877

Репликация – копирование молекулы всего генетического материала клетки. Если мы разведем в стороны две нити, а потом на каждой, нарастим, согласно принципу комплементарности азотистых оснований, по новой нити, то получим из одной молекулы ДНК две, причем обе будут идентичны исходной.

С развитием молекулярной физики, у людей появилось большое количество новых открытий. Мы можем тасовать гены, поэтому можем получать что-либо ранее не существующее или же улучшать то, что нам дано природой. Одно из таких явлений ГМО.

Генетически модифицированный организм (ГМО) – организм, генотип, которого был искусственно изменѐн при помощи методов генной инженерии.

Способы проверки на наличие ГМО.

Установить 100 % безопасность пищевых продуктов научно невозможно. Поэтому генетически-модифицированные продукты проходят детальные анализы, которые базируются на современных научных знаниях.

Как правило, проверка на наличие ГМО проводится при помощи метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР предусматривает три основных действия:

1.Искусственный синтез небольших участков ДНК, праймеров.

2.Когда праймеры находят целевую последовательность, запускается быстрая цепная реакция синтеза встроенного участка ДНК. Где встроенная целевая молекула ДНК копируется миллионы раз (амплифицируется).

3.Амплифицированный продукт можно детектировать (визуализовать) при помощи разных устройств. Если продукт детектируется, это является свидетельством, что в пробе выявлена ДНК генно-модифицированного организма.

Теперь, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике – открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии. Но на этом параллель не заканчивается. Чисто теоретические, фундаментальные исследования атома позволили человеку овладеть практически неисчерпаемым источником энергии. Развитие молекулярной биологии открыло в последние годы возможность неслыханным образом вмешиваться в свойства живой клетки, направленно изменять наследственность. Это, безусловно, окажет в будущем не менее радикальное воздействие на жизнь людей, чем овладение энергией атомного ядра.

Литература

1.Франк-Каменецкий М.Д. Самая главная молекула – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Наука. Гл. ред. Физ.–мат. Лит., 1988 – 176с. – (Библиотечка «Квант». Вып.25)

2.Уотсон Дж Д. Двойная спираль: воспоминания об открытии структуры ДНК. – М.:

Мир, 1969. – 152 с.

3.http://www.dna-club.com.ua/preparati/dnk5.htm

4.http://www.nkj.ru/archive/articles/14128

132

УДК 53

Н.А. Куликов – студент;

В.А. Волков – научный руководитель, доцент. ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, Россия

ГИГАНТСКИЙ СПИНОВЫЙ ЭФФЕКТ ЗЕЕБЕКА

Аннотация. В работе рассматривается вопрос развития представлений о термоэлектрических явлениях от «классического» эффекта Зеебека в металлах до так называемого «спинового» эффекта Зеебека в ферромагнетиках и полупроводниках, помещенных в сильное магнитное поле при низких температурах.

Ключевые слова: термоэдс, термопара, уровень ферми, фононы, антимонид индия.

Открытый более 200 лет назад эффект Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, составленной из разных проводников МА и МВ, возникает эдс, если контакты А и В этих проводников поддерживаются при разных температурах. В этом случае, если цепь замкнута, то в ней течет электрический ток, причем при изменении знака у разности температур спаев изменяется и направление тока.

Возникающая при этом так называемая термоэдс Т зависит от абсолютных температур спаев Т1 и Т2, разности этих температур Т, от природы материалов, составляющих термоэлемент (α12),

= ∫

и обусловлена тремя причинами:

1)температурной зависимостью уровня Ферми, приводящей к появлению контактной разности потенциалов;

2)диффузией носителей зарядов от горячего конца к холодному, определяющей объемную часть эффекта;

3)процессом увлечения электронов фононами (квантами теплового потока), дающим еще одну составляющую термоэдс – фононную.

Строгий вывод термоэдс достаточно сложен. Вообще, причина всех термоэлектрических явлений – нарушение теплового равновесия в потоке, то есть отличие средней энергии электронов в потоке от ее значения на уровне Ферми.

Несмотря на то, что в проводниках уровень Ферми слабо зависит от температуры (электронный газ вырожден), при различной температуре спаев внутренние контактные разности потенциалов все же будут неодинаковы, что приведет к нарушению электрического равновесия и возникновению контактной эдс.

133

Вторая причина связана с неоднородным распределением температуры в проводнике. При постоянном градиенте температуры перенос тепла осуществляется в основном движением электронов проводимости. Возникает поток электронов, направленный против градиента. В результате концентрация электронов на горячем конце уменьшается, а на холодном увеличивается.

Третий источник термоэдс – эффект увлечения электронов фононами. (Аналогично тому, как свет рассматривают в виде потока фотонов, физиками предложено рассматривать теплопередачу как поток фононов). Сталкиваясь с электронами, фононы сообщают им направленное движение, увлекая за собой от нагретого конца к холодному.

