Теги: журнал домашняя лаборатория
Год: 2012
Текст
ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ
НОЯБРЬ 2012
ДОМАШНЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
Н аучно-прикладной
и образовательный
интернет-журнал
Адрес редакции:
domlabginbox.com
Статьи для журнала
направлять , указывая в теме
письма «For journal».
Журнал содержит материалы
найденные в Интернет или
написанные для Интернет.
Журнал является полностью
некоммерческим. Никакие
гонорары авторам статей не
выплачиваются и никакие
оплаты за рекламу не
принимаются.
Явные рекламные объявления
не принимаются, но скрытая
реклама, содержащаяся в
статьях, допускается и даже
приветствуется.
Редакция занимается только
оформительской
деятельностью и никакой
ответственности за содержание статей
не несет.
^ф№0 Е
СОДЕРЖАНИЕ
Краткая история физики (окончание)
Кривая история открытий (продолжение)
Краткий курс биологии (продолжение)
Они сделаны из мяса
Некоторые методы органической химии
НОЯБРЬ 2012
История
3
38
Ликбез
96
Литпортал
148
Химичка
152
Электроника
Преобразователь для зарядки емкостных накопителей 166
Систе"
Обработка сигналов (продолжение)
171
Матпрактик^
Кибернетическая моделирование технических систем
207
Статьи редактируются, но
орфография статей является
делом их авторов.
использовании материа-
этого журнала, ссылка
При
лов
на него не является
обязательной , но желательной.
Никакие претензии за
невольный ущерб авторам,
заимствованных в Интернет
статей и произведений, не
принимаются. Произведенный
ущерб считается
компенсированным рекламой авторов и
их произведений.
Реставрация антиквариата (продолжение)
Какого цвета зеленка?
Франций - история открытия
Фотогалерея
Объявление
Технологии
218
Разное
270
272
278
279
По всем спорным вопросам
следует обращаться лично в
соответствующие учреждения провинции
Свободное государство (ЮАР).
При себе иметь, заверенные
местным нотариусом, копии всех
необходимых документов на
африкаанс, в том числе,
свидетельства о рождении, диплома об
образовании, справки с места
жительства, справки о здоровье
и справки об авторских правах
(в 2-х экземплярах).
НА ОБЛОЖКЕ
Кто бы мог подумать, что с помощью потомков этогс
древнего вычислительного устройства мы будем изучать
поведение технических устройств. Читаем статью
«Компьютерное моделирование технических систем».
История
КРАТКАЯ
ИСТОРИЯ
Кудрявцев П.С.
ФИЗИКИ
ЧАСТЬ III. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ В ФИЗИКЕ XX В.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ
КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Трудности теории Бора
Процесс революционного преобразования физики во второй половине 20-х годов
завершился созданием новой научной системы, резко противоречащей привычным
формам описания физических явлений. Этой системой была квантовая механика,
1 Журнальный вариант, с сокращениями. Начало см. в №4 за этот год.
становление которой приходится на 1925-1930 гг.
Теория Бора с самого начала вызывала многие вопросы, остававшиеся без
ответа . Эти вопросы были поставлены Резерфордом еще при обсуждении рукописи
первой статьи. Мы приводили высказывание Резерфорда о трудностях, возникших в
связи с идеями Бора; как понимать сочетание идей Бора и классической
механики , в которой нет места для квантовых скачков, и откуда электрон знает, на
какую орбиту ему следует перескакивать.
Бор назвал эти замечания Резерфорда дальновидными. Резерфорд со всей
ясностью показал противоречивость недетерминированных квантовых условий и
квантовых скачков и строго детерминированных законов движения электрона по атомным
орбитам. Однако успехи теории Бора в объяснении спектров заставили забыть об
этом противоречии. Тем не менее, сразу было видно, что первоначальной теории
многого недостает. Это особенно ясно было видно на примере эффекта Зеемана.
В 1896 г. голландский физик Питер Зееман (1865-1943) произвел опыт, который
пытался осуществить еще Фарадей. Пламя натриевой горелки он помещал между
полюсами электромагнита и наблюдал в спектроскоп ее спектр. По оси
электромагнита был просверлен канал, так что явление можно было наблюдать не только
перпендикулярно силовым линиям поля (поперечный эффект), но и вдоль поля
(продольный эффект). При наблюдении поперек поля, кроме линии с частотой
колебаний v0, равной частоте колебаний в отсутствие поля, наблюдались две линии
с частотами , v1 = v0 + Асо и v2 = v0 - Асо. Все три линии линейно поляризованы.
Несмещенная линия соответствует колебаниям вдоль силовых линий, смещенные -
колебаниям, перпендикулярным силовым линиям. При наблюдении вдоль поля
несмещенная компонента отсутствует, смещенные линии поляризованы по кругу в
противоположных направлениях.
Лоренц в 1897 г. дал простую теорию эффекта, исходя из представлений, что в
атомах электроны совершают круговые движения с циклической частотой со. В
магнитном поле на них действует сила Лоренца и частота обращения изменяется на
величину Асо, равную приближенно:
Асо = (±е/2тс)Н
Лармор (1857-1942) в 1899 г. интерпретировал действие магнитного поля как
действие поля тяжести на волчок. Волчок прецессирует вокруг направления силы
тяжести с угловой частотой. Точно так же вращающиеся электроны в атоме пре-
цессируют вокруг силовых линий магнитного поля с круговой частотой.
Объяснение Лармора-Лоренца явилось выдающимся достижением электронной теории, и в
1902 г. Зееман и Лоренц были удостоены Нобелевской премии за открытие и
объяснение эффекта Зеемана.
А. Зоммерфельд, развивая теорию Бора, ввел идею пространственного
квантования. Движение электрона по орбите определяется радиальным и азимутальным
квантовыми числами или главным квантовым числом п, определяющим энергию
электрона , и побочным квантовым числом к, определяющим форму орбиты. Положение
орбиты в пространстве определяется третьим магнитным квантовым числом t.
Введение этого числа и квантование направлений оси по отношению к магнитному
полю позволяет дать объяснение эффекта Зеемана. Однако это объяснение в
известном смысле было хуже объяснения, данного Лоренцем. Оно ничего не говорило о
поляризации линий. Вообще теория спектров, по Бору и Зоммерфельду, говорила
лишь о частотах линий и не могла объяснить их интенсивность и поляризацию.
Чтобы теория могла что-то сказать об этом, Бор ввел принцип соответствия.
Согласно этому принципу «существует далеко идущее соответствие» между
квантовым и классическим описанием излучения. В квантовом описании линии спектра
излучения обусловлены переходами из одного состояния в другое, в классическом
эти линии определяются разложением движения электрона в ряд Фурье. При этом,
как указывает Н. Бор, «частота излучения, испускаемого при переходе между
стационарными состояниями, характеризуемыми числами п' и п", большими по
сравнению с их разностью, совпадает с частотой одной из компонент излучения,
которую можно ожидать при избранном движении электрона в стационарном
состоянии на основании обычных представлений». Далее Бор пишет: «Задаваясь вопросом
о более глубоком значении найденного соответствия, мы вправе, естественно,
ожидать, что соответствие не ограничивается совпадением частот спектральных
линий, вычисленных тем и другим методом, но простирается и на их
интенсивности. Такое ожидание равносильно тому, что вероятность определенного перехода
между двумя стационарными состояниями связана известным образом с амплитудой,
соответствующей гармонической компоненте».
Применение принципа соответствия позволило определить и поляризацию в
нормальном эффекте Зеемана. Квантовый переход, соответствующий изменению
магнитного квантового числа на ± 1, дает круговую поляризацию в плоскости,
перпендикулярной к силовым линиям. Квантовый переход До = 0 соответствует линейной
поляризации, параллельной силовым линиям.
Но нормальный эффект Зеемана представляет скорее исключение, чем норму. На
опыте встречается более сложный эффект: расчленение на несколько компонентов
(мультиплетов). Мультиплетами оказываются и линии спектров элементов.
Аномальный эффект и мультиплетная структура спектров не укладывались в рамки
обычной теории Бора.
С вопросом о сложной структуре линий был тесно связан вопрос о магнитных
свойствах атома. Еще Д.С. Рождественский в своем докладе 15 декабря 1919 г.
предполагал, что дублеты и триплеты спектральных линий обусловлены действием
магнитных сил, вызванных движением электронов. «Магнитная задача должна
лежать в основе задачи об атомах», - говорил Рождественский.
О. Штерн (1888-1969) и В. Герлах (1889-1979) в 1921 г. пропустили
молекулярный пучок через неоднородное магнитное поле и неопровержимо доказали
наличие у атомов магнитного момента. Но детали опыта (расщепление пучка на два)
опять не укладывались в теорию Бора-Зоммерфельда.
В том же, 1921 г. А. Ланде (1888-1975) дал формальную схему описания
мультиплетов с помощью векторной модели и ввел связанный с квантовыми числами к и
s множитель Ланде. Он также получил «двойной магнетизм»: отношение между
магнитным и вращательным моментом атомного остова (т.е. ядра и всех электронов,
кроме оптического) оказалось вдвое больше того, который следует из теории
Бора-Зоммерфельда. Противоречия с теорией Бора в ее первоначальном варианте
накапливались на каждом шагу, и квантовое описание спектроскопических фактов
все более и более усложнялось.
Особенно тягостное положение создалось в теории света. Эйнштейн в своей
классической работе 1917 г. о световых квантах сделал дальнейший шаг в
сторону корпускулярной теории света. Он предположил, что атом излучает,
«выстреливая» квант света в том или ином направлении (игольчатое излучение) . При этом
квант света обладает всеми свойствами материальной частицы: энергией Е = hv,
массой m = Е/с2 = hv/c2 и импульсом р = hv/c = h/A.
Эта идея нашла блестящее подтверждение в открытии, сделанном американским
физиком Артуром Комптоном (и, по-видимому, П. Дебаем) . В 1922 г. Комптон
(1892-1962), изучая рассеяние рентгеновских лучей веществом, содержащим слабо
связанные электроны (графитом), установил, что частота (длина волны)
рассеянных рентгеновских лучей изменяется в зависимости от угла рассеяния. С
увеличением угла рассеяния она уменьшается (длина волны увеличивается), излучение
становится более «мягким». В 1927 г. Комптону была присуждена Нобелевская
премия за открытие этого эффекта.
В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П. Дебай дали теорию «эффекта
Комптона». Теория была основана на идее Эйнштейна: квант света сталкивается с
электроном по закону упругого удара. Применяя законы сохранения энергии и
импульса, Комптон и Дебай получили формулу для изменения длины волны рассеянно-
го излучения.
Это простое и наглядное объяснение эффекта в сильной степени способствовало
укреплению представления о кванте света как частице, для которой Комптоном
был предложен термин «фотон», ставший общеупотребительным.
К 1924 г. в науке о свете создалось тягостное положение, которое очень
наглядно охарактеризовал О.Д. Хвольсон в своем докладе на IV съезде физиков в
Ленинграде. Разделив мелом доску на две части А и В, он вписал на одной
стороне факты, объясняемые волновой теорией света, на другой - факты,
объясняемые квантовой теорией. «Ни волновая, ни квантовая теории, - говорил в связи с
этим принимавший участие в съезде Эренфест, - не в состоянии охватить все
области световых явлений». Всеобъемлющей теории света, как это констатировал
Хвольсон, не было. Однако эффект Комптона и опыт А.Ф. Иоффе и Н.И.
Добронравова, о котором было сообщено на съезде, как будто перевешивали чашу весов в
пользу квантовой теории. Эренфест в своем докладе рассказал о попытке
построить квантовую теорию дифракционной решетки.
В 1924 г. Бор совместно с Г. Крамерсом и Дж. Слэтером написал статью
«Квантовая теория излучения», опубликованную в 1924 г.
В поисках выхода из тяжелого положения авторы предложили даже отказаться от
требования применения закона сохранения энергии к отдельным актам излучения и
поглощения света атомом. Закон сохранения энергии должен выполняться лишь
статистически, в среднем. Они ввели представление о виртуальном поле,
индуцирующем квантовые переходы, и, полностью сохраняя волновые представления,
пытались построить теорию квантовых эффектов. Однако гипотеза Бора, Крамерса и
Слэтера была опровергнута экспериментами, в которых доказывалось, что каждый
акт взаимодействия света с веществом подчиняется закону сохранения энергии.
Выход, таким образом, Бором и его сотрудниками еще не был найден.
Идеи де Бройля
В 1923 г. в докладах Парижской Академии наук были опубликованы три статьи
французского физика Луи де Бройля: «Волны и кванты», «Кванты света, дифракция
и интерференция», «Кванты, кинетическая теория газов и принцип Ферма», в
которых выдвигалась совершенно новая идея, переносящая дуализм в теории света
на сами частицы материи.
Де Бройль рассматривает некоторый волновой процесс, связанный с телом,
движущимся со скоростью v = рс. Эта волна обладает частотой, определяемой
соотношением Е = hv = те2, и движется в направлении движения тела со скоростью и
= с/р. «Мы будем рассматривать ее лишь как фиктивную волну, связанную с
перемещением движущегося тела». Де Бройль показывает далее, что для электрона,
движущегося по замкнутой траектории с постоянной скоростью, меньшей скорости
света, траектория будет устойчива, если на ней укладывается целое число таких
волн. Условие это совпадает с квантовым условием Бора: mvR = пп/2я. Скорость
частицы v = рс является скоростью группы волн, обладающих частотами, мало
отличающимися друг от друга и соответствующими частоте mc2/h. Эта волна,
которую де Бройль называл «волной фазы», пилотирует движение частицы, несущей
энергию тс2, сама же фазовая волна энергии не несет. Гипотеза де Бройля
позволяет «осуществить синтез волнового движения и квантов». Де Бройль
утверждает наличие в природе волновых явлений и для частиц вещества. Он пишет:
«Дифракционные явления обнаруживаются в потоке электронов, проходящих сквозь
достаточно малые отверстия. Быть может, экспериментальное подтверждение наших
идей следует искать в этом направлении».
Де Бройль указывает, что его новая механика относится к прежней механике,
классической и релятивистской, «так же как волновая оптика относится к
геометрической» . Он пишет, что предложенный им синтез «представляется логическим
венцом совместного развития динамики и оптики со времени XVII в.
25 ноября 1924 г. де Бройль защитил диссертацию «Исследования по теории
квантов». Это время некоторые авторы считают началом возникновения идей
волновой механики. Де Бройль впоследствии возражал, указывая, что он открыл
волновую механику еще в 1923 г. , «поскольку в своей диссертации лишь развил
идеи, содержащиеся в моих статьях, написанных в сентябре - октябре 1923 г.».
За открытие волновой природы электронов де Бройль был удостоен в 1929 г.
Нобелевской премии.
Но тогда эти статьи не вызвали сразу широкого отклика. Содержащееся в них
указание на дифракцию электронов прошло мимо экспериментаторов. Дифракция
электронов была открыта через 5 лет после появления статей де Бройля вне
всякой связи с ними и до известной степени случайно. Но на идеи де Бройля
обратили внимание теоретики - Эйнштейн и Шредингер, с успехом развившие их в
своих работах.
В своей статье «Кванты, кинетическая теория газов и принцип Ферма» де
Бройль, опираясь на исследования, проводимые в 1911-1913 гг. Планком, Нерн-
стом, а также Саккуром и Тетроде, разрабатывает статистику газов и световых
квантов. Саккур и Тетроде, начав в 1911-1912 гг. применение идей квантовой
теории к газам, предложили считать элементарный фазовый объем газа равным h3.
Планк подхватил эту идею и связал ее с теоремой Нернста, квантовый характер
которой установил впервые он. Теперь де Бройль, используя свое представление
о волнах материи, выводит закон распределения Максвелла для газов и формулу
Планка для квантов света.
Возникновение
квантовой статистики
2 июля 1924 г. индийский физик Шатьендранат Бозе (1894-1974) направил из
Дакки (ныне столица Бангладеш) в немецкий журнал «Zeitschrift fur Physik»
статью «Закон Планка и гипотеза световых квантов». Используя представление
Эйнштейна о квантах как частицах, обладающих импульсом hv/c, гипотезу Сакку-
ра-Тетроде (эти имена ни де Бройль, ни Бозе не упоминают) и величину
элементарного фазового объема, Бозе вводит новый метод статистического подсчета
распределения объектов (в данном случае световых квантов) по состояниям. Бозе
подсчитывает распределение не самих квантов, которые неразличимы, а ячеек, не
содержащих ни одного кванта, содержащих один, два и т.д. квантов.
Статья Бозе заинтересовала Эйнштейна, и он сопроводил ее публикацию своим
примечанием, помещенным в конце статьи: «Вывод формулы Планка, предложенный
Бозе, является, по моему мнению, большим достижением. Использованный им метод
дает также квантовую теорию идеального газа, которую я изложу в другом
месте» .
Эренфест рассказывал своим друзьям, что, начав читать статью Бозе, он
отнесся к ней весьма неодобрительно. Но, прочитав в конце примечание Эйнштейна,
он сказал себе: «Пауль, ты чего-то не понял». Эйнштейн же выполнил свое
обещание и опубликовал в 1924-1925 гг. ряд статей по квантовой теории идеального
одноатомного газа. Вклад, внесенный Эйнштейном в развитие статистики Бозе,
оказался столь существенным, что ныне эту статистику называют статистикой Бо-
зе-Эйнштейна. Из этих статей видно, с каким трудом пробивали дорогу новые
идеи. Эйнштейн указывал, что «Эренфест и другие коллеги порицают теорию
излучения Бозе и мою теорию идеального газа», и отвечал на критику, уточняя и
развивая новую теорию. При этом Эйнштейн, который еще в 1909 г. рассматривал
интерференционные флюктуации светового поля, вводит представление о таких
флюктуациях и в теорию газа, считая, что «здесь речь идет не только о простой
аналогии».
«Каким образом материальной частице или системе материальных частиц можно
сопоставить (скалярное) волновое поле, - пишет Эйнштейн, - показал в своей
работе Л. де Бройль, заслуживающей всякого внимания». При этом Эйнштейн
ссылается на докторскую диссертацию де Бройля.
Эйнштейн был первым из крупных физиков, который поддержал идеи де Бройля и
широко использовал их в своих исследованиях по квантовой статистике
идеального одноатомного газа.
По-иному отнеслись к теории де Бройля Бор и его сотрудники по
«копенгагенской школе». Бор, Гейзенберг, Паули искали выхода на путях построения
математических схем, лишенных наглядности, но зато точно описывающих наблюдаемые
факты. Такая математическая схема найдена была в 1925 г. Гейзенбергом. При
этом Гейзенберг, как он отмечал в аннотации к статье «О квантово-
теоретическом истолковании кинематических и механических соотношений»,
основывался «исключительно на соотношениях между принципиально наблюдаемыми
величинами». В статье, представленной в редакцию «Zeitschrift fur Physik» 29 июня
1925 г., Гейзенберг предлагал «отказаться от всякой надежды на наблюдение до
сих пор не наблюдаемых величин (таких, как положения, период обращения
электрона) » и пытался «построить квантово-теоретическую механику, более или менее
аналогичную классической механике, в которой встречались бы только
соотношения между наблюдаемыми величинами».
Нельзя не отметить, что этот призыв Гейзенберга отказаться от «до сих пор
не наблюдаемых величин» напоминает призыв Маха и Оствальда «отказаться от не
наблюдаемых» атомов и электронов. Гейзенберг еще не сознавал, что речь идет
не об отказе от понятия «не наблюдаемые» положения и скорости электрона, а об
уточнении самого понятия «наблюдение» в применении к микромиру. Гейзенберг не
знал также, что предложенная им в статье математическая схема описания
квантово -теоретических величин есть матричная алгебра. На это указал учитель
Гейзенберга М. Борн, который вместе с П. Иорданом 27 сентября 1925 г. представил
«Zeitschrift fur Physik» статью о матричной теории гармонического
осциллятора.
В октябре того же года В. Паули разработал по новой теории проблему атома
водорода. 26 ноября 1925 г. Борн и Иордан представили в «Zeitschrift fur
Physik» «общую математическую теорию квантовой механики». В том же, 1925 г.
П. Дирак выступил со своей схемой новой механики, развив особую символическую
алгебру состояний и наблюдаемых величин. При этом существенно, что Дирак,
ознакомившись со статьей Гейзенберга еще до ее публикации (Гейзенберг прислал
ему препринт), обратил внимание не на методологическую установку Гейзенберга,
а на нарушение принципа коммутативности для произведения величин, входящих в
описание атомной системы. «Это, в самом деле, было более важно, - вспоминал
позднее Дирак, - чем мысль Гейзенберга о построении теории на основе величин,
тесно связанных с результатами экспериментов. Поэтому я, - продолжал Дирак, -
сосредоточил свое внимание на мысли о некоммутативности, стремясь понять, как
следует изменить обычную динамику, которой до сего времени люди пользовались,
чтобы включить эту идею в теорию... Гамильтонова форма динамики оказалась как
раз наиболее подходящей формой для включения некоммутативности, и не столь уж
трудной задачей было найти способ сочетать эти мысли».
Открытие спина
В 1925 г. в физику было введено новое фундаментальное понятие спина. Это
понятие было введено Уленбеком и Гаудсмитом, работавшими летом 1925 г. у
Эренфеста в Лейдене. К этому времени В. Паули опубликовал свою работу,
содержащую формулировку принципа запрета, носящего его имя. Паули показал, что
квантовое состояние электрона характеризуется четырьмя (а не тремя) квантовы-
ми числами и что в этом состоянии может быть только один электрон. Статья
Паули, содержащая формулировку его принципа, была опубликована в «Zeitschrift
fur Physik» весной 1925 г. Еще ранее, в декабрьской книжке журнала «Die
Naturwissenschaften» Паули указал, что для характеристики состояния электрона
необходимо четыре квантовых числа: главное квантовое число п, азимутальное
квантовое число 1 и два магнитных числа mi и т2. Гаудсмит рассказал Уленбеку
об этой работе Паули. Узнав это, Уленбек высказал такую мысль, что электрон
обладает еще одной степенью свободы, которая соответствует вращению электрона
(спину).
«После его замечания о спине, - писал Гаудсмит, - мы сразу увидели, что
полностью выясняется, почему ms всегда равно +1/2 или -1/2. Далее мы увидели,
что все случаи расщепления Зеемана могут быть объяснены, если приписать
электрону магнитный момент, равный одному целому магнетону Бора. Кроме того,
стало ясно, что спин находится в полном соответствии с нашим новым толкованием
спектра водорода».
Эренфест немедленно отправил статью Уленбека и Гаудсмита в «Die
Naturwissenschaften». Она появилась в 13-м номере журнала за 1925 г. Уленбек
после консультации с Лоренцем выяснил, что скорость вращения электрона на
экваторе для требуемого гипотезой момента должна быть больше скорости света, и
потребовал возвращения статьи, но было уже поздно.
Паули очень неодобрительно встретил статью Уленбека и Гаудсмита. Еще ранее
он отнесся отрицательно к аналогичной идее, высказанной Кронигом.
Бор и Гейзенберг, наоборот, проявили большой интерес к новой гипотезе, а
после того как Томас вычислил на основе гипотезы спина значение дублетного
расщепления, Паули снял свои возражения.
Таким образом, 1925 г. оказался годом рождения квантовой механики Гейзен-
берга и Дирака, годом рождения новой квантовой статистики Бозе-Эйнштейна,
годом рождения принципа Паули и гипотезы спина.
Паули
Вольфганг Паули, один из активных деятелей современной
физики, родился в Швейцарии 25 апреля 1900 г.
Он окончил Мюнхенский университет и, еще будучи
студентом, написал статью-монографию «Теория относительности»,
опубликованную в Математической энциклопедии в 1921 г.
Успех публикации побудил издать ее отдельной книгой,
вышедшей с предисловием А. Зоммерфельда в том же, 1921 г.
Русский перевод ее вышел в 1947 г.
По окончании университета Паули работал в Геттингене
(1921-1922), Копенгагене (1922-1923), Гамбурге и с 1927 г.
в Цюрихе, в Высшем техническом училище (политехникуме).
Открытие принципа Паули дало ключ к объяснению
периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева и вместе
с открытием спина послужило основой новой формы квантовой
статистики для частиц, обладающих полуцелым спином. Эта статистика была
создана Э. Ферми, сообщившим о ней в короткой заметке 6 февраля 1926 г. и в
статье «О квантовании идеального газа», опубликованной 26 марта 1926 г. Статья
Дирака была представлена Лондонскому Королевскому обществу 26 августа того же
года. Таким образом, 1926 г. был годом создания статистики Ферми-Дирака.
Открытие принципа Паули было удостоено в 1945 г. Нобелевской премии.
В 1931 г. Паули предложил гипотезу новой частицы, названной по предложению
Ферми «нейтрино».
Умер Паули 16 декабря 1958 г.
Механика
Гейзенберга
и Шредингера
Возвратимся к истории создания квантовой механики. В матричной механике
Гейзенберга-Борна-Иордана каноническим переменным q и р классической механики
соответствовали матрицы q и р. Существенно, что произведение матриц не
удовлетворяло закону переместительности, а выполнялось перестановочное
соотношение:
Как мы видели, Дирак обратил особое внимание на это соотношение, тогда как
«копенгагенцы» поняли его значение лишь позже, после построения
математической схемы квантового излучения.
Оперируя бесконечными матрицами, Гейзенберг, Паули, Борн и Иордан решили
ряд задач атомной механики. «Математика, - писал впоследствии Гейзенберг об
этом начальном периоде квантовой механики, - неожиданно проявила себя «умнее»
физики; и здесь мы опять встречаемся с тем случаем в теоретической физике,
когда с помощью такой математики нападают на след новых открытий».
«Позднее, - продолжал Гейзенберг, - Борну, Иордану и Дираку полностью
удалось проникнуть во внутреннюю структуру подобного рода математики и успешно
применить математическую схему к расчету атома». Гейзенберг особо
подчеркивает роль Борна, Иордана, а также Дирака в разработке математической схемы
квантовой механики. «В работах Борна и Иордана, - писал он, - матричная
механика впервые стала законченной математической схемой».
Вслед за этой математической теорией начала создаваться другая теория
атомных процессов, исходящая из совершенно новых основ. В начале 1926 г. в
журнале «Annalen der Physik» появились две статьи Шредингера на тему «Квантование
как проблема собственных значений» (27 января и 23 февраля 1926 г.). 18 марта
того же года поступила статья «Об отношении механики
Гейзенберга-Борна-Иордана к моей». Третье сообщение из цикла «Квантование как проблема собственных
значений» поступило 10 мая 1926 г. четвертое, последнее сообщение того же
цикла поступило 21 июня 1926 г. В ноябре 1926 г. Шредингер собрал все работы,
опубликованные в «Annalen der Physik», прибавил к ним небольшую Заметку,
опубликованную в «Die Naturwissenschaften», - «Непрерывный переход от микро -
к макромеханике» и издал их отдельной книгой, вышедшей в 1927 г. под общим
названием «Статьи по волновой механике».
Шредингер исходил из идей де Бройля и оптико-механической аналогии
Гамильтона . По этой аналогии геометрической оптике соответствуют уравнения
классической механики, определяющие траекторию частицы, так же как законы
геометрической оптики определяют форму лучей света. Геометрическая оптика применима к
малым длинам волн; когда же длиной волны нельзя пренебречь, то вступают в
силу законы волновой оптики, описываемые волновым уравнением.
Для макрообгьектов длина волны де Бройля очень мала, и их движение
описывается законами классической механики. Но для микрообгьектов длиной волны нельзя
пренебречь, и закон их движения должен описываться уравнением, аналогичным
волновому уравнению в оптике.
Математическая теория показывает, что решения этого уравнения,
удовлетворяющие граничным условиям и требующие применения к ним операций, предписанных
формой уравнения, получаются только при определенных значениях параметра Е,
называемых характеристическими или собственными значениями. Соответствующие
этим значениям решения называются характеристическими или собственными
функциями. Это означает фактически, что уравнения заключают в себе квантовые
условия. Таким образом, таинственная проблема квантования свелась к хорошо из-
вестной в математике проблеме собственных значений.
Осталось интерпретировать смысл волновой функции. Шредингер, воодушевленный
тем, что ему, как он думал, удалось избавиться от квантовых скачков, пытался
дать наглядную интерпретацию функции V. Наложением волновых функций
образуется «волновой пакет», который, по его мнению, и представляет движущуюся
микрочастицу. Напомним, что, по де Бройлю, скорость группы волн равна скорости
частицы. Однако уже для двух частиц такая наглядная интерпретация невозможна.
Здесь «волны», описываемые функциями V, являются «волнами» не в обычном,
трехмерном, а в абстрактном, конфигуральном пространстве. Кроме того,
«волновой пакет» с течением времени расплывается. Поэтому Борн в 1926 г. предложил
другую, вероятностную интерпретацию функции V. Квадрат модуля V определяет
плотность вероятности нахождения частицы в данной точке.
Следует отметить, что Шредингер до самого конца своей жизни думал, что
единственной реальностью в мире является волна (отсюда и введенный им термин
«волновая механика») и никаких квантовых скачков не существует.
Бор, Гейзенберг, Борн и другие физики копенгагенской школы, названной так
по месту жительства основателя этой школы Нильса Бора, во главу физической
интерпретации ставили частицу, обладающую целостностью и устойчивостью. Но
поведение этой частицы существенно отличается от поведения частицы в
классической механике.
23 марта 1927 г. в редакцию журнала «Zeitschrift fur Physik» поступила
статья В. Гейзенберга «О наглядном содержании квантово-теоретической кинематики
и механики». Здесь содержалась формулировка принципа, являющегося ключевым в
новом понимании частиц, - принципа неопределенности.
Осенью того же года во время празднования юбилея Вольты в Италии, в г.
Комо , Н. Бор прочитал лекцию «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной
теории». Бор сразу оценил значение работы Гейзенберга и сформулировал принцип
дополнительности как основной принцип нового понимания природы.
