книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

Слева рисунок эпидиаскопа, работающего по схеме диапроек-

тора содержит: 8 — оптический конденсатор; 9 — диапозитив; 10 — объектив; 11 — вентилятор.

Псевдоскоп (с греч. «смотрю ложное») — это оптический прибор, создающий у наблюдателя обратную перспективу (иллюзию, обман зрения), то есть ближние точки пространства переходят в дальние, а дальние в ближние. Наблюдатель видит псевдоскопическое изо- бражение. Обычное, которое видится всеми по инерции восприятия (по привычке), становиться через псевдоскоп необычным. Рельеф «выворачивается наизнанку», то есть всё выпуклое кажется наблю- дателю вогнутым и наоборот. Ход лучей в зеркальном псевдоскопе показан ниже.

Псевдоскоп используется в психологи- ческих опытах по изменению зрительного восприятия, для изучения оптической ил- люзии восприятия глубины.

В зеркальном псевдоскопе используется система зеркал (обычно из четырёх зеркал), позволяющая перенаправить свет, посту- пающий в глаза человека. В правый глаз поступает свет, который должен поступать в левый и наоборот.

Изображение, полученное с помощью зеркального псевдоскопа, не является зеркальным.

Кинопроектор — это аппарат, предназначенный для воспроизве- дения движущегося изображения и звука,записанные на киноплёнке. Зритель видит на экране иллюзию движения изображения.

Схема кинопроектора практически повторяет схему кинокамеры (киноаппарата) с той лишь разницей, что в ней нет коллективной лин- зы, плоского зеркала и визир — лупы, а включены установленные по- следовательно за сквозным фильмовым окном оптический конденса- тор и мощный источник света (часто в полюсе сферического зеркала).

В изобретении, например, а. с. 29352 на «Устройство для кино- проекции и киносъёмки с непрерывным движением ленты и преры- вистым источником света» (рисунок на стр. 271 вверху) предложено включить в цепь источника переменноготока,питающего дугу источ-

270

ника света, реактивную катушку

ссильно насыщенным железным сердечником, служащей для созда- ния коротких импульсовтока и по- лучения прерывистого освещения.

Устройство кинопроекции с оп­ тическим конденсатором 1, объек- тивом 2 и барабаном 3 для непре- рывного протягивания киноленты 4 снабжено включённой в цепь ис- точника переменного тока после- довательносдугой6источникасве- та реактивной катушкой 7 с сильно насыщенным железным сердечни- ком. От этого же источника тока

питается синхронный двигатель 5, приводящий во вращение барабан 3 транспортирующего механизма.

Аналогичное устройство можетбытьприменено и в устройстведля киносъёмки.

На практике же для периодического перекрывания световых лучей используется более надёжный механический способ — с помощью синхронно действующего обтюратора, выполненного в виде диска

ссекторными вырезами.

Схема простейшего кинопроектора показана ниже. Свет от источника 1, пройдя

через конденсор 2, освещает изо- бражение проецируемого кадра на кинопленке. Действующие син- хроннообтюратор6,лентопротяж- ный механизм 5 и грейфер 4 скач- кового механизма осуществляют скачкообразное продвижение ки- нопленки, кадры которой с помо- щью объектива 3 проецируются на экран.

Для демонстрации кинофильмов ныне используются цифровые кинопроекторы. Цифровой кинопроектор обеспечивает демонстра- цию изображения на большом киноэкране не с плёнки,а с устройства, где воспроизводятся видео —и звуковыеданные,хранящиеся на циф- ровом неподвижном носителе.

Конструкция и принцип действия таких проекторов не имеют ни- чего общего с плёночными кинопроекторами,и потому цифровые ки- нопроекторы считаются отдельным классом устройств.

271

Технические преимущества атомного микромира

Источником мощныхтехнических преимуществ является атомный (ядерный) микромир.

Всем, чем возможно было воздействовать на вещество в химии, физики, имеет границу, определяемую электронами, вращающимися вокруг ядра атома. Применение очень сильных воздействий (нагрев, изменение давления, пропускание мощных электрических разрядов) приводитлишькоченьнезначительнымизмененияматомов:онимо- гут лишь ионизоваться, отдав один или несколько электронов. Полу- ченный ион, обладая общими чертами с атомом, отличается от него лишь электрическим зарядом. И, сохраняя основные свойства атома, ион крайне легко вновь становится нейтральным атомом, присоеди- няя к себе обратно потерянные электроны. Радикально изменить или преобразовать атом никакими обычными воздействиями невозмож- но. Атомы — весьма прочные системы, неизмеримо более стойкие, чем составленные из атомов молекулы. Силы, скрепляющие атом, а значит заключённые в атоме, не смотря на его микроскопические размеры,являются колоссальными.Действительно сравнительно лег- ко молекулу можно разложить на атомы, достаточно, например, на- греть вещество.