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека в металлах является термопара – термочувствительный элемент для измерения температуры. Помимо температуры, используя этот эффект, можно измерять поток лучистой энергии, давление газов, силу переменного тока

и другие физические величины, связанные с термическими явлениями.

Что касается термоэлектрических генераторов, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, то в них вместо металлов, имеющих низкую термоэдс (порядка нескольких мкВ/К) используют полупроводниковые материалы, обладающие гораздо большими термоэдс (свыше 1000 мкВ/К ).

Таким образом, главная проблема практического применения «классического» эффекта Зеебека заключается в том, что разница температур, наблюдаемая в естественных условиях, слишком мала для выработки значимого количества электроэнергии.

В 2008 году ученые университета Кейо и ряда японских институтов совершили открытие, названное «спиновым эффектом Зеебека». Оказывается, если нагреть один конец намагниченного стержня из никель-железного сплава, то электроны с «верхним спином» (ориентированным

в соответствии с магнитным полем) соберутся у теплого конца, а электроны с «нижним спином» – у холодного. При этом их плотность и скорость диффузии различны.

Такой стержень фактически является источником спинового напряжения, то есть аналогом напряжения электрического, но производимого не разделением положительных и отрицательных зарядов, а сегрегацией спинов (рис.1b). Так японским ученым удалось получить чистый «спиновый» ток – поток электронов с одинаковым спином, распространяющийся на большие расстояния (несколько миллиметров).

Исследователи из университета штата Огайо нашли способ воспроизвести аналогичный эффект в немагнитных полупроводниках, производя при этом значительно больше энергии.

Они назвали этот усиленный эффект «гигантским спиновым эффектом Зеебека». Полученное напряжение по-прежнему мало, однако его удалось увеличить

134

до нескольких милливольт на градус. Таким образом, наблюдалось тысячекратное увеличение напряжения или рост энергиив миллионы раз.

Пока новый эффект зарегистрирован только в антимониде индия, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией 3 Тл при температуре ниже 20 К. Однако исследователи считают, что в дальнейшем возможно использование и более дешевых полупроводниковых материалов и при более высоких температурах.

Литература

1.Физическая энциклопедия.М.:Большая Российская энциклопе-

дия.1998.Т.2,с.76-77; Т.5,с.98-99.

2.Электроника. Энциклопедический словарь.М.:Советская энциклопе-

дия.1991,с.530-545. 3.K.Uchida,S.Takahashi,K.Harii,J.Ieda,W.Kashibae,K.Ando,S.Mackawa,E.S

aitoh.Observation of the spin Seebech effect//Nature.2008/V.455.P.778 - 781;doi:10.1038/nature07321.

УДК 53:664.8

Ю.С. Путина – студентка; Е.С. Мазунина– научный руководитель, доцент.

ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, Россия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В ЯБЛОЧНОМ СОКЕ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА АББЕ

Аннотация. Работа посвящена одному их методов определения концентрации сахара в прозрачных растворах. Определена концентрация сахара в пяти различных яблочных соках, продаваемых в розничной сети.

Ключевые слова: концентрация сахара, полное внутреннее отражение, рефрактометр Аббе.

Сахар относится к одним из самых популярных продуктов питания. Сахар чаще всего используют в качестве добавок в различные продукты питания, а не как самостоятельный продукт. Люди почти в каждом приѐме пище употребляют сахар.

Вначале сахар изготавливали исключительно только из сахарного тростника, в стеблях которого большое содержание сладкого сока, который пригоден для данного сладкого продукта. Далее, уже гораздо позже сахар научились добывать из сахарной свеклы. В настоящее время 40% от всего сахара в мире изготавливается из свеклы и 60% изготавливается из сахарного тростника. Сахар содержит в себе чистую сахарозу, которая способна в организме человека быстро разделится на глюкозу и фруктозу, усвоение в организме которых происходит в течение нескольких минут, после чего становятся отличным источником энергии.

Как уже известно, сахар ничто, это просто высокоочищенный легкоусвояемый углевод, особенно касается это сахара – рафинада. Биологической ценности этот продукт никакой не имеет, за исключением калорий, который содержит сахар. В 100 граммах сахара, содержится 409,2 ккал.

135

По данным многочисленных исследований, которые были направлены на узнавание вреда и пользы сахара на организм человека, стало известно, что сахар при избыточном его потреблении сильно влияет на рост количества заболеваний сердечнососудистой системы. Кроме того, необходимо отметить и то, что у людей, которых называют сладкоежками, из-за большого потребления сахара нарушается обмен веществ и значительно слабнет иммунная система, также сахар способствует преждевременному старению кожи и ухудшает еѐ свойства, что приводит к потере эластичности, могут появляется угревые высыпания, изменяется цвет лица и многое другое. Необходимо также отметить, что на усвоение рафинированного сахара в организме человека тратится огромное количество кальция, что способствует вымыванию кальция из костной ткани.