Вскоре после конгресса в Комо в октябре 1927 г. в Брюсселе происходил 5-й
Сольвеевский конгресс по теме «Электроны и фотоны». Здесь новая точка зрения
была атакована Эйнштейном, который, как писал позднее Бор, «выразил глубокую
тревогу по поводу того, что в квантовой механике так далеко отошли от
причинного описания в пространстве и времени». Тот факт, что два лидера современной
физики - Бор и Эйнштейн - оказались в разных лагерях, свидетельствует о
глубине происходящего переворота в понимании природы.
Новое понимание, представленное Бором, Гейзенбергом и другими
представителями копенгагенской школы, настолько далеко отошло от «явного для нас», что
Бор даже высказал необходимость для современной теории быть «достаточно
безумной», чтобы быть правильной. Единственно, что принималось всеми физиками
без споров, - это математическое описание.
Появление новых идей вызвало острую дискуссию в физике и философии. Единой
точки зрения еще не достигнуто до сих пор. Однако принцип неопределенности и
законы квантовой механики принимаются всеми физиками как основные законы
природы. Расхождения начинаются в философской интерпретации этих законов.
В заключение приведем краткие биографические справки о двух физиках,
внесших существенный вклад в создание новой механики.
Шредингер
Эрвин Шредингер родился 12 августа 1887 г. Он окончил университет в Вене и
с 1914 по 1920 г. был преподавателем этого университета. С 1920 по 1927 г. он
работал последовательно в Штутгарте, Цюрихе, Бреслау (Вроцлав), с 1927 г. - в
Берлине. После прихода гитлеровцев к власти он уехал в Англию, где работал в
1933-1935 гг. в Оксфорде. С 1936 по 1938 г. он жил в Австрии и после захвата
ее гитлеровцами уехал в Бельгию. Оккупация Бельгии
заставила его уехать в Ирландию, где он с 1940 по 1956 г. был
профессором Дублинского университета. С 1956 г. Шредингер
- профессор университета в Вене и член Австрийской
Академии наук. Умер Шредингер 4 января 1960 г.
В 1933 г. Шредингер получил Нобелевскую премию
одновременно с другим создателем квантовой механики - Полем
Дираком, в 1934 г. был избран иностранным членом Академии
наук СССР.
Борн
Макс Борн родился 11 декабря 1882 г. С 1909 г. он
приват-доцент Геттингенского университета, с 1919 г. -
профессор университета во Франкфурте-на-Майне, с 1921 г. -
профессор Геттингенского университета, который стал одним
из ведущих центров теоретической физики. Сюда приезжали
физики из Америки и Европы.
Сам Борн с 1913 г. развивал динамическую теорию твердого
тела, а с 1925 г. его научные интересы сосредоточились на
новой, квантовой механике. В 1934 г. он был избран
иностранным членом Академии наук СССР. К этому времени он
эмигрировал из фашистской Германии в Англию, где занял
кафедру теоретической физики сначала в Кембридже, а с 1936
г. в Эдинбурге. В 1954 г. Борн получил Нобелевскую премию.
Нобелевский доклад «Статистическая интерпретация квантовой механики» был
опубликован в книге «Физика в жизни моего поколения», вышедшей в Англии в
1956 г. Умер Борн 5 января 1970 г.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ.
РАЗВИТИЕ ЯДЕРНОЙ
ФИЗИКИ В 1918-1938 ГГ.
Начало атомной
энергетики.
Открытие изотопов
В послевоенные годы возобновились прерванные войной исследования по ядерной
физике. В Кембридже продолжил начатые еще до войны исследования над
положительными лучами Д.Д. Томсон.
Д.Д. Томсон работал с разрядной трубкой, в которой катод имел форму
металлического цилиндра с просверленным вдоль оси каналом. В закатодную часть
трубки пропускали узкий пучок положительных лучей, падающий на экран или
фотопластинку. Пучок проходил между полюсами электромагнита, снабженного
железными пластинками, изолированными от полюсов и служащими обкладками
конденсатора. При включении тока в обмотку и подаче электрического напряжения на
пластины каналовые частицы подвергались действию параллельных электрического и
магнитного полей. Все частицы, обладающие одинаковым удельным зарядом, но
разными скоростями, оставляли на пластинке след в виде отрезка параболы
(метод парабол). По виду этих парабол можно было судить об удельном заряде
частицы и таким образом определить ее природу. Томсон назвал свой метод новым
методом химического анализа.
Метод парабол Томсона
В отличие от катодных лучей каналовые лучи оказались положительно
заряженными ионами газа, находящегося в разрядной трубке. Анализируя различные газы,
Томсон получил интересный результат для неона. В этом случае наблюдались две
параболы различной интенсивности. Более резкая линия соответствовала массе
20, более слабая - массе 22. Сотрудник Томсона Френсис Астон попытался
отделить этот новый газ 22 от неона (его атомный вес 20,2), попытки оказались
безуспешными. После войны, в 1919 г. Астон вновь вернулся к этим попыткам и
построил первый масс-спектрограф. В первых же экспериментах он получил
изотопы неона 20 и 22, хлора 35, 36, 37, 38, криптона, ртути и других элементов.
Масс-спектрограф другой конструкции был построен в США Демпстером (1886-
1950) в 1918 г. Демпстер работал в Чикаго в райерсоновской лаборатории, в
которой работал Роберт Эндрюс Милликен, известный своими классическими опытами
по определению заряда электрона и фотоэффекту. За эти исследования Милликен в
1923 г. получил Нобелевскую премию. Метод «милликеновского конденсатора» с
успехом использовал А.Ф. Иоффе в своих опытах по элементарному электрическому
эффекту.
Следует отметить, что вывод Милликена о существовании электрического
заряда, дробные части которого не наблюдаются, оспаривался группой венских
физиков, утверждавших, что ими обнаружены «субэлектроны», имеющие заряд, меньший
элементарного. Дискуссия о субэлектронах длилась с первых опытов Милликена в
1911 по 1925 г. , но победу одержал Милликен. Правда, найденное им значение
элементарного Заряда е = (4,774 ± 0,005) «Ю-10 СГСЭ впоследствии было
подвержено критике из-за неточного определения вязкости воздуха и сегодня принимают
значение е = 4,803242»10-10 СГСЭ, но самый эффект существования «атома
электричества» считается твердо установленным.
Гипотеза «кварков» - частиц, обладающих дробным зарядом, -
экспериментально до сих пор не подтвердилась. Правда, в последнее время, благодаря
достижениям в физике элементарных частиц, теоретическим и экспериментальным,
наметились определенные сдвиги в решении проблемы «кварков». Кварковая модель по-
зволяет ученым объяснить «периодичность» в мире адронов, короткоживущих
нестабильных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Многие косвенные
экспериментальные факты говорят в пользу «кварков». Но пока выделить их в
свободном состоянии не удается.
Некоторые теоретики считают, что этого сделать невозможно, так как силы,
действующие между «кварками», растут по мере удаления их друг от друга.
Для окончательного решения вопроса о возможности выделить «кварки» в
свободном состоянии, так же как и для решения многих других тайн физики
элементарных частиц, создаются еще более мощные ускорители, более совершенные ЭВМ.
Специалисты возлагают большие надежды на эти совершенные приборы и ожидают
скорой разгадки тайн «кварков».
Расщепление ядра
Открытие изотопов стабильных элементов, уточнение измерений элементарного
Заряда были первыми достижениями послевоенной физики (1917-1918). В 1919 г.
было сделано новое сенсационное открытие - искусственное расщепление ядра.
Открытие это было сделано Резерфордом в Кембридже в Кавендишской лаборатории,
которую он возглавил в том же, 1919 г.
Резерфорд изучал столкновение а-частиц с легкими атомами. Столкновения а-
частицы с ядрами таких атомов должны их ускорять. Так, при ударе а-частицы о
ядро водорода оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза, и ядро отбирает у а-
частицы 64% ее энергии. Такие ускоренные ядра легко обнаружить по
сцинтилляциям, возникающим при ударе их об экран из сернистого цинка. Их действительно
наблюдал Марсден в 1914 г.
Резерфорд продолжил опыты Марсдена, но, как он отмечал сам, эти опыты
«выполнялись в весьма нерегулярные промежутки времени, поскольку позволяли
повседневные занятия и работа, связанная с войной...» «Опыты даже совершенно
прекращались на долгое время». Лишь после окончания войны опыты ставились
регулярно, и их результаты были опубликованы в 1919 г. в четырех статьях под
общим названием «Столкновения а-частиц с легкими атомами».
Прибор, применявшийся Резерфордом для изучения таких столкновений,
представлял собой латунную камеру (6, см. рис.) длиной 18 см, высотой 6 см и
шириной 2 см. Источником а-частиц служил металлический диск (7) , покрытый
активным веществом. Диск помещался внутри камеры и мог устанавливаться на
разных расстояниях от экрана из сернистого цинка (5) , на котором наблюдались с
помощью микроскопа (1) сцинтилляции.
Опыт Резерфорда.
Камера могла заполняться различными газами.
При впускании сухого кислорода или углекислого газа число сцинтилляций
уменьшалось вследствие поглощения а-частиц слоем газа. «Неожиданный эффект,
однако, - писал Резерфорд в четвертой статье, - был обнаружен, когда в
аппарат был введен сухой воздух. Вместо уменьшения число сцинтилляций
увеличилось, и для поглощения, соответствующего приблизительно слою воздуха в 19 см,
число их было приблизительно в 2 раза больше, чем то, которое наблюдалось при
вакууме. Из этого опыта было ясно, что а-частицы при прохождении через воздух
дают начало сцинтилляциям, соответствующим большим длинам пробега, яркость
которых для глаза представлялась приблизительно равной яркости Н-
сцинтилляций». Так как в кислороде и углекислом газе такого эффекта не
наблюдалось , то с большой вероятностью можно было утверждать, что этот эффект
обязан своим происхождением азоту.
Камеру заполняли чистым тщательно высушенным азотом. «В чистом азоте число
сцинтилляций, соответствующих большому пробегу, было больше, чем в воздухе».
Таким образом, «сцинтилляции при большом пробеге, наблюдаемые в воздухе,
должны быть приписаны азоту».
Необходимо было, однако, показать, что длиннопробежные а-частицы,
вызывающие сцинтилляции, «являются результатами столкновений а-частиц с атомами
азота» .
Путем многочисленных опытов Резерфорд показал, что это действительно так и
что в результате таких столкновений получаются частицы с максимальным
пробегом 28 см, таким же, как у Н-атомов. «Из полученных до сих пор результатов, -
писал Резерфорд, - трудно избежать заключения, что атомы с большим пробегом,
возникающие при столкновении а-частиц с азотом, являются не атомами азота,
но, по всей вероятности, атомами водорода или атомами с массой 2. Если это
так, то мы должны заключить, что атом азота распадается вследствие громадных
сил, развивающихся при столкновении с быстрой а-частицей, и что
освобождающийся водородный атом образует составную часть атома».
Так было открыто явление расщепления ядер азота при ударах быстрых а-частиц
и впервые высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную
часть ядер атомов. Впоследствии Резерфорд предложил термин «протон» для этой
составной части ядра. Резерфорд заканчивал свою статью словами: «Результаты в
целом указывают на то, что если а-частицы или подобные им быстро движущиеся
частицы с значительно большей энергией могли бы применяться для опытов, то
можно было бы обнаружить разрушение ядерных структур многих легких атомов».
3 июня 1920 г. Резерфорд прочитал так называемую Бакерианскую лекцию под
названием «Нуклеарное строение атома». Сообщая в этой лекции о результатах
своих исследований по столкновению а-частиц с ядрами атомов и о расщеплении
ядер азота, Резерфорд, обсуждая природу продуктов расщепления, сделал
предположение о возможности существования ядер с массой 3 и 2 и ядер с массой ядра
водорода, но с нулевым зарядом. При этом он исходил из гипотезы, высказанной
впервые Марией Склодовской-Кюри, что в состав атомного ядра входят электроны.
Резерфорд пишет, что «ему кажется весьма правдоподобным, что один электрон
может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо
первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с
массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматривать как
изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможности
существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Подобные
образования представляются вполне возможными... Подобный атом обладал бы
совершенно фантастическими свойствами. Его внешнее поле практически должно
равняться нулю, за исключением областей, весьма близко прилегающих к ядру;
вследствие этого он должен бы обладать способностью свободно проходить через
материю. Существование подобного атома, вероятно, трудно было бы обнаружить
спектроскопом, и его нельзя было бы удержать в закрытом сосуде. С другой
стороны, он должен был легко входить в структуру атома и либо соединяться с его
ядром, либо разгоняться интенсивным полем последнего, давая начало
заряженному Н-атому или электрону или тому и другому».
Так была высказана гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого изотопа
водорода. Она была высказана на основе предложенной М. Склодовской-Кюри
гипотезы, что ядра атомов состоят из ядер водорода (протонов) и электронов.
Это представление немедленно объяснило характеристические ядерные числа А и
Z.
Однако такие характеристики ядра, как массовое число А и заряд Z, оказались
недостаточными. Еще в 1924 г. до открытия спина В. Паули предположил, что
ядро обладает магнитным моментом, влияющим на движение орбитальных электронов и
тем самым создающим сверхтонкую структуру спектральных линий. Объяснение
тонкой структуры спектров наличием обусловленных спином магнитных моментов ядер
привело к разделению ядер на два типа. Ядра четного типа, обладающие целым
спином, подчиняются статистике Бозе, ядра нечетного типа, обладающие
полуцелым спином, подчиняются статистике Ферми-Дирака. Поэтому по протонно-
электронной теории ядра, состоящие из четного числа электронов и протонов,
должны подчиняться статистике Бозе, из нечетного - статистике Ферми-Дирака.
В 1930 г. выяснилось, что ядро азота подчиняется статистике Бозе, хотя оно
согласно протонно-электронной теории строения ядра состоит из 21 частицы (14
протонов, 7 электронов). Этот факт получил в науке название азотной
катастрофы.
В том же году, когда обнаружилась азотная катастрофа, были опубликованы
результаты опытов Л. Мейтнер и Ортмана, подтвердивших результаты опытов Эллиса
и Вустера 1927 г. Эти опыты показали, что полная энергия (В-лучей, измеряемая
толстостенным микрокалориметром, меньше разности энергий исходного и
конечного ядер, т.е. часть энергии, испускаемая ядром при В-распаде, исчезает.
Получается вопиющее противоречие с законом сохранения энергии.
Решение проблемы азотной катастрофы и загадки В-спектров было дано на
основе представления о существовании в природе нейтральных частиц - тяжелой,
названной нейтроном, и легкой - названной по предложению Ферми нейтрино, т.е.
маленьким нейтроном.
История
открытия
нейтрона
История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика
обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой
гипотезы Резерфорда). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую
искусственную ядерную реакцию, бомбардируя ядра атома а-частицами. Этим методом удалось
также осуществить искусственные реакции с ядрами бора, фтора, натрия,
алюминия и фосфора. При этом вылетали длиннопробежные протоны. В дальнейшем
удалось расщепить ядра неона, магния, кремния, серы, хлора, аргона и калия. Эти
реакции были подтверждены опытами венских физиков Кирша и Петтерсона (1924),
которые утверждали также, что им удалось расщепить ядра лития, бериллия и
углерода, чего не удалось сделать Резерфорду и его сотрудникам.
Разгорелась дискуссия, в которой Резерфорд оспаривал расщепление указанных
трех ядер. Недавно О. Фриш высказал предположение, что результаты венцев
объясняются участием в наблюдениях студентов, стремившихся «угодить»
руководителям и видевших вспышки там, где их не было.
В 1930 г. Вальтер Боте (1891-1957) и Г. Беккер бомбардировали бериллий а-
частицами полония. При этом они обнаружили, что бериллий, а также бор испус-
кают сильно проникающее излучение, которое они отождествили с жестким у~
излучением.
11 января 1932 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри доложили на Заседании
Парижской Академии наук результаты исследований излучения, открытого Боте и Бекке-
ром. Они показали, что это излучение «способно освобождать в
водородсодержащих веществах протоны, сообщая им большую скорость».
Эти протоны были ими сфотографированы в камере Вильсона.
В следующем сообщении, сделанном 7 марта 1932 г. , Ирен и Фредерик Жолио-
Кюри показали фотографии следов протонов в камере Вильсона, выбиваемых из
парафина бериллиевым излучением.
Интерпретируя свои результаты, они писали: «Предположения об упругих
столкновениях фотона с ядром приводят к затруднениям, состоящим, с одной стороны,
в том, что для этого требуется квант со значительной энергией, и, с другой
стороны, в том, что этот процесс происходит слишком часто. Чедвик предлагает
допустить, что излучение, возбуждаемое в бериллии, состоит из нейтронов -
частиц с единичной массой и нулевым зарядом».
Результаты Жолио-Кюри поставили под угрозу закон сохранения энергии. В
самом деле, если попытаться интерпретировать опыты Жолио-Кюри, исходя из
наличия в природе только известных частиц: протонов, электронов, фотонов, то
объяснение появления длиннопробежных протонов требует рождения в бериллии
фотонов с энергией в 50 МэВ. При этом энергия фотона оказывается зависящей от
вида ядра отдачи, используемого для определения энергии фотона.
Эту коллизию разрешил Чедвик. Он помещал бериллиевый источник перед
ионизационной камерой, в которую попадали протоны, выбитые из парафиновой
пластинки. Располагая между парафиновой пластинкой и камерой поглощающие экраны из
алюминия, Чедвик нашел, что бериллиевое излучение выбивает из парафина
протоны с энергией до 5,7 МэВ. Для сообщения протонам такой энергии фотон должен
сам обладать энергией в 55 МэВ. Но энергия ядер отдачи азота, наблюдаемая при
таком же бериллиевом излучении, оказывается равной 1,2 МэВ. Чтобы передать
азоту такую энергию, фотон излучения должен иметь энергию по меньшей мере 90
МэВ. Закон сохранения энергии несовместим с фотонной интерпретацией бериллие-
вого излучения.
Опыт Чедвика.
Чедвик показал, что все трудности снимаются, если предположить, что
бериллиевое излучение состоит из частиц с массой, равной примерно массе
протона, и нулевым зарядом. Эти частицы он назвал нейтронами. Чедвик опубликовал
статью о своих результатах в «Трудах Королевского общества» за 1932 г. Однако
предварительная заметка о нейтроне была опубликована в номере «Nature» от 27
февраля 1932 г. В дальнейшем И. и Ф. Жолио-Кюри в ряде работ 1932-1933 гг.
♦ *1000 Б
Счетчик Гейгера
подтвердили существование нейтронов и их свойство выбивать протоны из легких
ядер. Они установили также испускание нейтронов ядрами аргона, натрия и
алюминия при облучении а-лучами.
Протонно-нейтронная
модель ядра
28 мая 1932 г. советский физик Д.Д. Иваненко опубликовал в «Nature»
заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном
структурным элементом ядра. Он указал, что такая гипотеза решает проблему
азотной катастрофы. В самом деле, по этой гипотезе ядро азота состоит из 14
частиц - 7 протонов и 7 нейтронов и, таким образом, подчиняется статистике
Бозе, как это было показано в 1930 г. Разетти из исследований рамановского
спектра. В июне 1932 г. с большой статьей о протонно-нейтронной модели ядра
выступил В. Гейзенберг.
Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков
скептически. Она, как казалось, противоречила испусканию электронов ядрами в
Р-распаде. Гейзенберг вспоминал в 1968 г., что за предположение об отсутствии
электронов в ядре его «довольно сильно критиковали самые крупные физики». И
он справедливо заключал, что это показывает, «как на самом деле трудно
отказаться от вещей, которые кажутся настолько очевидными, что принимаются
априорно» . В соответствии с терминологией Аристотеля очень трудно отказаться от
«явного для нас» для «явного по природе».
Идея о строении ядер только из тяжелых частиц с трудом принималась
физиками. Мысль о том, что электронов внутри ядра нет, была высказана Дираком еще в
1930 г., но была законсервирована. Открытие нейтрона многими рассматривалось
как несущественное - просто открыто сложное образование протона и электрона,
так думал еще Резерфорд. Простую картину мира, в которой фундаментальными
«кирпичиками мироздания» были протон и электрон, никто не хотел усложнять
введением новых частиц.
В сентябре 1933 г. в Ленинграде состоялась конференция по атомному ядру, в
которой принимали участие и иностранные ученые, Ф. Жолио (он тогда еще не
носил двойной фамилии) сделал два доклада: «Нейтроны» и «Возникновение
позитронов при материализации фотонов и превращение ядер». П. Дирак сделал доклад о
теории позитрона; Ф. Перрен - о моделях ядра. С докладом о модели ядра
выступил и Д.Д. Иваненко. Он энергично защищал протонно-нейтронную модель,
сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. «Появление
электронов, позитронов и пр. , - говорил Иваненко, - следует трактовать как
своего рода рождение частиц, по аналогии с излучением светового кванта, также
не имевшего индивидуального существования до испускания из атома». Д.Д.
Иваненко отверг идею сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе
частицы «должны, по-видимому, обладать одинаковой, степенью элементарности»
т.е. и нейтрон и протон, обе элементарные частицы, могут переходить друг в
друга, испуская электрон или позитрон. В дальнейшем протон и нейтрон стали
рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко
стала общепринятой.
Космические лучи.
Открытие позитрона
В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная
частица - позитрон.
Еще в 1899 г. М. Склодовская-Кюри, пытаясь объяснить происхождение
радиоактивности, выдвинула гипотезу о существовании излучения, заполняющего все ми-
ровое пространство. Утверждение, что «мы погружены в непрерывно действующее
излучение, избежать которого мы не можем», высказал в 1906 г. Гейтель,
описывая свои и Эльстера опыты по измерению ионизации в глубоких шахтах. Гейтель
ссылался на утверждение Кука, высказанное в 1903 г., что «над Землей
существует сильное проникающее излучение». Однако со всей определенностью
существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гес-
сом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г. О
результатах своего эксперимента он сообщил в статье, опубликованной в
ноябрьском номере «Physikalische Zeitschrift». Здесь он писал: «Результаты моих
наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства
на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». Так
были открыты космические лучи. В 1936 г. Гессу за это открытие была
присуждена Нобелевская премия по физике.
Последующими работами ученых, в особенности американского физика Милладсена
и советского физика Л.В. Мысовского (1888-1939), было подтверждено
предположение Гесса и изучены свойства космического излучения.
Милликен и Мысовский, проведя измерения под водой, показали огромную
проникающую способность этих лучей. Милликен считал космическое излучение
чрезвычайно жесткими у-лУчами/ и эта точка зрения была общепринятой до 30-х годов
XX в.
В 1929 г. советский физик Д.В. Скобельцын применил для исследования
космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына
сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в
составе космического излучения имеются заряженные частицы-электроны. Он
обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его
фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако
с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти
следы, Скобельцын не мог.
В 1932 г. американский физик К. Андерсон ввел усовершенствование в метод
Скобельцына: он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля,
применявшегося Скобельцыным. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы,
принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам,
как он думал вначале.
Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон
разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица, пройдя через свинцовую
пластинку, замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее.
Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам
сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает
массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту
частицу Андерсон назвал позитрон.
Открытие позитрона заставило вспомнить о теории Дирака. В 1928 г. Дирак
получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к
выводу о существовании спина у электрона и давало точное значение для тонкой
структуры энергетических уровней водорода. Однако в теории Дирака была
неприятная вещь, получившая название «плюс-минус трудность». В теории
относительности существует для энергии соотношение:
Е? = mlc< + р2с>,
откуда:
£ = ± "/^[с4 +pV.
Обычно знак минус отбрасывается как не имеющий физического смысла. Область
положительных и отрицательных значений энергии была разделена конечным проме-
жутком +m0c2 - (-m0c2) = 2rrioC2. Поскольку в классической теории энергия
меняется непрерывно, отрицательные значения энергии отбрасываются. В квантовой
теории скачок энергии от отрицательных к положительным значениям допустим. «В
квантовой теории, - писал Дирак в 1930 г. в своей книге «Основы квантовой
механики», - могут происходить и прерывные переходы, и если электрон
первоначально находится в состоянии с положительной кинетической энергией, то он
может перескочить в состояние с отрицательной кинетической энергией. Поэтому
уже нельзя игнорировать существование состояний с отрицательной энергией, как
можно было поступить в классической теории».
В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все
электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно
принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон. Наблюдаем только электроны с
положительной энергией. «Электроны, - пишет Дирак, - распределены по всему миру с
большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где
все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с
отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией,
потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с
отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с
отрицательной энергией суть протоны».
Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический
фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень
симметрична по отношению к электронам и протонам».
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой.
Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-
новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование
позитрона и других античастиц. На Ленинградской конференции 1933 г. Дирак
следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том
мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной
энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных
уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими
чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами
уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности,
могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые
состояния электронов с положительными энергиями. Незанятые состояния с
отрицательной энергией, т.е. «дырки» в распределении электронов с отрицательной
энергией, будут восприниматься нами как частицы с положительной энергией;
ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию
положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс...
Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т.е. утверждать,
что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной
энергией» .
Естественно, что на незанятый уровень отрицательной энергии может
переходить электрон с положительной энергией, излучая избыточную энергию 2т0с2 в
виде квантов у-лУчеи-
«Согласно теории Дирака, - писал Ф. Жолио, - положительный электрон при
столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может
исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях.
Энергия каждого из фотонов составляет 0,5»106 эВ; сумма этих энергий, равная
106 эВ, соответствует аннигиляции массы двух электронов».
Существует и обратный процесс - «материализация» фотонов, когда «фотоны с
достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут
создавать положительные электроны... фотон, взаимодействуя с ядром, может создать
два электрона с противоположными зарядами».
На Ленинградской конференции Жолио демонстрировал фотографию в камере Виль-
сона, на которой было зарегистрировано рождение пары электрон - позитрон.
Ускорители
Богатый событиями в ядерной физике 1932 г. ознаменовался и другими важными
достижениями в этой области. Главнейшим из этих достижений было расщепление
ядра лития искусственно ускоренными протонами. Еще в 1922 г. Резерфорд,
сравнивая ядра с хорошо защищенной крепостью, указывал, что «лишь а-частицы, как
наиболее концентрированные источники энергии, являются наиболее подходящими
для нападения на эти хорошо защищенные сооружения». Далее он говорил: «Если
бы в нашем распоряжении были заряженные атомы с энергией, в десять раз
превосходящей энергию а-частицы радия, то, вероятно, мы могли бы проникнуть в
нуклеарную структуру всех атомов, а иногда вызвать их разрушение».
Частицы, ускоряемые сегодня на Серпуховском ускорителе, обладают энергией,
в тысячу раз большей, чем та, о которой мечтал Резерфорд. Путь к получению
частиц высокой энергии начался в 30-х годах. Именно тогда начали
разрабатывать ускорители заряженных частиц. Уже в 1928 г. с помощью последовательно
соединенных трансформаторных обмоток удалось получить напряжение 750 кВ. В
1931 г. Ван-де-Грааф построил электростатический ускоритель, позволяющий
ускорить ионы до нескольких миллионов электрон-вольт.
В 1930 г. в Кембридже Кокрофт и Уолтон, применяя каскадный метод увеличения
напряжения, получили водородные ионы, ускоренные до нескольких сот киловольт.
В 1932 г., направляя усиленные таким образом ионы на литиевую мишень, они
осуществили расщепление ядра лития на два ядра гелия. Ядра гелия разлетались
с энергией около 8,5 МэВ. Это была первая ядерная реакция, осуществленная на
ускорителе, и авторы ее Джон Кокрофт (1897-1967) и Э. Уолтон были удостоены в
1951 г. Нобелевской премии.
В 1931 г. Слоан и Лоуренс (1901-1958) построили линейный ускоритель ионов,
в котором ионы, проходя через ряд цилиндров увеличивающейся длины, ускорялись
высокочастотным напряжением, подобранным так, что в зазоре между цилиндрами
ионы попадали в ускоряющую фазу.
Но особенно важным для развития ядерной физики было создание циклического
ускорителя - циклотрона.
Принцип циклотрона был предложен Лоуренсом и Эдлефсеном в 1930 г. В 1932 г.
под руководством Лоуренса был построен циклотрон с диаметром полюсных
наконечников 28 см, ускоряющий протоны до 1,2 МэВ. В 1939 г. Лоуренс За
изобретение циклотрона был удостоен Нобелевской премии.
В июле 1932 г. на V Международной конференции по электричеству состоялось
обсуждение проблем ядерной физики. С обзорным докладом «Современное состояние
физики атомного ядра» выступил Энрико Ферми. В этом докладе Ферми все еще
держался гипотезы: «Все атомные ядра состоят из двух частиц - электронов и
ядер водорода (протонов)». Далее Ферми указывал, что некоторые ядра «обладают
собственным механическим моментом», выраженным целым или полуцелым числом в
единицах п/2я Существование момента ядра обнаруживается в таких явлениях:
• чередование интенсивностей в полосатых спектрах;
• сверхтонкая структура спектральных линий атомов.
Ферми указывал далее, что «любая система из протонов и электронов должна:
• подчиняться статистике Бозе-Эйнштейна или принципу Паули в зависимости
от того, является ли число частиц этой системы четным или нечетным;
• иметь собственный момент, равный целому числу или кратному целому числу,
деленному на 2, в зависимости от того, четно или нечетно число частиц в
системе».
Ядро азота не подчиняется этим правилам, согласно которым для ядра азота
должен быть справедлив принцип Паули, в то время как наблюдения Разетти над
раман-эффектом для молекулы азота показали, вне всякого сомнения, что для
ядра азота справедлива статистика Бозе-Эйнштейна. «Отсюда был сделан вывод, -
пишет Ферми, - что эта аномалия возникает вследствие того, что ядро атома
азота содержит нечетное число электронов».
