себя наблюдателя, от присутствия которого зависит наблюдаемая картина мира.

Глобальный эволюционизм означает признание того факта, что Вселенная имеет эволюционный характер - Вселенная и все, что в ней существует, постоянно развивается и эволюционирует,

т. е. в основе всего сущего лежат эволюционные, необратимые процессы. Это свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составная часть которого есть историческое следствие эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация - это способность материи к само усложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. По-видимому, образование все более сложных структур самой различной природы происходит по единому механизму, который является универсальным для систем всех уровней.

Одной из главных особенностей современной картины мира является ее абстрактный характер и отсутствие наглядности, особенно на фундаментальном уровне.

Последнее обусловлено тем, что на этом уровне мы познаем мир не с помощью чувств, а используя разнообразные приборы и устройства. При этом мы уже принципиально не можем игнорировать те физические процессы, с помощью которых получаем сведения об изучаемых объектах.

Нам доступна лишь физическая реальность как часть объективной реальности, которую мы познаем с помощью опыта и нашего сознания, т.е. факты и числа, получаемые с помощью приборов.

При углублении и уточнении системы научных понятий мы вынуждены все дальше уходить от чувственных восприятий и от понятий, которые возникли на их основе.

Коротко сформулируем те черты, которые составляют основу современной естественно-научной картины мира.

Специальная теория относительности установила неразрывную связь пространства и времени, а общая теория относительности показала зависимость этого единства от свойств материи. Опыт человечества показал, что поток времени неизменен: его нельзя ни ускорить, ни замедлить, ни обратить назад. Он кажется независимым от событий и выступает как ни от чего не зависящая длительность. Так возникло представление об абсолютном времени, которое, наряду с абсолютным пространством, где происходит движение всех тел, составляет основу классической физики.

Ньютон считал, что абсолютное, истинное, математическое время, взятое само по себе без отношения к какому-нибудь телу, протекает единообразно и равномерно.

Общую картину мира, нарисованную Ньютоном, коротко можно выразить так: в бесконечном и абсолютном неизменном пространстве с течением времени происходит движение миров. Ни у пространства, ни у времени не может быть границ, или, образно говоря, река времени не имеет истоков (начала). В противном случае это бы нарушало принцип неизменности времени и означало бы "создание" Вселенной.

Отметим, что уже философам-материалистам Древней Греции тезис о бесконечности мира представлялся доказанным.

В ньютоновской картине не возникало вопроса ни о структуре времени и пространства, ни о их свойствах. Кроме длительности и протяженности, у них других свойств не было. В этой картине мира такие понятия, как "сейчас", "раньше" и "позже", были абсолютно очевидными и понятными. Ход земных часов не изменится, если перенести их на любое космическое тело, а события, случившиеся при одинаковом показании часов где бы то ни было, надо считать синхронными для всей Вселенной. Поэтому можно использовать одни часы, чтобы установить однозначную хронологию. Однако, как только часы отдаляются на все большие расстояния «L», возникают трудности из-за того, что скорость света «с» хоть и велика, но конечна. Действительно, если наблюдать за отдаленными часами, например, в телескоп, то мы заметим, что они отстают на величину l/c. Это отражает тот факт, что "единого мирового потока времени" просто нет.

Специальная теория относительности обнаружила еще один парадокс. При изучении движения со скоростями, сравнимыми со скоростью света, выяснилось, что река времени не так проста, как думали раньше. Эта теория показала, что понятия "сейчас", "позже" и "раньше" имеют простой смысл только для событий, которые происходят недалеко друг от друга. Когда сравниваемые события происходят далеко, то эти понятия однозначны только в том случае, если сигнал, идущий со скоростью света, успел дойти от места одного события до места, где произошло другое. Если это не так, то соотношение "раньше"-"позже" неоднозначно и зависит от состояния движения наблюдателя. То, что было "раньше" для одного наблюдателя, может быть "позже" для другого. Такие события не могут влиять друг на друга, т. е. не могут быть причинно связанными. Это обусловлено тем, что скорость света в пустоте всегда постоянна. Она не зависит от движения наблюдателя и является предельно большой. Ничто в природе не может двигаться быстрее света.

Еще более удивительным оказалось то, что течение времени зависит от скорости движения тела, т. е. секунда на движущихся часах становится "длиннее", чем на неподвижных.

Время течет тем медленнее, чем быстрее по отношению к наблюдателю движется тело. Этот факт надежно измерен и в опытах с элементарными частицами, и в прямых опытах с часами на летящем самолете.

Таким образом, свойства времени только казались неизменными. Релятивистская теория установила неразрывную связь времени с пространством. Изменение временных свойств процессов всегда связаны с изменением пространственных свойств.

Дальнейшее развитие понятие времени получило в общей теории относительности, которая показала, что на темп времени влияет поле тяготения. Чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время по сравнению с его течением вдали от тяготеющих тел, т. е. время зависит от свойств движущейся материи.

Наблюдаемое извне время на планете течет тем медленнее, чем она массивнее и плотнее. Этот эффект имеет абсолютный характер. Таким образом, время является локально неоднородным и на его ход можно оказывать влияние. Правда, наблюдаемый эффект обычно мал.

Таким образом, концепция абсолютного времени как единого потока, равномерно текущего независимо от наблюдателя, была разрушена. Абсолютного времени как оторванной от материи сущности нет, но есть абсолютная скорость любого изменения и даже абсолютный возраст мироздания, рассчитанный учеными. Скорость света сохраняет свое постоянство даже в неоднородном времени.

Дальнейшие изменения в представлениях о времени и пространстве произошли в связи с открытием черных дыр и теории расширения Вселенной. Оказалось, что в сингулярности пространство и время перестают существовать в обычном смысле этого слова. Сингулярность - это место, где разрушается классическая концепция пространства и времени, так же как и все известные законы физики. В сингулярности свойства времени кардинально изменяются и приобретают квантовые черты.

Но нельзя считать, что сингулярность - это граница времени, за которой существование материи происходит уже вне времени. Просто здесь пространственно-временные формы существования материи приобретают совсем необычный характер, а многие привычные понятия становятся порой бессмысленными. Однако при попытке представить себе, что это такое, мы попадаем в затруднительное положение из-за особенностей нашего мышления и языка.

О характере законов природы в сингулярности пока только догадываются. Это передний край современной науки, и многое здесь будет еще уточняться. Время и пространство приобретают в сингулярности совсем другие свойства. Они могут быть квантовыми, могут иметь сложное топологическое строение и т.д. Но в настоящее время понять это детально не представляется возможным не только потому, что очень сложно, но и потому, что специалисты сами не очень хорошо знают, что все это может означать, тем самым подчеркивая, что наглядные интуитивные представления о времени и пространстве как неизменной длительности всего сущего правильны лишь в определенных, условиях. При переходе к другим условиям должны быть существенно изменены и наши представления о них.

Сформировавшиеся в рамках электромагнитной картины понятия поля и вещества получили дальнейшее развитие в современной картине мира, где содержание этих понятий существенно углубилось и обогатилось. Вместо двух видов полей, как в электромагнитной картине мира, теперь рассматривается четыре, при этом электромагнитное и слабое взаимодействия удалось описать единой теорией электрослабых взаимодействий. Все четыре поля на корпускулярном языке интерпретируются как фундаментальные бозоны (всего 13 бозонов). Каждый предмет природы является сложным образованием, т. е. имеет структуру (состоит из каких-либо частей). Вещество состоит из молекул, молекулы - из атомов, атомы - из электронов и ядер. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов (нуклонов), которые, в свою очередь, состоят из кварков и антикварков. Последние сами по себе - в свободном состоянии, не существуют и не имеют никаких отдельных частей, как электроны и позитроны. Но по современным представлениям они потенциально могут содержать в себе целые замкнутые миры, имеющие собственную внутреннюю структуру. В конечном счете вещество состоит из фундаментальных, фермионов - шести лептонов и шести кварков (не считая антилептонов и антикварков).

В современной картине мира основным материальным объектом является вездесущее квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. Здесь уже нет непроходимой границы между веществом и полем. На уровне элементарных частиц постоянно происходят взаимопревращения поля и вещества.

Согласно современным взглядам взаимодействие любого вида имеет своего физического посредника. Такое представление основано на том, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом - скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание передается через вакуум.

Упрощенную современную модель процесса взаимодействия можно представить следующим образом. Заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. По своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму. Можно сказать, что заряд возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние. Частицы поля являются виртуальными - они существуют очень короткое время и в эксперименте не наблюдаются. Две частицы, оказавшись в радиусе действия своих зарядов, начинают обмениваться виртуальными частицами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей, с которой она взаимодействует. Обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания между взаимодействующими частицами. Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица, переносящая это взаимодействие. Каждому фундаментальному взаимодействию присущи свои переносчики-бозоны. Для гравитации - это гравитоны, для электромагнитных взаимодействий - фотоны, сильное взаимодействие обеспечивается глюонами, слабое - тремя тяжелыми бозонами.

Эти четыре типа взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи. Более того, имеются основания считать, что все фундаментальные взаимодействия не независимы, а могут быть описаны в рамках единой теории, которую называют суперобъединением. Это еще одно доказательство единства и целостности природы.

Взаимопревращаемость - характерная черта субатомных частиц. Электромагнитной картине мира была присуща стабильность; недаром в ее основе лежат стабильные частицы - электрон, позитрон и фотон. Но стабильные элементарные частицы - это исключение, а правилом является нестабильность. Почти все элементарные частицы нестабильны - они самопроизвольно (спонтанно) распадаются и превращаются в другие частицы. Взаимопревращения происходят и при столкновениях частиц.

При столкновениях в действительности происходит не расщепление частиц, а рождение новых, частиц', они рождаются за счет энергии сталкивающихся частиц. При этом возможны не любые превращения частиц. Способы преобразования частиц при столкновениях подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира субатомных частиц.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего, это законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса продуктов распада меньше массы покоя распадающейся частицы. Законы сохранения связаны с симметрией, которая, как считают многие физики, является отражением гармонии фундаментальных законов природы.

Квантовая теория показала, что вещество постоянно находится в движении, не оставаясь в состоянии покоя ни на мгновение. Это говорит о фундаментальной подвижности материи, ее динамизме. Материя не может существовать без движения и становления. Вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы, существуют не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий.

Эти взаимодействия питают бесконечный поток энергии, проявляющийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в беспрестанных изменениях энергетических структур. В результате взаимодействий образуются устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела.

С одной стороны, частицы оказывают влияние на пространство, с другой - они являются не самостоятельными частицами, а, скорее, сгустками поля, пронизывающими пространство. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир, несмотря на то, что в этом мире безраздельно властвует ритм, движение и непрестанное изменение.

Динамическая природа мироздания проявляется не только на уровне бесконечно малого, но и при изучении астрономических явлений. Мощные телескопы помогают ученым следить за непрестанным движением вещества в космосе. Вращающиеся облака газообразного водорода, сгущаясь, уплотняются и постепенно превращаются в звезды. При этом температура их сильно возрастает, они начинают светиться. Со временем водородное топливо выгорает, звезды увеличиваются в размерах, расширяются, затем сжимаются и заканчивают свою жизнь гравитационным коллапсом, при этом некоторые из них превращаются в черные дыры. Все эти процессы происходят в различных уголках расширяющейся Вселенной. Таким образом, вся Вселенная вовлечена в бесконечный процесс движения или, говоря словами восточных философов, в постоянный космический танец энергии.