С атомом этого сделать не удастся.

Резко различаются по свойствам газы, жидкости и твёрдые тела при сжатии.Увеличение давления при сжатии газов соответствуетта- кому же уменьшению его объёма.В жидкостях и твёрдых телах незна- чительное уменьшение их объёматребует огромного увеличения дав- ления, что позволило считать их практически несжимаемыми.

Молекулы газов расположены на расстояниях значительно пре- восходящие размеры молекул, поэтому силы взаимодействия между ними ничтожны и их сближению противодействует лишь тепловое движение. В жидкостях и твёрдых телах атомы и молекулы располо- жены очень плотно и при их сближении образуются значительные силы отталкивания, которые и препятствуют уменьшению их объёма.

Известно, вещество тел построено из отдельных, очень малых ча- стиц — атомов и молекул. Под атомами понимают мельчайшую ча- стицу химического элемента. Атомы в действительности являются сложными частицами. Молекулой называют более сложную частицу, состоящую из нескольких атомов.Физические и химические свойства элементов определяются свойствами атомов этих элементов. Свет (электромагнитные волны) испускаются при ускоренном движении электрических зарядов. Атомы вещества также способны испускать свет(видимые электромагнитные волны),давая характерное для каж-

272

дого атома излучение —спектр,что указываетнато,что атомы содер- жат в себе электрические заряды, способные перемещаться. В состав атомоввходятотрицательнозаряженныечастицы —электроны,масса которых очень мала по сравнению с массой атома.Атом в целом ней- трален, поэтому наряду с электронами атомы содержат также и по- ложительно заряженные частицы, то есть, атомы — это совокупность материальных противоположностей, имеющих противоположные качества одного рода, разлагаемые по электрическому заряду, вели- чине массы, местонахождению и движению.

Составными частями атомов являются электроны и, входящие

вядро атома, положительно заряженные частицы — протоны, и неза- ряженные частицы — нейтроны.

Одной из важных постоянных атомной физики является число Авогадро — число структурных элементов (атомов, молекул, ионов)

в1 моле (грамм — молекуле) вещества. Зная число Авогадро, можно найти величины,характеризующие отдельный атом: массу и размеры атома, заряд иона и т. п. Существует ряд способов его измерения, на- пример,по длине волны рентгеновских лучей измеренных по их диф-

ракции на штриховой решётке. По современным измерениям значе- ние числа Авогадро равно N = 6,02 . 10 23 моль-1. Отсюда, размер атома водорода (наипростейшего атома) равен 2,7 . 10–10 м (то есть, близок к 1 ангстрему), а масса равна 1,67 . 10–27 кг.

При электролизе один моль любого n — валентного элемента пе- реносит заряд 96485 . n кулонов (где 96485 — постоянная Фарадея).

Разделив этот заряд на число Авогадро, получают, что на один атом или ион приходится заряд равный 1,6 . 10–19 . n кулонов. Следова-

тельно, мельчайшей порцией заряда или элементарным зарядом e = 1,6 . 10–19 кулон обладает электрон. Все встречающиеся в Природе положительные и отрицательные заряды состоят из целого числа элементарных зарядов (а не любого значения как у заряженных тел), заряд электрона равен по абсолютному значению одному элемен-

тарному заряду.

За единицу электрического заряда принят элементарный заряд. За единицу массы (а. е. м.) принята 1/12 массы атома изотопа угле- рода  12C, равная 1,66 . 10–27 кг. Элемент с атомной массой, равной еди- нице, в природе не существует. Атомная масса водорода (легчайшего из веществ) близка к единице, но несколько больше её — 1,008 а. е. м.

Единицейэнергииявляетсяэнергия,приобретаемаячастицейсза- рядом e (например, электроном) при прохождении разности потен- циалов 1 вольт. Эта единица носит название электронвольт — эВ. Это очень маленькая единица, поэтому используют кратные электрон- вольту единицы: кило, мега, гига,терра.

Энергию нейтральных движущихся частиц также выражают в эВ.

273

Для измерения масс мельчайших заряженных частиц — ионов и электронов служит простейшее устройство масс-спектрографа с од- нородным магнитным полем (см. ниже).