Как видно, в июле 1932 г. азотная катастрофа продолжала существовать.
Ферми подробно останавливается на теории а-распада, предложенной Гамовым в
1928 г. Гамов (1904-1968) , а также Герни и Кондон (1902-1974) применяли к
испусканию а-частицы ядром идеи волновой механики, развитые для анализа
прохождения частиц через потенциальный барьер. Эта теория была одним из достижений
новой квантовой механики.
В отношении В-распада существует трудность, связанная с непрерывным
спектром энергии В-частиц. «Этот факт, - писал Ферми, - имеет большую
теоретическую важность, поскольку он, по-видимому, находится в противоречии со всеми
теориями атомного ядра, в которых предполагается справедливость принципа
сохранения энергии». Ферми упоминает о гипотезе Паули, предпринятой для
объяснения этого противоречия. Он пишет: «Согласно предположению Паули было бы
возможно вообразить, что внутри атомного ядра находятся нейтроны, которые
испускались бы одновременно с В-частицами. Эти нейтроны могли бы проходить
через большие толщи вещества, практически не теряя своей энергии, и потому были
бы практически ненаблюдаемы».
Ферми пришлось употребить в своем докладе слово «нейтрон» дважды. В
заключительных заметках он говорит об интерпретации Чедвиком бериллиевого
излучения:
«Продолжая опыты Боте, а также И. Кюри и Ф. Жолио, Чедвик сумел доказать,
что излучение бериллия способно сообщить движение также ядрам тяжелее
протона; в связи с этим он выдвинул гипотезу, что излучение бериллия представляет
собой не у-лУчи/ а нейтроны с массой, равной массе протона».
Термин «нейтрон» сохранился для нейтральных частиц с массой протона.
«Нейтроны» же Паули по предложению Ферми были названы на Сольвеевском конгрессе
1933 г. «нейтрино». На конгрессе же 1932 г. Ферми пришлось давать разъяснение
по поводу термина «нейтрон» в В-распаде. Ему резонно возразили, что нейтроны
из-за их массы не могут играть той роли, какая им приписывалась гипотезой
Паули, Ферми отвечал, что «такими нейтронами являются не те, которые были
открыты, но нейтроны с гораздо меньшей массой». Именно Ферми в дальнейшем
удалось построить теорию В-распада, основанную на гипотезе нейтрино.
В 1933 г. происходило освоение идей, внесенных в ядерную физику. Помимо уже
упоминавшейся конференции по атомному ядру, состоявшейся в Ленинграде в
сентябре 1933 г., проблемы ядра обсуждались на Седьмом Сольвеевском конгрессе,
состоявшемся в октябре 1933 г. Конгресс был очень представительным,
председательствовал П. Ланжевен. В работе конгресса принимали участие Э. Резерфорд,
Н. Бор, М. Склодовская-Кюри, Дж. Чедвик, П. Блэккет, Дж. Кокрофт, В. Боте. В.
Гейзенберг, Э. Шредингер, В. Паули, Э. Ферми, Луи де Бройль, П. Дирак и
другие физики. От советских ученых в конгрессе принимал участие А.Ф. Иоффе.
На конгрессе большое место заняли выступления сотрудников Кавендишской
лаборатории во главе с Резерфордом. Кокрофт доложил о своих и Уолтона опытах по
расщеплению ядер лития ускоренными протонами, Чедвик сделал доклад об
открытии нейтрона, об открытии нейтрона говорили также Ф. Жолио и И. Кюри, Блэккет
рассказал об открытии позитрона, в котором важную роль сыграли его и Оккиали-
ни исследования с использованием камеры Вильсона, управляемой счетчиками
Гейгера-Мюллера. В этих исследованиях были открыты ливни космических частиц,
состоящие из позитронов и электронов.(Первые ливни были открыты Д.В.
Скобельцыным еще в 1929 г) . Лоуренс доложил об опытах с циклотроном, Гейзенберг - о
протонно-нейтронной модели ядра.
Новые идеи прозвучали на Сольвеевском конгрессе во весь голос, их горячо
поддерживал основоположник науки о ядре Э. Резерфорд. «Центральной фигурой на
Сольвеевском конгрессе, - вспоминал Бор, - был, конечно, Резерфорд, как
всегда с необыкновенной энергией принимавший участие во многих дискуссиях». Его
ученики и он сам много способствовали развитию «современной алхимии», как
называл Резерфорд науку о превращении ядер. Это было последнее его участие в
Сольвеевском конгрессе, да и сам конгресс по существу был последним.
Международное научное общение было нарушено захватом власти в Германии фашистами и
второй мировой войной.
Заметим, что протонно-нейтронная модель ядра, предложенная Иваненко, была
активно поддержана Геизенбергом. Она была высказана Майораной, опубликовавшим
в 1933 г. статью о модели ядра, состоящего из протонов и «нейтральных
протонов». Период протонно-электронной модели ядра кончился, начался новый
плодотворный период в развитии ядерной физики, проходивший под знаком протонно-
нейтронной модели ядра.
Искусственная
радиоактивность
Новый период в развитии ядерной физики начался фундаментальными открытиями.
15 января 1934 г. на Заседании Парижской Академии наук Фредерик Жолио и Ирен
Кюри сообщили об открытии ими нового вида радиоактивности. «Нам удалось
доказать методом камеры Вильсона, - сообщали они, - что некоторые легкие элементы
(бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке
их а-частицами полония».
«Испускание положительных электронов некоторыми легкими элементами,
подвергнутыми облучению а-лучами полония, продолжается в течение некоторого
более или менее продолжительного времени после удаления источника а-лучей. В
случае бора, например, это время достигает получаса».
Ф. Жолио и И. Кюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае
возникает новый этап радиоактивности, сопровождаемый испусканием положительных
электронов. «Мы полагаем, - писали они, - что в случае алюминия реакция
происходит следующим образом:
12А127 + 2Не4 -> 15Р30 + on1
Изотоп фосфора 15Р30 является радиоактивным Он обладает периодом полураспада
3 мин 15 с и испускает положительный электрон согласно реакции:
i5P -> 14S1 + e
Для бора и магния можно себе представить аналогичные реакции, приводящие к
образованию неустойчивых ядер 7N13 и i4Si27. Изотопы 7N13, 4Si27, 5P30 не
наблюдаются в природе, так как они могут существовать только в течение очень
короткого времени». Заканчивая свое короткое сообщение, Ф. Жолио и И. Кюри писали:
«Таким образом в настоящей работе удалось впервые при помощи внешнего
воздействия вызвать у некоторых атомных ядер радиоактивность, которая сохраняется в
течение измеримого времени в отсутствие вынуждающей причины».
Это было открытие огромной важности. Радиоактивность, которая была присуща
некоторым элементам, не могла быть ни вызвана, ни уничтожена, ни как-либо
изменена человеком. Супруги Жолио-Кюри впервые искусственно вызвали
радиоактивность, создав новые радиоактивные изотопы, не наблюдаемые до этого в природе.
Явление, открытое Жолио-Кюри, получило название «искусственная
радиоактивность» .
Шведская Академия наук оценила принципиальную важность открытия супругов
Жолио-Кюри и присудила им в 1935 г. Нобелевскую премию по химии.
Жолио-Кюри
Фредерик Жолио, принявший позже фамилию Жолио-Кюри,
родился 19 марта 1900 г. в семье скобяного мастера Анри
Жолио, участника Парижской Коммуны. С 1908 по 1917 г. он
учился в лицее Лаканаль, затем в связи с войной был
мобилизован в армию, но в войне участвовать ему не пришлось.
Война кончилась, и Жолио получил отсрочку для продолжения
образования. Чтобы пополнить знания в области точных наук
(лицей Лаканаль был школой гуманитарного типа), Жолио
поступил в лицей Лавуазье. Окончив его в 1919 г. первым
учеником, он поступил в Парижскую школу физики и химии, где
когда-то был профессором Пьер Кюри, а теперь преподавал
физику Поль Ланжевен.
По окончании школы Фредерик Жолио работал инженером-
практиком на сталелитейных заводах. Однако в связи с окончанием отсрочки он
был призван в армию и поступил в артиллерийскую школу в Пуатье. По окончании
училища новоиспеченный сублейтенант по рекомендации Ланжевена поступил в
препараторы к Марии Кюри в Институт радия. Здесь он встретился со своей будущей
женой, дочерью Пьера и Марии Кюри, Ирен. Брак Ирен Кюри и Фредерика Жолио был
Зарегистрирован 4 октября 1926 г. С тех пор начался их совместный научный и
жизненный путь.
Ирен Кюри была старше Фредерика Жолио, она родилась 12
сентября 1897 г. Она закончила Парижский университет в
1920 г. и начала работать в лаборатории матери. К моменту,
когда Ф. Жолио поступил препаратором в Институт радия
(1925), она защитила докторскую диссертацию. Фредерик
Жолио-Кюри защитил докторскую диссертацию в 1930 г., на пять
лет позже жены. В 1937 г. он стал профессором ядерной
химии в Коллеж де Франс, а через 10 лет после смерти
Ланжевена - профессором экспериментальной физики. Ирен после
смерти матери в 1934 г. стала ее преемницей на кафедре
физики в Парижском университете.
В военные годы Фредерик и Ирен Жолио-Кюри были активными
участниками движения Сопротивления, а в послевоенные годы
активными борцами за мир. В 1942 г., в трудный год войны,
Фредерик Жолио-Кюри вступил в Коммунистическую партию Франции. Он с 1949 г. и
до самой смерти возглавлял Всемирный Совет Мира, был организатором движения
сторонников мира. Ирен Жолио-Кюри была членом Всемирного Совета Мира,
участником конгрессов сторонников мира.
Под руководством Фредерика Жолио-Кюри 15 декабря 1948 г. был пущен первый
французский ядерный реактор. Сам Жолио-Кюри до 1950 г. занимал пост
Верховного комиссара по атомной энергии Франции. Ирен Жолио-Кюри умерла 17 марта 1956
г. от лучевой болезни. В мае 1958 г. Ф. Жолио-Кюри последний раз посетил
СССР, встретился со своими друзьями И.В. Курчатовым, Д.В. Скобельцыным и
другими советскими физиками, верным другом которых он был всю свою жизнь. Умер
Ф. Жолио-Кюри 14 августа 1958 г.
Опыты Ферми
Вернемся к открытию искусственной радиоактивности. Оно вызвало широкий
резонанс , и в короткое время был получен ряд новых радиоактивных изотопов. Но
особенно важными были исследования Э. Ферми и его сотрудников, начавшиеся
весной 1934 г. Ферми пошел совершенно по новому пути, он начал облучать эле-
менты нейтронами.
Ферми решил, как он писал в статье «Радиоактивность, наведенная нейтронной
бомбардировкой», «выяснить, не вызывает ли нейтронная бомбардировка
наведенной радиоактивности - явления, аналогичного наблюдаемому супругами Жолио при
облучении а-частицами». Это было неожиданно и смело. «Я помню, - писал О.
Фриш, - что моя реакция и реакция многих других была скептической:
эксперимент Ферми казался бессмысленным, потому что нейтронов было много меньше, чем
а-частиц». В самом деле, супруги Жолио и другие физики бомбардировали
элементы а-частицами, вылетавшими из радиоактивного препарата. В опытах же Ферми
эти частицы сначала использовались для получения нейтронов, которых
выделялось очень немного, а затем уже начиналось облучение элементов полученными
нейтронами. «Стреляли» не «снарядами», а продуктами попадания этих снарядов.
Сами «нейтронные пушки» Ферми были маленькими трубочками в несколько
сантиметров , заполненными смесью бериллия и радона. Вот как Ферми описывал один из
таких источников нейтронов размером всего 1,5 см: «Это была стеклянная
трубочка . . . , в которой находились зерна бериллия; раньше чем запаять трубочку,
надо было ввести в нее некоторое количество эманации радия. Альфа-частицы,
испускаемые радоном, в большом числе сталкиваются с атомами бериллия и дают
нейтроны...»
«Опыт выполняется следующим образом. В непосредственной близости от
источника нейтронов помещается пластинка алюминия, или железа, или вообще того
элемента, который желательно изучить, и оставляется на некоторое время,
которое может составлять минуты, часы, дни (в зависимости от случая). Нейтроны,
вылетающие из источника, ударяют в какие-либо из ядер вещества. При этом
происходит множество реакций самого различного типа».
В первом сообщении, датированном 25 марта 1934 г. , Ферми, бомбардировавший
алюминий и фтор, получил изотопы натрия и азота, испускающие электроны (а не
позитроны, как у Жолио-Кюри). Метод нейтронной бомбардировки оказался очень
эффективным, и Ферми писал, что эта высокая эффективность в осуществлении
расщеплений «вполне компенсирует слабость существующих нейтронных источников
по сравнению с источниками а-частиц и протонов». Ему удалось этим методом
активизировать 47 из 68 изученных элементов.
Воодушевленный успехом, он в сотрудничестве с Ф. Разетти и О.Д Агостино
предпринял нейтронную бомбардировку тяжелых элементов: тория и урана. «Опыты
показали, что оба элемента, предварительно очищенные от обычных активных
примесей, могут сильно активизироваться при бомбардировке нейтронами». Среди
активных продуктов бомбардировки урана было найдено три с периодом полураспада
10 с, 40 с, 13 мин и еще два с периодом от 40 мин до одного дня. При этом
оставалось неясным, «представляют ли эти периоды последовательные или
альтернативные процессы распада».
Ферми со своими сотрудниками предпринял попытку химической идентификации р-
активного продукта с периодом полураспада 13 мин. Он установил, что 13-
минутная активность может быть обусловлена изотопами урана (Z = 92) ,
протактиния (Z = 91), тория (Z = 90), актиния (Z = 89), радия (Z = 88), висмута (Z
= 83) , свинца (Z = 82) , а также «экацезия» (Z = 87) и радона (Z = 86) . Ни
один из тяжелых элементов не является химическим аналогом радиоактивного
продукта с 13-минутным периодом. Естественно, что Ферми и в голову не приходило
сравнивать его с элементами из середины периодической системы химических
элементов Д.И. Менделеева, и он сделал предположение, что «атомный номер
соответствующего элемента может быть больше 92». Так появилась гипотеза
трансурановых элементов.
Э. Резерфорд с большим интересом следил за опытами Ферми. Еще 23 апреля
1934 г. он писал ему: «Ваши результаты очень интересны, и нет никакого
сомнения, что в дальнейшем нам удастся получить больше сведений о действительном
механизме этих превращений». Летом сотрудники ферми Э. Сегре и Э. Амальди
были в Кембридже у Резерфорда и привезли ему обзорную статью «Искусственная
радиоактивность , наведенная нейтронной бомбардировкой», авторами которой были
Э. ферми, Э. Амальди, О. Д'Агостино, Ф. Разетти и Э. Сегре. Статья содержала
полный отчет об опытах, проводившихся в физической лаборатории Римского
университета. Резерфорд, как президент Лондонского Королевского общества,
передал статью для публикации в «Трудах» общества.
Статья появилась в том же, 1934 г. В ней говорилось и о бомбардировке
урана, причем в числе продуктов бомбардировки был идентифицирован еще элемент с
90-минутным периодом полураспада. «90-минутный и 13-минутный активные
продукты, - говорилось в статье, - обладают, по-видимому, совершенно аналогичными
химическими свойствами, так как в реакции любого типа они получаются примерно
в одинаковой пропорции. Поэтому обе эти активности, по-видимому, обусловлены
продуктами с атомами номером выше 92, - возможно, изотопами одного и того же
элемента».
22 октября 1934 г. Ферми сделал фундаментальное открытие. Поместив между
источником нейтронов и активируемым серебряным цилиндром парафиновый клин,
Ферми заметил, что клин не уменьшает активность нейтронов, а несколько
увеличивает ее. Ферми сделал вывод, что этот эффект, по-видимому, обусловлен
наличием водорода в парафине, и решил проверить, как будет влиять на активность
расщепления большое количество водородсодержащих элементов. Проведя опыт
сначала с парафином, потом с водой, Ферми констатировал увеличение активности в
сотни раз. В статье «Влияние водородсодержащих веществ на радиоактивность,
наведенную нейтронами», написанную Ферми совместно с Э. Амальди, Б.
Понтекорво , Ф. Разетти и Э. Сегре, было выдвинуто следующее объяснение этих фактов:
«Нейтроны быстро теряют энергию в ряде повторных столкновений с ядрами
водорода . . . можно ожидать, что после нескольких соударений нейтроны будут
двигаться подобно молекулам диффундирующего газа, достигая, в конечном счете,
энергий, соответствующих тепловому движению». Опыты Ферми обнаружили огромную
эффективность медленных нейтронов.
Теория р-распада Ферми
Таким образом, Э. Ферми в 1934 г. добился замечательных результатов, идя по
избранному им пути. Но, помимо этих экспериментальных результатов, 1934 г.
был годом замечательных теоретических достижений Ферми. Уже в декабрьском
номере 1933 г. итальянского журнала «Ricerca Scientifica» были опубликованы его
предварительные соображения о р-распаде; в начале 1934 г. в «Zeitschrift fur
Physik» была опубликована его классическая статья «К теории р-лучей».
Авторское резюме статьи гласит: «Предлагается количественная теория р-распада,
основанная на существовании нейтрино; при этом испускание электронов и нейтрино
рассматривается по аналогии с эмиссией светового кванта возбужденным атомом в
теории излучения. Выведены формулы из времени жизни ядра и для формы
непрерывного спектра р-лучей; полученные формулы сравниваются с экспериментом».
Ферми в этой теории дал жизнь гипотезе нейтрино и протонно-нейтронной
модели ядра, приняв также гипотезу изотопического спина, предложенную Гейзенбер-
гом для этой модели В основу своей теории ферми кладет следующие предложения:
1. Полное число электронов, равно как и число нейтрино, не обязательно
должно быть постоянным. Электроны (или нейтрино) могут возникать и
исчезать . . .
2. Тяжелые частицы, нейтроны и протоны, можно рассматривать, следуя В. Гей-
Зенбергу, как два внутренних квантовых состояния тяжелой частицы.
Сформулируем это, введя некоторую внутреннюю координату тяжелой частицы р,
могущую принимать только два значения: р = 1, когда частица является
протоном, и р = - 1, если она оказывается нейтроном.
3. Гамильтонову функцию системы из тяжелых и легких частиц нужно выбрать
таким образом, чтобы каждый переход нейтрона в протон сопровождался
возникновением электрона и нейтрино, а обратный процесс - превращение
протона в нейтрон - сопровождался исчезновением электрона и нейтрино.
Заметим, что тем самым обеспечивается сохранение заряда».
Комментируя теорию Ферми, Ф. Разетти писал: «Построенная им на этой основе
теория оказалась способной выдержать почти без изменения два с половиной
десятилетия революционного развития ядерной физики. Можно было бы заметить, что
физическая теория редко рождается в столь окончательной форме».
Ферми представлял собой необыкновенное в физике XX в. сочетание глубокого
теоретика с первоклассным экспериментатором.
«Великий итальянский физик Энрико Ферми, - писал Бруно Понтекорво, -
занимает особое место среди современных ученых: в наше время, когда узкая
специализация в научных исследованиях стала типичной, трудно указать столь же
универсального физика, которым был Ферми. Можно даже сказать, что появление на
ученой арене XX в. человека, который внес такой громадный вклад в развитие
теоретической физики, и экспериментальной физики, и астрономии, и технической
физики, - явление скорее уникальное, чем редкое».
Ферми
Энрико Ферми родился 29 сентября 1901 г. в Риме, в
семье служащего. У него очень рано появились способности к
точным наукам. Он учился в Нормальной школе города Пиза с
1918 по 1922 г. , затем по протекции доцента физического
института Римского университета сенатора Корбино получил
временную должность преподавателя математики для химиков
в Римском университете. В 1923 г. он получает
командировку в Германию, в Геттинген, к Максу Борну. Ферми
чувствует себя не очень уверенно, и лишь большая моральная
поддержка Эренфеста, у которого он был в Лейдене с сентября
по декабрь 1924 г., помогла ему поверить в свое призвание физика.
По возвращении в Италию Ферми с января 1925 до осени 1926 г. работает в
флорентийском университете. Здесь он получает свою первую ученую степень
«свободного доцента» и - что самое главное - создает свою знаменитую работу
по квантовой статистике. В декабре 192 6 г. он занял должность профессора
вновь утвержденной кафедры теоретической физики в Римском университете. Здесь
он организовал коллектив молодых физиков: Разетти, Амальди, Сегре, Понтекорво
и других, составивших итальянскую школу современной физики.
В Риме Ферми работал до 1938 г. фашистский режим угрожал благополучию его
семьи из-за еврейского происхождения его жены Лауры. Уехав в Стокгольм за
получением Нобелевской премии вместе с семьей, Ферми не вернулся в Италию, а
поехал в Нью-Йорк, где стал профессором физики Колумбийского университета.
Американский период жизни Ферми связан с работой над получением атомной
энергии. Под его руководством 2 декабря 1942 г. в Чикаго был Запущен первый в
мире ядерный реактор, Ферми принимал активное участие в испытании атомной
бомбы. 16 июня 1945 г. он был одним из тех ученых, которые рекомендовали
сбросить атомные бомбы на Японию, назвав варварскую бомбардировку Хиросимы
«красивой физикой». После войны он стал профессором физики Чикагского
университета и сотрудником только что организованного Института ядерных проблем.
Умер Ферми 29 ноября 1954 г.
Возвращаясь к 1934 г., следует отметить гипотезу о природе ядерных сил, вы-
сказанную независимо друг от друга Д. Д. Иваненко и И. Е. Таммом. В статье,
опубликованной в «Nature» в 1934 г. , Тамм рассмотрел ядерные взаимодействия
как процесс обмена легкими частицами между нуклонами. Теория Тамма не давала
количественного совпадения, однако, общая идея ядерных взаимодействий,
высказанная Иваненко и Таммом, сохранилась в ядерной физике. В 1935 г. Хидеки Юка-
ва на основе этой идеи предсказал существование частиц промежуточной массы
(мезонов), ответственных за ядерные взаимодействия. Частицы промежуточной
массы порядка 200 электронных масс были, действительно, открыты в космических
лучах Андерсоном и Неддермайеером в 1937 г. Однако вскоре выяснилось, что эти
частицы не имеют отношения к нуклонам. Только через 10 лет С. Пауэлл также в
космических лучах нашел более тяжелые я-мезоны, порождающие и поглощающие
нуклоны в процессе ядерных взаимодействий.
Открытие ядерной изомерии
В 1935 г. советские физики И.В. Курчатов, Б.В. Курчатов, Л.И. Русинов, Л.В.
Мысовский открыли явление ядерной изомерии для радиоактивного брома Вг80. В
этом же году И.В. Курчатов работал с реакциями на медленных нейтронах. При
этом была выяснена сложная зависимость поглощения нейтронов от скорости, и в
частности факт резонансного поглощения нейтронов, факт резонансного
поглощения нейтронов был установлен Ферми. Курчатов обобщил результаты исследований
по расщеплению ядра в вышедшей в 1935 г. книге «Расщепление атомного ядра».
Э. Ферми, продолжая исследования радиоактивности, возбужденной нейтронной
бомбардировкой, подтвердил существование ядерной изомерии, открытой
Курчатовым. «Мы, - писали Ферми, Амальди, Д'Агостино, Понтекорво, Сегре, - также
констатировали существование третьего радиоактивного изотопа Вг с периодом
около 36 ч, обнаруженного Курчатовым и др., подтвердили их опыты по Р-лучам».
В работе 1936 г. «О поглощении и диффузии медленных нейтронов», написанной
совместно с Э. Амальди, Э. Ферми также подтвердил открытое И.В. Курчатовым,
Л.А. Арцимовичем, Л.В. Мысовским резонансное поглощение нейтронов. Закон
зависимости поглощения нейтронов, согласно которому сечение захвата обратно
пропорционально скорости нейтронов, нарушается в ряде случаев. Для
определенных скоростей некоторые элементы особенно сильно поглощают нейтроны. Но
наиболее волнующим оставался вопрос о трансурановых элементах. В работе по
искусственной радиоактивности Ферми писал: «Путем различных химических
экспериментов Ган и Мейтнер (здесь Ферми ссылается на статью О. Гана и Л. Мейтнер,
опубликованную в том же, 1935 г. - П.К.) также пришли к выводу, что 13-
минутная и 100-минутная активности обусловлены, по всей вероятности,
трансурановыми элементами. Мы повторили некоторые из их опытов и получили те же
самые результаты».
Ферми придерживается высказанной концепции в нобелевской лекции 1938 г.
Говоря об активных носителях, полученных из урана при бомбардировке их
нейтронами , он заключает: «Мы пришли к выводу, что носителем был один или более
элементов, с атомным номером большим 92. Элементы 93, 94 у себя в Риме мы
назвали авсонием и гесперием соответственно. Известно, что О. Ган и Л. Мейтнер
провели очень тщательное и обширное изучение продуктов распада облученного
урана и сумели отыскать среди них элементы вплоть до атомного номера 96».
Речь была напечатана в Стокгольме в 1939 г., и при этом Ферми пришлось
сделать примечание, указывающее на необходимость пересмотра «всей проблемы
трансурановых элементов» в связи с открытием Гана и Штрассмана.
Деление урана
Остановимся на истории этого открытия. Оно явилось завершением целого ряда
поисков и ошибок.
Вскоре после сообщения Ферми о трансурановых элементах немецкий химик Ида
Ноддак опубликовала в химическом журнале статью, в которой указывала, что под
воздействием нейтронов ядра распадаются на изотопы, отнюдь не являющиеся
соседями бомбардирующих элементов. Ферми, Ган и другие физики сочли
предположение Ноддак абсурдным.
В 1936 г. вопросом о захвате нейтронов заинтересовался Бор. В
опубликованной в «Nature» статье «Захват нейтрона и строение ядра» он указал, что
«типичные черты ядерных реакций проявляются при столкновении с нейтронами», и
отметил, что «наиболее интересные данные получены Ферми и его сотрудниками по
искусственной радиоактивности при бомбардировке как быстрыми нейтронами, так
и тепловыми нейтронами». Анализируя эти данные, Бор пришел к выводу, что
процесс ядерной реакции, обусловленный захватом нейтрона, следует разделить на
две не зависящие друг от друга стадии.
Первая стадия заключается в том, что захват нейтрона ядром приводит «к
образованию составной системы, характеризующейся замечательной устойчивостью».
Это «компаунд-ядро» находится в возбужденном состоянии, причем энергия
распределяется между всеми частицами ядра и в последующем (вторая стадия - П.К.)
может освобождаться в виде гамма-излучения либо «может опять
концентрироваться на какой-то частице у поверхности ядра», так что эта частица может
покинуть ядро.
Самым существенным моментом в теории Бора было представление о ядре как о
сложной системе. Нейтрон взаимодействует не с какой-либо отдельной частицей
ядра, а отдает энергию всему коллективу частиц, образующих ядро. Теория,
«опирающаяся на соответствующее применение задачи одного тела... теряет всю
свою ценность» в случае захвата нейтрона ядром, «где мы с самого начала имеем
дело с существенно коллективными аспектами взаимодействия между составляющими
ядро частицами».
О теории Бора рассказывал на сессии физико-математического отделения
Академии наук СССР в марте 1936 г. И.Е. Тамм в докладе о проблеме атомного ядра.
Я. И. Френкель, выступая по докладу, говорил: «В связи с теорией Бора ясно,
что сложное ядро до некоторой степени подобно твердому или жидкому телу,
состоящему из большого числа частиц, сильно связанных друг с другом. Отсюда
возникает весьма естественно мысль, нельзя ли рассматривать ту энергию,
которую нейтрон, приставший к ядру, сообщает всей совокупности частиц, образующих
его как своего рода тепловую энергию. При этом состояние системы
характеризуется некоторой температурой, соответствующей этой энергии и числу частиц.
Нагретое ядро имеет некоторые шансы испариться, и это испарение является той
дезинтеграцией, которая воспринимается нами в виде вылетающего из ядра
нейтрона или протона или альфа-частицы...».
Свои мысли Я.И. Френкель облек в статью, опубликованную в том же, 1936 г.
под заглавием «О «твердой» модели тяжелых ядер». Бор согласился с этой идеей
Я.И. Френкеля и в лекции «Превращение атомных ядер», прочитанной весной 1937
г. в США и в июне того же года в СССР, говорил о «температуре» ядра, которая
«повышается» в результате захвата нейтрона, причем ядро «деформируется»,
совершая упругие колебания. Бор указывал, что испускание нейтрона ядром
«представляет особенно удачную аналогию испарению жидкого или твердого тела при
низких температурах», и отмечал, что «Я.И. Френкель впервые предложил
применить к вероятности вылета нейтрона из составного ядра обычную формулу для
испарения» .
Однако ни Бор, ни Френкель не стали развивать идею о ядре как жидкой капле,
они остановились на «твердой» модели. Как экспериментаторы, так и теоретики
очень близко подходили к явлению деления, но, загипнотизированные всей
совокупностью представлений о ядерных реакциях, не могли увидеть сути дела.
Упомянем еще об одном теоретическом результате 1938 г. Ганс Боте предложил
теорию, объясняющую энергию звезд. Согласно этой теории энергия выделяется в
результате синтеза ядер водорода в ядра гелия. Боте предложил углеродно-
азотный цикл, приводящий, в конечном счете, к превращению водорода в гелий,
сопровождающийся выделением значительной энергии.
В 1938 г. наступила развязка сложной ситуации, вызванной результатами,
полученными Ферми. Сложность ситуации объяснялась обилием радиоактивных
изотопов, к тому же открытие изомерии Курчатовым еще более осложнило обстановку.