Механистическая и электромагнитная картины мира построены на динамических закономерностях. Вероятность там допускается лишь в связи с неполнотой наших знаний, подразумевая, что с ростом знаний и уточнением деталей вероятностные законы уступят место динамическим. В современной картине мира ситуация принципиально иная - здесь фундаментальными являются вероятностные закономерности, несводимые к динамическим. Нельзя точно предсказать, какое превращение частиц произойдет, можно говорить только о вероятности того или иного превращения; нельзя предсказать момент распада частицы и т. д. Но это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом.

Поведение любой части целого обусловлено ее многочисленными связями с последним, а поскольку об этих связях мы, как правило, не знаем, нам приходится от классических понятий причинности перейти к представлениям о статистической причинности.

Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым вероятность атомных явлений определяется динамикой всей системы. Если в классической физике свойства и поведение целого определяются свойствами и поведением его отдельных частей, то в квантовой физике все обстоит совершенно иначе: поведение частей целого определяется самим целым. В современной картине мира случайность стала принципиально важным атрибутом; она выступает здесь в диалектической взаимосвязи с необходимостью, что и предопределяет фундаментальность вероятностных закономерностей. Случайность и неопределенность лежат в основе природы вещей, поэтому язык вероятности стал нормой при описании физических законов.

В прежних картинах мира вакуум рассматривался просто как пустота. В современной - это не пустота в обычном смысле, а основное состояние физических, полей, вакуум "заполнен" виртуальными частицами. Понятие "виртуальная частица" тесно связано с соотношением неопределенностей для энергии и времени. Она принципиально отличается от обычной частицы, которую можно наблюдать в эксперименте.

Виртуальные частицы появляются сами по себе и тут же исчезают, считается, что они не требуют затрат энергии. По замечанию одного из физиков, виртуальная частица ведет себя как кассир-мошенник, регулярно успевающий вернуть взятые из кассы деньги, прежде чем это заметят. В физике мы не так редко встречаемся с вполне реально существующим, но до случая себя не проявляющим. Например, атом в основном состоянии не испускает излучения. Значит, если на него не действовать, он останется ненаблюдаемым. Говорят, что виртуальные частицы не наблюдаемы. Но они не наблюдаемы до тех пор, пока на них определенным образом не подействовать. Когда же они сталкиваются с реальными частицами, имеющие соответствующую энергию, то происходит рождение реальных частиц, т.е. виртуальные частицы превращаются в реальные.

Физический вакуум представляет собой пространство, в котором рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. В этом смысле физический вакуум обладает определенной энергией, соответствующей энергии основного состояния, которая постоянно перераспределяется между виртуальными частицами.

Но воспользоваться энергией вакуума мы не можем, потому что это самое низкое энергетическое состояние полей, соответствующее самой минимальной энергии (меньше быть не может). При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей - тогда будут наблюдаться обычные частицы. С этой точки зрения обычный электрон теперь представляется как бы окруженным "облаком" или "шубой" виртуальных фотонов.

Как показывают эксперименты, виртуальные частицы в вакууме вполне реально воздействуют на реальные объекты, например, на элементарные частицы. Физики знают, что отдельные виртуальные частицы вакуума невозможно обнаружить, но их суммарное воздействие на обычные частицы опыт замечает. Все это соответствует принципу наблюдаемости.

Многие физики считают открытие динамической сущности вакуума одним из важнейших достижений современной физики. Из пустого вместилища всех физических явлений пустота превратилась в динамическую сущность огромной важности. Физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, масса, заряд, проявляются именно при взаимодействии с вакуумом. Поэтому любой физический объект в настоящее время рассматривается как момент, элемент космической эволюции Вселенной, а вакуум считается мировым материальным фоном.

Современная физика демонстрирует, что на уровне микромира материальные тела не имеют собственной сущности, они являются неразрывно связанными со своим окружением: их свойства могут восприниматься только в терминах их воздействий с окружающим миром.

Таким образом, неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире сверхбольшого - этот факт получает признание в современной физике и космологии.

В современной картине мира вещество, как и поле, состоит из элементарных частиц, которые взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. Вакуум "превратился" в одну из разновидностей материи и "состоит" из виртуальных частиц, взаимодействующих друг с другом и с обычными частицами.

Таким образом, исчезает граница между веществом, полем и вакуумом.

В современной картине мира физика тесно объединяется с другими естественными науками - она фактически сливается с химией и выступает в тесном союзе с биологией; недаром эту картину мира называют естественно-научной.

Краткая хронология наиболее важных событий приведена в таблице 1.

Таблица 1

Хронология наиболее важных событий Период Характеристика 20 млрд лет назад Большой взрыв 3 минуты спустя Образование вещественной основы Вселенной Через несколько сотен лет Появление атомов (легких элементов) 19-17 млрд лет назад Образование разномасштабных структур (галактик) 15 млрд лет назад Появление звезд первого поколения, образование тяжелых атомов 5 млрд лет назад Рождение Солнца 4,6 млрд лет назад Образование Земли 3,8 млрд лет назад Зарождение жизни 450 млн лет назад Появление растений 150 млн лет назад Появление млекопитающих 2 млн лет назад Начало антропогенеза

Адиабатические инварианты – физические величины, остающиеся практически неизменными при медленном (адиабатическом), но не обязательно малом изменении внешних условий, в которых находится система, либо самих характеристик системы (внутреннее состояние, масса, электрический заряд и др.). Отмеченное изменение должно происходить за время τ , значительно превышающее характерные периоды движения системы. В классической механике адиабатическими инвариантами являются переменные действия

I_k = ,

где p_k – обобщенный импульс;

q_k – обобщенная координата.

Для гармонического осциллятора адиабатическим инвариантом является отношение его энергии к частоте. При адиабатическом изменении условий становятся связанными между собой независимые физические величины, например, амплитуда колебаний маятника и его длина.

Физически важным примером адиабатического инварианта служит магнитный момент, создаваемый током заряженной частицы при ее движении в медленно меняющемся магнитном поле.

На сохранении адиабатических инвариантов основано так называемое «дрейфовое приближение», используемое в физике плазмы, а также действие «магнитных пробок», применяемых с целью управляемого термоядерного синтеза.

Количество адиабатических инвариантов не превышает числа степеней свободы, по которым движение системы ограничено в пространстве.

1.2. Физические константы и их использование при выборе единиц физических величин.

Физические принципы создания современной эталонной базы с использованием физических эффектов и явлений.

Исторический обзор. Малые длины первоначально измерялись путем сравнения с индивидуальными измерительными объектами. Историчность метрологии рассматривалась с точки зрения антропоморфии. Свидетельством этому являются старые наименования единиц: пядь, локоть, фут, сажень, аршин, фут. Большие расстояния сопоставлялись друг с другом и совершенно иным способом — говорили о часе пути, о дне пути, однако мы не будем останавливаться на этом методе. Вскоре сравнение с индивидуальными размерами, присущими телу отдельного человека и потому различными, перестало соответствовать все возрастающим требованиям точности (например, при землемерных работах в Египте). Требовалось создать единый и устойчивый масштаб. Его пытались вводить главным образом властители, и, как нетрудно понять, в результате возникло такое количество запутанных единиц в области мер и весов, что это стало мешать развитию хозяйственных отношений. В 1800 г. в одном только Бадене было 112 разных мер, которые все носили наименование «локоть», и 92 единицы площади. Иногда меняли и величину самой единицы.

Единая метрическая единица была принята во Франции. Обсуждалось использование трех естественных основ для определения единицы длины:

- длина маятника f с периодом колебаний 1 с;

- длина 1/4 части экватора Земли;

- длина 1/4 меридиональной окружности Земли.

- земного экватора, правильность формы которого была к тому же установлена не так строго, как правильность меридиана.

Поэтому выбор пал на длину меридиана, и единица длины должна была равняться точно 10-⁷ части от одной четвертой меридиональной окружности. Измерить ее поручили астрономам X. Б. Ж. Деламберу и П. Ф. Мешэну. Для измерения отрезка меридиана они воспользовались методом триангуляции, развитым В. Снелиусом и применяемым по сей день в геодезии.

Так было получено значение 1 метра. Была изготовлена платиново-иридиевая концевая мера длины, показанная на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Концевая мера длины

Такого рода эталоны не обладали необходимой точностью, требования к которой возрастали.

Так, например, в 1800 г. считалась вполне достаточной точность измерения длины равная 0,25 мм.

К 1900 г. предельные требования дошли до 0,01 мм ; в 1950 г. до 0,25 мкм, а в настоящее время существуют отрасли промышленности, где работают с точностью 10^-9…10^-10 м.

Ко времени проведения I-й Генеральной конференции по мерам и весам (1889 г., введение эталона метра) Л. А. Майкельсон и - Э. У. Морли указали, что с помощью интерферометра (интерферометра Майкельсона, сокращенно ИМ) возможно сопоставление метра с длиной волны светового излучения, т. е. определение тоги, сколько длин волн света укладывается на 1 м.

В интерферометре Майкельсона (рис. 1.2) пучок света от возможно более монохроматического источника Q расщепляется делителем S (полупрозрачное зеркало) на два пучка, один из которых отражается затем от зеркала S₁, а другой — от зеркала S₂.

Рис. 1. 2. Схема интерферометра Майкельсона

Мнимое изображение зеркала S₁ на плече S₂ находится в положении S₁’

В положении В имеет место минимум интерференции, если расстояние 2d равно полуцелому кратному используемой длины волны. Путем подсчета смены минимумов и максимумов при перемещении зеркала можно производить калибровку микрометрического винта М в длинах волн.

Например, с 1892 по 1940 г. были проведены девять промеров красной линии кадмия и найдено, что на 1 м укладывается точно 1 553 164,13 ее длины волны.

Следовательно длина волны красной линии кадмия равна λ_Сd = (643, 846960,0001) нм.

В 1927 г. это значение было допущено в качестве стандарта наряду с эталоном метра.

Реализация единицы длины.

Оптика — это учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн, длина которых составляет приблизительно 10⁻⁵…10⁻⁷ м.

Значение именно этой области спектра электромагнитных волн связано с тем, что внутри нее в узком интервале длин волн от 0,40 до 0,76 мкм лежит участок видимого света, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом. С точки зрения физики происходящих процессов выделение столь узкой области видимого света не имеет особого смысла, поэтому в понятие «оптический диапазон» включают обычно еще и инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.

Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов. Любой источник света — это скопление множества возбужденных или непрерывно возбуждаемых атомов. Генератор световой волны — это каждый отдельный атом вещества. Возбужденный атом излучает цуг почти монохроматических волн конечной протяженности.

Монохроматический свет представлен светом только одной частоты (длины волны).

Характерной особенностью каждого элементарного источника является его самостоятельность, независимость от других атомов. Поэтому даже в том случае, когда отдельные цуги можно характеризовать одной и той же длиной волны λ, соотношения фаз между цугами волн, излученных разными атомами, имеют совершенно случайный характер и непрерывно изменяются. Только в лазере, где используется вынужденное излучение, удается заставить все возбужденные атомы излучать электромагнитные волны согласованно.

