Текст книги "Физика"

Эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое техническое и медицинское применение. Сфера использования ультразвука очень обширна.

Так, широко известен метод гидролокации с помощью ультразвука. Без этого невозможно даже представить себе современное мореплавание. Пучок ультразвукового излучения можно сделать точнонаправленным и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. Подобной эхолокацией пользуются не только для измерения глубины океана и исследования рельефа морского дна, но и для поиска там посторонних предметов.

Современные эхолоты устроены так, что на специальной шкале загорается неоновая лампочка в соответствующей глубине моря под кораблем точке. Эхолот не только предупреждает о наличии скал и мелей, но и позволяет определить местонахождение корабля.

Облучение ультразвуком расплавленных металлов и сплавов позволяет получить более однородную структуру из мелких кристаллов. Это способствует также удалению из них газов, что повышает качество материалов. Ультразвук используют при закаливании сплавов, пайке и сверлении.

С помощью ультразвука можно дробить примеси и неоднородности в веществах. Он помогает также изготовить однородные жидкости в тех случаях, когда простым смешиванием это сделать невозможно (изготовление эмульсий и суспензий).

Важной областью применения ультразвука является так называемый неразрушающий контроль или ультразвуковая дефектоскопия. С помощью ультразвука определяют дефекты (трещины, пустоты, шлаковые примеси и т. д.) в глубине деталей и установок. Дефектоскопы обнаруживают внутренние расслоения и полости размерами в доли миллиметра.

С помощью ультразвука врачи и диагностики проводят обследование больных органов человека. Ультразвуковое излучение (в небольших дозах!) применяется в акушерской практике, когда обследуют женщину – будущую мать и ее еще не родившегося ребенка.

Обнаружено, что ультразвук оказывает разрушающее действие на определенные виды бактерий, что тоже нашло свое применение в медицине и бактериологии.

Инфразвуковые волны

Особенности инфразвука

Инфразвуком (от латинского infra – ниже, под) называют продольные волны, аналогичные звуковым, но с частотами ниже воспринимающих человеком частот.

За верхнюю границу инфразвукового диапазона принимают частоты 16–25 Гц. Нижняя граница инфразвукового диапазона является неопределенной. Практический интерес могут иметь колебания от десятых и даже сотых долей герц.

Инфразвук присутствует в шуме воздуха, леса и моря. Источником инфразвуковых колебаний являются грозовые разряды (гром), а также взрывы и пушечные выстрелы. В земной коре наблюдаются сотрясения и вибрации инфразвуковых частот от самых разных источников: взрывов, обвалов и транспортных средств.

Медуза – приемник инфразвуков

Для инфразвука характерно небольшое поглощение в различных средах, вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния. Это явление находит практическое применение при определении мест сильных взрывов или расположения стреляющего устройства.

Распространение инфразвука на большие расстояния в море дает возможность прогнозирования стихийных бедствий – цунами. Звуки взрывов, содержащие большое количество инфразвуковых частот, используют для исследования верхних слоев атмосферы, свойств водной среды.

Инфразвуковые волны, возникающие над поверхностью моря при сильном ветре, в результате образования вихрей за гребнями волн, называют «голосом моря». Вследствие того, что для инфразвука характерно небольшое поглощение, он может распространяться на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения зоны шторма, то «голос моря» может служить для того, чтобы заранее предупредить о приближении шторма.

Своеобразными индикаторами шторма являются медузы. Оказывается, что медуза задолго до приближения шторма пытается укрыться на большей глубине. Причиной этого является то, что медуза способна уловить инфразвуковые волны частотой 8—13 Гц, которые появляются в воде за 10–15 часов до шторма.

У медузы есть специальные органы равновесия – статоцисты. Статоцист представляет собой пузырек, в котором находятся сферические известковые камешки (статолиты). Изменение положения тела медузы в воде сопровождается перемещением этих камешков, ощущаемых чувствительными клетками, которые размещены на стенке пузырька.

Основные источники инфразвуковых волн

Развитие промышленного производства и транспорта привело к значительному увеличению источников инфразвука в окружающей среде и росту интенсивности уровня инфразвука.