Распутать цепочку продуктов, получающихся в результате бомбардировки урана
нейтронами, было непросто. Ирен Кюри, работая сначала с Хальбаном, а потом с
югославом Павлом Савичем, получила радиоактивное вещество с периодом
полураспада 3,5 ч, напоминающее торий. Ган, проверяя этот результат, показал, что
продукт, который Кюри и Савич потом стали называть R (3,5 ч) , не может быть
торием. Ирен Кюри и Савич согласились с выводом Гана и, продолжая
исследования, показали, что R (3,5 ч) по свойствам напоминает актиний и еще больше
лантан. Они констатировали, что продукт R (3,5 ч) выделяется вместе с
лантаном: «В целом свойства R (3,5 ч) такие же, как свойства лантана». Но лантан
не радиоактивен, и они полагали, что активный продукт можно отделить от
лантана. Заметка об опытах И. Кюри и П. Савича была опубликована летом 1938 г.
Ган в то время работал вместе со Штрассманом, так как Л. Мейтнер
эмигрировала после захвата Австрии Гитлером в Стокгольм. Прочитав статьи Кюри и
Савич , Ган был поражен, он подумал, что Кюри и Савич совершенно запутались, и
решил тщательно проверить их опыты. Ган рассуждал так: если R (3,5 ч) -
аналог лантана, то его материнский продукт должен походить на радий, аналогичный
барию. Наблюдаемый Ганом и Штрассманом мнимый радий, действительно, обладал
всеми свойствами радия. 20 декабря 1938 г. в результате многих опытов по
идентификации нового элемента они установили окончательно, что в числе
продуктов бомбардировки, несомненно, имеется барий. «Как химики, - писали они в
своем сообщении, - мы должны из этих кратко описанных опытов существенно
изменить приведенную выше схему и вместо символов Ra, Ac, Th вставить символы
Ва, La, Се. Как «ядерные химики», тесно связанные с физикой, мы не можем
решиться на этот шаг, противоречащий всем предыдущим экспериментам».
Статья Гана и Штрассмана была опубликована в январе 1939 г. под заглавием
«О доказательстве возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана
нейтронами и их свойствах». Но еще до публикации статьи Ган прислал Мейтнер
письмо с изложением своих результатов. К Мейтнер в это время на
рождественские каникулы приехал ее племянник Отто Фриш, работавший у Бора. Мейтнер
показала ему письмо Гана и на скептическое отношение Фриша к содержанию письма
сказала, что дело очень важное и необходимо объяснить получение бария из
урана. Во время лыжной прогулки они решили задачу: ядро делится на осколки,
приобретающие под действием электростатического отталкивания энергию около 200
МэВ, что как раз составляло энергию, связанную с дефектом массы.
Вернувшись в Копенгаген, Фриш сообщил об этой интерпретации открытия Гана и
Штрассмана Бору, уезжавшему в Америку. «Я помню, как он хлопнул себя по лбу,
едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были
заметить это раньше».
Фриш провел соответствующий эксперимент с ионизационной камерой, «с помощью
которой можно было без труда наблюдать большие импульсы, возникающие от
ионизации , производимой осколками деления».
16 января Фриш и Мейтнер опубликовали статью, в которой, в частности, был
впервые употреблен термин «деление», подсказанный Фришу американским биологом
Арнольдом.
26 января 1939 г. в Вашингтоне на конференции по теоретической физике Бор
сообщил об открытии деления урана. Не дожидаясь конца доклада, физики один за
другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих
лабораториях. Изучение деления проводил Ф. Жолио. 30 января 1939 г. он сообщил
Парижской Академии наук об экспериментальном доказательстве расщепления ядер урана
и тория под действием нейтронов. 20 февраля 1939 г. он продемонстрировал
деление ядер урана (Жолио говорил о «взрыве») методом камеры Вильсона, получив
фотографию деления. 8 марта того же года Жолио совместно с Хальбоном и Ковар-
ским опубликовал в «Nature» заметку, в которой сообщал об испускании
нейтронов при ядерном взрыве урана. «Несомненно, - писали они, - что наблюдаемое
явление представляет интерес с точки зрения осуществления экзоэнергетических
цепных реакций». В напечатанной 7 февраля статье «Резонансные явления в
расщеплении урана и тория» Бор указал, что эффект деления связан с захватом
нейтрона ядром «редкого изотопа урана-235».
В апреле 1939 г. Я.И. Френкель выступил со статьей, в которой деление
тяжелых ядер U, Th при захвате нейтрона объяснил как «следствие капиллярной
неустойчивости жидкой капли, обладающей большим электрическим зарядом».
28 июля 1940 г. Н. Бор и Дж. Уиллер представили статью «Механизм деления
ядер», в которой было дано «объяснение механизма деления ядра на основе
модели ядра как жидкой капли». Модель жидкой капли, которая могла бы предсказать
деление ядер, начала активно «работать» при объяснении механизма деления. Бор
и Уиллер показали, что под действием медленных нейтронов делятся изотопы
урана-235 и что нейтроны, наблюдаемые при делении, «не могут возникать в самом
процессе деления». «Запаздывающее излучение нейтронов действительно является
результатом ядерного возбуждения, которое сопровождает бета-распад
нейтронов» .
Осуществление цепной
реакции деления ядер
Теперь встал со всей силой вопрос о цепной реакции деления и о возможности
получения разрушительной взрывной энергии деления. Этот вопрос роковым
образом переплелся с мировой войной, развязанной фашистской Германией 1 сентября
1939 г. Напуганный возможностью получения гитлеровцами в свое распоряжение
оружия огромной разрушительной силы, Эйнштейн подписал письмо президенту США
Рузвельту, в котором предупреждал его об этой опасности и рекомендовал начать
работу по атомной энергии.
История создания атомной бомбы в США неоднократно описывалась. Мы уже
писали, что первый ядерный реактор был Запущен 2 декабря 1942 г. в Чикаго под
руководством Энрико Ферми. Атомная бомба была создана группой ученых из всех
стран мира, работавших в Лос-Анджелесе под руководством Роберта Оппенгеймера.
Испытание было проведено 16 июля 1945 г. в пустынной местности в Нью-Мексико.
В Советском Союзе работы над получением атомной энергии начались в разгар
Великой Отечественной войны, «когда, - как писал И.В. Курчатов, - родная
земля была залита кровью, когда разрушались и горели наши города и села, когда
не было никого, кто не испытывал бы чувства глубочайшей скорби из-за гибели
близких и родных людей».
В этой тяжелой обстановке советские ученые совершили подвиг и «добились
выдающихся успехов в деле создания атомного и водородного оружия».
Руководителем и главным в этом подвиге был трижды Герой Социалистического Труда
академик Игорь Васильевич Курчатов.
Курчатов
Курчатов родился 12 января 1903 г. в поселке Сим, на Южном Урале (Симский
Завод), в семье помощника лесничего В.А. Курчатова. К моменту поступления
^^^^^^ Игоря в гимназию семья переехала в Симбирск, где Игорь
►^^^^^ и начал гимназическую учебу. Однако вскоре из-за болез-
W ни старшей дочери Курчатовы переехали в Симферополь. В
** ^* т^ трудные годы империалистической и гражданской войн
пришлось учиться Игорю. Крым захватывали немецкие
оккупанты, войска Антанты, белогвардейцы всех мастей. Игорь
Курчатов окончил гимназию весной 1920 г. и поступил в
Таврический университет. В ноябре 1920 г. в Крыму
установилась Советская власть.
Учиться было нелегко. Голод и разруха давали себя
знать. Курчатов не гнушался никакой работы, чтобы поддержать существование.
Он был чернорабочим, воспитателем детского дома, диспетчером автоколонны,
сторожем кинотеатра.
В 1923 г. Курчатов досрочно окончил университет и решил продолжить
образование в Петрограде в Политехническом институте. Здесь он поступил на 3-й курс
кораблестроительного факультета. Материальное положение питерского студента
было трудное, и Курчатов устроился на работу в магнитно-метеорологическую
обсерваторию города Слуцка (Павловска). Здесь начался научный путь будущего
ученого. Его статья «К вопросу о радиоактивности снега» была опубликована в
1924 г.
Учеба в Политехническом институте оборвалась в том же, 1924 г. По
предложению старшего физика обсерватории Н.Н. Калитина Курчатов поехал с ним в
экспедицию в Феодосию в Гидрометеорологический центр. Кроме выполнения обычных
функций наблюдателя, И.В. Курчатов проводил и исследовательскую работу. Он
опубликовал результаты исследований в статьях «Опыт применения гармонического
анализа к исследованию приливов и отливов Черного моря» и «Сейши в Черном и
Азовском морях».
Осенью 1924 г. Курчатов приехал в Баку, куда его пригласил на должность
ассистента его учитель по Таврическому университету С.Н. Усатый. Здесь же
работал и друг Курчатова по университету К.Д. Синельников, сестра которого,
Марина Дмитриевна, позднее стала женой Игоря Васильевича.
В Баку И. В. Курчатов опубликовал работу по электролизу твердого тела. Он
ощутил в себе призвание физика и решил поработать в большой физике. Центром
современной физики в те годы был Ленинградский физико-технический институт,
организованный А.Ф. Иоффе. Туда уехал из Баку К.Д. Синельников, туда же
поехал и Курчатов. 1 сентября 1925 г. он был зачислен сотрудником физико-
технического института.
Одной из первых публикаций бакинских физиков в Ленинграде была статья И.В.
Курчатова и К.Д. Синельникова «К вопросу о прохождении медленных электронов
через металлические фольги».
Вскоре Курчатов вместе с Синельниковым и П. П. Кобеко углубился в изучение
свойств диэлектриков. Интерес к свойствам изоляторов диктовался потребностями
электротехнической промышленности, игравшей важную роль в реализации
Ленинского плана ГОЭЛРО. Волховстрой, начатый еще при жизни В.И. Ленина, привлек к
себе внимание всей страны. А.Ф. Иоффе был увлечен идеей создания сверхпрочных
тонкослойных изоляторов. В своем выступлении на V съезде русских физиков,
состоявшемся в декабре 1926 г. в Москве, он показал вынутые им из кармана
пластинки, способные выдержать электрические поля с напряженностью до 150»106
В/см. Этой идеей увлекся и Курчатов. Однако А.П. Александров доказал, что в
измерения электрической прочности изоляторов, выполненных Курчатовым и его
коллегами, вкралась ошибка, нарастающая с уменьшением толщины слоя. Идея
тонкослойных изоляторов оказалась несостоятельной.
Неудача не обескуражила Курчатова. Он продолжал работать с диэлектриками,
исследуя высоковольтную поляризацию в кристаллах сегнетовой соли. Тщательно
Jb
изучая причины разногласий в изучении этого диэлектрика и источники возможных
ошибок, И.В. Курчатов разработал новую методику подведения напряжения к
кристаллу. В качестве подводящих электродов Курчатов и Кобеко использовали
насыщенный раствор сегнетовой соли. Результаты оказались согласующимися между
собой и необычными. При напряженности поля 200 В/см значение диэлектрической
проницаемости кристалла оказалось равным 9300 при комнатной температуре. Так
был открыт новый класс диэлектриков, названный И. В. Курчатовым сегнетоэлек-
триками. По своим электрическим свойствам сегнетоэлектрики оказались полным
аналогом ферромагнетиков. Цикл многолетних исследований этого явления
завершился опубликованной в 1933 г. монографией «Сегнетоэлектрики».
И.В. Курчатов открыл большую и важную для науки и техники область
физического исследования. С ним вместе работали его брат Борис Васильевич Курчатов
и другие ученые. Он мог бы до конца жизни работать в этой области. Но он
решил иначе. 1932 год - «год чудес» - выдвинул на первое место физику ядра. В
Физико-техническом институте в ноябре 1932 г. был создан ядерный семинар. Его
организаторами были А.И. Алиханов, Д.Д. Иваненко, И.В. Курчатов, Д.В.
Скобельцын. С этого времени интересы И.В. Курчатова сосредоточились на ядерной
физике. Он был активным участником семинара, председателем Оргкомитета Первой
Всесоюзной конференции по атомному ядру, состоявшейся в Ленинграде 24-30
сентября 1933 г. Об этой конференции неоднократно приходилось упоминать.
Следует отметить, что в 1932 г. положение ядерной физики в СССР было
незавидным. Правда, еще до революции в России начались работы по радиоактивности,
по преимуществу в связи с геофизикой и геохимией. Особенно важное значение
имели исследования Владимира Ивановича Вернадского (1863-1945), который,
начиная с 1910 г. , исследовал в России месторождения радия и урана, проводил
первые радиохимические исследования радия и урана, применил радиоактивный
метод к исследованию возраста земных пород. В.И. Вернадский горячо верил в
будущее атомной энергии и еще в 1922 г. предупреждал ученых об ответственности
в связи с этим открытием. Он писал: «Мы подходим к важному перевороту в жизни
человечества, с которым не может сравниться все им раньше пережитое. Недалеко
то время, когда человек получит в свои руки атомную энергию, такой источник
силы, который даст ему возможность строить свою жизнь, как он захочет...
Ученые не должны закрывать глаза на возможные последствия их научной работы,
научного прогресса. Они должны себя чувствовать ответственными за последствия
их открытий. Они должны связать свою работу с мировой организацией всего
человечества». В том же, 1922 г. В.И. Вернадский организовал в Петрограде
Радиевый институт, директором которого он был до 1939 г. В этом институте
работал и крупный советский радиохимик академик Виталий Григорьевич Хлопин (1890-
1950), организовавший в 1918-1921 гг. первый русский радиевый завод.
Из физиков следует упомянуть сподвижника Столетова профессора Московского
университета А.П. Соколова (1854-1928), создавшего в Московском университете
практикум по радиоактивности. При организации этого практикума А.П. Соколов
ездил в Париж к М. Кюри, а его ученик К.П. Яковлев - в Манчестер к Резерфор-
ду. В 1912-1913 гг. в Московском университете начал работать специальный
практикум по радиоактивности.
А.П. Соколов организовал радиоактивную лабораторию, имевшую два отделения -
физическое и химическое. Сам А.П. Соколов проводил исследования
радиоактивности воздуха, минеральных вод, лечебных грязей, источников и почв.
Таким образом, Советская Россия располагала известными кадрами для работы в
области радиоактивности. Были установлены контакты с такими научными
центрами , как Институт радия в Париже, Кавендишская лаборатория в Кембридже. Были
проведены еще до революции обширные радиологические исследования, в том числе
и исследования залегания радиоактивных руд. После революции радиологические
исследования развернулись в рентгенорадиологическом отделении Рентгеновского
физико-технического института, пока в 1921 г. не был организован Радиевый
институт .
Большую известность получили исследования Л. В. Мысовского по космическим
лучам. Л. В. Мысовский и П. И. Чижов разработали метод толстослойных пластин
для исследования а-частиц (1926) . Л.В. Мысовский был одним из пионеров
ядерной физики СССР.
Мы упоминали также и Д.В. Скобельцына, который применил метод камеры
Вильсона, помещенной в магнитное поле, для анализа электронов отдачи при эффекте
Комптона (1927). Обнаружив следы электронов большой энергии, не отклоняемых
полем, Скобельцын приписал их космическим В-лучам и в 1929 г. получил первую
фотографию ливней космических частиц, на которой был зафиксирован и позитрон.
Однако магнитное поле, применявшееся Скобельцыным, было слишком слабым, чтобы
можно было достоверно идентифицировать частицу. На Первой Всесоюзной
конференции по атомному ядру Д.В. Скобельцын рассказал о своих работах по
исследованию космических лучей методом камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле.
Но в целом ядерная физика в СССР до 1932 г. находилась в зачаточном
состоянии. Приход И. В. Курчатова в ядерную физику стимулировал оживление работы
этой отрасли физики. Начали строиться высоковольтные ускорители заряженных
частиц.
Такие ускорители были построены в Украинском физико-техническом институте в
Харькове А.К. Вальтером и К.Д. Синельниковым. На этих ускорителях были
осуществлены первые реакции по расщеплению ядер. И.В. Курчатов руководил созданием
ускорителя в Ленинградском физико-техническом институте, но также поддерживал
тесную связь с харьковской группой. В своей последней статье, опубликованной
в «Правде» незадолго до смерти, Курчатов писал: «В начале тридцатых годов мне
довелось быть у истоков зарождавшейся атомной физики на Украине. В то время я
часто приезжал в молодой физико-технический институт, созданный в Харькове по
решению правительства в октябре 1928 г. , и работал в нем со своими старыми
друзьями К.Д. Синельниковым, А.К. Вальтером и А.И. Лейпунским, вместе с
которыми начинал свою научную деятельность в Ленинграде...
В Харькове с К.Д. Синельниковым мы работали над созданием новых
высоковольтных установок, ускоряющих заряженные частицы, для исследования атомного
ядра. С А.К. Вальтером мы разрабатывали импульсные и электростатические
ускорители для исследования атомных ядер... С А.И. Лейпунским были проведены
исследования атомных ядер при помощи нейтронов, незадолго до этого открытых
англичанином Чедвиком».
И.В. Курчатов работает не только в ЛФТИ и УФТИ, он ведет педагогическую и
научную работу по ядерной физике в Ленинградском педагогическом институте им.
М.И. Покровского, где он был профессором. Он как будто хочет зажечь огонь
ядерной физики в разных точках страны.
В 1935 г. было сделано фундаментальное открытие в физике ядер. Облучая
нейтронами два изотопа брома Вг74 и Вг81, И. В. Курчатов, Б. В. Курчатов, Л. П.
Русинов и Л.В. Мысовский получили не два радиоактивных продукта, как ожидалось,
а три с периодами 18 мин, 4,4 и 34 ч. Так было открыто существование у брома
двух изомерных ядер.
Открытие ядерной изомерии привлекло внимание зарубежных исследователей.
Молодая советская ядерная физика внесла существенный вклад в эту бурно
развивающуюся отрасль знания.
В 1935 г. вышла книга И.В. Курчатова «Расщепление атомного ядра», где он в
доступной форме дал обзор опытов по расщеплению ядер.
20-26 сентября 1937 г. в Москве состоялась Вторая Всесоюзная конференция по
атомному ядру. За четыре года, прошедшие со времени первой конференции, было
сделано очень много.
Открытие искусственной радиоактивности и ядерных превращений под действием
нейтронов необычайно стимулировало развитие ядерных исследований. На
конференции присутствовали В. Паули, известный французский исследователь
космических лучей Оже, английские ученые Вильяме и Пайтерлс.
К.Д. Синельников доложил о построенном в Харькове ускорителе Ван-де-Граафа.
Диаметр шаров ускорителя составлял 10 м, длина ускорительной трубки была 15
м, давление газа в ней достигало 4 «Ю-6 мм рт. ст. Энергия протонов,
сообщенная ускорителем, достигала 2,5 МэВ.
В.П. Рукавишников рассказал о создании в Радиевом институте циклотрона.
Работа над созданием циклотрона была очень нелегкой. В 1937 г. был получен
первый пучок ускоренных протонов, но работа по наладке ускорителя продолжалась и
в 1938 и в 1939 гг.
И.В. Курчатов отдал созданию циклотрона много времени и сил. Он хорошо
понимал необходимость создания в СССР технической базы ядерной физики и уделял
этому делу огромное внимание.
На конференции И.В. Курчатов рассказал об опытах по поглощению медленных
нейтронов и найденном им и его сотрудниками селективном резонансном
поглощении нейтронов.
За второй конференцией последовали совещания по атомному ядру. Они
проводились в 1938, 1939 и 1940 гг. И.В. Курчатов был непременным организатором и
участником совещаний. Ведущей темой совещаний 1939-1940 гг. было деление
ядра. На совещании 1939 г. с докладом на эту тему выступили сотрудники И.В.
Курчатова. Обзорный доклад «Деление урана» сделал А.И. Лейпунский. В докладе
он подчеркнул возможность осуществления цепной реакции. «Медленный нейтрон, -
говорил Лейпунский, - захватывается ядром урана, ядро делится с испусканием
огромного количества энергии, при этом испускаются нейтроны, которые
замедляются в водородсодержащей среде; став медленными, они опять поглощаются ядрами
урана, вызывая их деление с испусканием нейтронов, и т.д. ...Ясно, что если
такой процесс может быть осуществлен, становится возможным практическое
использование деления урана».
Н.А. Перфилов из Радиевого института доложил о наблюдении треков ядер
отдачи при ядерном распаде. Ученик И.В. Курчатова К.А. Петржак выступил с
докладом на тему «Пробеги и энергии осколков при делении урана быстрыми
нейтронами» . Для наблюдения процесса деления урана в этой работе применялась
ионизационная камера, соединенная с линейным ускорителем. Наблюдались в основном
два типа осколков с энергиями 60 и 85 МэВ.
В.Г. Хлопин сделал доклад о химической природе продуктов деления урана.
Сотрудники И.В. Курчатова Л.И Русинов и Г.Н. Флеров рассказали об опытах по
делению урана.
Курчатов выступил с докладом о результатах опытов, в которых нейтроны,
получаемые на циклотроне Радиевого института, бомбардировали ядра гадолиния.
Открытая И.В. Курчатовым ядерная изомерия показала «наличие метастабильных
состояний атомного ядра». При этом ядро, возбужденное до метастабильного
уровня, «чаще всего переходит в основное состояние, излучая электроны
внутренней конверсии». Опыты с гадолинием, как указывал Курчатов, «дают основание
думать, что сильно поглощающий медленные нейтроны гадолиний, который не дает
при этом искусственной радиоактивности, обладает метастабильным уровнем с
энергией порядка MeV».
На совещании по физике атомного ядра, состоявшемся в Москве 20-26 ноября
1940 г., ученик И.В. Курчатова Г.Н. Флеров сделал доклад об открытом им и
К.А. Петржаком самопроизвольном делении урана. Об этом фундаментальном
открытии советской ядерной физики говорил в своем докладе и И.В. Курчатов.
И. В. Курчатов обсуждал конкретные пути осуществления цепной реакции. Он
ссылался на теоретические расчеты Я.Г. Зельдовича и Ю.Б. Харитона и указывал,
что наиболее надежный путь заключается в обогащении урановой смеси легкими
изотопами урана-235. Здесь трудность состояла в проблеме разделения изотопов,
которая, как полагал И.В. Курчатов, ввиду ее важности будет решена. И.В.
Курчатов не испугался трудностей, стоящих на пути овладения внутриядерной
энергией, он энергично взялся за решение задачи. Его окружали молодые энтузиасты,
разделявшие веру своего руководителя. К Л. И. Русинову, Г.Н. Флерову, К. А.
Петржаку присоединился И. С. Панасюк, начавший работать в лаборатории И. В.
Курчатова, будучи еще студентом Политехнического института.
Курчатов работал также и над созданием нового мощного циклотрона с
диаметром полюсов электромагнита 1,2 м. Новый циклотрон должен был вступить в строй
1 января 1942 г.
Но планы И.В. Курчатова сорвала война. Сам Курчатов, Флеров, Петржак и
Панасюк - все были призваны в армию. И.В. Курчатов работал над проблемой
противоминной защиты кораблей Советского Военно-Морского флота. Ему пришлось
работать в боевых условиях Черноморского флота в героическом Севастополе. В
ноябре 1941 г. группа Курчатова перебазировалась на Кавказское побережье, с
большим риском прорвавшись из блокированного Севастополя. В декабре 1941 г. И.В.
Курчатов был откомандирован в Казань, где размещался физико-технический
институт, работавший над военными заданиями. Поздней осенью 1942 г. Курчатова
вызвали в Москву. Туда же вызвали и А.И. Алиханова. Было решено начать работы
по атомной энергии. В декабре Курчатов вернулся в Казань, полный мыслей о
предстоящем большом деле. В начале января 1943 г. его вновь вызвали в Москву.
Народный комиссариат Военно-Морского флота добился разрешения на командировку
Курчатова в Мурманск. Это была его последняя работа для флота, на этот раз
северного.
5 марта 1943 г. он вернулся в Москву, где энергично взялся за организацию
работы над разрешением атомной проблемы. Работа была громадная, надо было
собрать людей, установить необходимые контакты с промышленностью, наметить
первоочередные Задачи и т.д. Выдающийся организаторский талант И. В. Курчатова
помог ему справиться с колоссальной задачей при всесторонней поддержке партии
и правительства.
25 декабря 194 6 г. на территории Института атомной энергии, ныне носящего
имя своего основателя, впервые на континенте Европы и Азии была осуществлена
цепная реакция деления урана. То, к чему стремился И.В. Курчатов еще до
войны, было осуществлено. В августе 1949 г. под руководством И.В. Курчатова было
произведено испытание советской атомной бомбы. Через четыре года, 8 августа
1953 г., ТАСС сообщило о создании в СССР водородной бомбы 12 августа 1953 г.
водородная бомба была испытана.
Обеспечив безопасность Родины созданием атомного и водородного оружия, И.В.
Курчатов стал напряженно трудиться над применением атомной энергии в мирных
целях. Под его руководством разрабатывался проект первой в мире атомной
электростанции в Обнинске, начавшей свою работу 27 июня 1954 г.
В июле 1955 г. в Москве состоялась сессия Академии наук СССР. На ней было
рассказано о работах, ведущихся по ядерной физике в Советском Союзе. В
августе того же года в Женеве проходила Первая Международная конференция по
мирному использованию атомной энергии. С докладом о первой в мире атомной
электростанции выступил один из ее создателей, член-корреспондент Академии наук
СССР Дмитрий Иванович Блохинцев.
В апреле 1956 г. в Англию в составе правительственной делегации поехал И.В.
Курчатов. Он был в атомном центре в Херуэлле, где его встретил директор
атомного центра Нобелевский лауреат Джон Кокрофт. И. В. Курчатов выступил в
Херуэлле с лекцией, в которой рассказал о работах по управляемым термоядерным
реакциям, ведущимся в СССР.
Эта проблема глубоко интересовала Игоря Васильевича. По возвращении из
Англии он выступил 10 мая 1956 г. в «Правде» со статьей, в которой говорил о
важности задачи управления термоядерным синтезом. «Решение этой задачи, -
писал Курчатов, - навсегда сняло бы с человечества заботу о запасах энергии,
необходимой для существования на Земле». Этой проблеме посвятил И.В. Курчатов
свои силы и энергию в последние годы жизни.
Напряженный труд надломил Здоровье Игоря Васильевича. В ноябре 1957 г. он
перенес инсульт. Но после тяжелой болезни не прекращал своего труда.
В январе 1960 г. он побывал у своих старых друзей: К.Д. Синельникова, А.К.
Вальтера, А.И. Лейпунского - в Харькове. О своих впечатлениях о работе
украинских атомщиков он написал статью, опубликованную в «Правде». Это была
последняя публикация ученого. 7 февраля 1960 г. он скоропостижно скончался.
«Я счастлив, - говорил И. В. Курчатов на сессии Верховного Совета СССР 15
января 1960 г. , - что родился в России и посвятил свою жизнь атомной науке
великой Страны Советов...
Я глубоко верю и твердо знаю, что наш народ, наше правительство только
благу человечества отдадут достижения этой науки».
Эти слова прекрасно характеризуют основоположника советской атомной науки и
техники, горячего патриота своей Родины Игоря Васильевича Курчатова.
История
КРИВАЯ ИСТОРИЯ ОТКРЫТИИ
С.Г. Бернатосян
(продолжение)
От редакции
Мы долго не решались дать дорогу этому материалу - уж больно
он смахивает на «желтую прессу». Но и отмахнуться от него так
просто нельзя - приводимые в нем сведения могут оказаться
достаточно верными, хотя может быть и не всегда правильно
интерпретируемыми . В конце концов, мы решили сопроводить каждую
статейку выдержками из Википедии, выделив их цветом. Наши
читатели достаточно разумны и образованы (иначе они бы не
читали этот журнал), и вполне могут разобраться сами - где
истина , а где ее искажение.
ОПРОВЕРЖЕНИЕ
СОБСТВЕННЫХ РАБОТ
Мало кто теперь из специалистов не знаком с датой зарождения квантовой
физики — 14 декабря 1900 года. Тогда на заседании физического общества в
Берлине Планк впервые изложил гипотезу о квантах. Местная научная элита явно
недооценила сообщения, задавшего начало новому направлению физической науки. Но
вслед за ним остальной учёный мир словно взорвался, расколов физиков на два
противоборствующих лагеря. Первый, куда вошла горстка учёных во главе с
Эйнштейном, сразу же ухватился за неожиданное предположение о существовании
квантов, которое могло закрыть "чёрные дыры" в трактовке многих физических
явлений. Другой — углядев в нём посягательство на устои классической физики,
тут же яростно обрушился на доводы, выдвигаемые защитниками новой квантовой
теории. Самое странное, что во втором лагере оказался... сам автор гипотезы.
Случай в истории науки редчайший. Планк не просто засомневался в своём
открытии, он как бы внутренне восстал против него, препятствуя утверждению
квантовых представлений во имя сохранения классических, "чудесных своей красотой и
гармонией".
Можно только представить состояние Планка, раздираемого мучительным
вопросом, как вывести науку из того "тупика", в который он завёл её своей
"сумасбродной" идеей. Вот как передавал очевидец тех событий А.Ф. Иоффе в
своей книге "Встречи с физиками": "Он (Планк. — СБ.) всячески старался как
можно меньше отходить от положений классической физики. Он отрицал квантовую
природу самой лучистой энергии и хотел свести все к скрытому в глубинах атома
механизму испускания света; с трудом только он согласился затронуть только
акты поглощения". То есть Планк, представив на суд учёной общественности одну
из самых величайших гипотез, когда-либо появлявшихся в человеческом сознании,
сам оказался не готовым воспринять её как принципиально новую,
"переворотную", ничего не имеющую общего с классическими теориями.
Революционность гипотезы Планка оценили другие исследователи и, в первую
очередь, Пауль Эренфест, "главный санитар" новых физических теорий, который
более всех прилагал усилий, чтобы убедить в её полной состоятельности
заплутавшего в трёх соснах автора. Планк признал собственную теорию позже, когда,
по словам Эйнштейна, его идея стала основой всех исследований в физике XX
века, и мир убедился в том, что он "посадил физикам в ухо большую блоху".