В результате образуется световая волна, близкая по своим свойствам к идеальной монохроматической,— когерентная электромагнитная волна. Излучение обычных источников света, таких, как раскаленные твердые или жидкие тела, возбужденные электрическим разрядом газы и т. д., представляет собой наложение огромного числа не согласованных между собой цугов волн, т. е. фактически «световой шум» — беспорядочные, некогерентные колебания электромагнитного поля.

Наблюдать интерференцию света от таких некогерентных источников можно, только используя специальные приемы — разделяя исходный пучок на два. Хотя в каждом из этих пучков, как и в исходном, фазовые соотношения между различными цугами непрерывно хаотически меняются, эти изменения будут одинаковыми для обоих пучков. Если эти пучки снова свести вместе, то можно наблюдать устойчивую интерференционную картину при условии, что разность хода между пучками не превышает длины отдельного цуга.

Интерференционные явления, исторически послужившие экспериментальным доказательством волновой природы света, и в наши дни находят важные практические применения, в частности в спектроскопии и в метрологии.

Ко времени проведения I Генеральной конференции по мерам и весам (1889 г., введение эталона метра) Л. А. Майкельсон и - Э. У. Морли указали, что с помощью интерферометра (интерферометра Майкельсона) возможно сопоставление метра с длиной волны светового излучения, т. е. определение того, сколько длин волн света укладывается на длине в 1 м.

Интерферометр — прибор для измерения длин звуковых или световых волн, коэффициентов преломления, определения скорости света и т. д. Конструкций приборов, основанных на интерференции, очень много, но все они основаны на разделении пучка света на два когерентных, которые затем интерферируют.

Изучение интерференционной картины дает возможность произвести нужные измерения с очень большой точностью.

На рис. 1.3 приведена упрощенная схема интерферометра Майкельсона. Свет от некоторого источника падает слева на полупрозрачное зеркало А и разделяется на два пучка: отраженный 1и прошедший 2. После отражения от зеркал М₁ и М₂ эти пучки снова падают на полупрозрачное зеркало А и частично отражаются, а частично проходят через него. В результате на экране Р можно наблюдать интерференцию лучей 1' и 2'.

Рис. 1. 3. Схема интерферометра Майкельсона

Картина интерференции зависит от разности хода лучей. Одно из зеркал (М₂ на рис. 1.3.) может перемещаться с помощью микрометрического винта, оставаясь параллельным самому себе.

При его перемещении изменяется разность хода и интерференционные полосы на экране Р смещаются. Смещение интерференционной картины на одну полосу происходит при перемещении зеркала М₂ на расстояние, равное половине длины волны. Интерферометр Майкельсона используется для выполнения особенно точных измерений длины.

Например, в метрологии с его помощью производится сравнение эталона длины, основанного на длине волны оранжевой линии криптона-86, со вторичными эталонами, выполненными в виде твердых стержней.

Поиски подходящих источников света привели к обнаружению оранжевого излучения атомов ⁸⁶Кr.

На рис. 1.4 приведена схема лампы, разработанная Энгельгардом.

Рис. 1. 4. Лампа с изотопом ⁸⁶Кг в криостате: 1 - корпус; 2, 3 — окна; 4 — отвод к насосу; 5 — крышка; 6— отверстие для заливки; 7 — ртутный манометр; 8 — размешиватель; 9, 10 — кольцевые уплотнители; 11 — криптоновая лампа (изотоп ⁸⁶Кr) с нагреваемым катодом; 12, 13 — термоэлементы; 14— горячий катод.

Она полностью погружена в жидкую углекислоту, которая путем снижения давления (откачкой) доведена до температуры тройной точки (63 К).

Используется газообразный криптон, содержащий как минимум 90% ⁸⁶Кr. (в разделительной трубке он поддается обогащению до 99,6%). Спин такого дважды четного ядра (четный заряд Z=36 и четное число нейтронов N=50) равен нулю, так что у состояний этого атома нет сверхтонкой структуры. Разряд осуществляется в капилляре, и излучение наблюдаете вдоль него.

При низкой температуре криптон находится в твердом состоянии, давление газа составляет 4 Па, так что уширение обусловленное эффектом Доплера и соударениями, весьма незначительно.

В таких условиях длина когерентности достигает 0,8 м, и можно промерять даже масштабы 1 м длины. Через длину волны излучения криптона получено определение:

- 1 метр равен 1 650 763,73 длин волн в вакууме для излучения, соответствующего переходу между уровнями 5d₅→2p₁₀ атомов ⁸⁶Кr.

Вопреки ожиданиям, выяснилось, что испускаемая этой лампой линия ⁸⁶Кr несколько несимметрична по данным измерений с помощью интерферометра Майкельсона.

Это приводит к тому, что результаты будут несколько различны при расчетах на основании длины волны максимума линии или длины волны центра тяжести ее профиля.

Разработка лазеров открыла новые возможности для реализации стандартов длины. При этом обеспечиваются два преимущества:

1. Длина когерентности для излучения лазера намного больше (≈10⁴ м), чем для света криптоновой (⁸⁶Кr) лампы (≈0,8 м).

Поэтому становятся возможными промеры длины объектов, превышающих 1 м.

2. Большая интенсивность лазера как источника света делает возможным фотоэлектрический счет интерференционных полос. Однако для того, чтобы лазер мог быть использован в качестве стандарта длины волны, необходимо предварительно добиться высокой стабильности длины волны излучения.

Л азер — прибор для получения мощного потока когерентного излучения. В лазере используются вынужденное излучение и существование «запрещенных переходов». Принципиальное устройство лазера в том, что активное вещество имеет три энергетических уровня, причем вероятное время пребывания на уровне 3 (рис. 1.5) равно 10⁻³ с, а вероятность перехода сразу на уровень 3 в 10 раз больше, чем вероятность перехода на уровень 2. На уровне 2 (метастабильном) среднее время пребывания электрона составляет 0,1с (все числа условные).

Рис. 1. 5. Энергетические уровни лазера.

Если интенсивность переходов I достаточно велика, то очень быстро окажется, что все атомы перейдут в метастабильное состояние с электронами на уровне 2.

Активное вещество помещается в резонатор — прозрачную трубку длиной несколько сантиметров (для первых лазеров). Торцы трубки закрыты строго параллельными зеркалами, причем одно не пропускает света вообще, второе отражает только около 90 % света.

Если в среде появится квант, излученный при переходе и двигающийся вдоль оси трубки, то он начнет «сбрасывать» электроны со второго на первый уровень (двигающиеся не вдоль оси практически мгновенно покидают трубку через боковые стенки). Рождающиеся при этом кванты тождественны первому. Пролет кванта света вдоль трубки в одну сторону занимает около 10⁻¹⁰…10⁻⁹ с.

Поэтому уже через 10⁻⁹…10⁻⁷ с все атомы излучат запасенную энергию, и эта энергия в виде потока параллельных когерентных волн выйдет из лазера.

До появления лазера не удавалось получить столь мощных когерентных источников света. Свет лазера с помощью хорошей линзы может быть сфокусирован в маленькую точку с огромной плотностью энергии. Эти свойства лазера делают его сферу применимости очень широкой.

Однако, впоследствии было решено вообще отказаться от стандарта длины и определить вместо этого скорость света как мировую постоянную (с = 299792,458 км/с). Тогда отсюда следует определение длины:

Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с.

Реализация единицы массы.

Понятие массы впервые появляется в том разделе механики, который называют, динамикой. Масса определяет количественную взаимосвязь между силой и ускорением.

Согласно второму закону Ньютона, сила F связана с ускорением a известным соотношением, в которое входит m − «масса»

F = m·a,

Это соотношение указывает, с одной стороны, на тот факт, что при выключении силы (F = 0) тело движется с ускорением, равным нулю, т. е. равномерно и прямолинейно (v=const).

С другой стороны, скорость изменяется под действием силы не мгновенно, а ее изменение подчиняется закону dv/dt=F/m. С помощью закона Ньютона можно либо получать определение единицы силы при заданном определении единицы массы, либо обратно — из единицы силы получать единицу массы. Таким образом, масса – количественная мера инертности.

Прототип 1 кг массы представляет собой находящийся в Международном бюро мер и весов в Севре под Парижем цилиндр из сплава платины (90%) и иридии (10%) диаметром около 39 мм и такой же высоты. Выбор этого сплава обеспечивает стойкость, однородность и высокую полируемость поверхности (так что его легко очищать), однако ввиду большой плотности (21,5 г·см⁻³) он обладает тем недостатком, что отделение от него уже малых частей приводит к большому изменению массы.

Вторичные стандарты изготовляются из стали или латуни (плотность около 8 г·см⁻³).

В атомистической концепции строения материи вместо массы возникает еще одно представление о «количестве вещества». Это представление тем более понятно, что ряд явлений и закономерностей допускают особенно простое описание, если связать их с числом частиц.

Впервые роль числа частиц, как такового, совершенно независимо от массы отдельной частицы проявилась в уравнении состояния (идеального) газа, давление которого p подчиняется простому соотношению

Р = n·k·T,

где п — число частиц в единице объема;

k — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная или термодинамическая температура.

Свойства отдельных частиц при этом не имеют значения. Детальное указание свойств вещества можно свести к единственной количественной характеристике, если говорить об одинаковом количестве вещества как об одном и том же числе частиц. Таким образом, в системе СИ было принято в качестве базисной величины количество вещества, .измеряемое в молях.

Под количеством вещества 1 моль понимается такое количество некоторого вещества, в котором содержится точно столько, частиц, сколько атомов углерода ¹²С содержится в 12 г. Это число частиц (ионов, молекул) называется число Авогадро и может быть найдено, если известна масса одного атома ¹²С.

Число Авогадро обладает размерностью (количество вещества)⁻¹ и измеряется в единицах моль^-1.

При этом макроскопическую массу количества вещества 1 моль можно выразить как

где [M] = 1 г·моль^-1 (или 1 кг/кмоль).

Величина М называется молярной массой.

Реализация единицы времени.

Единицы длины и массы поддаются овеществлению вне зависимости от того, удается ли нам присоединить к ним неизменную меру. Можно вновь и вновь сравнивать масштабы, с эталоном, находящимся в надежном хранилище. В отношении времени дело обстоит совершенно иначе. С одной стороны, единица времени не поддается хранению — время бежит безостановочно, с другой же стороны, требуется, чтобы при измерениях можно было проводить количественное сравнение с прошедшими отрезками времени.

В теории время t представляет собой непрерывно изменяющуюся независимую переменную. Во всех процессах, связанных с движением, время играет роль существенного параметра: записав x = x(t), мы имеем в виду, что процесс известен нам полностью во все моменты времени. Всякий промер времени означает установление равномерно следующих одна за другой меток, поддающихся счету. Расстояние между двумя такими метками во времени может быть выбрано в качестве единицы времени. Если действие песочных часов свидетельствует о течении времени, то их последовательное переворачивание устанавливает цепочку меток во времени. Лишь течение созвездий демонстрирует нам безостановочное и не требующее постоянного подталкивания (периодическое) движение, и в принципе требуется выбрать шкалу времени, которая правильно описывала бы такое движение при выполнении законов механики, в частности закона тяготения.