Прибор представляет собой откачанный до высокой степени раз- режения сосуд, помещенный в маг. поле (магнит справа от рисунка), линии которого перпендикулярны к плоскости чертежа устройства. Принцип его работы основан на действии силы Лоренца на заряжен- ную частицу в однородном магнитном поле.Сила Лоренца перпенди- кулярна и линиям магнитного поля (B) и начальной скорости частицы

(v). Направление силы Лоренца (или ускорения частицы) определя- ется правилом «левой руки» (рисунок справа от магнита). В ладонь левой руки параллельной плоскости чертежа входят силовые линии магнитного поля (B),указательный палец направлен вдоль начальной скорости частицы (v), вылетающей из источника 1, то большой палец укажет направление действия силы Лоренца на частицу (то есть в на- правлении на экран или фотопластинку 4).

Сила Лоренца в этом случае окажется центростремительным ускорением частицы, которая равномерно движется с постоянной скоростью от А до В по окружности радиуса R. Расстояние АВ равно 2 R. Заряженные частицы испускаются источником 1 через малую щель 3 диафрагмы 2. Простейшим источником заряженных частиц является электрический разряд в газе. При положительной разности потенциалов между диафрагмой 2 и источником 1 из разряда «за- хватываются» электроны и отрицательные ионы,при отрицательной разности потенциалов — положительные ионы. Заполняя источник 1 различными газами или парами, можно получить ионы различных элементов.

Чем меньше отношение q/m (заряда к массе), тем больше радиус R траектории частицы (от А до В) при заданных U (разности потен- циалов) и H (напряжённости магнитного поля).Зная U и H,и,измерив радиус R траектории, можно определить q/m — отношение заряда ча- стицы к её массе.

274

Если в пучке, испускаемом источником 1, содержатся частицы с различными отношениями заряда к массе, на фотопластинке 4 (на экране) получится несколько параллельных полосок. Самая близ- кая к щели полоска вызвана частицами, которые движутся по окруж- ности наименьшего радиуса. Эти частицы обладают наибольшим от- ношением заряда к массе (лёгкие). Если заряды всех частиц в пучке одинаковы, то ближайшая к щели полоска соответствует частицам наименьшей массы.

Масс-спектрограф дает спектр масс пучка частиц или распределе- ние частиц по массам (точнее, по отношениям q/m), аналогично, как оптический спектрограф даёт спектр длин волн светового пучка.

Принципиальное устройство масс — спектрометра стало основой технологии получения изотопов химических элементов, обеспечив- шей техническое преимущество.

Изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, от- личающиеся только массой.

Измерение массы электрона с помощью масс-спектрографа пока- зываетнафотопластинкетолькооднуполоску.Зарядкаждогоэлектро- на равен одному элементарному заряду, следовательно, все электро- ны обладают одной и той же массой.

Масса электрона оказалась непостоянной. Она растет при увели- чении в приборе разности потенциалов, ускоряющей электроны. Из- мерения с различными источниками электронов (газовый разряд, термоэлектронная эмиссия, фотоэлектронная эмиссия и др.) приво- дят к совпадающим значениям массы покоя электрона или медленно движущегося электрона.

Массаэтакрайнемала:m0 =0,911 . 10–30 кг=1/1823а. е. м.,тоестьпри- мерно в две тысячи раз легче атома легчайшего вещества — водорода.

Когда скорость электрона приближается к скорости света, у него растёт добавочная масса = W/c 2, где W — кинетическая энергия дви- жущегося электрона (m0 v 2/2), а c — скорость света в вакууме. Зависи- мость квадратичная.

Масса любого тела или частицы возрастает при увеличении её ки- нетической энергии или скорости (m = m0 + W/c 2).

В механике Ньютона масса тела считается величиной постоянной, не зависящей от скорости его движения.То есть,второй закон Ньюто- на применим только к движениям тел со скоростями очень малыми по сравнению со скоростью света.

В релятивисткой (с лат. «относительный») механике А. Эйнштейна масса сама зависитотскорости,которая не мала по сравнению со ско- ростью света. Скорость света является предельной скоростью движе- ния тел (чем больше скорость, тем тяжелее тело и тем труднее даль- нейшее увеличение скорости и приближение к скорости света,то есть

275

ускорение уменьшается с увеличением массы). Поэтому невозможно движение тел со скоростью большей скорости света в вакууме,движе- ние возможно при массе покоя равной нулю.

Все виды энергии могут переходить друг в друга, кинетическая энергия является только одним из многих видов энергии (внутрен- ней, электрической, энергии световых квантов). Во всех обычных процессах (химических реакциях, механическом движении тел и т. д.) энергия,переходящая отодноготела (или системытел) кдругомутелу (или системе тел), ничтожно мала по сравнению с энергией покоя участвующих тел.Она не превышает миллиардных долей энергии по- коя. Поэтому масса тел, пропорциональная полной энергии, остается практически (с очень большойточностью) неизменной,что и положе- но в основу известного закона сохранения массы.