Основные техногенные источники инфразвуковых колебаний в городах приведены в таблице.

Влияние инфразвука на организм человека

Достаточно сильно влияют на человека продольные колебания с частотами ниже 16 Гц – т. е. инфразвук. Опасным считается промежуток от 6 до 9 Гц.

Действие инфразвука может вызвать у человека головную боль, снижение внимания и работоспособности и даже иногда нарушение функции вестибулярного аппарата, а также чувство тревоги и беспокойства. Инфразвук с частотой 7 Гц является смертельным для человека.

Значительные психотронные эффекты сильнее проявляются именно при частоте 7 Гц, которая соответствует так называемому «альфа-ритму» природных колебаний мозга, причем любая умственная работа в этом случае становится невозможной, поскольку кажется, что голова вот-вот разорвется на мелкие кусочки.

Звук малой интенсивности вызывает тошноту и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, вызывая паралич, общую слабость, а иногда слепоту. Продольный мощный инфразвук способен повредить и даже полностью остановить сердце.

Инфрачастоты около 12 Гц при силе звука в 85—110 дБ вызывают приступы морской болезни и головокружение, а колебания частотой 15–18 Гц той же интенсивности вызывают чувство беспокойства, неуверенности и, наконец, панического страха.

Существуют описания исследований, которые в свое время проводил известный физик Р. Вуд. Он включал в театре во время представления инфразвуковой генератор, а затем наблюдал за реакцией людей. (По другой версии генератор «Неслышимая нота» включали на репетиции в театре с целью усиления сценического эффекта. Но этот эффект оказался настолько значительным, что режиссер не согласился на продолжение эксперимента!)

V. Строение вещества и тепловые явления

Физическое открытие ботаника Броуна

…Началась эта история в 1827 г. Почтенный хранитель ботанического отделения Британского музея мистер Роберт Броун поднял глаза от окуляра микроскопа и то ли с досадой, то ли с удовлетворением констатировал: «Опять те же самые!» В ярко освещенном поле зрения прибора взад и вперед сновали темные точки. Те, что были больше, двигались медленнее, не спеша меняли направление. Более мелкие – скакали хаотично, беспорядочно, бросаясь из стороны в сторону.

Ученый ботаник задумался: «Почему?» Только час назад он собрал в последний раз пыльцу со своих цветов, размешал ее в воде и капнул капельку на предметное стекло микроскопа. Час – это вполне достаточное время, чтобы частицы успокоились. А они продолжали быстро двигаться.

Обычно невозмутимый шотландец в волнении вышел из-за стола и принялся ходить по просторному кабинету. Куда подевалась неподвижность?.. И тут у него возникла идея – простая, как все гениальное. Почтенный ученый выскочил из кабинета…

Зажав в руке комочек глины, Броун заторопился обратно. Всю дорогу повторял он про себя условия эксперимента: «Глина – мертвая. Мертвая! В этом не усомнится никто! Значит, ее частицы, размешанные в воде, тоже будут мертвыми частичками. И если они останутся неподвижными под микроскопом…»

…В ярко освещенном поле зрения прибора хаотично сновали темные точки! Те, что были больше, двигались медленнее, мелкие – скакали беспорядочно, бросаясь из стороны в сторону. Неживые, – они хаотично двигались будто бы под влиянием чего-то невидимого.

Броун был настоящим ученым и, столкнувшись с непонятным явлением, добросовестно начал исследовать его. Он обнаружил, что в горячей воде частицы движутся быстрее, чем в холодной. Убедился в том, что их путь совсем случайный… Он сделал все, что мог, и вскоре с чистой совестью снова принялся за исследования растительных клеток. Ботаника – это было для него гораздо интереснее.

Кто же он, ботаник Броун, который своим открытием изменил представление о строении вещества?

Роберт Броун

Роберт Броун родился в 1773 г. в семье священника. Он изучал медицину в университетах Абердина и Эдинбурга, пять лет прослужил в английской армии офицером медицинской службы.