Первоочередной задачей является вывод равномерной шкалы времени, причем она должна поддаваться промеру с помощью земных методов. При все большем усовершенствовании методов наблюдения движений звезд варианты эмпирической шкалы времени подвергались в известном смысле корректировке. Официально принятая единица времени установлена на базе методов атомной физики. Однако существует и астрономическое определение этой единицы ввиду ее большого практического значения в астрономии.

Все старые определения шкалы времени основывались на видимом движении звезд по небу. Первым наблюдательным фактом, позволяющим делать временные метки, была, естественно, смена дня и ночи. Первоначально продолжительность дня от восхода до захода Солнца разбивалась на 12 часов, длительность которых, однако, зависела от времени года и была поэтому сама периодической функцией времени. Неизвестно, откуда происходит деление одного часа на 60 минут, но установлено, что в ХV столетии астрономы уже определяли секунду как ¹/60 минуты. Астрономическая шкала времени в основном определяется двумя движениями — вращением Земли вокруг ее собственной оси (север — юг) и обращением Земли вокруг Солнца по слегка эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится Солнце (рис. 1. 6).

Рис. 1. 6. Орбита Земли вокруг Солнца.

Здесь существует ряд трудностей. Например, продолжительность истинных солнечных суток не постоянна, а все время колеблется в пределах десятков секунд. Это обусловлено двумя причинами.

Во-первых, из закона тяготения следует, что в перигелии Земля движется быстрее, чем в афелии. Так получается разница в длительности суток в июне и декабре, составляющая около 16 с.

Во-вторых, продолжительность суток, как правило, определяется по полному обороту небесной сферы вдоль экватора. За год происходит сдвиг на 360° летом и зимой экватор и эклиптика «параллельны» друг другу так что изменение угла вдоль эклиптики совпадает с изменением угла вдоль экватора, а вблизи весенней и осенней точек равноденствия изменение угла вдоль экватора происходит медленнее, чем вдоль эклиптики. Отсюда следует различие длительностей суток между весной и летом (осенью и зимой) приблизительно на 20 с.

Если бы скорость вращения Земли была строго постоянной и находилась в целочисленном отношении к ее скорости обращения по орбите около Солнца, то определение средних солнечных суток приводило бы одновременно к определению единицы времени — секунды. Это, однако, не так. Кроме того, следует учитывать следующие явления: регулярные, когда наблюдаются сезонные изменения продолжительности суток, что связано с изменением момента инерции, например, листопад; спарадические, которые связаны с взаимодействием солнечного ветра, геомагнитным полем Земли при вспышках на Солнце (резкое повышение активности).

В случае астрономического определения секунды была введена Международным комитетом мер и весов эфемеридная секунда, значение которой получено путем расчетов с учетом сил тяготения, положения Земли в пространстве и т. п.

Относительна точность измерения эфемеридного времени − 10^-8 с. XII Генеральная конференция по мерам и весам уполномочила в 1964 г. Международный комитет по мерам и весам установить некоторую молекулярную или атомную частицу, которая с 1967 г. должна служить официально принятым стандартом. Квантовый переход между линиями сверхтонкой структуры атома ¹³³Cs, а именно определенный невозмущенный переход дает точно частоту 9,19263177 Гц.

Определяемая таким образом единица времени − 1 секунда − равна продолжительности 9,19263177·10⁹ колебаний излучения при этом переходе. Конструкция таких часов, называемых атомными, достаточная сложная и основная задача заключается в постоянной генерации таких переходов и измерении частоты колебаний для корректировки.

Реализация единицы cила электрического тока.

Углубление наших знаний об электрических и магнитных явлениях и возникновение электротехники, область применения которой быстро расширяется, поставили совершенно новые проблемы перед естествознанием и техникой измерений.

При описании элементарных взаимодействий между двумя электрическими зарядами, магнитами или электрическими токами (закон Кулона, 1785; закон Ампера, 1820) использовался лишь один из известных ранее параметров, а именно сила, определенная в механике.

Насколько легко и плодотворно было определение единицы новой величины — «заряда» из закона Кулона, настолько же трудным оказался путь к установлению общей системы единиц для механики и теории электромагнетизма.

Эти единицы, пригодные для всеобщего употребления, дала только система СИ. В системе СИ сила тока определяется через взаимодействие двух токов.

Раннее представление - Ампер есть сила не изменяющегося во времени электрического тока, который, протекая в вакууме по двум прямолинейным бесконечным и параллельным друг другу проводникам пренебрежимо малого круглого поперечного сечения, находящимся друг от друга на расстоянии 1 м, создает электродинамическую силу, действующую. на эти проводники и равную 2·10⁻⁷ ньютон на каждый метр их длины (рис. 1. 7).

Рис. 1. 7. Схема определения ампера как единицы силы тока

Если токи текут в противоположные стороны, действует сила отталкивания. Сила эта очень мала, но силы легко поддаются измерению, а, кроме того, сила может быть без труда увеличена.

В основе такого определения в системе СИ лежит обнаруженный Ампером факт (1820 г.), что два проводника с током действуют друг на друга с силой, изменяющей свой знак, если направление одного из токов заменить на обратное. Эта сила трактуется как результат действия магнитного поля, окружающего каждый проводник с током (закон Эрстеда), на движущиеся носители заряда в другом проводнике (так называемая сила Лоренца).

Современное представление силы тока Ампер базируется на положениях квантовой механики.

Квантовая теория электрического тока выводится из классической. Для перехода к квантовой теории электрического тока, необходимо знать об электрическом токе на участке цепи – потребителе тока;

- для существования электрического тока к проводнику необходимо подвести энергию извне в виде электрического поля;

- электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света и взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами материала проводника;

- это взаимодействие неизвестным сейчас образом образует магнитное поле проводника.

Классическая электродинамика предполагает, что в процессе электрического тока участвуют следующие физические величины:

1. Напряжение U или разность потенциалов ΔE возникает в момент замыкания цепи. Характеристики этого вектора – направление вдоль проводника от плюса к минусу.

2. Электрический ток I - скалярная величина. Направления нет. Возникает на участке цепи – потребителе тока после того, как на этот участок подаётся напряжение или разность потенциалов от внешнего источника. Существует за счёт энергии источника тока.

3. Магнитное поле В. Направление – по правилу буравчика. Расположение – вне проводника, в плоскости, перпендикулярной направлению разности потенциалов.

4. Радиус – вектор r. В настоящее время безымянный, поскольку неизвестен тип взаимодействия, который он переносит. Физический смысл радиус – вектора r: промежуточный вектор между вектором электрического тока и вектором магнитного поля. Переносит силовое взаимодействие. Из известных физических полей для него подходит только гравитационное поле G.

Этот вектор меняет знак при изменении направления энергии. При потреблении электрической энергии его направление - от вектора электрического тока к вектору магнитного поля. При генерации электрической энергии его направление - от вектора магнитной индукции к вектору электрического тока.

В квантовой физической модели электрического тока наименьшее количество электричества – один квант.

Из квантовой физики известно, что в твёрдом проводнике первого рода электронный газ сильно вырожден. Это означает: во – первых, что классическое представление об электрическом токе как о направленном движении электронного газа, не имеет физического носителя электрического тока. Во – вторых, это означает, что каждый электрон в каждый момент времени, принадлежит какому – то определённому атому, т. е. находится на определённой квантовой орбите.

Плюсовой конец проводника отличается от минусового конца меньшей концентрацией электронов. Если каждый электрон принадлежит какому – то атому, то меньшая концентрация электронов означает, на плюсовом конце проводника электроны находятся на более удалённых орбитах, чем на минусовом.

Рис. 1. 8. Один квант электрического тока на участке цени – потребителе тока.

За направление тока в проводниках первого рода в электродинамике принимают направление плюсовых зарядов.

Направление магнитного поля определяется по правилу буравчика. Величина одного кванта магнитного потока (Вб) также известна:

Ф₀ = 2,0678506·10^-15 (1)

Электроны, участвующие в процессе прохождения электрического тока по проводнику на участке цепи – потребителе тока, совершают квантовые переходы за счёт энергии источника тока по всей длине проводника. Переход электрона с одного квантового уровня на другой на участке цепи – потребителе тока сопровождается испусканием кванта энергии в виде гравитона. И наоборот, переход электрона с одного квантового уровня на другой на участке цепи – источника тока сопровождается поглощением кванта энергии в виде гравитона.

Электроны, не участвующие в процессе протекания электрического тока, не изменяют своего энергетического состояния. В квантовой физической модели электрического тока предполагается, что при протекании электрического тока на участке цепи – потребителе тока, происходит последовательное преобразование трёх физических полей: разность электрических потенциалов ΔE, направленная вдоль проводника, последовательно, в два этапа, преобразуется в энергию гравитационного поля проводника с током G, затем в энергию магнитного поля В. Рассмотрим прохождение одного кванта электрического тока по проводнику в два этапа.

П ервый этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи – потребителе тока: преобразование кванта электрического поля проводника в квант гравитационного поля.

Рис. 1. 9. Первый этап прохождения одного кванта электрического тока (участок цепи – потребителя тока) - преобразование кванта электрического поля в квант гравитационного поля.

К проводнику с током на участке цепи – потребителе тока, подводится внешняя энергия в виде разности потенциалов или напряжения (рис. 1. 8). Эта энергия расходуется на то, чтобы электрон проводимости перешёл с одной квантовой орбиты на другую. При этом энергия внешнего источника выделяется в виде кванта гравитационного поля (рис. 1. 9).

Предлагаемый физический механизм позволяет объяснить физическую природу силы Ампера с позиций близкодействия.

Второй этап прохождения одного кванта электрического тока на участке цепи - потребителе тока: преобразование одного кванта гравитационного поля в один квант магнитного потока.

Излученный квант гравитационной энергии (гравитон) на некотором расстоянии от проводника преобразуется в квант магнитной энергии.

Направление кванта магнитного потока (рис. 1.10) определяется правилом правого винта (буравчика).

Рис. 1.10. Второй этап прохождения одного кванта электрического тока (участок цепи – потребителя тока) - преобразование кванта гравитационного поля в квант магнитного поля.

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов, совершивших квантовый переход. Скорость движения электрического тока в квантовой модели равна скорости света, поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

На участке цепи – источнике тока происходит обратный процесс. При входе энергии в проводник с током, кванты гравитационного поля поглощаются валентными электронами. Их энергия преобразуется в электрическое поле проводника и происходит выдача электрической энергии к потребителю тока.

То, что смена направления гравитационного излучения проводника на участке цепи - источнике тока и участке цепи - потребителе тока есть, подтверждает длительное существование эмпирических правил правой и левой руки, сменяющих друг друга (рис. 1. 11), например, при переходе электродвигателя из режима потребления электрической энергии в генераторный режим. При этом происходит реверс электрического тока (рис), и вместо потребления электрического тока (например, от аккумулятора) происходит зарядка аккумулятора.

Рис. 1. 11. Прохождение одного кванта электрического тока на участке цепи – источнике тока.

Направление тока в квантовой теории электрического тока определяется направлением передачи энергии по проводнику – от генератора к потребителю тока.

Квантовая теория электрического тока имеет чёткий критерий, позволяющий отделить хаотическое движение электронов от электрического тока - при хаотическом движении электронов не излучается гравитационная энергия и не образуется собственное магнитное поле проводника. В соответствии с этим критерием можно предложить квантовое физическое определение электрического тока.