Однако, и признав теорию, он продолжал настаивать на добыче новых данных. "Первый
повод к пересмотру какой-нибудь физической теории почти всегда вызывается
установлением одного или нескольких фактов, которые не укладываются в рамки
прежней теории. Факт является той архимедовой точкой опоры, при помощи
которой сдвигаются с места даже самые солидные теории", — писал Планк.
Такой факт в распоряжение физиков на рубеже двух последних столетий
предоставил Анри Беккерель, обнаруживший радиоактивность, хотя какое-то время это
открытие казалось столь же неправдоподобным, как и предшествующее ему
открытие рентгеновских лучей. При проведении опытов с радиоактивностью в течение
нескольких лет физики наблюдали деление ядра урана, но всякий раз не верили
своим глазам. Немецкий физик и радиомеханик Отто Ган и через четверть века
пребывал в заблуждении, что разложение ядер урана на изотопы — чистейший
абсурд. А когда его соотечественница, физико-химик Ида Ноддак обратилась к Гану
с просьбой обсудить в научных кругах возможность распада ядра атома на
несколько осколков при бомбардировке его нейтронами, тот весьма резко ответил,
что, мол, если она не хочет потерять репутацию первоклассного химика (Ноддак
заслужила её открытием рения — последнего стабильного химического элемента),
то ей необходимо сразу же избавиться от подобных глупых мыслей. Если бы он
только мог, то через несколько лет непременно взял бы свои слова обратно!
Парадоксально, но Ган отрицал теорию расщепления ядра даже тогда, когда
совместно со Штрассманом в 1938 году сам неоднократно наблюдал данное необычное
явление. Эти эксперименты открыли новую эру в изучении ядерных процессов,
предоставившую в распоряжение человечества огромный потенциал природы. Тем не
менее, Гану нелегко давалась ломка сознания. Так, например, написав и опустив
в почтовый ящик свою статью "О доказательстве возникновения щёлочноземельных
металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах", адресованную в
редакцию "Naturwissenschaften", он чуть было не вытащил её обратно.
Одновременно, пытаясь унять бунт разума и души, Ган отправил письмо в Стокгольм Лизе
Мейтнер, вместе с которой работал ещё до её эмиграции из Австрии, где
подробно описал зарегистрированное им необычное явление и поделился одолевавшими
его сомнениями. Благодаря усилиям Лизы Мейтнер, а затем Отто Фриша, Нильса
Бора и их страстным громогласным дискуссиям, учёный мир ещё до опубликования
сообщения Гана и Штрассмана узнал о ядерной реакции и признал этот факт как
данность, в то время как Ган продолжал испепелять самого себя.
Говорят, что, когда Нильс Бор узнал от Отто Фриша об обнаруженном Ганом
новом физическом явлении с огромным выделением энергии, он поначалу тоже
окаменел и даже утратил дар речи. Первое, что он произнёс, придя в себя и хлопнув
ладонью по лбу, было следующее: "Как мы могли только это просмотреть!" А
когда Бор, с трудом переварив сенсационную научную новость, преподнёс её
коллегам на международной конференции по теоретической физике, то многие из
присутствующих в шоке посрывались со своих мест и долго не могли успокоиться, в
суматохе перебивая друг друга. Затем, забросив свои дела, все возжелали лично
увидеть процесс ядерного расщепления, и ринулись в лаборатории.
Да что говорить о метаниях и неверии в очевидное тогда ещё совсем молодых
учёных, когда такой маститый авторитет в физике, как Эрнест Резерфорд, до
последних лет жизни сомневался в реальности практического использования энергии
своего "детища" — атомного ядра. "Всякий, кто видит в превращении атома
источник энергии, — выразил он в 1937 году За месяц до своей кончины свою точку
зрения, — болтает чепуху". Не вязалось с его учёностью и "убийственное"
заключение по поводу теории относительности: "Это всего-навсего чепуха, и не
было особой нужды в ней для нашей работы".
Настоящий душевный кошмар пережил в конце двадцатых годов нашего столетия
один из основателей квантовой механики Поль Дирак. Составив сложное волновое
уравнение, описывающее движение электрона, и решив его, Дирак теоретически
вплотную подошёл к вопросу о существовании первой из античастиц — позитрона.
Но он никак не мог взять в голову, что такая античастица реально существует.
Внутреннему противоборству Дирака пришёл конец лишь в 1932 году, когда
американский физик Карл Андерсон обнаружил в космических лучах позитроны, за что
был удостоен Нобелевской премии. Вина или беда Дирака в том, что он сам
отверг свою идею? Скорее, беда. Сделать открытие ему помешало безупречное
знание классических законов физики, из пут которых он так и не смог
освободиться.
Приемлема и другая версия. Дирак, подобно Планку и Кантору, стремясь выйти
из-под мощного прессинга критики и не находя убедительных ответов на
возражения оппонентов, намеренно изменил своему замыслу и стал вести себя как самый
злейший враг самому себе. Неадекватно поступил и другой неоспоримый авторитет
в области квантовой механики, Вольфганг Паули, вызвав бурю негодования на
своего коллегу, когда созданная им теория электронов навела того на мысль о
существовании позитронов.
Кстати, Вольфганг Паули, раздираемый внутренними противоречиями насчёт
"бытия" элементарных частиц нейтрона и нейтрино, в конце двадцатых годов
текущего столетия пригласил к себе на работу в Цюрихский политехникум молодого
и перспективного физика Р. Кронига, поставив перед ним единственную задачу:
противоречить во всём его мыслям, взглядам и идеям. Странность? Да. Но вполне
объяснимая. Из истории теоретической физики хорошо известно, что именно
противодействие многих учёных, в том числе и Бора, позволило учению о квантах
довольно быстро найти "неуловимую" элементарную частицу нейтрино. Не случайно
же говорят, что в споре рождается истина. Разумеется. И не только с другими,
но и с самим собой. Вот так-то! Наводили могучие лбы тень на плетень, а затем
энергично начинали с этой тенью бороться.
Представляя "изнутри" историю становления квантовой физики как науки,
нельзя не упомянуть о событиях, связанных с открытием спина электрона. Чтобы
построить полную модель атома, Вольфганг Паули чисто теоретически ввёл для
описания свойств электрона четвёртое дополнительное квантовое число, о чём не
замедлил сообщить в печати. Заметив эту статью и детально ознакомившись с
ней, молодые физики, ученики Эренфеста из Лейденского университета Джордж
Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит, тотчас высказали предположение, что четвёртое
квантовое число даёт представление о вращении электрона вокруг своей оси, и
опубликовали в том же журнале свои соображения. (Правда, подобно Гану, чуть
было не забрали обратно готовую к отправке корреспонденцию назад.)
Трудно описать реакцию учёного мира, в том числе и крупнейших физиков, на
их "выходку". Особенно безжалостен был по отношению к молодым учёным...
Паули. Если бы не Эренфест, Уленбек и Гаудсмит, пожалуй, не смогли бы выдержать
эту атаку больших умов и, вероятнее всего, под их психологическим давлением
совершенно порвали с наукой. Отчаявшись, они даже пробовали изъять статью из
редакции. Обоих вывел из стресса учитель, обронив фразу: "Вы ещё оба
достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать глупость". Показательным же в этом
"сюжете" является то, что Паули, который своими работами в буквальном смысле
слова натолкнул Уленбека и Гаудсмита на открытие спина электрона и сам стоял
вплотную к нему, с фанатичным упрямством опровергал саму идею о наличии
спина, даже после получения экспериментальных и расчётных подтверждений.
Что же получается? А то, что и Планк, и Дирак, и Паули, эти маститые
теоретики, то и дело возбуждая революционные настроения в науке, по своей натуре
вовсе не были революционерами, а скорее, наоборот, тяготели к стану "убитых"
консерваторов. Будучи объективно созидателями, они, ведя ожесточённое
единоборство с самими собой и драматически переживая собственные открытия,
оказывались в роли разрушителей, направляя всю свою интеллектуальную мощь на то,
чтобы уничтожить плоды своих трудов и опровергнуть собственные научные
воззрения .
Даже дальновидный Пауль Эренфест, который в переломные для теоретической
физики дни успел схватить за ворот "у самого порога пропасти" ценные идеи
Планка, а также не дал утопить Уленбека и Гаудсмита, не раз проявлял
близорукость, дистанцируясь от работ с "ослабиной", среди которых, естественно,
попадались и явно заслуживающие внимания. Эйнштейн, например, считал
губительным для Эренфеста то, что "его критические способности опережали способности
конструктивные". И был прав, так как из-за этого недостатка Эренфест не додал
науке всего того, на что был способен его гениальный ум.
Вместе с тем этот учёный всегда был в курсе самых важных событий,
предугадывая рождение новых перспективных направлений. Он творил, дискутировал,
оппонировал, возражал, кидался ради выстраданных идей "на амбразуры". Но чаще
боролся с самим собой, оберегая науку от лженаучных теорий, ошибочных выводов
и установок. С целью точного поражения "мишеней" он таскал с собой
цейлонского попугая, которого обучил своей коронной фразе: "Aver meine Herren, das ist
keine Physik", что означало: "Но, господа, ведь это не физика!", и даже
выставлял своего любимца как оригинального участника дискуссий в крупном
научном центре Гёттингене, когда обсуждались спорные вопросы зарождающейся в тот
период квантовой механики. Но от собственных заблуждений его не мог спасти
даже заносчиво выдрессированный попугай.
Какое раздвоение души, какая разноголосица во взглядах! Какое жуткое
желание добраться до истины! И в то же время, какая глубокая вера в незыблемость
основных законов природы! Аристотель говорил, что сомнение и противоречивость
в сознании есть начало мудрости, И не только мудрости в познании мира, но и
ещё много чего.
Обращаясь к библейской тематике, можно найти аналогичный Эренфесту и ему
подобным образ — раздираемого сомнениями и страстями апостола Павла1.
Вначале, являясь злейшим врагом учения Христа, Савл, таково было мирское имя
апостола , лично возглавлял карательные операции против его приверженцев. Но в
один прекрасный день на него нашло озарение. Поняв, "на кого руку поднимал",
Савл поменял и имя, и свои взгляды. С обновлённой душой, в которой поселился,
наконец, мир, он пошёл столь же самоотверженно служить Господу, как некогда
отвергал его, лишь бы хоть тенью своей коснуться истины. Он отрёкся от самого
себя во имя Спасителя, посвятив всю оставшуюся жизнь искуплению греха. В
поступках многих выдающихся людей прослеживается та же линия самоосуждения.
"Приговор, выносимый мною самому себе, — писал французский философ
средневековья Мишель де Монтень2, — гораздо строже и жёстче судебного приговора, ибо
судья применяет ко мне ту же мерку, что и ко всем, тогда как тиски моей
совести крепче и беспощаднее". Интересно, что даже в подходе к наказанию
великие мыслители проявляли яркую индивидуальность и неповторимость.
Для настоящего учёного истина — безусловно, самая главная ценность. Он
испытывает блаженство и ощущает благодать лишь после того, как достигнута цель
в познании и научная истина им установлена. Поэтому в процессе
исследовательского поиска его сознание меняется, зачастую приводя к коренной ломке
устоявшихся в течение жизни идей и взглядов. Можно сказать, что такие люди
переживают переворот сознания, который неизменно приводит их к высотам
человеческого духа. Да, через Голгофы, через кресты, но приводит. Китайцы в отличие от
Аристотеля полагали, что мудрость есть равновесие добра и зла. Но ведь чтобы
маятник пришёл в равновесие, его надо предварительно как следует раскачать.
Разве не так?
Есть и ещё один аспект проблемы. Весь ход истории науки и техники
показывает, что многие идеи, проекты и теории на поверку часто оказывались
неубедительными и недееспособными, хотя их авторы были абсолютно уверены, что
сделали важные открытия и изобрели нечто стоящее. На современном этапе научно-
технического развития сложилась вообще парадоксальная ситуация: сейчас для
научного работника легче сделать открытие, чем убедиться в том, что оно
состоятельно и до него ещё никто не приходил к аналогичным заключениям.
Поэтому для современного учёного не столько важна одарённость, сколько
умение разобраться в обилии информации и найти в ней "зёрнышки", которые
способны дать ценные всходы. Второе условие успеха — высокие нравственные качества,
исключающие снисходительность даже к самому себе. Тысячекратная проверка сво-
1 Апостол Павел (Савл, Саул, Шауль, 5/10—64/67) — «апостол язычников», не входивший
в число Двенадцати апостолов и участвовавший в юности в преследовании христиан.
Пережитый Павлом опыт встречи с воскресшим Иисусом Христом привёл к обращению и стал
основанием для апостольской миссии. Павлом были созданы многочисленные христианские
общины на территории Малой Азии и Балканского полуострова. Послания Павла общинам и
отдельным людям составляют значительную часть Нового Завета и являются одними из
главных текстов христианского богословия.
2 Мишель де Монтень (фр. Michel de Montaigne; полное имя — Мишель Экем де Монтень,
фр. Michel Eyquem de Montaigne; 1533—1592) — французский писатель и философ эпохи
Возрождения, автор книги «Опыты».
их экспериментальных и теоретических исследований на всех ключевых
направлениях, разрешение собственных противоречий и сомнений, возникающих в научном
творчестве, и в то же время простота, скромность и готовность в любой
ситуации признать свои ошибки — вот что отличает истинного служителя науки от
карьериста и честолюбца. Под этим углом зрения следует смотреть и на
"странное" поведение Планка и Гана, и на "оригинала" Эренфеста с его учёным
попугаем, которые пожирали самих себя, чтобы потом возродиться из пепла.
Здесь уместно вспомнить скрупулёзную требовательность к себе и своим
исследованиям Генри Кавендиша, никогда не отдававшего в печать работ,
достоверность которых была бы для него хоть в какой-то степени сомнительна. Свои
выводы он проверял годами, если не десятилетиями. Мы уже знаем, что часто из-за
этого Кавендиш неоднократно терял возможность стать первооткрывателем многих
законов, открытых впоследствии другими. Вместо него набирал вес его архив с
"невостребованными" статьями.
Излишне строго относился к собственным трудам и академик Сергей Алексеевич
Чаплыгин. При жизни он опубликовал всего 38 работ, хотя подготовил к печати
их несколько сотен. Когда же друзья и коллеги начинали недоумевать и даже
негодовать по этому поводу, он отделывался от них полушутливым замечанием, что,
дескать, его работа не даёт науке ничего принципиально нового и полезного.
Однако, несмотря на эти "шуточки" и на то, что ряд чаплыгинских идей,
глубоких и оригинальных по своей сути, пропал втуне, сам Чаплыгин со своим
немногочисленным "книжным" багажом всё-таки вошёл в корифеи математической мысли.
Невероятно представить, но другой советский математик, главный теоретик
космонавтики Мстислав Всеволодович Келдыш, занимавший добрые полтора
десятилетия пост президента Академии наук СССР, оставил после себя всего 18 (да,
именно восемнадцать, без какой-либо утерянной цифры впереди) опубликованных
трудов. Если иметь в виду их "количественную" сторону, то Келдыш не посмел бы
сегодня даже участвовать в конкурсе на вакантное место старшего научного
сотрудника . А если говорить о качестве проведённых им теоретических разработок,
составивших содержание этих 18(!) статей, то каждая из них стоила, пожалуй,
целой творческой жизни любого исследователя.
А недавно скончавшийся президент Академии наук Армении, величайший
астрофизик современности, Виктор Амазаспович Амбарцумян предъявлял к себе такие
высокие требования, что вообще мог остаться без публикаций. Чтобы увидеть "со
стороны" недостатки собственных работ, он внутренне перевоплощался в своего
самого ярого научного противника и начинал "разносить" любую из гипотез в пух
и прах, не оставляя без критики ни единой высказанной им мысли. Его
"самоедство" приводило к ситуациям, доходящих до анекдота. На солидных
семинарах Амбарцумян с такой степенью взыскательности давал оценки собственным
выводам, что его оппонентам ничего не оставалось, как защищать идеи академика
от его же нападок, доказывая, что под авторской критикой нет никакой
серьёзной основы. Непосвящённый человек, окажись он на одном из таких научных
диспутов , сразу бы и не разобрался, кто здесь докладчик, а кто слушатели, так
умудрялся Амбарцумян "взбаламутить" зал и перевернуть все с ног на голову.
Вместе с тем он глубоко и сильно переживал факт, когда многие признанные
астрофизики мира отвергли его теорию активности ядер галактик, в неимоверных
муках выношенную и рождённую в стенах Бюраканскои обсерватории. Но и в эти
трудные дни учёный оставался самим собой. "Кто не имеет научных противников,
тот в науке безлик", — говорил он. Время показало, что прав был Амбарцумян,
что действительно активностью ядер галактик определяются важнейшие
нестационарные процессы в их эволюции, например, такие, как мощное радиоизлучение и
гигантские взрывы. В рамках этой теории можно было рассматривать даже вопросы
происхождения радиогалактик. Если до неё считалось, что радиогалактики
образовались в результате неожиданного столкновения двух гигантских галактик, то
Амбарцумян показал, что радиогалактики являются лишь активнейшей фазой
эволюции галактик в целом. "Когда рождается новая идея, то вначале она имеет
только одного приверженца в лице автора", — с грустью констатировал впервые,
пожалуй, вставший тогда на собственную сторону Амбарцумян. Только со временем
его открытие, найдя последователей, стало обрастать неким защитным
интеллектуальным полем и превратилось в основополагающую космогоническую теорию,
которая задала направление последующим астрономическим исследованиям.
Тогда же одного зарубежного астрофизика из числа самых ретивых
"разносчиков" работ Амбарцумяна уличили в плагиате. Оказывается, он самым
наглым образом воровал амбарцумяновские идеи и выдавал их за свои. Многие были
крайне возмущены таким бесстыдством, но только не сам исследователь,
отреагировавший на ситуацию чисто философски. "А что тут плохого? Нам надо только
радоваться, что наши противники стремятся стать нашими соавторами!" — заявил
Амбарцумян.
Высочайшая взыскательность к результатам своей научной деятельности была
свойственна и академику Льву Андреевичу Арцимовичу. Когда в 1953 году им было
обнаружено, что мощные импульсные разряды в газах порождают излучение
нейтронов, учёный мир пришёл в неописуемый восторг. Понятно, от чего. Все были
уверены, что это открытие, впоследствии удостоенное высокой Ленинской премии,
ключ к управляемому термоядерному синтезу. Все, но только не автор открытия!
Долгих четыре года он проверял и перепроверял полученные результаты,
заставляя своих сотрудников вновь и вновь ставить контрольные эксперименты.
Казалось бы, куда ещё? Но Арцимович был непреклонен, и вскоре его настойчивость
увенчалась успехом: природа нейтронов оказалась не термоядерной. Установить
это было очень важно. Не менее важно, чем открыть до этого нейтронное
излучение высокотемпературной плазмы.
Трудно было, конечно, Арцимовичу не поддаться соблазну и заодно с
признанными авторитетами не начать бить в литавры сразу же, как повсюду заговорили о
его "перспективной" находке. Но чувство ответственности перед человечеством
за свою работу одержало верх. В мучительном поединке с самим собой (кому же
не хочется мировой славы?) учёный избрал тернистый путь к истине. И победил.
Вместе с тем Арцимович всегда "ставил на место" физиков, которые выступали
против или выражали сомнение в осуществлении управляемой термоядерной реакции
в принципе. "До изобретения велосипеда, — говорил он, — никто не верил в
возможность механического передвижения на двух колёсах".
Из замечательной плеяды советских учёных никогда не давал спуску ни себе,
ни ученикам Игорь Васильевич Курчатов. День за днём, месяц за месяцем и год
за годом он, проверяя свои предположения, заставлял сотрудников заниматься
постановкой все новых экспериментов, хотя, как всем казалось, исследуемая
проблема давно уже была разрешена. Самые молодые и нетерпеливые, из тех, кому
особенно надоела ежедневная рутинная работа, строптиво роптали на своего
руководителя, что он не торопится перейти к решению очередной научной задачи.
Другие удивлялись педантичности и излишней взыскательности Курчатова. "Что,
ему делать нечего?" Третьи задавались вопросом: "А не исчерпал ли он себя как
прежний генератор идей?" Но Курчатов стоял на своём. И время неизменно
доказывало его правоту. Высокоэффективный результат работы возглавляемого им
коллектива — яркое тому свидетельство.
Поиск истины... Сколько напряжённого труда, мимолётных ликований и тяжких
разочарований, упорства и одержимости, лишений и страданий, сомнений и
неожиданных прозрений кроется за этими двумя словами! И как сильно стремление
посвященных найти её, избежав ложного пути. Не с этой ли целью советский
академик Н. Н. Семёнов, один из основоположников химической физики, ставил самые
противоречивые опыты, выверяя выдвинутую им теорию разветвлённых цепных
реакций? Будучи убеждённым, что отрицательный результат — тоже результат, учёный
"прокручивал" её со всех сторон, не боясь рубить сук, на котором сидел. Такой
"двусторонний" метод проверки теоретических положений, когда предпринятый
эксперимент мог как подтвердить их, так и разрушить, по мнению Семёнова, был
наиболее эффективным. Не случайно именно из его уст мы, тогда ещё молодые
сотрудники академического Института химической физики, с гордостью причисляющие
себя к ученикам этого крупнейшего мыслителя, услышали напутствие такого рода:
настоящий учёный, мол, только тот, кто станет продолжать свои исследования,
даже если ему за них не будут платить ни гроша, и даже сам согласится
приплатить , лишь бы его не лишили возможности искать истину.
Однажды Николай Николаевич Семёнов вступил в ожесточённую дискуссию с
признанным авторитетом, видным специалистом в области этой новой научной
дисциплины — химической физики, Максом Боденштейном. При исследовании процесса
окисления паров фосфора Семёнов совместно с Ю.Б. Харитоном и Э.Ф. Вальтой1
обнаружил любопытное явление: в определённом режиме протекания химического
процесса при уменьшении давления или изменении объёма задействованного в
опыте сосуда ниже предельно допустимых величин химическая реакция в нём
неожиданно прекращалась. Боденштейн же один за другим выдвигал аргументы против
полученных Семёновым экспериментальных результатов, которые, на его взгляд,
не влезали ни в какие рамки существующих теорий.
Пытаясь убедить не столько Боденштейна, сколько самого себя, Семёнов, на ту
пору ещё тоже молодой физик, с завидным упорством и настырностью продолжал
свои исследования, проверяя и перепроверяя результаты экспериментов,
полученные им первоначально при окислении паров фосфора, а потом при окислении
водорода, окиси углерода и других веществ. Положение осложнялось тем, что
сомнения по поводу сенсационных результатов стал выражать и его учитель "папаша
Иоффе". У другого бы учёного тут же опустились руки, но только не у Семёнова!
Неустанный творческий поиск, доходивший до мученичества, взыскательность и
глубокая вера в достижение цели увенчались колоссальным успехом. Семёнов
установил, что ниже определённых критических значений каких-либо параметров
реактивной системы химический процесс полностью прекращается, а при поднятии
"планок" тот же процесс, напротив, протекает с огромной скоростью и даже
переходит во взрыв. То есть фактически он вышел на открытие предельных явлений
при протекании химической реакции. Но и этого Семёнову было мало. Он
докопался до причин возникновения подобных явлений и вскрыл их, что дало возможность
вплотную подойти к разработке цельной теории ценных разветвлённых реакций.
Парадоксальным в этой истории является то, что Боденштейн сам своим
открытием фотохимических реакций с большим квантовым выходом положил начало
представлениям о цепной реакции, но вместо поддержки тех, кто, в общем-то, пошёл
по его следу, активно противостоял им, в данном случае противясь развитию
учения о важном и распространённом в природе типе реакции. Семеновская же
теория цепных разветвлённых реакций не только объяснила особенности
протекания сложных химических процессов, в том числе и окислительных, но и гениально
предвосхитила новые сопровождающие их интересные явления, которые
впоследствии были обнаружены экспериментально. За эту уникальную работу Семёнов в 1956
году был удостоен Нобелевской премии.
По прошествии пяти лет такой же высокой оценки своего труда дождался и
немецкий физик Рудольф Мёссбауэр, впервые столкнувшийся с резонансным ядерным
поглощением гамма-квантов без отдачи ядра в твёрдых телах. Поначалу Мёссбауэр
просто опешил: существует ли такое явление на самом деле или это ему только
кажется? Открытие было сделано в 1957 году, но официально его зарегистрирова-
1 Вероятно, имеется в виду Зинаида Вальта, молодая выпускница университета,
работавшая недолго с Ю.Б. Харитоном.
ли только в 1959. Никакой ошибки в этих датах нет. Тогда в чём же дело? А
дело в том, что талантливый физик, мучительно терзаемый сомнениями и никому не
сообщивший о своём наблюдении (поразительно, сделать крупное открытие и ни
словом о нём не обмолвиться!), без передышки придумывал и ставил такие
эксперименты, которые начисто могли бы опровергнуть и само открытие, и уже
бродившую в сознании теорию, касающуюся обнаруженного эффекта. Всякий раз "эффект
Мёссбауэра" давал о себе знать. Казалось бы, пора уже обнародовать данные.
Нет, Мёссбауэр и тогда не поспешил с публикацией. Он оставил себе ещё полгода
на осмысление нового явления и последующих серий проверочных и контрольных
опытов, хотя реальность его существования была очевидна.
Нобелевскому лауреату Илье Пригожину потребовалось целых 15 лет, чтобы
окончательно убедиться в непогрешимости своих открытий, фактически заложивших
основы термодинамики нелинейных необратимых процессов. Его творческое "я" не
могло насытиться одним лишь предвкушением близкой славы. Ему нужна была
уверенность , что "истоки необратимости большинства природных процессов поддаются
пониманию".
Великий Луи Пастер относительно подобных творческих борений однажды сказал:
"Быть убеждённым, что ты обнаружил важный научный факт, томиться лихорадочной
жаждой возвестить о нём и сдерживать себя днями, неделями, годами, оспаривать
самого себя, пытаться опровергнуть свои собственные опыты и сообщить о
сделанном открытии лишь после того, как истощены и опровергнуты все
противоречащие гипотезы — да, это тяжкое испытание". Вероятно, под его словами могла бы
безоговорочно подписаться ещё целая плеяда исследователей, которые прошли
через эти тяготы и познали реальную цену каждого открытия. Действительно, самое
трудное в науке — это быть беспощадным к себе и своим достижениям, без чего
нельзя ожидать каких-либо значительных научных переворотов.
Пауль Эренфест (нем. Paul Ehrenfest, 1880—1933) —
австрийский и нидерландский физик-теоретик. Член Нидерландской
АН, иностранный член АН СССР (1924). Создатель крупной
научной школы.
Пауль Эренфест родился и вырос в Вене, в еврейской
семье, происходившей из Моравии. Его родители, Зигмунд
Эренфест и Йоханна Еллинек, содержали бакалейный магазин. Хотя
семья Эренфестов не была слишком религиозной, Пауль тем не
менее посещал курсы иврита и истории евреев. Позже он
всегда подчеркивал своё еврейское происхождение. После
выпуска из школы Эренфест поступил в гимназию, где его любимым
предметом была математика.
В 1904 Эренфест окончил Венский университет, где под
руководством Л. Больцмана изучал кинетическую теорию и
термодинамику. Университетские курсы стимулировали Эренфеста заняться
теоретической физикой. В то время была распространена практика учёбы более чем в одном
вузе, поэтому Эренфест поступил в Геттингенский университет, который являлся
важнейшим центром математической и теоретической физики. Там он встретил свою
будущую жену — Т.А. Афанасьеву, молодую украинку, изучавшую математику в
России и стажировавшуюся в Геттингене. Следует отметить, что весной 1903 года,
во время короткой поездки в Лейден, Эренфест познакомился с Х.А. Лоренцем.
В то же время Эренфест готовил диссертацию на тему движения несгибаемых тел
в жидкостях. Он получил докторскую степень 23 июня 1904 года в Вене, где он
жил с 1904 по 1905. Затем, в сентябре 1906, Эренфест вернулся обратно в Гёт-
тинген. Он не успел увидеться с Больцманом до смерти последнего 6 сентября
1906 года. Эренфест написал довольно большой некролог, где изложил большую
часть достижений Больцмана. Феликс Клейн, главный редактор Научно-
Математической Энциклопедии, рассчитывал, что Больцман напишет обзор по
статистической механике. Теперь же он попросил Эренфеста заняться этим. Вместе с
женой Эренфест работал над задачей несколько лет; работа была напечатана лишь
в 1911 году.
В 1907 году супруги переехали в Санкт-Петербург, где Эренфест познакомился
с А.Ф. Иоффе и другими молодыми русскими физиками, читал лекции в
Петербургском политехническом институте, вел на дому теоретический семинар. Однако,
изолированный от научного общества и без шансов на постоянную
преподавательскую работу, он через несколько лет решил вернуться в Западную Европу. В
начале 1912 года Эренфест совершил небольшое путешествие по университетам
Германии и Австрии, встретился с М. Планком в Берлине, своим старым другом Херг-
лотцем (Herglotz) в Лейпциге, А. Зоммерфельдом в Цюрихе. После первой встречи
с Альбертом Эйнштейном в Праге, они становятся близкими друзьями. Эйнштейн
предложил Эренфесту работать в Праге, однако вскоре поступило предложение
Лоренца заменить его на профессорской должности в Лейденском университете.
Отказаться от столь лестного предложения Эренфест не мог: в декабре 1912 года
он торжественно вступил в должность.
Сразу же после обоснования в Лейдене Эренфест организовал семинар, который
посещали многие ведущие учёные Европы и Америки (достаточно упомянуть имена
А. Эйнштейна и Н. Бора) и на котором обсуждались важнейшие вопросы
становления квантовой механики и статистической физики. Появились первые голландские
ученики Эренфеста, многие молодые учёные приезжали в Лейден на стажировку.
Эренфест не порвал связи с Россией, приглашал работать к себе молодых
советских учёных, сам неоднократно посещал СССР (1924, 1929-30, 1933).