В 1798 г. президент Лондонского Королевского научного общества сэр Джозеф Бэнкс рекомендовал его на должность натуралиста на борту корабля «Investigator», отправлявшегося с исследовательскими целями к берегам Австралии. Во время этой экспедиции Броун собрал огромную коллекцию растений.

Ученый – это не тот, кто дает необходимые ответы, а тот, кто задает необходимые вопросы.

К. Леви-Стросс

По возвращении в 1805 г. в Англию Броун несколько лет посвятил классификации собранных в экспедиции растений, большинство из которых ранее не были известны науке.

В 1810 г. Дж. Бэнкс взял ботаника к себе библиотекарем. В 1820 г. Броун получил от него в наследство библиотеку и коллекции, которые в 1827 г. передал в Британский музей, где стал хранителем вновь созданного ботанического отделения.

В 1828 г. Броун опубликовал «Краткий отчет о наблюдениях в микроскоп…», в котором описал открытое им движение частиц. Именно он описал ядро растительной клетки.

В 1827 г. Броун был избран почетным членом Петербургской академии наук. Умер Броун в 1858 г.

Роберт Броун был уверен, что он оставит след в истории ботаники, а получилось так, что его имя вошло в историю физики. Поэтому в физических справочниках можно прочитать:

«Роберт Броун (1773–1858), шотландский ботаник, открывший беспорядочное движение мельчайших частиц в жидкости или газе под влиянием ударов молекул окружающей среды, получившее название ”броуновское движение”».

Интересно, что на протяжении почти сорока лет не было правильного объяснения причин броуновского движения. Теория этого явления была создана благодаря работам А. Эйнштейна и М. Смолуховского только в 1905–1906 годах.

Вещество в различных состояниях

Мы знаем, что практически все вещества могут существовать в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. (Четвертым состоянием вещества считают плазму.)

Все в природе является причиной, что вызывает определенный результат.

Спиноза

Агрегатное состояние зависит от физических условий, в которых находится вещество. Существование вещества в нескольких агрегатных состояниях обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии при разных условиях.

Газ – это такое агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия; кинетическая энергия теплового движения частиц (молекул, атомов) газа значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, поэтому частицы движутся почти свободно, целиком заполняя сосуд, в котором находятся. Любое вещество можно перевести в газообразное, изменяя давление и температуру.

Жидкость – это такое агрегатное состояние вещества, которое является промежуточным между твердым и газообразным. Для жидкости характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство между ними. Это приводит к тому, что жидкости сохраняют свой объем и приобретают форму сосуда. В то же время жидкость имеет только ей присущие особенности, одна из которых – текучесть.

Молекулы жидкости размещаются очень близко друг к другу. Поэтому плотность жидкости намного больше плотности газов (при нормальном давлении). Свойства жидкости во всех направлениях одинаковы (говорят, что жидкость является изотропной), за исключением жидких кристаллов.

Тепловое движение молекул жидкости «состоит» из коллективных колебательных движений и скачков молекул из одних положений равновесия в другие. При наличии внешней силы, сохраняющей свое направление более длительное время, чем интервалы между скачками, молекулы перемещаются в направлении этой силы, что и приводит к текучести жидкости.

Твердые тела – это тела, находящиеся в таком агрегатном состоянии, которое характеризуется стабильностью формы и определенным характером теплового движения атомов. Это движение вызывает малые колебания атомов (или ионов)[3]3
  Ионы – это частицы, которые в отличие от атомов, имеют электрический заряд (отрицательный или положительный).


[Закрыть], из которых состоит твердое тело.

Структура твердых тел многообразна, но их можно разделять на кристаллы и аморфные тела.

В кристаллах атомы (или ионы) расположены в узлах так называемых кристаллических решеток и колеблются около них. Периодичность в расположении атомов приводит к сохранению такого порядка на больших расстояниях.

В аморфных телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. Аморфные тела изотропные, не имеют постоянной температуры плавления, текут.