Электрический ток – это квантовый процесс передачи электрической энергии от источника тока к потребителю тока, связанный с образованием собственного магнитного поля проводника.

Направление тока в соответствии с квантовой физической моделью электрического тока определяется направлением передачи энергии, т.е. от источника тока к потребителю тока. Направление движения электронов в этом процессе не имеет значения.

Величина электрического тока в квантовой теории определяется количеством электронов, совершивших квантовый переход. Скорость движения электрического тока в квантовой модели от величины тока не зависит, и равна скорости света, поскольку определяется скоростью движения электрического поля вдоль проводника.

Приведение закона Ампера к корректному физическому виду необходимо производить по квантовому механизму.

Квантовый механизм электрического тока предполагает, что электрический ток является более сложным физическим явлением, чем сейчас описывается в электродинамике. В настоящее время в электродинамике физический смысл силы Ампера не известен, поэтому в формуле, определяющей эту силу, есть величины, не имеющие физического смысла.

Магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, испытываемый рамкой, есть результат действия сил на отдельные её элементы. Обобщая результаты исследования действия магнитного поля на различные проводники с током, Ампер установил, что сила dF, с которой магнитное поле действует на элемент проводника dl с током, находящегося в магнитном поле, равна

dF = I [dl, B], (2)

где dl - вектор, по модулю равный и совпадающий по направлению с током;

В - вектор магнитной индукции.

Направление вектора dF можно найти по общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в неё входил вектор В, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток».

Формула (2), определяющая силу Ампера физически не корректна. В векторном произведении [dl, B] вектор dl не имеет физической природы. Зная квантовый физический механизм электрического тока можно привести эту формулу к виду, в котором все величины будут иметь физический смысл. Для этого нужно заменить не физическую величину dl в векторном произведении формулы (2) на физическую векторную величину Е. Из закона Ома получаем

I = U/R, (3)

Учитывая, что U=El,

I = El /R, (4)

Заменяя I в формуле (2), получим:

dF = dl[E,B]/R, (5)

где dF - сила Ампера,

Е- вектор напряженности электрического поля. Этот вектор направлен вдоль проводника и является величиной, имеющей физический смысл;

В - вектор магнитной индукции внешнего магнитного поля, в которое помещен проводник с током. Это также величина, имеющая физический смысл.

R- электрическое сопротивление проводника.

Формула (5) выражает закон Ампера для участка цепи – потребителя тока, приведенный к корректному физическому виду в рамках классической электродинамики. Левая часть выражает изменение гравитационного поля проводника, правая – изменение электромагнитного поля. Формулу (10) можно также преобразовать для участка цепи – источника тока и полной цепи электрического тока.

Закон Ампера для участка цепи – источника тока подчиняется выражению (5)

Для полной цепи электрического тока:

dF = ±dl[E,B]/R,. (6)

Знак (-) перед правой частью уравнения (6) означает изменение потока энергии при переходе проводника на участок цепи – источник тока.

Таким образом, даже в рамках классической электродинамики можно вывести формулы для определения силы Ампера для цепи – потребителя тока, цепи – источника тока и полной цепи. Однако вывод этой формулы не даёт физического представления об электрическом токе.

Для того, чтобы понять физическую природу возникновения силы Ампера, рассмотрим этот физический феномен с позиций квантовой теории электрического тока.

Гравитационная природа силы Ампера.

Сила Ампера в квантовой теории электрического тока имеет гравитационную природу. Рассмотрим механизм её возникновения.

Выделение энергии проводником на участке цепи - потребителе тока связано с потреблением внешней энергии от источника тока.

При выходе из проводника, гравитон уносит с собой импульс движения

P_g = m_gV_g, (7)

где P_g - импульс выхода гравитона из проводника,

m_g - масса гравитона,

V_g - скорость выхода гравитона из проводника.

При выходе нескольких электронов из проводника образуется реактивная сила r_g, направленная противоположно направлению выхода гравитонов из проводника.

Процесс выхода гравитонов из проводника и его беспорядочное перемещение в результате реакции на выход гравитонов можно наблюдать в специально поставленном эксперименте, при токах порядка 10^-15 А. При больших токах без внешнего магнитного поля, происходит равномерное распределение выхода гравитонов во все стороны, и реакции проводника на выход гравитонов нет (рис. 1. 12).

При прохождении по проводнику тока I выделяется количество гравитонов n.

Рис. 1. 12. При отсутствии внешнего магнитного поля происходит равномерное распределение выхода гравитонов из проводника.

Гравитоны, обладая массой, отличной от нуля, при выходе из проводника приобретают импульс. Этот импульс, в соответствии с третьим законом Ньютона, противоположен импульсу, получаемому проводником. Общий импульс n гравитонов равен

Р_гр = ∑ , (8)

где Р_гр- суммарный импульс выхода всех гравитонов.

Совсем другая картина получается, если проводник с током находится во внешнем магнитном поле. Внешнее магнитное поле будет затруднять возникновение магнитного поля проводника с одной стороны проводника, и усиливать с другой стороны.

В результате этого процесса магнитное поле проводника деформируется (рис. 1.13.).

Поскольку каждому кванту магнитного поля соответствует квант гравитационного поля, происходит искажение гравитационного поля проводника. В результате этого процесса возникает сила Ампера F_a .

Рис. 1.13. Внешнее магнитное поле искажает распределение выхода гравитонов из проводника и образует силу Ампера (участок цепи – потребителя тока).

Для описания влияния магнитного поля на выход гравитонов, нужно ввести коэффициент искажения гравитационного поля проводника с током K_иск.

Равнодействующую силу импульсов выходящих гравитонов в этом случае можно описать формулой:

R_гр= ·К_иск, (9)

где R_гр - равнодействующая сила импульсов выходящих гравитонов.

- сумма импульсов всех гравитонов.

K_иск - искажение симметрии выхода гравитонов, связанное с воздействием на проводник внешнего магнитного поля.

В соответствии с третьим законом Ньютона равнодействующая сила выхода гравитонов уравновешивается силой Ампера

F_A = R_гр, (10)

И окончательно силу Ампера в квантовой теории электрического тока можно определить по формуле:

(11)

Сила Ампера зависит как от количества выделившихся гравитонов (величины электрического тока), так и от асимметричности их выхода из проводника (от напряжённости внешнего магнитного поля).

Направление силы Ампера в квантовой физической модели электрического тока совпадает с эмпирическим правилом для определения силы Ампера на участке цепи - потребителе тока.

«Правило левой руки определяет направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с током. Если ладонь левой руки расположить так, чтобы вытянутые пальцы были направлены по току, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник».

Из квантового механизма возникновения силы Ампера видно, что на участке цепи – источнике тока сила Ампера меняет своё направление (рис. 1.14). Это отражено в эмпирическом правиле правой руки.

«Правило правой руки определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый палец направить по движению проводника, то 4 вытянутых пальца укажут направление индукционного тока».

Квантовая теория электрического тока позволяет достаточно просто объяснить одновременное существование правил левой руки и правой руки изменением направления потока энергии в полной цепи электрического тока.

В случае работы электрической машины в качестве генератора гравитоны поглощаются проводником с током. В случае работы электрической машины в качестве двигателя гравитоны излучаются.

Рис. 1.14. Внешнее магнитное поле искажает распределение входа гравитонов в проводник и образует силу Ампера (участок цепи – источника тока).

Квантовая теория электрического тока впервые позволила дать объяснение силы Ампера с позиций близкодействия. Квантовая теория электрического тока не противоречит классической электродинамике, а только её дополняет. Силу Ампера в классической электродинамике определяют формулы (4) и (6), в квантовой теории - формула (11).

Запись силы Ампера в квантовой теории может быть различна, но смысл силы Ампера как гравитационной силы отличает её от классической электродинамики.

При реализации единицы 1 А (путем измерения силы) пользуются двумя установками. Во-первых, измеряют силу, действующую на малую катушку в однородном магнитном поле, и, во-вторых, измеряют момент силы, действующий на малую катушку с током.

Внутри большой фиксированной катушки с отводом от среднего витка обмотки (рис. 1. 15) длиной 27,5 см и диаметром 46 см (установка Национального бюро стандартов США) или длиной 50 см и диаметром 27,5 см (установка Немецкого бюро по контролю за материалами и товарами) помещается «измерительная катушка», на которую действует подлежащая измерению сила.

Рис. 1. 15. Схема установки для «взвешивания» тока Дрисколла и Кутовского.

Измерительная катушка также ориентирована вертикально и имеет длину 2,6 см и диаметр 24,5 см (или длину 12 см и диаметр 20 см). Число витков большой катушки равно 344 (или 453), малой — 41 (или 130). Измерительная катушка подвешена к коромыслу чувствительных аналитических весов.

Электрическая цепь системы собрана таким образом, что подводимый к отводу от среднего витка большой катушки ток делится на две равные части и в противоположных направлениях протекает через верхнюю и нижнюю половины катушки. При этом часть тока, обозначенная I₂, проходит и через измерительную катушку. В половинах большой катушки 1 и 2 возникают (Н₀ и Н₀’, рис. 1. 16) противоположно направленные магнитные поля.

В плоскости симметрии (при z=0) вертикальная составляющая поля отсутствует.

Рис. 1. 16. Схема обмоток и полей

Поведение вертикальной составляющей поля вдоль оси z имеет тогда вид графика на рис. 1. 17.

При z = 0 градиент напряженности отличен от нуля. Так как у измерительной катушки, если в ней течет ток I₂, имеется магнитный момент М, то возникает вертикально направленная сила действующая на эту катушку и измеряемая весами. Сила между обмотками 2 и 3 действует в том же направлении, т. е. абсолютные значения обеих сил складываются.

Рис. 1. 17. Поведение вертикальной компоненты H_z магнитного поля

Следует сложить друг с другом силы, действующие между каждой парой соответствующих витков.

При определенном токе I аналитические весы уравновешиваются с помощью разновесов. Затем меняют направление тока и одновременно увеличивают (или уменьшают) уравновешивающий груз, следя при этом за тем, чтобы снимаемый или добавляемый разновес был близок по своему весу к изменению величины силы. Показания стрелки весов дают остальные дробные части изменения силы.

Реализация единицы температурной шкалы.

Температура (от лат. temperatura надлежащее смешение, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы.

Понятие температуры возникло из ощущения «теплого» и «холодного» состояния тела. В основе ощущения этого состояния лежал тот наблюдательный факт, что два соприкасающихся тела по прошествии некоторого времени становятся одинаково теплыми, т. е. принимают одинаковую температуру.

Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между ее частями, имеющими различную температуру, происходит теплообмен.

Более высокой температурой обладают те тела, у которых средняя кинетическая энергия молекул (атомов) выше.

В отличие от измерения длины, веса и времени прошло длительное время, пока на смену субъективным впечатлениям при определении температуры не пришли точные и единые методы измерений.

Развитие методов измерения температуры стало возможным лишь тогда, когда были установлены такие свойства тел, которые зависят от температуры (длина, объем) и которые можно было измерить объективно. Опытные данные и теоретические представления показывают, что существует точка абсолютного нуля температуры, и поэтому для установления градуса температуры необходима еще только одна точка.