Например, нагревание одноатомного газа приводит к увеличению его внутренней энергии, что сводится к увеличению кинетической энергии его частиц, а это является причиной роста их массы. Следо- вательно, при нагревании возрастает и масса всего газа, остающегося в целом неподвижным. Значит, масса покоя газа в ничтожной своей части связана с кинетической энергией теплового движения его мо- лекул или с его внутренней энергией.

В атомном микромире, где скорости велики, уже вся масса покоя тела пропорциональна его внутренней энергии. Все известные виды энергии связаны с этой массой, они находят воплощение в ней и мо- гут переходить друг в друга (масса покоя во внутреннюю энергию, внутренняя энергия в массу покоя).

Согласно закону Эйнштейна вся масса тела пропорциональна его

полной энергии (равной сумме внутренней энергии покоя Eвнутр = m0 . c 2 и кинетической энергии W) или обратно: полная энергия тела пропор-

циональна его массе и выражается формулами m = Eвнутр/c 2 + W/c 2 = E/c 2

или E = mc 2.

Для массы покоя в 1 кг вся внутренняя энергия (m0 . c 2)составит по- рядка 9 . 10 16 джоулей или 2,16 . 10 13 ккал, что равнозначно сжиганию 2 х миллионов тонн нефти (1 кг нефти выделяет около 11000 ккал). Техническое преимущество заключается в способах получения такой энергии.

Атомная энергия связана с выделением огромной энергии, кото- рая составляет уже заметную долю энергии покоя взаимодействую- щих тел, где изменения массы тел сопровождаются превращениями энергии. В процессах, идущих с большим выделением энергии, изме- рение содержания энергии в теле заменяется простым и точным из- мерением массы.

Закон Эйнштейна применим к любым объектам и не только к те- лам или частицам, но к особому виду материи — например, квантам

276

электромагнитного волнового поля, которые обладают массой (при распространении),но не обладаютмассой покоя (бездвижения),когда светового кванта просто не существует.

Наличие изотопов у химического элемента не является исключи- тельной его особенностью. Большинство элементов представляет со- бой смесь двух или нескольких изотопов.

Например, масс-спектро­ грамма (рисунок справа) по- ложительных ионов неона со- стоит из трёх чётких полосок различной интенсивности.

Ион неона может нести заряд, не превышающий нескольких эле- ментарных единиц. Ионы же, несущие один и тот же заряд, обладают различнымимассами,исудяподистанцииполосокотщелионисосто- ят из значений 20 : 21 : 22. Следовательно, элемент неон представляет собой смесь атомов трех типов, отличающихся друг от друга по массе. Атомная масса неона равна 20,2.

Сравнивая интенсивность линий на фотопластинке масс — спек- трограммы, находят относительные количества различных по массе атомов в природном неоне. Количество атомов неона с массами 20, 21 и 22 соотносятся, как 90 : 0,3 : 9,7, что даёт среднее значение массы атома неона —20,2.Оно совпадаетс атомной массой неона.Пропорция атомов с массами 20,21 и 22 стабильна практически везде,поэтомутри разновидности неона почтитождественны по своим свойствам.

Массы изотопов всех элементов выражаются целым числом атом- ных единиц масс (хотя есть и незначительные отклонения от этого правила).Атомная масса изотопа (а. е. м.), округленная до целого чис- ла называется массовым числом. Для обозначения изотопов хими- ческийсимволсоответствующегоэлементаснабжаютзначком,указы- вающим массовое число изотопа, например, 17O — изотоп кислорода с массовым числом 17,и с добавлением порядкового номера элемента в таблице Д. И. Менделеева — 817O.

Все изотопы данного элемента вступают в одни и те же хими- ческие реакции и образуют химические соединения почти неотли- чимые по свойствам, которые используются в химии для разделе- ния элементов. Поэтому обычные химические методы разделения, основанные на различиях в поведении веществ при химических реакциях, непригодны для отделения друг от друга изотопов одного и того же элемента.

Разделение изотопов более сложный метод, чем разделение эле- ментов.

Один из способов разделения изотопов основан на принципе раз- деления частиц в масс-спектрографе. Для получения весомых коли-

277

честв разделенных изотопов применяютмасс-спектрографы больших размеров и несколько иной конструкции. Приёмниками изотопов (вместо фотопластинки) служат специальные сосуды со щелями в ме- стах падения ионов.

Слева схема прибора для разделения изото- пов, где 1 — источник ионов; 2, 3 — диафрагмы; 4 — приемник для легкого изотопа; 5 — прием- ник для тяжелого изотопа.