Кристаллическая структура твердых тел зависит от сил, действующих между атомами и частицами. Одни и те же атомы могут образовывать различные структуры – например, серое и белое олово, графит и алмаз.

Известно, что некоторые вещества существуют в состояниях с разной атомной кристаллической структурой. Такая особенность называется полиморфизмом («поли» – много, «морф» – форма).

Одиночные кристаллы называют монокристаллами. У монокристаллов некоторые свойства являются анизотропными, то есть они зависят от направления в веществе. Естественная анизотропия – характерная черта кристаллов. Например, пластинка слюды легко расщепляется на тонкие листочки вдоль определенной плоскости (параллельно этой плоскости силы сцепления между частицами слюды наименьшие).

Кристаллы горного хрусталя

Твердое тело, состоящее из большого количества маленьких кристаллов, называют поликристаллическим. Поликристаллические материалы являются изотропными.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором количество отрицательных и положительных зарядов практически одинаковы.

При сильном нагревании любое вещество испаряется, превращается в газ. Если увеличивать температуру и дальше, молекулы газа начнут распадаться на атомы, которые затем превращаются в ионы.

Еще недавно считали, что в состоянии плазмы находится основная масса вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Но сейчас в астрономии происходит настоящая научная революция: обнаружено, что большая часть вещества Вселенной – это так называемая темная материя, физические свойства которой еще предстоит исследовать.

У Земли плазма существует в виде солнечного ветра (потока заряженных частиц) и ионосферы. На поверхности Земли в природных условиях плазма появляется при вспышках молний. В лабораторных условиях плазма впервые появилась в виде газового разряда. Она заполняет лампы дневного света, стеклянные трубки неоновой рекламы и т. д.

Переходы вещества из одного состояния в другое сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств – механических, электрических, оптических, тепловых (плотности, теплопроводности и др.).

Так, вода, превращаясь из жидкости в лед, снижает плотность примерно с 1 до 0,9 г/см³ и удельную теплоемкость с 4200 Дж до 2100 Дж / (кг °С). (Удельная теплоемкость – это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать телу массой 1 кг, чтобы изменить его температуру на один градус.)

Опыт показывает, что изменение агрегатных состояний вещества происходит при определенных температурах, причем с поглощением или выделением тепловой энергии. Например, чтобы расплавить кусок свинца при атмосферном давлении, нужно нагреть его до температуры плавления 327 °C

Человек познает сам себя только в той мере, в какой он познает мир.

И. Гете

и продолжать нагревание, пока свинец не расплавится. Только когда весь свинец перейдет в жидкое состояние, дальнейшее нагревание приведет к повышению его температуры.

Другой пример. Эфир интенсивно превращается из жидкости в пар (кипит) при температуре кипения 35 °C (атмосферное давление 760 мм рт. ст.). В процессе кипения его температура остается неизменной. Потребляемая веществом при плавлении или парообразовании тепловая энергия в основном расходуется на преодоление сил притяжения между молекулами или атомами вещества. В случае обратных переходов из пара в жидкость или из жидкости в твердое состояние тепловая энергия выделяется.

Эти замечательные кристаллы

Мы встречаемся с кристаллическими телами повсюду. Кроме природных кристаллов, человек научился выращивать кристаллы с заданными свойствами, без чего невозможно представить себе современные технологии. Что же представляют собой кристаллы, каковы их особые свойства и чем они различаются между собой?

Иногда считают, что характерным свойством кристаллов является их внешняя правильная форма – естественная огранка. Но это не так, потому что формы различных кристаллов могут быть похожими между собой. Кроме того, большие кристаллические тела часто состоят из очень маленьких кристалликов, и о внешней форме всего тела (его называют поликристаллическим) говорить не приходится. Оказывается, что характерной особенностью кристалла является его атомная структура, правильное, симметричное, закономерное размещение атомов.

Довольно долго представления о внутренней структуре кристаллов были научной гипотезой. Теория строения кристаллов до конца XIX в. была уже разработана, но существование кристаллической решетки – правильного размещения атомов – еще предстояло доказать.