В соответствии с этим в 1967 г. XIII Генеральная конференция по мерам и весам постановила:

1 кельвин составляет 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Эта единица обозначается К. Допускается также особое обозначение для кельвина — градус Цельсия (пишется °С).

Разность температур теперь уже обозначается не град или град^--1, (последнее — для величин типа термодинамического коэффициента расширения), а К или К^-1.

Попытки наглядного представления температурных изменений (охлаждения и нагревания) известны еще с древности.

Филон Византийский (300 г.) и Герон Александрийский (130 г.) использовали для этой цели термическое расширение воздуха. На рис. 1.18 изображен эскиз термоскопа Герона.

Рис. 1. 18. Эскиз термоскопа Герона Александрийского

Шаровой сосуд, заполненный водой и воздухом, выставляется под лучи солнца. Воздух расширяется и вытесняет воду из сосуда. Вода попадает в резервуар и после охлаждения вновь поднимаемся по вертикальной трубке в сосуд. Таким образом, вытеснение воды означает нагревание.

В 1592 г. Галилей вновь использовал этот принцип: в его термоскопе по высоте водяного столба можно судить о том, является температура высокой. На основании теплового расширения жидкостей в 1657 г. во Флоренции был создан термометр, наполненный спиртом. При этом было замечено, что можно пренебречь малыми температурными изменениями материала термометра, так как газы обладают наибольшим тепловым коэффициентом расширения.

Бойль в 1662 г. и независимо Мариотт в 1676 г. установили взаимосвязь между давлением и объемом газа при постоянной температуре (закон Бойля — Мариотта: pV = const при T = const).

Затем в 1704 г. Амонтонс обнаружил, что в Париже давления газа при «наибольшей летней жаре» и «наибольшем зимнем холоде» относятся как 6:5. Он предложил определить температуру таким образом, чтобы отношение двух температур равнялось отношению соответствующих давлений, т. е. р ~ Т.

В дальнейшем было установлено, что определенные процессы в одних и тех же условиях всегда протекают при одинаковых температурах, например таяние льда или кипение воды при постоянном давлении.

Такие состояния вещества, в которых разные фазы при постоянной температуре находятся в равновесии друг с другом, принимаются в качестве опорных точек. Их удобно использовать в качестве калибровочных точек для температурной шкалы.

Температурная шкала жидкостного термометра задается следующим образом: отмечается высота столба жидкости в двух опорных точках и полученный промежуток делится определенным образом. Разность между двумя соседними отметками обозначается «град» (или короче °).

В 1714 г. Фаренгейт ввел для сконструированного им спиртового термометра шкалу, в которой он, следуя идее Рёмера, в качестве опорных точек выбрал температуру таяния льда и температуру человеческой крови.

Этот температурный интервал был разделен на 64 части, а нулевая точка помещалась ниже точки таяния льда на расстоянии, равном половине этого интервала; в то время это была наиболее низкая из известных температур, она получалась путем смешивания нашатыря и смеси вода — лед.

Таким образом, температура таяния льда имела значение 32°F, а температура человеческой крови — значение 96 °F.

В дальнейшем Фаренгейт перешел к ртутному термометру и выбрал в качестве верхней опорной точки точку кипения воды, для которой, сохраняя первоначальную шкалу, было установлено значение 212°F.

Другая температурная шкала была введена Реомюром в 1730 г. В качестве опорных точек он выбрал точки таяния льда и кипения воды. Точке таяния льда он приписал значение 0°R.

Свой термометр он наполнил смесью спирт — вода, которая между двумя опорными точками расширяется на 8 %.

За 1°R он принял температуру, соответствующую расширению жидкости на 1°/₀₀ − промилле − тысячная доля), поэтому температура кипения воды получила значение 80°R.

Решающий шаг был сделан Цельсием (1742 г.). Он предложил разделить интервал между точками таяния льда и кипения воды на 100 градусов. Первоначально он придал точке таяния льда значение 100 °С, а точке кипения воды — 0 °С.

Используемое в наше время обратное обозначение было введено позднее Штрёмером. Измерения основанные на термоэлектрических эффектах.

Термоэлектрические эффекты − это совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

Термопреобразователи сопротивления (ТС).

Действие ТС (термопреобразователь сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивлений.

Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т. п.).

Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина.

Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора — термистора — изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотые в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик.

Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не требуется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью.

Терморезисторные характеристики полупроводников значительно различаются между собой. Поэтому обобщение их в одном структурном подразделении носит условный характер. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность.

Термоэлектрические преобразователи.

В 1821 году немецкий ученый, уроженец г. Ревеля (ныне Таллин), Т. Й. Зеебек (1770-1831) обнаружил, что если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления тока.

Зеебека эффект состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС (термоЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах.

ЭДС (электродвижущая сила) − характеристика источников тока, определяемая отношение работы, совершаемой сторонними силами над зарядом при его движении по замкнутому контуру, к величине этого заряда.

ТермоЭДС (термоэлектродвижущая сила) − электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, составленной из разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру.

Этот факт послужил основой для создания устройства, чувствительным элементом которого является термопара — два проводника из разнородных материалов, соединенных между собой на одном (рабочем) конце, другие два (свободные) конца проводников включаются в измерительную цепь или непосредственно к измерительному прибору, причем температура свободных концов заранее известна.

Термопара образует устройство (или его часть), использующее термоэлектрический эффект для измерения температуры. Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов (рис. 1.19), образующих часть одной и той же цепи.

Рис. 1. 19. Идеальная термопара

Для бесконечно малой разности температур dТ спаев термопары, состоящей из проводников А и В, ее термоЭДС определяется зависимостью Е_АВ = е_АВdТ, где е_АВ — дифференциальная термоЭДС пары АВ. Величину е_АВ называют также коэффициентом термоЭДС, коэффициентом Зеебека или чувствительностью термопары.

ТермоЭДС термопары обусловлена тремя причинами:

− зависимость уровня Ферми энергии электронов в проводнике от температуры, что приводит к неодинаковым скачкам потенциала при переходе из одного металла в другой с спаях термопары, находящихся при разных температурах;

− при наличии градиента температуры электроны в области горячего конца проводника приобретают более высокие энергии и подвижность. Вдоль проводника возникнет градиент концентрации электронов с повышенными значениями энергии, что повлечет за собой диффузию более быстрых электронов к холодному концу, а более медленных к горячему.

Но диффузионный поток быстрых электронов будет больше при наличии градиента температуры вдоль проводника, когда возникает дрейф фононов — квантов энергии колебаний кристаллической решетки. Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение от более нагретого конца проводника к более холодному.

Последние два процесса приводят к избытку электронов вблизи холодного конца и недостатку их вблизи горячего конца.

В результате внутри проводника возникает электрическое поле, направленное навстречу градиенту температуры.

Таким образом, термоЭДС термопары возникает только из-за наличия продольного градиента температуры в проводниках, составляющих пару. Дифференциальная термоЭДС (чувствительность) термопары e_AB представляет собой разность абсолютных удельных коэффициентов термоЭДС α_А и α_В каждого проводника термопары которую можно считать постоянной только в узком диапазоне температур:

e_AB = dE_AB / dT = α_А − α_В,

Абсолютный коэффициент термоЭДС данного проводника можно определить по измеренной теплоте Пельтье или Томсона.

Явление Пельтье (1834 г.) заключается в том, что при протекании электрического тока через цепь, составленную из разнородных проводников, в месте контакта проводников происходит выделение или поглощение тепла в зависимости от направления тока.

Количество выделившегося или поглотившегося в спае тепла Q_AB пропорционально заряду q, прошедшему через спай:

Q_AB = π_AB I t,

где π_AB — коэффициент Пельтье, В (вольт);

I — сила тока, А;

t — время, с.

Явление Томсона (1856 г.) заключается в том, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры, в проводнике выделяется или поглощается тепло в зависимости от направления тока. Эта теплота выделяется (поглощается) в дополнение к выделяющейся теплоте Джоуля-Ленца (резистивный нагрев).

Теплота Томсона Q_σ пропорциональна силе тока I и градиенту температуры :

,

где σ коэффициент Томсона, ВК⁻¹.

Теплота Томсона является характеристикой материала проводника подобно удельному электросопротивлению и коэффициенту теплопроводности. Применив к трем указанным термоэлектрическим явлениям законы термодинамики, Томсон вывел следующие соотношения, позволяющие определять коэффициенты Пельтье и Зеебека (коэффициент термоЭДС):

; и π_АВ = Т е_АВ

Наличие информации об абсолютном коэффициенте термоЭДС хотя бы для материала одного проводника дает возможность определения абсолютных коэффициентов всех проводников по результатам измерений термоЭДС относительно этого проводника.

В качестве такого эталона при низких температурах принимается свинец, а при средних и высоких температурах — платина. Для большинства термопар дифференциальная термоЭДС существенно зависит от температуры.

Зависимость термоЭДС от температуры быть представлена в интегральном виде как:

,

ТермоЭДС, в свою очередь, может быть с заданной точностью аппроксимирована в рабочем диапазоне температур (Т₁ … Т₂) в виде полинома n-ой степени:

Е(Т) = А₁(Т-Т₁) + А₂(Т-Т₁)² +…+ А_n(Т-Т₁)ⁿ , где Т₁≤ Т≤ Т₂

Реализация единицы силы света.

Свет −электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом.

Свет представляет собой часть электромагнитного спектра в диапазоне длин волн λ приблизительно от 380 до 780 нм.

Свет занимает особое место — его можно характеризовать тем, насколько «ярким» он кажется человеческому глазу.

В XIX веке с возникновением светотехники появилась потребность в количественном сравнении источников света и освещенностей. Так была создана фотометрия, использующая понятие силы света. Сила света является одной из основных величин в системе СИ, ее базисная единица называется канделой (кд). Сила света − отношение светового потока, распространяющегося от источника внутри элементарного телесного угла по данному направлению, к величине этого телесного угла.

Процесс восприятия света глазом весьма сложен. В нем участвуют сетчатка, зрительный нерв и головной мозг, существенную роль играют физические, физиологические, а также психологические процессы.

Одинаковое по мощности излучение в различных спектральных областях глаз воспринимает разным по яркости.

Спектральная чувствительность глаза достигает максимума при длине волны примерно 550 нм (зеленый участок спектра), а ближе к границам воспринимаемой спектральной области снижается.

Для достижения одинакового восприятия яркости следует при различных длинах волн использовать разные мощности излучения. Поэтому свет в собственном смысле означает излучение, избирательно оцениваемое глазом (и связанным с ним аппаратом человеческого восприятия).

Следовательно, глаз представляет собой первоначальный детектор для измерения яркостей.

Для измерения такой яркости была принята единица, названная канделой. По этой причине фотометрические величины оцениваются глазом. Для реализации канделы используют черный излучатель при температуре плавления платины. Он состоит из закрыто снизу керамической трубки (диаметром до 2 мм и длиной 40 мм), которая вертикально погружена в тигель для, расплава, заполненный чистой платиной (рис. 1. 20).

Трубка и тигель для расплава закрыты крышкой с отверстием, диаметр которого немного меньше диаметра трубки.