Напряжение U ускоряет ионы изотопа. Разделение изотопов имеет большое зна-

чение в производстве топлива для получения ядерной (атомной) энергии.

Разработаны и другие методы разделения изотопов. Большинство этих методов исполь- зуют тот факт, что в газовой или жидкой смеси средняя кинетическая энергия различных ча-

стиц одинакова, и, следовательно, чем меньше масса частицы, тем (в среднем) больше её скорость, напротив средняя скорость атомов тяжелого изотопа всегда меньше, поэтому лёгкие частицы быстрее диффундируют через пористые перегородки в растворах.

Разновидностью водорода является мало распространенный

вПрироде изотоп с массой 2, так называемый тяжелый водород, или дейтерий (химический символ 2H или D). Соединяясь с кислородом,

тяжелый водород образует воду D2O (оксид дейтерия) с молекулярной массой 20 (тяжелую воду). Тяжелая вода по своим свойствам заметно отличаетсяотобычнойводы.Так,принормальномдавлениитемпера- тура замерзания тяжелой воды 3,80 С, а температура кипения 101,40 С.

Биологические процессы в тяжелой воде протекают иначе, чем

вобычной воде, и тяжелая вода не пригодна для питания земных ор- ганизмов,приспособившихся к обычной воде.Сравнительно большое различие свойств обычного итяжелого водорода,а вместе стем обыч- ной и тяжелой воды обусловлено тем, что атом тяжелого водорода вдвоетяжелееатомалегкого,тогдакаквдругихэлементахмассатяже- лого изотопа лишь незначительно превосходит массу легкого изотопа (например,для неона только на 5 ÷ 10 %).

При электролизе тяжелая вода разлагается медленнее обычной воды.Это явление относят к основе технического преимущества и ис- пользуют как один из способов получения тяжелой воды. Выделение тяжелой воды энергетически очень затратное производство, так как относительное содержание её в природной воде ничтожно мало — около сотой доли процента.

Дейтерий — ядерное топливо для энергетики будущего, основан- ной на управляемом термоядерном синтезе.

278

Тяжёлая вода практически не поглощает нейтроны, поэтому ис- пользуется в ядерных реакторах для замедления нейтронов и в каче- стве теплоносителя. Она используется также в качестве изотопного индикатора в химии, медицине при диагностических исследованиях человека и биологии в опытах с живыми организмами. Тяжёлая вода используется для детектирования нейтрино.

Сверхтяжёлая вода содержит радиоактивный тритий (Т или 13H) спериодомполураспада12лет.Посвоимсвойствамсверхтяжёлаявода (T2 O) ещё заметнее отличается отобычной воды: кипитпри 1040 С,за- мерзает при +90 С и имеет плотность 1,21 г/см 3.

Тритий используется в источниках подсветки в военных и граж- данских приборах, а в термоядерном оружии он источник нейтронов и одновременно термоядерное горючее вещество.

Внутреннеестроениеатомаизучатьспомощьюмикроскоповневоз- можно. Однако, нащупать ядро атома можно, например с помощью бомбардировки быстрыми заряженными частицами. По результа- там бомбардировки можно составить представление о внутреннем устройстве атома.

Свойством самопризвольно испускать невидимые лучи или свой- ством радиоактивности (с лат. «луч») обладают тяжёлые элементы, расположенные в конце таблицы Д. И. Менделеева, названные радио- активными.Еслирентгеновскиелучиполучаютс помощьюбомбарди- ровки стекла разрядной трубки катодными лучами, то у радиоактив- ныхэлементовизлучение,названноерадиоактивным,происходитбез внешних воздействий, непрерывно, под влиянием лишь внутренних причин.

Одним из лучей является поток быстрых заряженных частиц, названных α-частицами. Это ионизированные атомы гелия, имею- щие положительный заряд в две элементарные единицы, массой 4 а. е. м. Удар одной быстрой α-частицы об экран, покрытый люми- несцирующим веществом, вызывает видимую вспышку света, назы- ваемую сцинтилляцией.

Известно, что α-частицы вылетают из радиоактивных атомов со скоростью свыше 10 000 км/сек, поэтому способны проникать во- внутрь атома,что и позволяет получать необходимые сведения о вну- треннем его устройстве.

Этим свойством воспользовался Э. Резерфорд (1911 г.) и после ряда опытов предложил ядерную модель строения атома (планетарного типа). Вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть объема атома. Положи- тельное ядро окружено отрицательными электронами. Электронная оболочка занимает практически весь объем атома, но масса её ввиду легкости электрона незначительна.

279