Айсберг

И когда в физике появились новые методы исследования строения вещества, связанные с открытием рентгеновского излучения, наконец-то стало возможным заглянуть внутрь кристалла. Немецкий физик МаксЛауэ (1879–1960) в 1912 г. предложил пропускать рентгеновские волны через кристаллы. Полученные картины (так называемые дифракционные спектры) предоставили возможность выявить закономерную, периодическую структуру кристаллов.

Кристаллы в природе

Кристаллы замерзшей воды – лед и снег – известны всем. Эти кристаллы почти полгода (а в полярных областях и на высоких вершинах гор – круглый год) покрывают необозримый простор, сползают ледниками, плавают айсбергами в океанах.

Ледяной покров реки, айсберг – это, конечно, не один большой кристалл, а поликристаллическая масса. Иногда отдельные кристаллики, из которых состоит довольно большая льдина, можно хорошо рассмотреть, потому что они имеют большие «иглы». Эти «иглы» могут достигать в длину 1–2 см.

А если всмотреться в утренний иней, также можно увидеть шестигранные иголочки – кристаллики льда. Есть исследователи, посвятившие жизнь изучению снежинок! Например, американец Бентлей более пятидесяти лет занимался фотографированием снежинок под микроскопом. Он составил атлас нескольких тысяч фотографий снежинок! Все они разные, но общим является наличие именно шести «лучей» в каждой из них, что связано с внутренним строением этих кристаллов.

К кристаллам относят и драгоценные камни: алмаз, рубин, сапфир, изумруд, горный хрусталь, гранат и другие. Наиболее ценными считают камни, найденные в природе. Крупнейшие алмазы имеют собственные имена: «Орлов», «Шах», «Африканская звезда», «Регент». Каждый из них имеет свою особую историю.

Огромный алмаз «Регент» был найден невольником, работающим на алмазных рудниках Южной Африки. Невольник захотел скрыть свою находку от надзирателей и, разрезав свою ногу, спрятал алмаз в ране. Матрос, который помогал невольнику сбежать, забрал у него алмаз и столкнул беглеца в море. Затем матрос продал камень за бесценок и вскоре умер. Алмаз переходил из рук в руки, пока не попал в казну королей Франции. Позже Наполеон носил его на рукоятке своей шпаги, как талисман.

Известный алмаз «Шах» содержит на поверхности имена своих владельцев с 1591 г. Этот алмаз был направлен персидским шахом русскому царю Николаю I как выкуп за убийство российского посла Александра Грибоедова – автора гениальной комедии «Горе от ума».

Алмаз «Шах»

Все окружающие нас кристаллы, не возникли мгновенно – они вырастали постепенно: будь то в природе или в лаборатории.

Твердая земная кора охватывает зону магмы – расплавленной каменной массы, насыщенной различными газами и перегретым водяным паром. Температура и давление в магме очень высоки. Во время ее охлаждения зарождаются все минералы и горные породы. В процессе такого охлаждения магмы – природного расплава – происходит процесс кристаллизации.

Естественную историю невозможно изучить в кабинете… – нужно самому в разных рудниках побывать.

М. В. Ломоносов

Внутри расплава начавшей охлаждаться магмы образуется много кристаллических зародышей, которые одновременно вырастают в маленькие кристаллики. Пока эти кристаллики совсем маленькие, они растут свободно, каждый вырастает в правильный многогранник. Увеличиваясь, они начинают мешать друг другу. Поэтому в процессе «борьбы» иногда «выживают» отдельные кристаллики или кристалл растет в одну сторону больше, чем в другую.

Растут кристаллы не только из расплавов, но и из растворов. Еще более пятисот лет назад древнерусские солевары научились добывать соль из солевых источников.

Вода в солевых озерах горько-соленая, в ней растворено много различных солей. Летом, когда под воздействием солнца вода начинает интенсивно испаряться, из нее выпадают кристаллы солей. Эти кристаллы плавают на поверхности озера и оседают на дне, на прибрежных камнях, на досках, на любом твердом предмете, попавшем в озеро.