С целью термоизоляции тигель для расплава помещен в сосуд, заполненный порошком тория. При нагревании индукционной печью платина расплавляется; при охлаждении платина затвердевает, ее температура устанавливается и сохраняется на значении T_Pt = 2045 К.

Рис. 1. 20. Платиновый объемный излучатель — эталон канделы: 1 — индукционная печь; 2 — керамический сосуд;

3 — термически изолированный наполнитель;

4 — керамический тигель; 5 — платиновая ванна;

6 — керамическая трубка; 7 — крышка тигля.

С помощью отклоняющей призмы и линзы объемное излучение, ограниченное диафрагмой, проецируется на поверхность, играющую роль фотометра.

Путем сравнения полученной на этой поверхности освещенности с освещенностью, создаваемой другим источником, последнюю можно выразить в канделах. Измерительная диафрагма устанавливает эффективную поверхность излучателя, погрешности в ее определении влияют на точность установления единицы силы света.

Существуют и другие источники ошибок:

1. Нельзя полностью достичь идеальных условий для черного излучателя, так как излучающая полость имеет конечное отверстие (коэффициент излучения меньше единицы).

2. Вследствие теплопроводности и отражения температура излучающей полости несколько ниже температуры платиновой ванны. Платина затвердевает неоднородно.

3. При прохождении через оптическую систему теряется часть света. Необходимые в связи с этим поправки составляют около 1 %, что вносит новые погрешности в определение канделы.

В общем случае кандела устанавливается с погрешностью 0,2%. Однако отклонения- в результатах, получаемых различными лабораториями, составляют около ±0,4% от принятого среднего значения, а максимальные отклонения достигают даже 0,7%.

В настоящее время предпринимаются попытки довести точность до 0,1% путем усовершенствования объемного излучателя. Фотометры применяются для измерения силы света, причем в визуальных фотометрах сравнение яркостей производится глазом, а в физических — детектором излучения.

Визуальный фотометр. Рассмотрим фотометр Люммера — Бродхуна (рис. 1. 21). Два сравниваемых источника света Q₁ и Q₂ расположены на расстояниях r₁ и r₂ от гипсовой пластины G, которую они освещают с двух сторон. Зеркала S₁ и S₂, отражающие свет от двух сторон гипсовой пластины, посылают его на так называемый кубик Люммера — Бродхуна W, который состоит из двух призм, прилегающих друг к другу своими основаниями.

Рис. 1. 21. Схема фотометра Люммера- Бродхуна.

Половина основания одной призмы сточена, так что в этом месте нет контакта с другой призмой. Через тубус с линзой можно рассматривать поверхность касания обеих призм.

Эта поверхность оказывается разделенной: одна половина получает свет от лампы.Q₁, который проходит сквозь обе призмы другая — свет от лампы Q₂, который полностью отражается основанием одной из призм. Перемещая фотометр вдоль линии, соединяющей Q₁ и Q₂, можно достичь одинаковой освещенности наблюдаемой поверхности.

Физические основы хроматографии.

Хроматография − это метод разделения и анализа смесей, основан на различном распределении их компонентов между двумя фазами неподвижной и подвижной (элюентом).

Здесь под словом фаза понимается однородная по химическому составу и физическим свойствам часть термодинамической системы, отделенная от др. частей (фаз), имеющих иные свойства, границами раздела, на которых происходит изменение свойств.

Классификация видов хроматографии.

1. По механизму взаимодействия:

- распределительная хроматография − хроматография, основанная на различной способности компонентов к абсорбции;

- адсорбционная хроматография − хроматография, основанная на различной способности компонентов к адсорбции;

- ионообменная хроматография − − хроматография, основанная на различной способности компонентов к ионному обмену;

- эксклюзионная хроматография (гель-фильтрационная, ситовая) при эксклюзиционной хроматографии молекулы веществ разделяются по размеру за счет их разной способности проникать в поры носителя. При этом первыми выходят из колонки наиболее крупные молекулы (молекулярной массы), способные проникать в минимальное число пор носителя. Последними выходят вещества с малыми размерами молекул, свободно проникающие в поры сорбента;

- аффинная хроматография.

Адсорбция − это поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости.

Абсорбция − это объемное поглощение газов или паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора.

2. По агрегатному состоянию фаз, т. е. в зависимости от агрегатного состояния элюента различают: газовую и жидкостную хроматографию.

Газовая хроматография —метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью.

В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами.

Принцип жидкостной хроматографии состоит в разделении компонентов смеси, основанный на различии в равновесном распределении их между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых неподвижна, а другая подвижна.

3. По технике выполнения, т. е. в зависимости от способа хроматографического разделения различают следующие виды хроматографии:

- колоночная хроматография, когда хроматографическое разделение происходит в трубках, заполненных сорбентом (сорбент − поглощающее тело);

- капиллярная хроматография, когда хроматографическое разделение происходит в капиллярах длиной несколько десятков метров, на стенки которых нанесен сорбент;

- тонкослойная хроматография, когда хроматографическое разделение происходит на пластинках, покрытых слоем адсорбента;

- бумажная хроматография, когда хроматографическое разделение происходит на бумаге.

Хроматографию широко используют в лабораториях и в промышленности для контроля производства и выделения индивидуальных веществ, при проведении химических, биохимических и медицинских исследований, на этом в значительной степени базируются экологические методы анализа окружающей среды, криминалистическая экспертиза, а также химическая, нефтяная, газовая, пищевая, медицинская отрасли промышленности и многие другие отрасли народного хозяйства.

Метод хроматографии был впервые применен русским ученым-ботаником Михаилом Семеновичем Цветом в 1900 году.

М. С. Цвет проводил разделение в колонке (стеклянной трубочке), показанной на рис. 1. 22. Он насыпал в стеклянную трубку тонко измельченный порошок чистого мела, смочил его бензолом, налил сверху немножко раствора хлорофилла, извлеченного из свежего листа (самый верхний слой порошка, конечно, сразу окрасился в зеленый цвет), и стал медленно, по каплям подливать в трубочку с мелом бензол.

Рис. 1. 22. Хроматографическое разделение пигментов хлорофилла М.C. Цветом: а – адсорбент; б – колонка; в – приемник; г – делительная воронка;

д – вата; вещества А, Б и В – природные пигменты

По мере того как окрашенный слой промывался бензолом, зеленое колечко вслед за растворителем начало передвигаться вниз по трубке. Потом (в этом-то и заключалось замечательное открытие Цвета) оно стало постепенно разделяться.

Появилась узкая желтая полоска, она двигалась по трубке наиболее медленно, ее опередила желто-зеленая полоса, перед которой шла широкая зелено-синяя полоса, две желтые и в самом низу двигалась еще одна полоса, тоже желтого цвета.

Тщательный анализ показал, что над верхней желтой полоской располагалась еще одна - бесцветная.

Своим опытом Цвет доказал, что хлорофилл имеет сложное строение, и эта работа легла в основу новой науки. Смесь, находящаяся в зоне е, разделяется при элюировании растворителем Д (элюент) на отдельные зоны, движущиеся с разными скоростями к выходу из колонки.Компоненты вещества, подобно световым лучам в спектре, расположились друг за другом в столбе порошка в виде окрашенных полос.

Это явление было названо хроматограммой, а сам метод исследования - хроматографией, от греческих слов "хроматос" - окраска, "грамма" - считывание и "графия" - запись.

Хроматография основана на распределении одного из нескольких веществ между двумя, как говорят, фазами (например, между твердым телом и газом, между двумя жидкостями и др.), причем одна из фаз постоянно перемещается, т. е. является подвижной.

Зеленый раствор вытяжки из листьев обесцвечивается, как только приходит в соприкосновение с порошком мела, а мел становится зеленым. Молекулы всех соединений, входящих в состав хлорофилла, извлеченного из листа, осаждаются на поверхности частиц мела.

Поглощение растворенного вещества, паров или газов поверхностью твердых тел или жидкостью называются сорбцией, а вещества-поглотители − сорбентом.

На этом явлении и основаны все хроматографические методы разделения смесей, сверхтонкой очистки вещества и анализа. Захваченные поверхностью твердого тела − сорбента молекулы могут переходить обратно в раствор − элюент, снова поглощаться и вновь растворяться, бесчисленное множество раз меняя свое состояние.

Между раствором (бензолом в опытах Цвета) и сорбентом (порошком мела) устанавливается равновесие: на поверхности частиц мела находятся почти все молекулы, а в растворе почти совсем нет.

Немногие молекулы, находящиеся в растворе, увлекаются вниз по трубке вместе с потоком растворителя. Но по пути они медленно осаждаются вновь на другие частицы мела, а вместо них переходят в раствор новые молекулы. Поток растворителя непрерывно поступает сверху в трубку. В верхней части сорбированного вещества становится все меньше и меньше, в нижней части − все больше и больше. Постепенно цветная прослойка продвигается в виде колечек через сорбент вниз по трубке.

Молекулы с разным составом или строением осаждаются (сорбируются) на твердой поверхности по-разному.

Одни − прикрепляются немного прочнее, другие − несколько слабее.

Одни − дольше находятся в связанном состоянии и меньше в растворе; другие − чуть дольше задерживаются в растворе и быстрее увлекаются потоком растворителя. Поэтому окрашенная смесь различных веществ постепенно разделяется на составные части. И каждая такая часть сосредотачивается в своем слое. Двигаясь с разной скоростью вдоль трубки, эти слои расходятся все дальше друг от друга, образуется хроматограмма.

Скорость движения компонентов вещества по колонне находится в зависимости от размеров молекул и их химической природы. Каждое отдельное цветное кольцо соответствует какому-то одному химическому соединению.

Столбик сорбента из трубки можно либо разрезать на слои и получить их отдельно в чистом виде, либо, продолжая промывку бензолом, собирать раствор от каждого цветного слоя отдельно, по мере того как они выходят из колонны с потоком растворителя. Бесцветные вещества обнаруживают, освещая их ультрафиолетом, под действием которого очень многие соединения флюоресцируют, или "проявляют", обработав реактивом, который их окрашивает.

Следует отметить, что этот современный метод позволяет в течение нескольких минут определить содержание десятков и сотен различных соединений в смеси, причем даже в ничтожных, «следовых» количествах ~10…8%.

Газожидкостная хроматография. Среди новых методов анализа наиболее часто используется газожидкостная хроматография. Сорбентом в ней служит нелетучая жидкость, которой смочена, например, растертая в порошок керамика (иногда − обыкновенный кирпич), а движущейся средой - любой инертный газ. При помощи этого метода исследуют сложные смеси, содержащие сотни компонентов. Система их разделения проста: все происходит в тоненькой металлической или пластмассовой трубочке диаметром 0,2…0,4 мм. Чтобы достичь высокой степени разделения, трубочку приходится делать очень длинной. Для анализа земляничного аромата (воздуха, окружающего ягоды) потребовалась колонна длиной 120 метров. Свернутую в спираль трубку помещали в термостат, температура в котором постепенно повышалась. Это было необходимо для того, чтобы изучить и те компоненты земляничного запаха, которые ягода выделяет только в жаркий солнечный день. Через колонну пропускали аргон, облученный радиоактивным источником.

Радиоактивный газ ионизовал органические вещества, порождая электрический сигнал, который после усиления подавался на записывающее устройство. Чувствительность такого прибора очень велика − он обнаруживает одну тысячную часть миллиардной доли грамма вещества (10^-12 г). А всего для полного анализа достаточно нескольких миллиграммов смеси.