Последние годы жизни Эренфеста были омрачены тяжелыми сомнениями в
собственных силах, в своей способности внести вклад в науку и соответствовать
занимаемой должности. Эта ситуация усугублялась семейными проблемами (болезнью
сына), жизнь стала для него тяжелым бременем. 25 сентября 1933 года Эренфест
покончил с собой.
Основные труды посвящены обоснованию статистической механики, квантовой
теории, теории относительности, теории фазовых переходов. В 1911 Эренфест
совместно со своей женой Т.А. Афанасьевой провел логический анализ
статистической механики (так называемая «модель урн») и выдвинул квазиэргодическую
гипотезу.
В квантовой теории разработал метод адиабатических инвариантов (1916),
сформулировал теорему о средних значениях квантово-механических величин
(теорема Эренфеста, 1927). В 1931 совместно с Р. Оппенгеймером рассмотрел
статистические свойства атомных ядер: ядра с нечетным атомным номером подчиняются
статистике Ферми—Дирака, а с четным — статистике Бозе—Эйнштейна (теорема
Эренфеста—Оппенгеймера). Это привело Эренфеста к мысли о недостаточности
существовавшей в то время протонно-электронной гипотезы строения ядер для
объяснения экспериментальных результатов.
В 1933 Эренфест ввел понятие фазовых переходов второго рода, вывел так
называемые соотношения Эренфеста.
В 1910 году Эренфест первым предложил использовать математическую логику в
технике.
Ида Ноддак-Такке (Таске, 1896-1978) - немецкий физикохимик. Родилась в Лак-
хаузене. Окончила Высшую техническую школу в Берлине (1919). В 1921-1923 гг.
работала химиком в концерне "Сименс" в Берлине. В 1935-1941 гг. - в Институте
физической химии Фрейбургского университета, в 1941-1956 гг. - в Страсбург-
ском университете, с 1956 г. - в Государственном исследовательском институте
геохимии в Бамберге.
Основные исследования посвящены геохимии редких и
рассеянных элементов. Совместно с мужем Вальтером Ноддаком
открыла (1925-1928) новый химический элемент - рений.
Высказала (1934) предположение, что при бомбардировке
нейтронами ядра урана могут разделяться на несколько больших
осколков , представляющих собой изотопы уже известных
элементов.
Лиза Мейтнер (нем. Lise Meitner, 1878—1968) —
австрийский физик и радиохимик. Проводила исследования в области
ядерной физики, ядерной химии и радиохимии.
Лиза Мейтнер родилась в Вене, была третьей из восьми
детей в еврейской семье. Как случалось тогда со многими
молодыми женщинами, искавшими себя в науке, родители были
против её поступления в университет, однако Мейтнер
настояла на своём, и 1901 году поступила в Венский
университет, где начала изучать физику под руководством Людвига
Больцмана и Франца Экснера. В 1905 году она первой среди
женщин в университете получила степень PhD в области
физики. После этого Мейтнер отправилась в Институт кайзера
Вильгельма в Берлин, чтобы начать изучение химии под
руководством Макса Планка и работать вместе с Отто Ганом. Используя свои знания
по физике и знания Гана по химии, они проработали вместе 30 лет.
В 1908 крестилась, обратившись в лютеранство.
В 1917 году Ган и Мейтнер открыли первый долгоживущий изотоп протактиния.
В 1923 Лиза Мейтнер открыла безизлучательный переход, получивший название
эффект Оже в честь французского исследователя Пьера Виктора Оже, который
независимо открыл его в 1925 году.
В 1926 году Мейтнер стала профессором Берлинского университета. Она
оказалась первой женщиной в Германии, достигшей таких высот в науке.
После открытия нейтрона в 1932 году возник вопрос о создании трансурановых
элементов. Началось соревнование между Эрнестом Резерфордом из Англии, Ирен
Жолио-Кюри из Франции, Энрико Ферми из Италии, и Лизой Мейтнер вместе с Отто
Ганом из Берлина. Все они считали, что это будет абстрактное исследование, за
которым последует Нобелевская премия. Ни один из них не предполагал, что эти
исследования закончатся созданием ядерного оружия.
После аншлюса Австрии в 1938 году Дирк Костер убедил Мейтнер покинуть
Германию и отправиться в Швецию. Из-за еврейского происхождения у неё не было
действительного паспорта, и её чуть было не задержали на границе. Благодаря
счастливой случайности Мейтнер сумела пересечь границу с Голландией.
Лиза Мейтнер продолжила работу в институте Манне Сигбана в Стокгольме, но,
вероятно из-за предвзятого отношения к женщинам-учёным у Сигбана, работала
она, не получая никакой поддержки.
В ноябре Ган и Мейтнер тайно встретились в Копенгагене для того, чтобы
обсудить новую серию экспериментов, для этой цели они также обменивались
письмами. В лаборатории Гана в Берлине были проведены эксперименты по
доказательству расщепления ядра. Из сохранившейся переписки следует, что Ган никогда бы
не поверил в расщепление ядра, если бы Мейтнер не убедила его в этом. Ей
первой удалось расщепить атомное ядро на части: ядра урана распадались на ядра
бария и криптона, при этом выделялось несколько нейтронов и большое
количество энергии. В декабре 1938 года Нильс Бор в своём письме отмечал, что в
процессах бомбардировки атомов урана энергии выделяется гораздо больше, чем
предполагается теорией нераспадающейся оболочки. Многие утверждают, что Лиза
Мейтнер первой провела расчёты с учётом того, что оболочки могут распадаться.
По политическим соображениям Лизе Мейтнер запрещалось публиковаться вместе
с Отто Ганом в 1939 году. Ган опубликовал данные по химическому эксперименту
в январе 1939 года, а Мейтнер описала физическое обоснование эксперимента
месяцем позже, вместе со своим племянником, физиком Отто Робертом Фришем.
Мейтнер заметила, что процесс ядерного деления может породить цепную реакцию,
которая может привести к большим выбросам энергии. Это заявление вызвало
сенсацию в научной среде. Знания, при помощи которых можно было создать оружие
невероятной силы, могли оказаться в немецких руках. Американские учёные Лео
Сцилард, Эдвард Теллер и Юджин Вигнер убедили Альберта Эйнштейна написать
предупреждающее письмо президенту Франклину Рузвельту, после чего был создан
проект Манхэттен. Будучи по убеждениям пацифисткой, Мейтнер отказалась
работать в Лос-Аламосе, заявив: «Я не буду делать бомбу!»
В 1944 году Отто Ган получил Нобелевскую премию по химии за открытие
ядерного распада. По мнению многих учёных Лиза Мейтнер заслуживала той же
почести, однако, Отто Ган заявил, что премия должна вручаться только за достижения
по химии. Многие утверждают, что Мейтнер не дали Нобелевскую премию из-за
того , что одним из членов комитета был Сигбан, недолюбливавший её. Однако в
1966 году Ган, Штрассман и Мейтнер вместе получили премию Энрико Ферми. В
1946 году «National Women's Press Club» (США) назвал Лизу Мейтнер «Женщиной
года». В 194 9 году она была награждена медалью имени Макса Планка.
В 1960 году Мейтнер переехала в Кембридж, где умерла 27 октября 1968 года,
за несколько дней до своего 90-летия.
В честь Лизы Мейтнер был назван 109 элемент таблицы Менделеева — мейтнерий.
Научный фонд и Межгосударственная ассоциация последипломного образования
Австрии учредили исследовательские стипендии имени Лизы Мейтнер, присуждаемые
за научные исследования в области атомной физики.
В книге "Физики продолжают шутить" приведен следующий курьез:
Лиза Мейтнер - первая в Германии женщина-физик, смогла получить ученую
степень в начале 20-х годов. Название ее диссертации "Проблемы космической
физики" какому-то журналисту показалось немыслимым, и в газете было напечатано:
"Проблемы косметической физики".
Отто Роберт Фриш (нем. Otto Robert Frisch; 1904—1979)
— английский физик-ядерщик австрийского происхождения.
Член Лондонского королевского общества (1948). Племянник
известного физика Лизы Мейтнер.
Родился в Вене. В 1926 окончил Венский университет.
Впоследствии работал в различных местах Европы и Америки:
в Берлине у О. Гана (1927-1930) , в Гамбурге у О. Штерна
(1930-1933) , в Лондоне у П. Блэкетта (1933-1934) , в
Копенгагене у Н. Бора (1934-1939), в Бирмингеме (1939-
1940), в Ливерпуле (1940-1943), в Лос-Аламосской
национальной лаборатории (1943-1945), в Харуэлле (1945-1947).
С 1947 являлся профессором Кембриджского университета (до
1972). Участник Манхэттенского проекта.
Работы посвящены ядерной физике, физике молекулярных пучков. В 1933 году
совместно с Отто Штерном экспериментально определил магнитный момент протона.
В Копенгагене совместно с теоретиком Георгом Плачеком изучал процессы
рассеяния и захвата нейтронов веществом, показал, что вероятность поглощения
нейтрона зависит не только от скорости последнего, но и от массы атома вещества.
Зимой 1938-1939 года, на Рождество, Фриш посетил в Швеции (близ Гетеборга)
свою тётю Лизу Мейтнер, которая как раз получила сведения о результатах
опытов Отто Гана и Фрица Штрассмана. В январе 1939 года Фришу и Мейтнер удалось
верно объяснить эти опыты с помощью представления о делении ядер урана при
бомбардировке нейтронами и впервые рассчитать энергетический выход реакции
деления. Вернувшись в Копенгаген, Фриш экспериментально проверил это
предположение при помощи камеры Вильсона (схема опыта была предложена Георгом
Плачеком) и, таким образом, доказал существование крупных осколков деления
урановых ядер.
В 1940 году дал (совместно с Рудольфом Пайерлсом) первую оценку критической
массы урана-235 для атомной бомбы, которая оказалась не столь велика, как
считалось ранее. Этот результат был изложен в так называемом «меморандуме
Фриша—Пайерлса», который во многом инициировал широкомасштабные исследования
возможности создания ядерного вооружения.
Нильс Хенрик Давид Бор (дат. Niels Henrik David Bohr;
1885—1962) — датский физик-теоретик и общественный
деятель, один из создателей современной физики. Лауреат
Нобелевской премии по физике (1922). Член Датского
королевского общества (1917) и его президент с 1939. Был членом
более чем 20 академий наук мира, в том числе иностранным
почётным членом АН СССР (1929; членом-корреспондентом — с
1924).
Бор известен как создатель первой квантовой теории
атома и активный участник разработки основ квантовой
механики. Он также внёс значительный вклад в развитие теории
атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия
элементарных частиц со средой.
Нильс Бор родился в семье профессора физиологии Копенгагенского
университета Христиана Бора (1858—1911), дважды становившегося кандидатом на
Нобелевскую премию по физиологии и медицине, и Эллен Адлер (1860—1930), дочери
влиятельного и весьма состоятельного еврейского банкира и парламентария-либерала
Давида Баруха Адлера (1826—1878) и Дженни Рафаэл (1830—1902) из британской
еврейской банкирской династии Raphael Raphael & sons. Родители Бора
поженились в 1881 году.
В школе Нильс проявлял явную склонность к физике и математике, а также к
философии. Этому способствовали регулярные визиты коллег и друзей отца —
философа Харальда Гёффдинга, физика Кристиана Кристиансена, лингвиста
Вильгельма Томсена. Близким другом и одноклассником Бора в этот период был его
троюродный брат (по материнской линии), известный в будущем гештальт-психолог
Эдгар Рубин (Edgar John Rubin, 1886—1951; среди предложенных им оптических
иллюзий т.н. «ваза Рубина» (1915)). Рубин привлёк Бора к изучению философии.
Другим увлечением Бора был футбол. Нильс и его брат Харальд (впоследствии
ставший известным математиком) выступали за любительский клуб «Академиск»
(первый — на позиции вратаря, а второй — полузащитника). В дальнейшем Харальд
успешно играл в сборной Дании и выиграл в её составе «серебро» на Олимпиаде-
1908, где датская команда уступила в финале англичанам.
В 1903 году Нильс Бор поступил в Копенгагенский университет, где изучал
физику, химию, астрономию, математику. Вместе с братом он организовал
студенческий философский кружок, на котором его участники поочерёдно выступали с
докладами. В университете Нильс Бор выполнил свои первые работы по исследованию
колебаний струи жидкости для более точного определения величины
поверхностного натяжения воды. Теоретическое исследование в 1906 году было отмечено
золотой медалью Датского королевского общества. В последующие годы (1907—1909)
оно было дополнено экспериментальными результатами, полученными Бором в
физиологической лаборатории отца, и опубликовано по представлению корифеев
тогдашней физики Рамзая и Рэлея.
В 1910 Бор получил степень магистра, а в мае 1911 защитил докторскую
диссертацию по классической электронной теории металлов. В своей диссертационной
работе Бор, развивая идеи Лоренца, доказал важную теорему классической
статистической механики, согласно которой магнитный момент любой совокупности
элементарных электрических зарядов, движущихся по законам классической механики
в постоянном магнитном поле, в стационарном состоянии равен нулю. В 1919 эта
теорема была независимо переоткрыта Йоханной ван Лёвен и носит название
теоремы Бора — ван Лёвен. Из неё непосредственно следует невозможность
объяснения магнитных свойств вещества (в частности, диамагнетизма), оставаясь в
рамках классической физики. Это, видимо, стало первым столкновением Бора с
ограниченностью классического описания, подводившим его к вопросам квантовой
теории.
В 1911 Бор получил стипендию в размере 2500 крон от фонда Карлсберга для
стажировки за границей. В сентябре 1911 он прибыл в Кембридж, чтобы работать
в Кавендишской лаборатории под руководством знаменитого Дж. Дж. Томсона.
Однако сотрудничество не сложилось: Томсона не заинтересовал молодой датчанин,
с ходу указавший на ошибку в одной из его работ и к тому же плохо
изъяснявшийся на английском. Впоследствии Бор так вспоминал об этом:
«Я был разочарован, Томсона не заинтересовало то, что его вычисления
оказались неверными. В этом была и моя вина. Я недостаточно хорошо знал английский
и потому не мог объясниться... Томсон был гением, который, на самом деле,
указал путь всем... В целом, работать в Кембридже было очень интересно, но это
было абсолютно бесполезным занятием.»
В итоге в марте 1912 Бор переехал в Манчестер к Эрнесту Резерфорду, с
которым незадолго до того познакомился. В 1911 Резерфорд по итогам своих опытов
опубликовал планетарную модель атома. Бор активно включился в работу по этой
тематике, чему способствовали многочисленные обсуждения с работавшим тогда в
Манчестере известным химиком Георгом Хевеши и с самим Резерфордом. Исходной
идеей было то, что свойства элементов определяются целым числом — атомным
номером, в роли которого выступает заряд ядра, который может изменяться в
процессах радиоактивного распада. Первым применением резерфордовской модели
атома для Бора стало рассмотрение в последние месяцы своего пребывания в Англии
процессов взаимодействия альфа- и бета-лучей с веществом. Летом 1912 Бор
вернулся в Данию.
1 августа 1912[9] в Копенгагене состоялась свадьба Бора и Маргарет Норлунд,
сестры близкого друга Харальда — Нильса Эрика Норлунда, с которой он
познакомился в 1909. Во время свадебного путешествия в Англию и Шотландию Бор с
супругой посетили Резерфорда в Манчестере. Бор передал ему свою подготовленную к
печати статью «Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через
вещество» (она была опубликована в начале 1913). Вместе с тем было положено
начало тесной дружбе семей Боров и Резерфордов. Общение с Резерфордом
оставило неизгладимый отпечаток (как в научном, так и в личностном плане) на
дальнейшей судьбе Бора, который спустя много лет писал:
«Очень характерным для Резерфорда был благожелательный интерес, который он
проявлял ко всем молодым физикам, с которыми ему приходилось долго или
коротко иметь дело. <...> для меня Резерфорд стал вторым отцом.»
По возвращении в Копенгаген Бор преподавал в университете, в то же время
интенсивно работая над квантовой теорией строения атома. Первые результаты
содержатся в черновике, посланном Резерфорду ещё в июле 1912 и носящем
название «резерфордовского меморандума». Однако решающие успехи были достигнуты в
конце 1912 — начале 1913. Ключевым моментом стало знакомство в феврале 1913 с
закономерностями расположения спектральных линий и общим комбинационным
принципом для частот излучения атомов. Впоследствии сам Бор говорил:
«Как только я увидел формулу Бальмера, весь вопрос стал мне немедленно
ясен.»
В марте 1913 Бор послал предварительный вариант статьи Резерфорду, а в
апреле съездил на несколько дней в Манчестер для обсуждения своей теории.
Итогом проведённой работы стали три части революционной статьи «О строении
атомов и молекул», опубликованные в журнале «Philosophical Magazine» в июле,
октябре и декабре 1913 и содержащие квантовую теорию водородоподобного атома. В
теории Бора можно выделить два основных компонента: общие утверждения
(постулаты) о поведении атомных систем, сохраняющие своё значение и всесторонне
проверенные, и конкретная модель строения атома, представляющая в наши дни
лишь исторический интерес. Постулаты Бора содержат предположения о
существовании стационарных состояний и об излучательных переходах между ними в
соответствии с представлениями Планка о квантовании энергии вещества. Модельная
теория атома Бора исходит из предположения о возможности описания движения
электронов в атоме, находящемся в стационарном состоянии, на основе
классической физики, на которое накладываются дополнительные квантовые условия
(например, квантование углового момента электрона). Теория Бора сразу же
позволила обосновать испускание и поглощение излучения в сериальных спектрах
водорода, а также объяснить (с поправкой на приведённую массу электрона)
наблюдавшиеся ранее Чарлзом Пикерингом и Альфредом Фаулером водородоподобные
спектры с полуцелыми квантовыми числами как принадлежащие ионизированному гелию.
Блестящим успехом теории Бора стало теоретическое получение значения
постоянной Ридберга.
Работа Бора сразу привлекла внимание физиков и стимулировала бурное
развитие квантовых представлений. Его современники по достоинству оценили важный
шаг, который сделал датский учёный. Так, в 1936 Резерфорд писал:
«Я считаю первоначальную квантовую теорию спектров, выдвинутую Бором, одной
из самых революционных из всех когда-либо созданных в науке; и я не знаю
другой теории, которая имела бы больший успех.»
В 1949 Альберт Эйнштейн так вспоминал о своих впечатлениях от знакомства с
теорией Бора:
«Все мои попытки приспособить теоретические основы физики к этим
результатам [то есть следствиям закона Планка для излучения чёрного тела] потерпели
полную неудачу. Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было
видно твёрдой почвы, на которой можно было бы строить. Мне всегда казалось
чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось
достаточным, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьём —
найти главные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов,
включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это наивысшая
музыкальность в области мысли.»
Весной 1914 Бор был приглашён Резерфордом заменить Чарлза Дарвина, внука
знаменитого естествоиспытателя, в качестве лектора по математической физике в
Манчестерском университете (Шустеровская школа математической физики). Он
оставался в Манчестере с осени 1914 до лета 1916. В это время он пытался
распространить свою теорию на многоэлектронные атомы, однако скоро зашёл в ту-
пик. Уже в сентябре 1914 он писал:
«Для систем, состоящих из более чем двух частиц, нет простого соотношения
между энергией и числом обращений, и по этой причине соображения, подобные
тем, которые я использовал ранее, не могут быть применены для определения
«стационарных состояний» системы. Я склонен полагать, что в этой проблеме
скрыты очень значительные трудности, которые могут быть преодолены лишь путём
отказа от обычных представлений в ещё большей степени, чем это требовалось до
сих пор, и что единственной причиной достигнутых успехов является простота
рассмотренных систем.»
В 1914 Бор сумел частично объяснить расщепление спектральных линий в
эффектах Штарка и Зеемана, однако ему не удалось получить расщепление более чем на
две компоненты. В этом проявилась ограниченность круговых орбит,
рассматриваемых в его теории. Преодолеть её стало возможно лишь после того, как в
начале 1916 Арнольд Зоммерфельд сформулировал обобщённые квантовые условия,
ввёл три квантовых числа для орбиты электрона и объяснил тонкую структуру
спектральных линий, учтя релятивистские поправки. Бор сразу же занялся
коренным пересмотром своих результатов в свете этого нового подхода.
Летом 1916 Бор окончательно вернулся на родину и возглавил кафедру
теоретической физики в Копенгагенском университете. В апреле 1917 он обратился к
датским властям с просьбой о выделении финансов на строительство нового
института для себя и своих сотрудников. 3 марта 1921, после преодоления
множества организационных и административных трудностей, в Копенгагене был,
наконец, открыт Институт теоретической физики, носящий ныне имя своего первого
руководителя (институт Нильса Бора).
Несмотря на большую занятость административными делами, Бор продолжал
развивать свою теорию, пытаясь обобщить её на случай более сложных атомов,
например, гелия. В 1918 в статье «О квантовой теории линейчатых спектров» Бор
сформулировал количественно так называемый принцип соответствия, связывающий
квантовую теорию с классической физикой. Впервые идея соответствия возникла
ещё в 1913, когда Бор использовал мысль о том, что переходы между
стационарными орбитами с большими квантовыми числами должны давать излучение с
частотой, совпадающей с частотой обращения электрона. Начиная с 1918, принцип
соответствия стал в руках Бора мощным средством для получения новых
результатов : он позволил, следуя представлениям о коэффициентах Эйнштейна, определить
вероятности переходов и, следовательно, интенсивности спектральных линий;
получить правила отбора (в частности, для гармонического осциллятора); дать
интерпретацию числу и поляризации компонент штарковского и зеемановского
расщеплений. Впоследствии Бор дал чёткую формулировку принципу соответствия:
«... "принцип соответствия", согласно которому наличие переходов между
стационарными состояниями, сопровождающихся излучением, связано с гармоническими
компонентами колебания в движении атома, определяющими в классической теории
свойства излучения, испускаемого вследствие движения частицы. Таким образом,
по этому принципу, предполагается, что всякий процесс перехода между двумя
стационарными состояниями связан с соответствующей гармонической компонентой
так, что вероятность наличия перехода зависит от амплитуды колебания,
поляризация же излучения обусловлена более детальными свойствами колебания так же,
как интенсивность и поляризация излучения в системе волн, испускаемых атомом
по классической теории вследствие наличия указанных компонент колебания,
определяется амплитудой и другими свойствами последних.»
Принцип соответствия сыграл огромную роль и при построении последовательной
квантовой механики. Именно из него исходил в 1925 Вернер Гейзенберг при
построении своей матричной механики. В общефилософском смысле этот принцип,
связывающий новые знания с достижениями прошлого, является одним из основных
методологических принципов современной науки.
В 1921—1923 в ряде работ Бору впервые удалось дать на основе своей модели
атома, спектроскопических данных и общих соображений о свойствах элементов
объяснение периодической системы Менделеева, представив схему заполнения
электронных орбит (оболочек, согласно современной терминологии). Правильность
интерпретации периодической таблицы была подтверждена открытием в 1922 нового
элемента гафния Дирком Костером и Георгом Хевеши, работавшими в то время в
Копенгагене. Как и предсказывал Бор, этот элемент оказался близок по своим
свойствам к цирконию, а не к редкоземельным элементам, как думали ранее.
В 1922 Бору была присуждена Нобелевская премия по физике «за заслуги в
изучении строения атома». В своей лекции «О строении атомов», прочитанной в
Стокгольме 11 декабря 1922, Бор подвёл итоги десятилетней работы.
Однако было очевидно, что теория Бора в своей основе содержала внутреннее
противоречие, поскольку она механически объединяла классические понятия и
законы с квантовыми условиями. Кроме того, она была неполной, недостаточно
универсальной, так как не могла быть использована для количественного объяснения
всего многообразия явлений атомного мира. Например, Бору совместно с его
ассистентом Хендриком Крамерсом так и не удалось решить задачу о движении
электронов в атоме гелия (простейшей двухэлектронной системе), которой они
занимались с 1916. Бор отчётливо понимал ограниченность существующих подходов
(так называемой «старой квантовой теории») и необходимость построения теории,
основанной на совершенно новых принципах:
«...весь подход к проблеме в целом носил ещё в высшей степени
полуэмпирический характер, и вскоре стало совершенно ясно, что для исчерпывающего
описания физических и химических свойств элементов необходим новый радикальный
отход от классической механики, чтобы соединить квантовые постулаты в логически
непротиворечивую схему.»
Новой теорией стала квантовая механика, которая была создана в 1925—1927
годах в работах Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера, Макса Борна, Поля
Дирака. Вместе с тем, основные идеи квантовой механики, несмотря на её
формальные успехи, в первые годы оставались во многом неясными. Для полного
понимания физических основ квантовой механики было необходимо связать её с опытом,
выявить смысл используемых в ней понятий (ибо использование классической
терминологии уже не было правомерным), то есть дать интерпретацию её формализма.
Именно над этими вопросами физической интерпретации квантовой механики
размышлял в это время Бор. Итогом стала концепция дополнительности, которая была
представлена на конгрессе памяти Алессандро Вольты в Комо в сентябре 1927.
Исходным пунктом в эволюции взглядов Бора стало принятие им в 1925 дуализма
волна — частица. До этого Бор отказывался признавать реальность
эйнштейновских квантов света (фотонов), которые было трудно согласовать с принципом
соответствия, что вылилось в совместную с Крамерсом и Джоном Слэтером статью, в
которой было сделано неожиданное предположение о несохранении энергии и
импульса в индивидуальных микроскопических процессах (законы сохранения
принимали статистический характер). Однако эти взгляды вскоре были опровергнуты
опытами Вальтера Боте и Ганса Гейгера.
Именно корпускулярно-волновой дуализм был положен Бором в основу
интерпретации теории. Идея дополнительности, развитая в начале 1927 во время отпуска
в Норвегии, отражает логическое соотношение между двумя способами описания
или наборами представлений, которые, хотя и исключают друг друга, оба
необходимы для исчерпывающего описания положения дел. Сущность принципа
неопределённости состоит в том, что не может возникнуть такой физической ситуации, в
которой оба дополнительные аспекта явления проявились бы одновременно и
одинаково отчётливо. Иными словами, в микромире нет состояний, в которых объект
имел бы одновременно точные динамические характеристики, принадлежащие двум
определённым классам, взаимно исключающим друг друга, что находит выражение в
соотношении неопределённостей Гейзенберга. Следует отметить, что на
формирование идей Бора, как он сам признавал, повлияли философско-психологические
изыскания Серена Кьеркегора, Харальда Гёффдинга и Уильяма Джемса.
Принцип дополнительности лёг в основу так называемой копенгагенской
интерпретации квантовой механики и анализа процесса измерения характеристик микро-
объектов. Согласно этой интерпретации, заимствованные из классической физики
динамические характеристики микрочастицы (её координата, импульс, энергия и
др.) вовсе не присущи частице самой по себе. Смысл и определённое значение
той или иной характеристики электрона, например, его импульса, раскрываются
во взаимосвязи с классическими объектами, для которых эти величины имеют
определённый смысл и все одновременно могут иметь определённое значение (такой
классический объект условно называется измерительным прибором). Роль принципа
дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал
назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией
относительности .
Через месяц после конгресса в Комо, на пятом Сольвеевском конгрессе в
Брюсселе, начались знаменитые дискуссии Бора и Эйнштейна об интерпретации
квантовой механики. Спор продолжился в 1930 на шестом конгрессе, а затем
возобновился с новой силой в 1935 после появления известной работы Эйнштейна,
Подольского и Розена о полноте квантовой механики. Дискуссии не прекращались до
самой смерти Эйнштейна, порой принимая ожесточённый характер. Впрочем,
участники никогда не переставали относиться друг к другу с огромным уважением, что
нашло отражение в словах Эйнштейна, написанных в 1949:
«Я вижу, что я был ... довольно резок, но ведь ... ссорятся по-настоящему
только братья или близкие друзья.»
Хотя Бор так и не сумел убедить Эйнштейна в своей правоте, эти обсуждения и
решения многочисленных парадоксов позволили Бору чрезвычайно улучшить ясность
своих мыслей и формулировок, углубить понимание квантовой механики:
«Урок, который мы из этого извлекли, решительно продвинул нас по пути
никогда не кончающейся борьбы за гармонию между содержанием и формой; урок этот
показал нам ещё раз, что никакое содержание нельзя уловить без привлечения
соответствующей формы, и что всякая форма, как бы ни была она полезна в
прошлом, может оказаться слишком узкой для того, чтобы охватить новые
результаты. »
В 1932 Бор с семьёй переехал в так называемый «Дом чести», резиденцию
самого уважаемого гражданина Дании, выстроенную основателем пивоваренной компании
«Карлсберг». Здесь его посещали знаменитости не только научного (например,
Резерфорд), но и политического мира (королевская чета Дании, английская
королева Елизавета, президенты и премьер-министры различных стран).
В 1934 Бор пережил тяжёлую личную трагедию. Во время плавания на яхте в
проливе Каттегат штормовой волной был смыт за борт его старший сын — 19-
летний Христиан; обнаружить его так и не удалось. Всего у Нильса и Маргарет
было шестеро детей. Один из них, Ore Бор, также стал выдающимся физиком,
лауреатом Нобелевской премии (1975).
В 1930-е годы Бор увлёкся ядерной тематикой, переориентировав на неё свой
институт: благодаря своей известности и влиянию он сумел добиться выделения
финансирования на строительство у себя в Институте новых установок —
циклотрона, ускорителя по модели Кокрофта — Уолтона, ускорителя ван-де-Граафа. Сам
он внёс в это время существенный вклад в теорию строения ядра и ядерных
реакций.
В 1936 Бор, исходя из существования недавно наблюдавшихся нейтронных резо-
нансов, сформулировал фундаментальное для ядерной физики представление о
характере протекания ядерных реакций: он предположил существование так
называемого составного ядра («компаунд-ядра»), то есть возбуждённого состояния ядра
с временем жизни порядка времени движения нейтрона через него. Тогда механизм
реакций, не ограничивающийся лишь нейтронными реакциями, включает два этапа:
1) образование составного ядра,
2) его распад.