Грунтовые воды, насыщенные солями, испаряются под палящими лучами солнца, и поверхность земли покрывается соляной коркой. Бывает так, что солевые пласты, расширяясь, выдавливаются из земли и становятся на ребро.

Интересной природной лабораторией является Кара-Богаз-Гол – залив Каспийского моря, в котором концентрация солей в 15–20 раз больше, чем в самом море. В каждом литре воды залива растворено около 200 г солей, содержащих бром, калий, натрий и магний. Главной среди этих солей является мирабилит или глауберова соль, – ценнейшее сырье для стекольного производства и получения многих веществ, необходимых различным видам промышленности.

Находят залежи соли и под землей, поскольку в свое время они оказались под другими породами. Крупным центром залежей каменной соли является Артемовск на Донбассе – уже более ста лет там добывают соль.

Сталактиты и сталагмиты

Результатом кристаллизации подземных вод являются замечательные творения природы – сталактиты и сталагмиты.

Природная вода – это раствор многих солей, она растворяет породы, встречающиеся на ее пути. Когда капли воды просачиваются через породы и падают с потолка пещеры вниз, вода частично испаряется, оставляя на потолке вещество, которое было растворено в ней. Так постепенно образуется на потолке «сосулька» – сталактит. Эта сосулька состоит из кристалликов.

Так же образуется и встречная сосулька – сталагмит. В пещерах возникают замечательные колонны, витые гирлянды, арки, не оставляющие равнодушным никого из тех, кто их увидел.

Некоторые кристаллы могут создавать и живые организмы. Это, прежде всего, жемчужины, возникающие благодаря «работе» особых моллюсков. Когда в раковину такого моллюска попадает песчинка или другое инородное тело, моллюск начинает откладывать вокруг «пришельца» перламутр. Сейчас в Китае и Японии есть даже плантации, где специально разводят таких моллюсков, закладывая в их раковины зародыши будущих жемчужин. Это долгий труд – жемчужина необходимого размера создается в течение 7—10 лет!

К сожалению, кристаллы могут расти и в человеческом организме. Вы, наверное, слышали о камнях в почках и печени? Да, это тоже результат процесса кристаллизации!

Обнаружено, что кристаллы есть не только на нашей планете, но и на других небесных телах. Метеориты, которые упали на Землю и были исследованы учеными, тоже состоят из кристаллов.

Космические аппараты доставили на Землю образцы лунного грунта – в них тоже найдены кристаллические минералы и породы, похожие на земные.

Производство кристаллов

Современная наука и технология невозможны без исследования и создания материалов с заданными свойствами. Это прежде всего касается кристаллов. Дело в том, что природные кристаллы не могут в полной мере удовлетворить современное производство: они не всегда имеют необходимые размеры, содержат нежелательные примеси, часто неоднородны.

Фианиты – синтетические монокристаллы, известные как имитация бриллиантов

Есть кристаллы, которые в природе достаточно редки, а в технике пользуются большим спросом. Поэтому разработаны специальные лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда, рубина и др. Эти кристаллы применяются в точных приборах, в лазерах и многих других научных и технических устройствах. Много заказов на выращивание кристаллов дает и производство, связанное с компьютерной техникой.

Гигантскими фабриками искусственных кристаллов можно считать химические заводы, где производят различные соли, соду, химические удобрения и др.; на фармацевтических заводах синтезируют кристаллические лекарственные вещества; металлургические заводы выплавляют металлы.

Существуют и научно-технические комплексы, где выращивают и исследуют крупные кристаллы, каждый из которых стоит и ценится очень дорого. Одним из признанных лидеров этого направления является, например, научно-производственное объединение «Монокристалл» (Харьков), известное не только в Украине, но и далеко за ее пределами.

Эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся сейчас не только в земных условиях, но и на космических орбитах. Невесомость сделала возможным получение таких чистых веществ, которые до сих пор не удалось создать в земных лабораториях. Например, выращенные в космосе нитевидные кристаллы сапфира характеризуются высокой прочностью: они выдерживают давление, в десятки раз превышающее прочность таких же «земных кристаллов».