Бумажная хроматография. Хроматограммы получают и на бумажных полосках. Такую полоску подвешивают вертикально, и нижний ее конец погружают в сосудик с растворителем.

Впитываясь в бумагу и поднимаясь по ней вверх, растворитель с разной скоростью перемещает отдельные составные части из смеси. На бумажном листе образуется хроматограмма − цветные полосы.

По их положению и окраске можно определить, что входит в состав изучаемого вещества.

Трудноразделимые смеси часто обрабатывают дважды, разными растворителями и пропускают в двух взаимно перпендикулярных направлениях, получая двухмерную хроматограмму. При тонкослойной хроматографии на стеклянную или пластмассовую пластинку наносят тонкий равномерный слой хорошо измельченного сорбента, в частности слой оксида алюминия (толщина 2 мм) в виде пасты.

Сам процесс хроматографического разделения идет так же, как и на бумаге. Тонкослойная хроматография обладает существенными преимуществами: разделение протекает значительно быстрее, а главное, легче выбрать наиболее подходящие сорбенты.

Ионообменная хроматография. Еще более перспективен метод ионообменной хроматографии. Он отличается от способа М. С. Цвета тем, что вместо нейтрального сорбента − мела, крахмала, угля − применяются полимерные вещества − ионообменные смолы. Каждая крупинка такого сорбента - как бы гигантская молекула кислоты (смолы-катионита) или основания (смолы-анионита) - вступает в реакцию ионного обмена.

Ионообменные смолы нерастворимы. Тонкий порошок такой смолы в хроматографической колонне поглощает ионы тяжелых металлов из раствора, замещая их на кислоту или щелочь. На ионообменной колонне смогли разделить смесь изотопов редкоземельных элементов.

Радиоактивность каждой капли раствора, вытекающего из колонны, измерялась отдельно. Оказалось, что чем выше порядковый номер элемента, тем быстрее он выходит из колонны при хроматографическом разделении. И чередование элементов удивительным образом точно соответствует их взаимному положению в периодической системе элементов: америций (№ 95), кюрий (№ 96), берклий (№ 97) и калифорний (№ 98).

Адсорбционная хроматография. В этом случае разделение веществ осуществляется за счет выборочной (селективной) адсорбции веществ на неподвижной фазе. Такая селективная адсорбция обусловлена сродством того или иного соединения к твердому адсорбенту (неподвижной фазе), а оно, в свою очередь, определяется полярными взаимодействиями их молекул.

Поэтому часто хроматографию такого типа используют при анализе соединений, свойства которых определяются числом и типом полярных групп. К адсорбционной хроматографии причисляют ионообменную, жидкостную, бумажную, тонкослойную и газо-адсорбционную хроматографию.

Жидкостная хроматография. В этом случае неподвижной фазой служит жидкость. Наиболее распространенным случаем является адсорбционный вариант жидкостной колоночной хроматографии. Гель-фильтрационная или эксклюзионная хроматография. Принцип разделения в таких системах несколько иной, чем в предыдущих случаях. Неподвижной фазой являются материалы, обычно гели со строго контролируемой пористостью, в результате чего одни компоненты смеси в соответствии с размером и формой молекул могут проникать между частицами геля, а другие не могут. Гели − это дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой, в которых частицы дисперсной фазы образуют пространственную структуру (сетку).

Наиболее часто этот вид хроматографии используется для разделения высокомолекулярных соединений. Один из вариантов применения этого метода – определение молекулярных масс разделяемых веществ, часто необходимых для химических исследований (рис. 1. 23).

а б в

Рис. 1. 23. Схема разделения методом гель-хроматографии:

а – начало разделения, б – разделение, в – конец разделения; большие кружки – частицы геля, большие точки – молекулы соединений с большой молекулярной массой, маленькие точки – молекулы соединений с меньшей молекулярной массой

Афинная хроматография. Этот вид хроматографии основан на взаимодействии между веществом, с одной стороны, способным реагировать с выделяемым соединением, а с другой – связанным с твердым носителем неподвижной фазы. Такое вещество обладает сродством к выделяемому соединению и называется афинным лигандом.

Фундаментальные константы макро – и микромира представлены в таблицах 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2

Константы макромира

Константа	Обозначе-ние	Значение	Относи-тельное стандартное отклон.,х10-6	Примечание
Длина земного меридиана на уровне моря, м	L	40007817,6		Результат измерений 1964-1967 гг
Период обращения Земли вокруг оси, с	Тсут	86400	0,1	Среднее значение суток
Период обращения Земли вокруг Солнца, с	Тгод	31556925,974	0,0001	В 1900 г
Ускорение при свободном падении, м/с2	g	~ 9,8
Скорость света в вакууме, м/с	с	299792458		Приписан-ное значение

Таблица 1.3

Константы микромира

Константа	Обоз-наче-ние	Значение	Относи-тельное стандартное отклон.,х10-6	Приме-чание
Масса электрона, кг	me	9,1093897·10-31	0,59
Заряд электрона, кл	е	1,6021773·10-19	0,30
Гиромагнитное отношение электрона, с-1Тл-1	γе	1,7608144·1011	0,30
Гиромагнитное отношение протона, с-1Тл-1	γр	2,67515255·108	0,30
Квант магнитного потока, Вб	ħ/е	2,0678346·10-15	0,030	Опреде-лен точнее, чем е и ħ
Постоянная фон-Клицинга, Ом	ħ/е2	25812,8056	0,045	То же
Постоянная тонкой структуры	α	7,2973508·10-3	0,045
Гравитационная постоянная, м3кг-1с2	γ	6,67259 10 -11	128

1.3. Теория отражения.

Отражение – всеобщее свойство материи, заключающееся в воспроизведении, фиксировании того, что принадлежит отражаемому объекту. Любое отражение несет в себе информацию об объекте. Способность к отражению, а также характер ее проявления зависит от уровня организации материи.

Отражение рассматривается как многоаспектное, многоуровневое явление, свойственное всему материальному миру и имеющее непосредственное отношение к природе сознания, поскольку выявляет новое, нематериальное свойство материи – информацию.

Отражения теория – учение о теории познания, ведущее начало от Демокрита.

Современная психология учит, что окружающие нас вещи относятся к физической действительности, как образ к тому, что в нем отражается, однако воспринимаются они не как образ, т. е. как указывающее на что-то подлинно действительное, а как сама действительность.

С точки зрения измерения физических величин представляет определенный интерес законы отражения и преломления света.

В результате измерений всегда отражается реальный мир.

В качестве объектов измерения могут выступать вещества (тела и среды), энергия и информация, циркулирующие в природе, технологических процессах, машинах и системах.

В общем случае объекты измерений, например, тела, характеризуются множеством независимых и взаимосвязанных параметров. К таким параметрам относятся геометрические размеры, масса, температура и т. д.

При любом изменении всегда измерительная процедура состоит в сравнении неизвестного размера с известным, информация о котором заложена в мере данной физической величины заданного размера.

На примере измерения оптической плотности непрозрачных объектов можно рассмотреть падение светового потока на поверхность какого-либо вещества или тела. При этом часть светового потока отражается от поверхности раздела в соответствии с законами отражения (рис. 1. 24).

Рис. 1. 24. Схема падающего и отраженного лучей

Угол падения равен углу отражения, т. е.

i₁ = i₂

Часть излучения проходит внутрь вещества в соответствии с законом преломления, образуя показатель преломления n

sin i₁/sin i₃ = n

Часть энергии поглощается материалом тела в соответствии с законом Ламберта-Бугера-Бера

Интенсивность поглощения определяется выражением

I= I₀·e^k_λ^l

где k_λ – коэффициент поглощения на длине волны λ;

l – толщина поглощающего слоя.

Кроме зеркального отражения под углом, равным углу падения, поверхности веществ или тел рассеивают излучение, отражая свет и под углами, не равными углу падения. Эта характеристика зависит также от длины волны, что и определяет цвет поверхности.

В измерительной технике существуют приборы, измеряющие физические характеристики свойств поверхностей. Приборы для измерения коэффициента отражения называются рефлектометрами. Приборы для измерения показателя преломления среды называются рефрактометрами. Приборы для определения пропускания веществом оптического излучения называются денсиметрами.

Рассмотрим постой опыт, на примере которого можно будет убедиться в выполнении положений закона отражения и преломления. Если направить узкий пучок лучей на поверхность воды в большом сосуде (рис. 1. 25), то обнаружим, что часть света отразится от поверхности воды, другая часть пройдет из воздуха в воду.

Рис. 1. 25. Схема преломления и отражения света при падении луча на поверхность воды

Для того, чтобы падающий луч SO, отраженный луч OR и прошедший в воду луч OD были лучше видны, мы запылим воздух над сосудом (например, дымом), а в воде, заполняющей сосуд, растворим мыло, из-за чего вода станет мутной. В результате опыта увидим, что вошедший в воду луч не является простым продолжением луча, падающего на границу раздела, а испытывает преломление. Нам будет интересно знать направление отраженного и преломленного лучей, а также долю отраженной световой энергии и энергии, прошедшей из одной среды в другую.

Рассмотрим отраженные лучи, для чего следует накрыть поверхность раздела сверху непрозрачной цилиндрической поверхностью АСВ, которую можно сделать из плотной бумаги (рис. 1. 26, а). На дуге АСВ сделаем отверстия, расположенные через каждые 5º. Тогда окажется, что если луч света пропущен в одно из этих отверстий и направлен по радиусу дуги АСВ к центру О, то после отражения он выйдет через симметричное относительно перпендикуляра NO отверстие в цилиндрическом колпаке.

Из этого сделаем вывод, что луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности лежат в одной плоскости, причем угол отражения равен углу падения.

Рис. 1. 26. Схема измерения углов:

а – отражения; б – преломления

Другим примером применения закона отражения в технике выступает распространение лучей в световоде. Световодами называются оптические элементы, предназначенные для пространственного ограничения светового излучения, распространяющегося в заданном направлении. Световоды представляют собой тонкие стеклянные или кварцевые нити, которые называют волокнами.

На рис. 1. 27 показана схема поперечного сечения оптического волновода.

Оболочка

Защитное покрытие

Рис. 1. 27. Схема поперечного сечения оптического волновода.

По волокну могут распространяться меридиональные лучи (лучи, пересекающие ось волокна) и косые лучи (не пересекающие ось).

Согласно закона преломления света на границе раздела двух диэлектрических сред можно определить

n_осsinΘ₀ = n_сsinΘ_c,

где n_ос – показатель преломления среды, контактирующей с входным торцом световода;

n_с – показатель преломления сердцевины световода.

Распространение излучения в световоде основано на явлении полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки (рис. 1. 28).

Полное внутреннее отражение осуществляется, если свет отражается от оптически менее плотной среды (n_с < n_о) и если угол падения на границе раздела превышает критическое значение

φ > φ_кр = arcsin ,

Оболочка

Оболочка

Сердцевина

Окружающая

среда

Рис. 1. 28. Схема распространения лучей света в световоде

При полном отражении интенсивность отраженного луча равна интенсивности падающего.

1.4. Элементы теории подобия и анализа размерностей.