При этом две эти стадии протекают независимо друг от друга, что обусловлено
равновесным перераспределением энергии между степенями свободы компаунд-ядра.
Это позволило применить статистический подход к описанию поведения ядер, что
позволило вычислить сечения ряда реакций, а также интерпретировать распад
составного ядра в терминах испарения частиц, создав по предложению Якова
Френкеля капельную модель ядра.
Однако такая простая картина имеет место лишь при больших расстояниях между
резонансами (уровнями ядра), то есть при малых энергиях возбуждения. Как было
показано в 1939 в совместной работе Бора с Рудольфом Пайерлсом и Георгом Пла-
чеком, при перекрытии резонансов компаунд-ядра равновесие в системе не
успевает установится и две стадии реакции перестают быть независимыми, то есть
характер распада промежуточного ядра определяется процессом его формирования.
Развитие теории в этом направлении привело к созданию в 1953 Виктором Вай-
скопфом, Германом Фешбахом и К. Портером так называемой «оптической модели
ядра», описывающей ядерные реакции в широком диапазоне энергий.
Одновременно с представлением о составном ядре Бор (совместно с Ф. Калька-
ром) предложил рассматривать коллективные движения частиц в ядрах,
противопоставив их картине независимых нуклонов. Такие колебательные моды жидкока-
пельного типа находят отражение в спектроскопических данных (в частности, в
мультипольной структуре ядерного излучения). Идеи о поляризуемости и
деформациях ядер были положены в основу обобщённой (коллективной) модели ядра,
развитой в начале 1950-х годов Ore Бором, Беном Моттельсоном и Джеймсом Рейнуо-
тером.
Велик вклад Бора в объяснение механизма деления ядер, при котором
происходит освобождение огромных количеств энергии. Деление было экспериментально
обнаружено в конце 1938 Отто Ганом и Фрицем Штрассманом и верно истолковано
Лизе Мейтнер и Отто Фришем во время рождественских каникул. Бор узнал об их
идеях от Фриша, работавшего тогда в Копенгагене, перед самым отъездом в США в
январе 1939. В Принстоне совместно с Джоном Уилером он развил количественную
теорию деления ядер, основываясь на модели составного ядра и представлениях о
критической деформации ядра, ведущей к его неустойчивости и распаду. Для
некоторых ядер эта критическая величина может быть равна нулю, что выражается в
распаде ядра при сколь угодно малых деформациях. Теория позволила получить
зависимость сечения деления от энергии, совпадающую с экспериментальной.
Кроме того, Бору удалось показать, что деление ядер урана-235 вызывается
«медленными» (низкоэнергетичными) нейтронами, а урана-238 — быстрыми.
После прихода к власти в Германии нацистов Бор принял активное участие в
устройстве судьбы многих учёных-эмигрантов, которые переехали в Копенгаген. В
1933 усилиями Нильса Бора, его брата Харальда, директора Института вакцин
Торвальда Мадсена и адвоката Альберта Йоргенсена был учреждён специальный
Комитет помощи учёным-беженцам.
После оккупации Дании в апреле 1940 года возникла реальная опасность ареста
Бора в связи с его полуеврейским происхождением. Тем не менее, он решил
оставаться в Копенгагене, пока это будет возможно, чтобы гарантировать защиту
института и своих сотрудников от посягательств оккупационных властей. В октябре
1941 Бора посетил Гейзенберг, в то время руководитель нацистского атомного
проекта. Между ними состоялся разговор о возможности реализации ядерного
оружия, о котором немецкий учёный писал следующим образом:
«Копенгаген я посетил осенью 1941 г., по-моему, это было в конце октября. К
этому времени мы в «Урановом обществе» в результате экспериментов с ураном и
тяжёлой водой пришли к выводу, что возможно построить реактор с
использованием урана и тяжёлой воды для получения энергии. <...> В то время мы
переоценивали масштаб необходимых технических затрат. <...> При таких обстоятельствах мы
думали, что разговор с Бором был бы полезен. Такой разговор состоялся во
время вечерней прогулки в районе Ни-Карлсберга. Зная, что Бор находится под
надзором германских политических властей и что его отзывы обо мне будут,
вероятно, переданы в Германию, я пытался провести этот разговор так, чтобы не
подвергать свою жизнь опасности. Беседа, насколько я помню, началась с моего
вопроса, должны ли физики в военное время заниматься урановой проблемой,
поскольку прогресс в этой области сможет привести к серьёзным последствиям в
технике ведения войны. Бор сразу же понял значение этого вопроса, поскольку
мне удалось уловить его реакцию лёгкого испуга. Он ответил контрвопросом: «Вы
действительно думаете, что деление урана можно использовать для создания
оружия?» Я ответил: «В принципе возможно, но это потребовало бы таких
невероятных технических усилий, которые, будем надеяться, не удастся осуществить в
ходе настоящей войны». Бор был потрясён моим ответом, предполагая, очевидно,
что я намереваюсь сообщить ему о том, что Германия сделала огромный прогресс
в производстве атомного оружия. Хотя я и пытался после исправить это
ошибочное впечатление, мне все же не удалось завоевать доверие Бора...»
Таким образом, Гейзенберг намекает, что Бор не понял, что он имел в виду.
Однако сам Бор был не согласен с такой трактовкой своей беседы с Гейзенбер-
гом. В 1961 в разговоре с Аркадием Мигдалом он заявил:
«Я понял его отлично. Он предлагал мне сотрудничать с нацистами...»
К осени 1943 оставаться в Дании стало невозможно, поэтому Бор вместе с
сыном Ore был переправлен силами Сопротивления сначала на лодке в Швецию, а
оттуда на бомбардировщике в Англию, при этом они едва не погибли. Тётя Бора
(старшая сестра его матери) — известный датский педагог Ханна Адлер (1859—
1947) — была депортирована в концлагерь несмотря на 84-летний возраст и
правительственную защиту. В Великобритании и США, куда он вскоре переехал, учёный
включился в работу над созданием атомной бомбы и участвовал в ней вплоть до
июня 1945. В США они с сыном носили имена Николас и Джим Бейкер.
Вместе с тем, уже начиная с 1944, Бор осознавал всю опасность атомной
угрозы. Встреча с премьер-министром Великобритании 16 мая 1944 года не привела к
каким-либо результатам. После этого Нильс Бор начал добиваться приёма у
президента США Ф. Рузвельта. В своём меморандуме на имя президента Рузвельта (3
июля 1944) он призвал к полному запрещению использования ядерного оружия, к
обеспечению строгого международного контроля за этим и, в то же время, к
уничтожению всякой монополии на мирное применение атомной энергии.
Впоследствии он направил в адрес руководителей США ещё два меморандума — от 24 марта
1945 и от 17 мая 1948[64]. Бор пытался донести свои мысли до Черчилля и
Рузвельта и при личных встречах с ними, однако безрезультатно. Более того, эта
деятельность, а также приглашение приехать на время войны в Советский Союз,
полученное от Петра Капицы в начале 1944, привели к подозрениям в шпионаже в
пользу СССР.
В ноябре 1945 г. Бора по заданию советской разведки и по рекомендации П.
Капицы посетил советский физик Я.П. Терлецкий, который задал ему ряд вопросов
об американском атомном проекте (об атомных реакторах). Бор рассказал лишь
то, что к этому моменту было опубликовано в открытых источниках, и сообщил о
визите Терлецкого контрразведывательным службам.
В 1950 Бор опубликовал открытое письмо ООН, настаивая на мирном
сотрудничестве и свободном обмене информацией между государствами как залоге построения
«открытого мира». В дальнейшем он неоднократно высказывался на эту тему,
своим авторитетом подкрепляя призывы к миру и предотвращению угрозы ядерной
войны.
В последние годы Бор занимался, в основном, общественной деятельностью,
выступал с лекциями в различных странах, писал статьи на философские темы.
Непосредственно в области физики в 1940—1950-х годах он продолжал заниматься
проблемой взаимодействия элементарных частиц со средой. Сам Бор считал
принцип дополнительности своим самым ценным вкладом в науку. Он пытался расширить
его применение на другие области человеческой деятельности — биологию,
психологию, культуру, много размышляя о роли и значении языка в науке и жизни.
Скончался Нильс Бор 18 ноября 1962 от сердечного приступа. Урна с его
прахом находится в семейной могиле в Копенгагене.
Бор создал крупную международную школу физиков и многое сделал для развития
сотрудничества между физиками всего мира. С начала 1920-х годов Копенгаген
стал «центром притяжения» для наиболее активных физиков: большинство
создателей квантовой механики (Геизенберг, Дирак, Шрёдингер и другие) в то или иное
время там работали, их идеи выкристаллизовывались в продолжительных
изнурительных беседах с Бором. Большое значение для распространения идей Бора имели
его визиты с лекциями в различные страны. Так, большую роль в истории науки
сыграли семь лекций, прочитанных Бором в июне 1922 в Гёттингенском
университете (так называемый «Боровский фестиваль»). Именно тогда он познакомился с
молодыми физиками Вольфгангом Паули и Вернером Гейзенбергом, учениками Зом-
мерфельда. Свои впечатления от первой беседы с Бором во время прогулки
Геизенберг выразил следующим образом:
«Эта прогулка оказала сильнейшее влияние на моё последующее научное
развитие, или, пожалуй, можно сказать лучше, что моё собственно научное развитие
только и началось с этой прогулки.»
В дальнейшем связь группы Бора с гёттингенской группой, руководимой Максом
Борном, не прерывалась и дала множество выдающихся научных результатов.
Естественно, весьма сильны были связи Бора с кембриджской группой, которую
возглавлял Резерфорд: в Копенгагене в разное время работали Чарлз Дарвин, Поль
Дирак, Ральф Фаулер, Дуглас Хартри, Невилл Мотт и другие. В своём институте
Бор принимал также советских учёных, многие из которых работали там подолгу.
Он неоднократно приезжал в СССР, последний раз в 1961.
К школе Нильса Бора можно отнести таких учёных, как Хендрик Крамере, Оскар
Клейн, Лев Ландау, Виктор Вайскопф, Леон Розенфельд, Джон Уилер, Феликс Блох,
Ore Бор, Хендрик Казимир, Ёсио Нисина, Кристиан Мёллер, Абрахам Пайс и многих
других. Характер научной школы Бора и его взаимоотношений с учениками могут
быть прояснены следующим эпизодом. Когда Ландау во время визита Бора в Москву
в мае 1961 спросил у своего наставника: «Каким секретом вы обладали, который
позволил вам в такой степени концентрировать вокруг себя творческую
теоретическую молодёжь?», тот ответил:
«Никакого особого секрета не было, разве только то, что мы не боялись
показаться глупыми перед молодёжью.»
Поль Адриен Морис Дирак (фр. Paul Adrien Maurice Dirac; 1902—1984) —
английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат
Нобелевской премии по физике 1933 года (совместно с Эрвином Шрёдингером) . Член
Лондонского королевского общества (1930), а также ряда академий наук мира, в
том числе иностранный член Академии наук СССР (1931), Национальной академии
наук США (1949) и Папской академии наук (1961).
Работы Дирака посвящены квантовой физике, теории элементарных частиц, общей
теории относительности. Он является автором основополагающих трудов по
квантовой механике (общая теория преобразований), квантовой электродинамике
(метод вторичного квантования и многовременной формализм) и квантовой теории по-
ля (квантование систем со связями). Предложенное им
релятивистское уравнение электрона позволило естественным
образом объяснить спин и ввести представление об
античастицах. К другим известным результатам Дирака относятся
статистическое распределение для фермионов, концепция
магнитного монополя, гипотеза больших чисел, гамильтонова
формулировка теории гравитации и другие.
Поль Дирак родился 8 августа 1902 года в Бристоле в
семье учителя. Его отец, Шарль Адриен Ладислас Дирак (1866—
1936), получил степень бакалавра словесности в Женевском
университете и вскоре после этого перебрался в Англию. С
1896 года он преподавал французский язык в Коммерческом
училище и Техническом колледже Бристоля, ставшем в начале
XX века частью Бристольского университета. Мать Поля Дирака, Флоренс Ханна
Холтен (1878—1941), дочь капитана торгового судна, работала в библиотеке.
Всего в семье было трое детей; помимо Поля это его старший брат Реджинальд
Феликс (1900—1925, он покончил с собой) и младшая сестра Беатрис (1906—1991).
Отец требовал, чтобы в семье разговаривали исключительно на французском
языке, следствием чего стали такие черты характера Поля как молчаливость и
склонность к размышлениям в одиночестве. Отец и дети были зарегистрированы
как швейцарские подданные и лишь в 1919 году получили британское гражданство.
В 12-летнем возрасте Поль Дирак стал учеником средней школы Технического
колледжа, программа обучения которой имела практическую и естественнонаучную
направленность, что полностью соответствовало склонностям Дирака. Кроме того,
его учёба пришлась на годы Первой мировой войны, что позволило ему быстрее
обычного попасть в старшие классы, откуда много учеников отправилось на
военные работы.
В 1918 году Дирак поступил на инженерный факультет Бристольского
университета. Несмотря на то, что его любимым предметом была математика, он
неоднократно говорил, что инженерное образование дало ему очень много:
«Раньше я видел смысл лишь в точных уравнениях. Мне казалось, что если
пользоваться приближёнными методами, то работа становится невыносимо
уродливой, в то время как мне страстно хотелось сохранить математическую красоту.
Инженерное образование, которое я получил, как раз научило меня смиряться с
приближенными методами, и я обнаружил, что даже в теориях, основанных на
приближениях, можно увидеть достаточно много красоты.. Я оказался вполне
подготовленным к тому, что все наши уравнения надо рассматривать как приближения,
отражающие существующий уровень знаний, и воспринимать их как призыв к
попыткам их усовершенствования. Если бы не инженерное образование, я, наверное,
никогда не добился бы успеха в своей последующей деятельности...»
Большое влияние на Дирака в это время оказало знакомство с теорией
относительности, которая в те годы вызывала в обществе огромный интерес. Он посещал
лекции профессора философии Броуда, из которых почерпнул первоначальные
сведения в этой области и которые заставили его обратить пристальное внимание на
геометрические представления о мире. Во время летних каникул Дирак проходил
стажировку на одном из машиностроительных заводов в Регби, однако, не
зарекомендовал себя с лучшей стороны. Поэтому в 1921 году, после получения степени
бакалавра электротехники, он не сумел найти работу. Также ему не удалось
продолжить учёбу в Кембриджском университете: стипендия была слишком мала, а
бристольские власти отказались оказать финансовую поддержку, поскольку Дирак
лишь недавно принял английское гражданство.
Следующие два года Дирак посвятил изучению математики в Бристольском
университете : сотрудники математического факультета предложили ему неофициально
посещать занятия. Особое влияние на него в это время оказал профессор Питер
Фрейзер, благодаря которому Дирак оценил значение математической строгости и
изучил методы проективной геометрии, оказавшейся мощным инструментом в его
последующих исследованиях. В 1923 году Дирак сдал заключительный экзамен с
отличием первой степени.
После сдачи экзаменов по математике Дирак получил стипендию Бристольского
университета и грант от Отдела образования Бристоля. Таким образом, у него
появилась возможность поступить в аспирантуру Кембриджского университета.
Вскоре он был принят в колледж Святого Джона. В Кембридже он посещал лекции
по ряду предметов, которые не изучались им в Бристоле, например, по
статистической механике Гиббса и классической электродинамике, а также изучил метод
Гамильтона в механике, проштудировав «Аналитическую динамику» Уиттекера.
Он хотел заниматься теорией относительности, однако его научным
руководителем был назначен известный теоретик Ральф Фаулер, специалист по
статистической механике. Именно вопросам статмеханики и термодинамики были посвящены
первые работы Дирака, также он проводил расчеты эффекта Комптона, важные для
астрофизических приложений. Фаулер познакомил Дирака с совершенно новыми
идеями атомной физики, выдвинутыми Нильсом Бором и развивавшимися Арнольдом
Зоммерфельдом и другими учёными. Вот как сам Дирак вспоминал об этом эпизоде
в своей биографии:
«Помню, какое огромное впечатление произвела на меня теория Бора. Я считаю,
что появление идей Бора было самым грандиозным шагом в истории развития
квантовой механики. Самое неожиданное, самое удивительное заключалось в том, что
столь радикальное отступление от законов Ньютона дало такие замечательные
плоды.»
Дирак включился в работу по теории атома, пытаясь, как и многие другие
исследователи, распространить идеи Бора на многоэлектронные системы.
Летом 1925 года Кембридж посетил Вернер Гейзенберг, выступивший с докладом
об аномальном эффекте Зеемана в Клубе Капицы. В конце своего доклада он
упомянул о некоторых своих новых идеях, легших в основу матричной механики.
Впрочем, Дирак не обратил на них тогда внимания из-за усталости. В конце
лета, находясь в Бристоле у родителей, Дирак получил от Фаулера по почте
корректуру статьи Гейзенберга, но не смог сразу оценить её основную мысль. Лишь
через неделю или две, вновь вернувшись к этой статье, он осознал то новое,
что появилось в теории Гейзенберга. Динамические переменные Гейзенберга
описывали не отдельную боровскую орбиту, а связывали два атомных состояния и
выражались в виде матриц. Следствием этого была некоммутативность переменных,
смысл которой был неясен самому Гейзенбергу. Дирак сразу понял важную роль
этого нового свойства теории, которому было необходимо дать правильную
интерпретацию. Ответ был получен в октябре 1925 года, уже после возвращения в
Кембридж, когда Дираку во время прогулки пришла идея об аналогии между
коммутатором и скобками Пуассона. Эта связь позволила ввести процедуру
дифференцирования в квантовую теорию (этот результат был изложен в статье
«Фундаментальные уравнения квантовой механики», опубликованной в конце 1925 года) и дала
толчок к построению последовательного квантово-механического формализма на
основе гамильтонова подхода. В этом же направлении теорию пытались развивать
в Гёттингене Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Йордан.
Впоследствии Дирак не раз отмечал решающую роль Гейзенберга в построении
квантовой механики. Так, предваряя одну из лекций последнего, Дирак сказал:
«У меня есть наиболее веские причины быть почитателем Вернера Гейзенберга.
Мы учились в одно время, были почти ровесниками и работали над одной и той же
проблемой. Гейзенберг преуспел там, где у меня были неудачи. К тому времени
накопилось огромное количество спектроскопического материала, и Гейзенберг
нашел правильный путь в его лабиринте. Сделав это, он дал начало золотому
веку теоретической физики, и вскоре выполнять первоклассные работы имел возмож-
ность даже второразрядный студент.»
Следующим шагом Дирака стало обобщение математического аппарата путем
построения квантовой алгебры для переменных, отличающихся некоммутативностью и
названных им q-числами. Примером q-чисел являются гейзенберговские матрицы.
Работая с такими величинами, Дирак рассмотрел задачу об атоме водорода и
получил формулу Бальмера. Одновременно он пытался расширить алгебру q-чисел,
чтобы охватить релятивистские эффекты и особенности многоэлектронных систем,
а также продолжал заниматься теорией комптоновского рассеяния. Полученные
результаты вошли в диссертацию на соискание степени доктора философии под
названием «Квантовая механика», которую Дирак защитил в мае 1926 года.
К этому времени стало известно о новой теории, развитой Эрвином Шрёдингером
на основе представлений о волновых свойствах вещества. Отношение Дирака к
этой теории было поначалу не самым благоприятным, поскольку, по его мнению,
уже существовал подход, позволявший получать правильные результаты. Однако
вскоре стало ясно, что теории Гейзенберга и Шрёдингера связаны между собой и
дополняют друг друга, поэтому Дирак с энтузиазмом взялся за изучение
последней.
Впервые Дирак применил её, рассмотрев задачу о системе тождественных
частиц. Он обнаружил, что тип статистики, которой подчиняются частицы,
определяется свойствами симметрии волновой функции. Симметричные волновые функции
соответствуют статистике, которая была известна к тому времени по работам Шать-
ендраната Бозе и Альберта Эйнштейна (статистика Бозе — Эйнштейна), в то время
как антисимметричные волновые функции описывают совершенно иную ситуацию и
соответствуют частицам, подчиняющимся принципу запрета Паули. Дирак изучил
основные свойства этой статистики и описал их в статье «К теории квантовой
механики» (август 1926 года). Вскоре выяснилось, что это распределение было
введено ранее Энрико Ферми (из иных соображений), и Дирак полностью признал
его приоритет. Тем не менее, этот тип квантовой статистики обычно связывается
с именами обоих ученых (статистика Ферми — Дирака).
В той же статье «К теории квантовой механики» была развита (независимо от
Шрёдингера) зависящая от времени теория возмущений и применена к атому в поле
излучения. Это позволило показать равенство коэффициентов Эйнштейна для
поглощения и вынужденного испускания, однако сами коэффициенты вычислить не
удалось.
В сентябре 1926 года по предложению Фаулера Дирак прибыл в Копенгаген,
чтобы провести некоторое время в Институте Нильса Бора. Здесь он близко сошёлся
с Паулем Эренфестом и самим Бором, о которых впоследствии вспоминал:
«У Бора была привычка думать вслух... Я привык выделять из своих рассуждений
те, которые можно записать в виде уравнений, а рассуждения Бора таили в себе
гораздо более глубокий смысл и уходили весьма далеко от математики. Мне очень
нравились наши отношения с Бором, и... я не могу даже оценить, сколь сильно
повлияло на мою работу то, что я слышал, как думал вслух Бор. <...> Эренфест
всегда стремился к абсолютной ясности в каждой детали дискуссии... На лекции, на
коллоквиуме или на каком-нибудь мероприятии такого сорта Эренфест был самым
полезным человеком.
Находясь в Копенгагене, Дирак продолжал работу, пытаясь дать интерпретацию
своей алгебре q-чисел. Результатом стала общая теория преобразований,
объединившая в качестве частных случаев волновую и матричную механики. Этот подход,
аналогичный каноническим преобразованиям в классической гамильтоновой теории,
позволил переходить между различными наборами коммутирующих переменных. Для
того чтобы иметь возможность работать с переменными, характеризующимися
непрерывным спектром, Дирак ввёл новый мощный математический инструмент — так
называемую дельта-функцию, ныне носящую его имя. Дельта-функция стала первым
примером обобщенных функций, теория которых была создана в работах Сергея Со-
болева и Лорана Шварца. В той же статье «Физическая интерпретация квантовой
динамики», представленной в декабре 192 6 года, был введен ряд обозначений,
впоследствии ставших общепринятыми в квантовой механике. Теория
преобразований, построенная в работах Дирака и Йордана, позволила не полагаться более на
неясные соображения принципа соответствия, а естественным образом ввести в
теорию статистическую трактовку формализма на основе представлений об
амплитудах вероятности.
В Копенгагене Дирак начал заниматься вопросами теории излучения. В работе
«Квантовая теория испускания и поглощения излучения» он показал её связь со
статистикой Бозе — Эйнштейна, а Затем, применив процедуру квантования к самой
волновой функции, пришёл к методу вторичного квантования для бозонов. В этом
подходе состояние ансамбля частиц задается их распределением по одночастичным
состояниям, определяемым так называемыми числами заполнения, которые
изменяются при действии на исходное состояние операторов рождения и уничтожения.
Дирак продемонстрировал эквивалентность двух различных подходов к
рассмотрению электромагнитного поля, основывающихся на представлении о световых
квантах и на квантовании компонент поля. Ему также удалось получить выражения для
коэффициентов Эйнштейна как функций потенциала взаимодействия и, таким
образом, дать толкование спонтанного излучения. Фактически в этой работе было
введено представление о новом физическом объекте — квантовом поле, а метод
вторичного квантования лег в основу построения квантовой электродинамики и
квантовой теории поля. Спустя год Йордан и Юджин Вигнер построили схему
вторичного квантования для фермионов.
Дирак продолжал заниматься теорией излучения (а также вопросами теории
дисперсии и рассеяния) в Гёттингене, куда приехал в феврале 1927 года и где
провел несколько следующих месяцев. Он посещал лекции Германа Вейля по теории
групп, активно общался с Борном, Гейзенбергом и Робертом Оппенгеймером.
К 1927 году благодаря своим новаторским работам Дирак приобрел широкую
известность в научных кругах. Свидетельством этому было приглашение на пятый
Сольвеевский конгресс («Электроны и фотоны»), где он принял участие в
дискуссиях. В том же году Дирак был избран членом совета колледжа Святого Джона, а
в 1929 году назначен старшим лектором по математической физике (впрочем, он
был не слишком обременен преподавательскими обязанностями).
В это время Дирак был занят построением адекватной релятивистской теории
электрона. Существовавший подход, основанный на уравнении Клейна — Гордона,
не удовлетворял его: в это уравнение входит квадрат оператора
дифференцирования по времени, поэтому оно не может быть согласовано с обычной вероятностной
интерпретацией волновой функции и с общей теорией преобразований, развитой
Дираком. Его целью было уравнение, линейное по оператору дифференцирования и
при этом релятивистски инвариантное. Несколько недель работы привели его к
подходящему уравнению, для чего ему пришлось ввести матричные операторы
размером 4x4. Волновая функция также должна иметь четыре компоненты. Полученное
уравнение (уравнение Дирака) оказалось весьма удачным, поскольку оно
естественным образом включает спин электрона и его магнитный момент. В статье
«Квантовая теория электрона», отосланной в печать в январе 1928 года,
содержался также основанный на полученном уравнении расчет спектра водородного
атома, оказавшийся в полном согласии с экспериментальными данными.
В той же работе был рассмотрен новый класс неприводимых представлений
группы Лоренца, для которого Эренфестом был предложен термин «спиноры». Эти
объекты заинтересовали «чистых» математиков, и через год Бартел Ван-дер-Варден
опубликовал работу по спинорному анализу. Вскоре выяснилось, что объекты,
идентичные спинорам, были введены математиком Эли Картаном ещё в 1913 году.
После появления уравнения Дирака стало ясно, что оно содержит одну
существенную проблему: помимо двух состояний электрона с различными ориентациями
спина, четырёхкомпонентная волновая функция содержит два дополнительных
состояния, характеризуемых отрицательной энергией. В опытах эти состояния не
наблюдаются, однако теория дает конечную вероятность перехода электрона между
состояниями с положительной и отрицательной энергиями. Попытки искусственно
исключить эти переходы ни к чему не привели. Наконец, в 1930 году Дирак
сделал следующий важный шаг: он предположил, что все состояния с отрицательной
энергией заняты («море Дирака»), что соответствует вакуумному состоянию с
минимальной энергией. Если же состояние с отрицательной энергией оказывается
свободным («дырка»), то наблюдается частица с положительной энергией. При
переходе электрона в состояние с отрицательной энергией «дырка» исчезает, то
есть происходит аннигиляция. Из общих соображений следовало, что эта
гипотетическая частица должна быть во всем идентичной электрону, за исключением
противоположного по знаку электрического заряда. В то время такая частица не
была известна, а Дирак не решился постулировать её существование. Поэтому в
работе «Теория электронов и протонов» (1930) он предположил, что такой
частицей является протон, а его массивность обусловлена кулоновскими
взаимодействиями между электронами.
Вскоре Вейль из соображений симметрии показал, что такая «дырка» не может
быть протоном, а должна иметь массу электрона. Дирак согласился с этими
доводами и указал, что тогда должен существовать не только «положительный
электрон», или антиэлектрон, но и «отрицательный протон» (антипротон).
Антиэлектрон был открыт спустя несколько лет. Первые свидетельства его существования
в космических лучах получил Патрик Блэкетт, однако пока он был занят
проверкой результатов, в августе 1932 года Карл Андерсон независимо открыл эту
частицу , которая позже получила название позитрона.
В 1932 году Дирак сменил Джозефа Лармора в должности Лукасовского
профессора математики (в свое время этот пост занимал Исаак Ньютон). В 1933 году
Дирак разделил с Эрвином Шрёдингером Нобелевскую премию по физике «за открытие
новых форм квантовой теории». Сначала Дирак хотел отказаться, поскольку не
любил привлекать к себе внимание, однако Резерфорд уговорил его, сказав, что
своим отказом он «наделает еще больше шума». 12 декабря 1933 года в
Стокгольме Дирак прочел лекцию на тему «Теория электронов и позитронов», в которой
предсказал существование антивещества. Предсказание и открытие позитрона
породило в научном сообществе уверенность, что начальная кинетическая энергия
одних частиц может быть преобразована в энергию покоя других, и привело в
дальнейшем к стремительному росту числа известных элементарных частиц.
После поездок в Копенгаген и Гёттинген Дирак почувствовал вкус к
путешествиям, посещениям разных стран и научных центров. С конца 1920-х годов он
выступал с лекциями по всему миру. Так, в 1929 году он прочитал курс лекций в
Висконсинском и Мичиганском университетах в США, затем вместе с Геизенбергом
пересек Тихий океан, а после лекций в Японии вернулся в Европу по
Транссибирской магистрали. Это было не единственное посещение Дираком Советского Союза.
Благодаря тесным научным и дружеским связям с советскими физиками (Игорем
Таммом, Владимиром Фоком, Петром Капицей и др.) он неоднократно приезжал в
эту страну (восемь раз в довоенное время — в 1928—1930, 1932—1933, 1935—1937
годах), а в 1936 году даже поучаствовал в восхождении на Эльбрус. Однако
после 1937 года ему не удавалось получить визу, поэтому его следующие приезды
состоялись лишь после войны, в 1957, 1965 и 1973 годах.