В овощах, фруктах и ягодах также содержится сахар. Для исследования в данной работе выбран яблочный сок. Сок – это жидкий пищевой продукт, который популярен практически во всех странах мира. Наиболее распространены соки, выжатые из съедобных плодов доброкачественных, спелых фруктов и овощей. Однако существуют соки, полученные из стеблей, корней, листьев различных употребляемых в пищу трав (например, сок из стеблей сельдерея, сок из стеблей сахарного тростника).

С точки зрения потребителей, соки традиционно делят на три вида:

Свежевыжатый (свежеотжатый) сок. Сок, который производят в присутствии потребителей с помощью ручной или механической обработки плодов или других частей растений;

Сок прямого отжима. Это сок, изготовленный из доброкачественных, спелых фруктов и овощей, прошедший пастеризацию и разлитый в ассептические пакеты или стеклянную тару.

Восстановленный сок. Это сок, произведенный из концентрированного сока и питьевой воды, который поступает в продажу в асептической упаковке.

Согласно российскому законодательству (см. Федеральный закон от 27 октября 2008 г. №178-ФЗ «Технический регламент на соковую продукцию из фруктов и овощей») под соком следует понимать «жидкий пищевой продукт, который несброжен, способен к брожению, получен из съедобных частей доброкачественных, спелых, свежих или сохраненных свежими либо высушенных фруктов и (или) овощей путем физического воздействия на эти съедобные части и в котором

всоответствии с особенностями способа его получения сохранены характерные для сока из одноименных фруктов и (или) овощей пищевая ценность, физикохимические и органолептические свойства».

В исследованиях других авторов концентрация сахара в яблоках зависит от размера плода, от сорта и условий вегетации. Некоторые сорта яблок содержат больше сахара, чем другие. Одни сорта очень сладкие, другие среднего уровня сладости. Некоторые сорта известны своей терпкостью и требуют дополнительного подслащивания, поскольку не имеют натуральный сахар. В среднем яблоках по его содержанию углеводов 10 процентов их относится к простым сахарам. Простые сахара это, прежде всего фруктоза, сахароза, глюкоза и сорбит. В данной работе определяется концентрация сахара в яблочном соке различных производителей с помощью рефрактометра.

136

Метод исследования. Существуют различные способы определения сахара в жидкостях: химические и физические. В производстве часто применяют органолептический метод. Наиболее распространенные физические методы основаны на вращении растворами с различной концентрацией сахара плоскости поляризации света и на зависимости показателя преломления света таких растворов от концентрации сахара. В основе работы рефрактометра Аббе лежит последнее утверждение.

При падении световой волны на плоскую границу раздела двух оптически прозрачных диэлектриков волна испытывает отражение от границы раздела (волна возвращается в ту среду, из которой падала) и преломление (уходит во вторую среду). Таким образом, на границе раздела двух сред выполняются законы отражения и преломления света

(рис.).

sin n1 n12 sin n2

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно

наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения . Для угла падения α = αпр sin = 1; значение sin αпр = n2 / n1 < 1. Таким образом, можно определить показатель преломления на границе жидкость – воздух (n2 1), который пропорционален концентрации сахара в жидкости.

Результаты измерений. Для определения концентрации сахара в яблочном соке были выбраны пять различных соков, представленных в розничной сети. Для калибровки прибора были взяты дистиллированная вода, глюкоза 5%, глюкоза 40 % (таблица 1). По этим измерениям было определено уравнение прямой на плоскости концентрация сахара – показатель преломления методом наименьших квадратов. Далее измеряли показатель преломления сока, и, используя уравнение прямой, определяли концентрацию сахара в яблочном соке. Результаты представлены в таблице 2.

137

Таблица 2

Концентрация сахара в яблочном соке

Выводы. Пищевая промышленность выпускает соки и сокосодержащие напитки с различной концентрацией сахара (сахароза, фруктоза, глюкоза и сорбит). Средняя концентрация сахара в яблочном соке больше, либо равна концентрации сахара в яблоках. Для детей до года выпускают соки с меньшей концентрацией сахара

Литература

1.Грабовский Р.И. Курс физики. 11-е изд., стер. – СПб.: 2009.— 608 с.

2.Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. –М.: Советская энциклопедия.

1988.

138

МАТЕМАТИКА

УДК: 167+ 510.649

И.Ю. Андреева – студентка; В.В. Аюпов – научный руководитель, доцент.

ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, Россия

ФРАКТАЛЬНАЯ ЛОГИКА

Аннотация. Фракталы – модели сложных структур, таких как абстрактные математические множества, природные объекты, процессы мышления и др. Фрактальная логика – это новый, еще не совсем устоявшийся термин, попытка расширить концепци фрактала, обобщить его идею на теорию познания и мышления. С позиций фрактальной логики парадоксы могут рассматриваться как предмет формального, инструментального и социокультурного изучения.

Ключевые слова: фракталы, логика, математические модели, логические фракталы, парадоксы.

Как известно, логика оперирует с высказываниями – записанными с помощью знаков суждениями естественного или искусственного языка, которые имеют значения – сформулированные для данного высказывания логические содержания. Набор значений конечен. В случае классической двузначной логики этот набор – истина и ложь. Одно высказывание не может одновременно иметь несколько значений.

Высказывания можно формализовать – то есть записать на формальном языке и сформулировать логику высказываний - набор процедур и операций, которые преобразуют одни высказывания в другие или изменяют значения высказываний.

На этом предположении строится традиционная формальная логика, устанавливающая процедуры и операции над высказываниями.

Рассмотрим суждение естественного языка "Я лгу". Преобразуем его в высказывание логики. Для этого проанализируем его содержание и интерпретируем логические значения.

Если мы предположим, что содержание высказывания "Я лгу" истинно, то его содержание указывает на то, что это высказывание ложно, следовательно, это высказывание является ложным, и его значение – ложь.

Если мы предположим, что содержание высказывания "Я лгу" ложно, то суждение "Я лгу" неверно. Следовательно, я говорю истину, и это высказывание является истинным. Его значение – истина.

Таким образом, одно и то же высказывание обладает двумя значениями одновременно. Высказывание "Я лгу" – широко известный с древних времен пример семантического парадокса, иллюстрирующего противоречивость интерпретаций высказываний.

Одним из первых исследователей парадоксов был Зенон Элейский, занявший место в истории философии благодаря рассмотрению четырех парадоксов движения.

139

Кроме семантических парадоксов популярной темой исследований являлся анализ теоретико-множественных парадоксов, самым известным из которых был парадокс Рассела. Этот парадокс фиксировал противоречивость фундаментальной категории логики – категории множества.

Так же как и "монстры" – фракталы, поражающие математиков, парадоксы поражали логиков. Они не вписывались в традиционные процедуры логического анализа и наводили на мысль о том, что в основаниях логики не всѐ благополучно.

Мандельброт проанализировал "монстров" с точки зрения представлений фрактальной геометрии, показав общность между монстрами, природными объектами и множествами Жюлиа и Мандельброта.

Так же как и эти объекты, "монстры" обладают фрактальной размерностью и демонстрируют самоподобие.

Мандельброт превратил "монстров" из "пугал", за которыми надо было охотиться с целями исключения из "нормальных" геометрических рассуждений в концептуально оформленные геометрией предметы измерения и построения.

Этот же мыслительный ход можно осуществить и по отношению к парадоксам. Действуя по аналогии, можно предположить, что парадоксы есть частные случаи логических фракталов, которыми должна оперировать фрактальная логика.

Фрактальная логика – это набор понятий и представлений, основанных на принципах фрактальной геометрии, применяемых к логическим объектам с бесконечным количеством значений.

Фрактальная геометрия оперирует парадоксальными геометрическими предметами, результаты измерения которых (длина, площадь, объем) устремляются к бесконечности. В качестве начальной (а потому неточной) метафоры можно сказать, что фрактальная логика оперирует парадоксальными логическими объектами, число логических значений которых также стремится к бесконечности.

Фрактальная логика превращает бесконечный парадокс из "монстра" и "пугала" в концептуальный предмет формального, инструментального и социокультурного рассмотрения.

Для того, чтобы термины "логический фрактал" и "фрактальная логика" были не только метафорами, но и понятиями оформленной и формализованной логической концепции, применяют понятие обратной связи. Российский математик Александр Зенкин интерпретировал парадокс лжеца как процесс с обратной связью. При этом, построение фракталов всегда осуществляется не на конечном, а на бесконечном числе итераций. Интерпретируем с помощью обратной связи парадокс лжеца.

Рассмотрим высказывание А, соответствующее суждению "Я лгу".

Пусть оно будет истинным. С точки зрения обратной связи это означает, что на нулевой итерации при i=0, значение А равно И. Далее, нам надо интерпретировать парадоксальное умозаключение "Значение А истинно, значит, А ложно" как обратную связь - процедуру, присваивающую новое значение высказыванию А при изменении счетчика итераций. Обратная связь меняет значение А при i=1 на Л. Таким же образом, при i=2 значение А равно И, при i=3, опять Л - и так далее.Таким образом, цикл запуска будет следующим:

Ввод информации в блок управления - установление i=0.

140