Помимо рассмотренных выше, в 1920—1930-е годы Дирак опубликовал ряд работ,
содержащих существенные результаты по различным конкретным проблемам
квантовой механики. Он рассмотрел введенную Джоном фон Нейманом матрицу плотности
(1929) и связал её с волновой функцией метода Хартри — Фока (1931) . В 1930
году он проанализировал учет обменных эффектов для многоэлектронных атомов в
приближении Томаса — Ферми. В 1933 году совместно с Капицей Дирак рассмотрел
явление отражения электронов от стоячей световой волны (эффект Капицы —
Дирака) , которое удалось наблюдать на опыте лишь много лет спустя, после
появления лазерной техники. В работе «Лагранжиан в квантовой механике» (1933) была
предложена идея интеграла по траекториям, заложившая основы метода
функционального интегрирования. Этот подход был положен в основу формализма
континуального интеграла, развитого Ричардом Фейнманом в конце 1940-х годов и
оказавшегося чрезвычайно плодотворным при решении задач теории калибровочных
полей.
В 1930-е годы Дирак написал несколько фундаментальных работ по квантовой
теории поля. В 1932 году в совместной с Владимиром Фоком и Борисом Подольским
статье «К квантовой электродинамике» был построен так называемый
«многовременной формализм», который позволил получить релятивистски инвариантные
уравнения для системы электронов в электромагнитном поле. Вскоре эта теория
столкнулась с серьёзной проблемой: в ней возникали расходимости. Одной из
причин этого является эффект поляризации вакуума, предсказанный Дираком в его
сольвеевском докладе 1933 года и приводящий к уменьшению наблюдаемого заряда
частиц по сравнению с их действительными зарядами. Другой причиной появления
расходимостей является взаимодействие электрона с собственным
электромагнитным полем (радиационное трение, или самовоздействие электрона). Пытаясь
решить эту проблему, Дирак рассмотрел релятивистскую теорию классического
точечного электрона и близко подошёл к идее перенормировок. Процедура
перенормировок была положена в основу современной квантовой электродинамики,
созданной во второй половине 1940-х годов в работах Ричарда Фейнмана, Синъитиро То-
монаги, Юлиана Швингера и Фримена Дайсона.
Важным вкладом Дирака в распространение квантовых идей стало появление его
Знаменитой монографии «Принципы квантовой механики», первое издание которой
вышло в 1930 году. В этой книге было дано первое полное изложение квантовой
механики как логически замкнутой теории. Английский физик Джон Эдвард Лен-
нард- Джонс писал по этому поводу (1931):
«Как говорят, один известный европейский физик, которому посчастливилось
иметь переплетенное собрание оригинальных статей д-ра Дирака, отзывался о нем
с благоговением как о своей «библии». Те, кому не так посчастливилось, имеют
теперь возможность приобрести «authorized version» [то есть перевод библии,
одобренный церковью].»
Последующие издания (1935, 1947, 1958) содержали значительные дополнения и
усовершенствования изложения материала. Издание 1976 года отличалось от
четвёртого издания лишь незначительными исправлениями.
В 1931 году в статье «Квантованные сингулярности в электромагнитном поле»
Дирак ввел в физику представление о магнитном монополе, существование
которого могло бы объяснить квантование электрического заряда. Позже, в 1948 году,
он вернулся к этой теме и развил общую теорию магнитных полюсов,
рассматриваемых как концы ненаблюдаемых «струн» (линий сингулярности векторного
потенциала) . Был предпринят ряд попыток экспериментального обнаружения монополя,
однако до сих пор не получено никаких окончательных свидетельств их
существования. Тем не менее, монополи прочно вошли в современные теории Великого
объединения и могли бы служить источником важной информации о строении и
эволюции Вселенной. Дираковские монополи явились одним из первых примеров
использования идей топологии в решении физических проблем.
В 1937 году Дирак сформулировал так называемую «гипотезу больших чисел»,
согласно которой чрезвычайно большие числа (например, отношение констант
электромагнитного и гравитационного взаимодействий двух частиц), возникающие
в теории, должны быть связаны с возрастом Вселенной, выражаемым также
огромным числом. Эта зависимость должна приводить к изменению фундаментальных
постоянных со временем. Развивая эту гипотезу, Дирак выдвинул идею о двух вре-
менных шкалах — атомной (входит в уравнения квантовой механики) и глобальной
(входит в уравнения общей теории относительности). Эти соображения могут
найти отражение в новейших экспериментальных результатах и теориях
супергравитации, вводящих различные размерности пространства для разных типов
взаимодействий .
Учебный 1934—1935 год Дирак провел в Принстоне, где познакомился с сестрой
своего близкого друга Юджина Вигнера Маргит (Манси), приехавшей из Будапешта.
Они поженились 2 января 1937 года. В 1940 и 1942 годах у Поля и Манси
родились две дочери. Кроме того, у Манси было двое детей от первого брака,
которые приняли фамилию Дирак.
После начала Второй мировой войны из-за нехватки сотрудников возросла
преподавательская нагрузка на Дирака. Кроме того, ему пришлось взять на себя
руководство несколькими аспирантами. До войны Дирак старался избегать такой
ответственности и в целом предпочитал работать в одиночку. Лишь в 1930—1931
годах он заменял Фаулера в качестве руководителя Субраманьяна Чандрасекара, а в
1935—1936 принял двух аспирантов Макса Борна, который покинул Кембридж и
вскоре обосновался в Эдинбурге. Всего за всю свою жизнь Дирак курировал
работу не более дюжины аспирантов (в основном в 1940—50-е годы). Он полагался на
их самостоятельность, но при необходимости был готов помочь советом или
ответить на вопросы. Как писал его ученик С. Шанмугадхасан:
«Несмотря на его отношение к студентам по принципу «тони или плыви», я
твердо уверен, что Дирак был лучшим руководителем, которого можно было бы
желать .»
Во время войны Дирака привлекли к разработке методов разделения изотопов,
важных с точки зрения применений атомной энергии. Исследования по разделению
изотопов в газообразной смеси методом центрифугирования проводились Дираком
совместно с Капицей ещё в 1933 году, однако эти эксперименты прекратились
через год, когда Капица не смог вернуться в Англию из СССР. В 1941 году Дирак
начал сотрудничать с оксфордской группой Фрэнсиса Саймона, предложив
несколько практических идей разделения статистическими методами. Также он дал
теоретическое обоснование работы центрифуги с самофракционированием, изобретенной
Гарольдом Юри. Терминология, предложенная Дираком в этих исследованиях,
используется до сих пор. Кроме того, он был неофициальным консультантом
бирмингемской группы, проводя расчеты критической массы урана с учетом её формы.
В послевоенный период Дирак возобновил свою активную деятельность, посещая
разные страны мира. Он с удовольствием принимал приглашение поработать в
таких научных учреждениях, как Принстонский институт перспективных
исследований, Институт фундаментальных исследований в Бомбее (где он заразился
гепатитом в 1954 году), Национальный исследовательский совет в Оттаве, читал лекции
в различных университетах. Впрочем, порой возникали непредвиденные
препятствия: так, в 1954 году Дирак не смог получить разрешение на приезд в США, что,
видимо, было связано с делом Оппенгеймера и его довоенными посещениями
Советского Союза. Однако большую часть времени он проводил в Кембридже,
предпочитая работать дома и приходя в свой служебный кабинет в основном только с
целью общения со студентами и сотрудниками университета.
В это время Дирак продолжал развивать собственные взгляды на квантовую
электродинамику, пытаясь избавить её от расходимостеи, не прибегая к таким
искусственным приемам как перенормировка. Эти попытки осуществлялись по
нескольким направлениям: одна из них привела к концепции «лямбда-процесса»,
другая — к пересмотру представлений об эфире и т.д. Однако, несмотря на
огромные усилия, Дираку так и не удалось достичь своих целей и прийти к
удовлетворительной теории. После 1950 года наиболее существенным конкретным вкладом
в квантовую теорию поля стал развитый в ряде работ обобщенный гамильтонов
формализм для систем со связями. В дальнейшем это позволило провести кванто-
вание полей Янга — Миллса, что имело принципиальное значение для построения
теории калибровочных полей.
Другим направлением работы Дирака являлась общая теория относительности. Он
показал справедливость уравнений квантовой механики при переходе к
пространству с метрикой ОТО (в частности, с метрикой де Ситтера). В последние годы он
был занят проблемой квантования гравитационного поля, для чего распространил
гамильтонов подход на задачи теории относительности.
В 1969 году закончился срок пребывания Дирака на посту Лукасовского
профессора . Вскоре он принял приглашение занять должность профессора в Флоридском
университете в Таллахасси и переехал в США. Он также сотрудничал с Центром
теоретических исследований в Майами, вручая ежегодные премии имени Р. Оппен-
геймера. С каждым годом его здоровье слабело, в 1982 году он перенес
серьёзную операцию. Дирак скончался 20 октября 1984 года и был похоронен на
кладбище в Таллахасси.
Подводя итог жизненного пути Поля Дирака, имеет смысл привести слова
нобелевского лауреата Абдуса Салама:
«Поль Адриен Морис Дирак — без сомнения, один из величайших физиков этого,
да и любого другого столетия. В течение трех решающих лет — 1925, 1926 и 1927
— своими тремя работами он заложил основы, во-первых, квантовой физики в
целом, во-вторых, квантовой теории поля и, в-третьих, теории элементарных
частиц... Ни один человек, за исключением Эйнштейна, не оказал столь определяющего
влияния за столь короткий период времени на развитие физики в этом столетии.»
В оценке творчества Дирака важное место занимают не только полученные
фундаментальные результаты, но и сам способ их получения. В этом смысле
первостепенное значение приобретает понятие «математической красоты», под которым
понимается логическая ясность и последовательность теории. Когда в 1956 году
во время лекции в Московском университете Дирака спросили о его понимании
философии физики, он написал на доске:
«Физические законы должны обладать математической красотой. (Physical laws
should have mathematical beauty).»
Эта методологическая установка Дирака была ярко и однозначно выражена им в
статье, посвященной столетнему юбилею со дня рождения Эйнштейна:
«... нужно в первую очередь руководствоваться соображениями математической
красоты, не придавая особого значения расхождениям с опытом. Расхождения
вполне могут быть вызваны какими-то вторичными эффектами, которые прояснятся
позже. Хотя пока еще никаких расхождений с теорией гравитации Эйнштейна не
обнаружилось, в будущем такое расхождение может появиться. Тогда его надо
будет объяснять не ложностью исходных посылок, а необходимостью дальнейших
исследований и усовершенствований теории.»
По этим же соображениям Дирак не мог смириться с тем способом (процедура
перенормировок), которым принято избавляться от расходимостей в современной
квантовой теории поля. Следствием этого была неуверенность Дирака даже в
основах обычной квантовой механики. В одной из своих лекций он говорил о том,
что все эти трудности
«заставляют меня думать, что основы квантовой механики еще не установлены.
Исходя из современных основ квантовой механики, люди затратили колоссальный
труд, чтобы на примерах отыскать правила устранения бесконечностей в решении
уравнений. Но все эти правила, несмотря на то, что вытекающие из них
результаты могут согласовываться с опытом, являются искусственными, и я не могу
согласиться с тем, что современные основы квантовой механики правильны.»
Предлагая в качестве выхода обрезание интегралов путем замены бесконечных
пределов интегрирования некоторой достаточно большой конечной величиной, он
был готов принять даже неизбежную в этом случае релятивистскую
неинвариантность теории:
«... квантовую электродинамику можно уложить в рамки разумной математической
теории, но лишь ценой нарушения релятивистской инвариантности. Мне, однако,
это кажется меньшим злом, чем отступление от стандартных правил математики и
пренебрежение бесконечными величинами.»
Часто Дирак говорил о своей научной работе как об игре с математическими
соотношениями, считая первостепенной задачей поиск красивых уравнений,
которые впоследствии могут получить физическую интерпретацию (в качестве примера
успешности такого подхода он называл уравнение Дирака и идею магнитного моно-
поля).
Большое внимание в своих работах Дирак уделял выбору терминов и
обозначений, многие из которых оказались столь удачны, что прочно вошли в арсенал
современной физики. В качестве примера можно назвать ключевые в квантовой
механике понятия «наблюдаемой» и «квантового состояния». Он ввел в квантовую
механику представление о векторах в бесконечномерном пространстве и дал им
привычные ныне скобочные обозначения (бра- и кет-вектора), ввел слово
«коммутировать» и обозначил коммутатор (квантовые скобки Пуассона) при помощи
квадратных скобок, предложил термины «фермионы» и «бозоны» для двух типов частиц,
назвал единицу гравитационных волн «гравитоном» и т.д.
Ещё при жизни Дирак вошёл в научный фольклор как персонаж многочисленных
анекдотических историй разной степени достоверности. Они позволяют в какой-то
мере понять особенности его характера: молчаливость, серьёзное отношение к
любой теме обсуждения, нетривиальность ассоциаций и мышления в целом,
стремление к предельно четкому выражению своих мыслей, рациональное отношение к
проблемам (даже абсолютно не связанным с научным поиском). Он не употреблял
алкоголь и не курил, был равнодушен к пище или удобствам, избегал внимания к
себе. Дирак долгое время был неверующим, что нашло отражение в известной
шуточной фразе Вольфганга Паули: «Бога нет, и Дирак — пророк его». С годами его
отношение к религии смягчилось (возможно, под влиянием жены), и он даже стал
членом Папской академии наук. Более того, Дираку приписывают следующие слова:
«Оказывается, одна из основных особенностей природы заключается в том, что
законы фундаментальной физики описываются очень изящными и мощными
математическими теориями. Для понимания этих теорий нужно быть математиком высокого
уровня. Вы можете удивляться: почему Природа устроена таким образом?
Единственное, что можно ответить на современном уровне знаний - Природа таким
образом сконструирована. Остаётся только принять это. Другими словами, Бог -
математик очень высокого уровня и Он использовал самую совершенную математику
при создании Вселенной. Наши слабенькие математические усилия позволяют нам
понять устройство лишь маленького кусочка Вселенной, и по мере дальнейшего
развития математики мы надеемся понять устройство Вселенной лучше.
«У меня проблемы с Дираком», писал Эйнштейн Паулю Эренфесту в августе 1926-
го. «Это балансирование на головокружительной грани между гением и безумием —
ужасно.»
Нильс Бор сказал как-то: «Из всех физиков у Дирака самая чистая душа».
Карл Дейвид Андерсон (англ. Carl David Anderson; 1905—1991) — американский
физик-экспериментатор. Известен открытием позитрона — достижение, за которое
он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1936 году.
Андерсон родился в Нью-Йорке, в семье шведского иммигранта. Он изучал
физику и технику в Калифорнийском Технологическом Институте (степень бакалавра в
1927 году, доктор философии в 1930 году). Под руководством Роберта Милликена
он начал исследования космических лучей. Во время исследований он открыл
необычные треки некоторой частицы на снимках пузырьковой камеры, которые он
правильно интерпретировал как треки, принадлежащие частице
с массой электрона, но имеющей противоположный
электрический заряд. Это открытие, объявленное в 1932 году, и
впоследствии подтверждённое другими, подтвердило
теоретические рассуждения Поля Дирака о существовании позитрона.
Андерсон получил первое прямое доказательство
существования позитрона путём облучения гамма-лучами, произведёнными
карбидом тория (ТпС), других материалов, что привело к об-
—^В^ЕГ*"* разованию электрон-позитронных пар. За эту работу Андерсон
^^^^ был награждён Нобелевской премией по физике за 1936 год
^^В%^^ (совместно с Виктором Гессом) .
^^ь^^^^ Также в 1936 году Андерсон и его студент-дипломник, Сид
£^^^В Недермейер, открыли мюон (который долгие годы был известен
под именем мю-мезон) — субатомную частицу, которая в 207
раз тяжелее электрона. Андерсон и Недермейер первоначально думали, что
открыли пион — частицу, которую постулировал Хидэки Юкава в своей теории сильного
взаимодействия. Когда стало ясно, что частица, которую увидел Андерсон, не
была пионом, физик-теоретик И.И. Раби, озадаченный тем, каким образом
неожиданное открытие может быть вписано в какую-либо логическую схему физики
элементарных частиц, задал свой знаменитый вопрос: «Кто это заказывал?» (иногда
в эту историю добавляют, что он обедал в этот момент с коллегами в китайском
ресторане). Мюон был первой в длинном ряду субатомных частиц, открытие
которых первоначально озадачило теоретиков, которые не могли подогнать такой
«зоопарк» под какую-либо стройную концепцию. Уиллис Лэмб говорил, что однажды
он услышал, что «когда-то открывателей элементарных частиц награждали
нобелевской премией, но теперь такое открытие должно наказываться штрафом в 10000
долларов».
Карл Андерсон провёл всю свою научную карьеру в Калифорнийском
технологическом институте. Во время второй мировой войны он проводил исследования в
области ракетной техники. Он умер 11 января 1991 года и похоронен на кладбище
Форест Лаун в Голливудских Холмах, в Лос-Анджелесе.
Вольфганг Эрнст Паули (нем. Wolfgang Ernst Pauli; 1900—
1958) — лауреат Нобелевской премии по физике За 1945 год.
Вольфганг Паули родился в Вене в семье врача и
профессора химии Вольфганга Йозефа Паули (рожд. Вольф Пасхелес,
1869—1955), родом из видной пражской еврейской семьи Пас-
хелес-Утиц, в 1898 году сменившего имя и незадолго до
женитьбы в 1899 году принявшего католическую веру. Мать
Вольфганга Паули — фельетонист Берта Камилла Паули
(урождённая Шютц, 1878—1927) — была дочерью известного
еврейского литератора Фридриха Шютца (1844—1908). Младшая
сестра Паули — Херта Паули (1906—1973) — также стала
литератором. Второе имя Паули получил в честь своего крёстного
дяди, физика Эрнста Маха.
Вольфганг учился в Мюнхенском университете у Арнольда Зоммерфельда. Там, по
просьбе Зоммерфельда, 20-летний Паули написал обзор для «Физической
энциклопедии» , посвященный общей теории относительности, и эта монография до сих пор
остаётся классической. Позже он преподавал в Гёттингене, Копенгагене,
Гамбурге, Принстонском университете (США) и в Цюрихской высшей электротехнической
школе (Швейцария). С именем Паули связано такое фундаментальное понятие кван-
товой механики, как спин элементарной частицы; он предсказал существование
нейтрино и сформулировал «принцип запрета» — принцип Паули, за что был
удостоен Нобелевской премии по физике За 1945 год. В 1958 году награждён медалью
имени Макса Планка, позже в том же году Вольфганг Паули умирает от рака в
Цюрихе.
Паули внёс существенный вклад в современную физику, особенно в области
квантовой механики. Он редко публиковал свои работы, предпочитая этому
интенсивный обмен письмами со своими коллегами, в особенности с Нильсом Бором и
Вернером Гейзенбергом, с которыми он крепко дружил. По этой причине многие из
его идей встречаются только в этих письмах, которые часто передавались далее
и копировались. Паули, судя по всему, мало заботило то, что по причине малого
числа публикаций большая часть его работы была почти не известна широкой
общественности. Все же некоторые факты стали известны:
1924 год: Паули вводит в квантовую механику новую степень свободы, чтобы
устранить имевшуюся несостоятельность в интерпретации наблюдаемых
молекулярных спектров. Эта степень свободы была в 1925 г. идентифицирована Г. Уленбе-
ком и С. Гаудсмитом как спин электрона. При этом Паули формулирует свой
принцип запрета, который, по-видимому, стал его главным вкладом в квантовую
механику.
1926 год: Вскоре после опубликования Гейзенбергом матричного представления
квантовой механики, Паули применяет эту теорию для описания наблюдаемого
спектра водорода. Это служит значительным доводом для признания теории Гей-
зенберга.
1927 год: Паули вводит спиноры для описания спина электрона.
1930 год: Паули постулирует нейтрино. Он осознал, что при бета-распаде
нейтрона на протон и электрон законы сохранения энергии и импульса могут
выполняться, только если при этом испускается ещё одна, до тех пор неизвестная
частица. Так как в тот момент времени доказать существование этой частицы
было невозможно, Паули постулировал существование неизвестной частицы.
Итальянский физик Энрико Ферми назвал позже эту частицу «нейтрончик»: нейтрино.
Экспериментальное доказательство существования нейтрино появилось только в 1954
г.
В области физики Паули был известен как перфекционист. При этом он не
ограничивался только своими работами, но и безжалостно критиковал ошибки своих
коллег. Он стал «совестью физики», часто отзывался о работах как о «совсем
неверных», либо комментировал примерно так: «Это не только неправильно, это
даже не дотягивает до ошибочного!» В кругах его коллег ходила по этому поводу
такая шутка: «После смерти Паули удостаивается аудиенции у Бога. Паули
спрашивает Бога, почему постоянная тонкой структуры равна 1/137. Бог кивает, идёт
к доске и начинает со страшной скоростью писать уравнение за уравнением.
Паули смотрит сначала с большой удовлетворённостью, но вскоре начинает сильно и
решительно отрицательно качать головой.»
Другой анекдот повествует о том, как Гейзенберг представил Паули свою новую
теорию. В качестве ответа он получил письмо, в котором был нарисован квадрат
с пометкой «Я могу рисовать как Тициан.» Внизу мелким почерком было
приписано : «Не хватает только деталей.»
Также Паули славился тем, что в его присутствии чувствительная
экспериментальная аппаратура переставала работать или даже внезапно ломалась. Это
явление известно под названием «эффекта Паули».
В Вене Паули учился в федеральной гимназии № 19 по адресу Гимназиумштрассе
83, 1190 Вена. Его одноклассником был будущий лауреат нобелевской премии
Рихард Кун, получивший в 1938 году нобелевскую премию по химии. Рассказывают
также, что однажды на уроке физики учитель сделал на доске ошибку, которую не
смог найти даже после долгого поиска. К великой радости учеников он в
отчаянии взывает: «Паули, ну скажите наконец-то, в чём ошибка. Вы наверняка давно
уже её нашли.»
Менее известная область его деятельности, которая пристально изучается
только с 1990 г., возникла из сотрудничества с психологом Карлом Густавом Юн-
гом. Из их переписки, которую оба учёных вели с 1932 до 1958 г. , становится
ясным, что Паули принадлежит большая часть понятия синхроничности, которое
ввёл К. Г. Юнг, и, кроме того, часть уточнения понятий коллективного
бессознательного и архетипов, которые имеют первостепенное значение для работ Юнга.
Существенную часть этого диалога составляет и сегодня ещё не решённая
психофизическая проблема, объединение коллективного психо с материей, глубинных
корней внутреннего мира человека с внешним миром, что Юнг обозначал как unus
mundus (единый мир) и Паули как психофизическую действительность единения.
Современное состояние анализа его записей показывает, что эти занятия Паули
имели не только чисто академический интерес, а брали свои истоки из глубоко-
лежащих собственных переживаний — экзистенциальных размышлений об архетипе
«дух материи».
Г Ральф Крониг (нидерл. Ralph Kronig; 1904—1995) —
нидерландский физик-теоретик, член Нидерландской АН.
) Родился в Дрездене. Окончил Колумбийский университет. В
1931—1939 — лектор Гронингенского университета, в 1939—
1969 — профессор и в 1959—1962 — ректор Высшей технической
1 ^^ школы в Делфте.
а Работы относятся к спектроскопии, теории молекулярных
структур, теории валентности, квантовой механике, ядерной
физике, физике твердого тела. Независимо от Сэмюэла Гаудсмита и Джорджа Улен-
бека пришел (начало 1925) к понятию спина электрона. В 1926 независимо от X.
Крамерса получил дисперсионные отношения в области классической
электродинамики (соотношения Крамерса — Кронига). Дал качественную картину поведения
электронов в кристалле, состоящую из последовательности одинаковых
потенциальных барьеров и прямоугольных потенциальных ям (модель Кронига — Пенни). В
1939 независимо от Дж. Ван Флека предложил механизм спин-решеточной
релаксации (механизм Кронига — Ван Флека).
Получил Медаль Макса Планка в 1962.
Джордж Юджин Уленбек (англ. George Eugene Uhlenbeck;
1900—1988) — американский физик-теоретик голландского
происхождения. Член Национальной академии наук США (1955) , а
также ряда других научных обществ мира. Научные работы
относятся в основном к квантовой механике, атомной и ядерной
физике, кинетической теории, статистической механике,
нелокальной квантовой теории поля. Наибольшую известность
приобрёл благодаря открытию спина электрона, совершённому
совместно с Сэмюэлом Гаудсмитом.
Джордж (или Георг) Уленбек родился в столице Голландской
Ост-Индии Батавии (ныне Джакарта, Индонезия) в семье Юдже-
ниуса Мариуса Уленбека, подполковника Голландской Ост-Индской армии, и Анны
Марии Беегер, дочери голландского генерал-майора. Род Уленбека имеет немецкие
корни, его предки перебрались в Голландию в середине XVIII века. В семье было
шесть детей, двое умерли в раннем возрасте от малярии. Впоследствии помимо
Джорджа получил известность и его брат Эйгениус Мариус (нидерл. Eugenius
Marius Uhlenbeck), ставший лингвистом и знатоком яванского языка, профессором
Лейденского университета.
Уленбеки часто переезжали с места на место, жили одно время на Суматре, где
Джордж получил первые элементы образования. В 1905 году отец вышел в отставку
(главным образом, чтобы обеспечить детей достойным образованием), и вскоре
семья вернулась на родину, осев в Гааге. Там Джордж занимался в начальной и
средней школе и под влиянием своего учителя всерьёз заинтересовался физикой.
Он прочитал университетский учебник, написанный Хендриком Лоренцем, изучил
дифференциальное и интегральное исчисление. В июле 1918 года Уленбек сдал
заключительные школьные экзамены, однако, поступить в университет он не мог. По
законам того времени для поступления требовалось знание греческого языка и
латыни, которые изучались лишь в гимназии, а не в обычной городской школе,
которую он окончил. Военная карьера, которую предлагали ему выбрать родители,
его не интересовала. Поэтому в сентябре 1918 года он решил поступить в
Технологический институт в Делфте на отделение химического машиностроения. Здесь
ему не слишком нравилось: надо было посещать большое число лекций и
лабораторных занятий по химии. Впрочем, той же осенью закон о языках был изменён
(древние языки более не требовались для поступления на отделения точных
наук) , и Уленбек в январе 1919 года был зачислен на отделение математики и
физики Лейденского университета. Здесь царили совершенно иные порядки: лекций
было не много, и их можно было не посещать, необходимо было лишь выполнить за
семестр определённое количество лабораторных экспериментов. В это время
Уленбек увлёкся кинетической теорией газов. Большим подспорьем для понимания идей
Людвига Больцмана стала классическая статья по статистической механике,
написанная Паулем и Татьяной Эренфестами для математической энциклопедии.
В декабре 1920 года Уленбек сдал кандидатский (candidaat) экзамен по
математике и физике. Став выпускником, он посещал лекции Пауля Зренфеста по
электродинамике и статистической механике, а также был приглашён на знаменитые
семинары Зренфеста, проходившие по средам. На третьем году своего обучения
Уленбек получил государственную стипендию, которая компенсировала оплату за
обучение, и стала большой помощью для его небогатых родителей. Кроме того, он
смог позволить себе снять комнату в Лейдене, а не ездить ежедневно из Гааги.
В сентябре 1921 — июне 1922 года он подрабатывал преподавателем в школе. Это
занятие ему не нравилось, главным образом из-за своей неспособности навести
порядок и дисциплину в классе.
В конце 1921/22 учебного года Эренфест на лекции объявил о возможности
поработать преподавателем в Риме. Вызвался Уленбек, и с сентября 1922 по июнь
1925 года он работал домашним учителем сына голландского посла в Риме,
преподавая ему математику, физику, химию, голландский и немецкий языки, а также
голландскую историю. Однако каждое лето Уленбек проводил на родине, а в
сентябре 1923 года сдал экзамен на магистерскую степень (doctorandus).
За первый год пребывания в Риме Уленбек изучил итальянский язык, что
позволило ему посещать лекции по математике в Римском университете, которые читали
известные учёные Федериго Энрикес, Туллио Леви-Чивита и Вито Вольтерра.
Осенью 1923 года по поручению Зренфеста он разыскал молодого физика Энрико Ферми
и передал ему список вопросов по поводу его последней статьи. Они скоро
подружились и организовали небольшой коллоквиум для маленького кружка молодых
физиков. В следующем году Уленбек предложил Ферми провести три месяца в
Лейдене и более тесно пообщаться с Эренфестом. Это стало поворотным пунктом в
дальнейшей карьере итальянского учёного и позволило ему почувствовать
уверенность в своих силах, подорванную неудачной стажировкой в Гёттингене.
За время своего нахождения в Риме Уленбек всерьёз увлёкся историей,
особенно историей культуры, и практически забросил свои занятия физикой. Он посещал
Нидерландский исторический институт в Риме, изучал работы лейденского
профессора Йохана Хейзинги и других историков и даже опубликовал статью о Йоханнесе
ван Хееке (нидерл. Johannes van Heeck), одном из основателей Академии деи
Линчей. Когда в июне 1925 года Уленбек вернулся в Голландию, он задумался о
том, чтобы переквалифицироваться в историка: он познакомился с Хейзингой,
советовался со своим двоюродным дядей Кристианом Корнелиусом Уленбеком,
известным лингвистом. Первым делом надо было изучить латынь и греческий, а пока
было решено закончить обучение на физика и получить докторскую степень. Вскоре
Эренфест познакомил Уленбека с Сэмом Гаудсмитом, от которого он узнал о
положении дел в теории спектров. Увлёкшись совместной работой, Уленбек постепенно
отказался от своей затеи стать историком.
Осенью 1925 года Эренфест назначил Уленбека своим ассистентом. Совместная
работа, начатая Уленбеком и Гаудсмитом летом этого года, много дала обоим
молодым учёным: первый узнал о проблемах квантовой теории спектров, а второй
смог взглянуть на них с точки зрения более общих физических соображений. Как
вспоминал впоследствии сам Гаудсмит:
«Непредубеждённость и свежесть восприятия Уленбека, когда он занялся
атомными проблемами, множество его скептических замечаний и умных вопросов
привели нас к ряду новых существенных результатов... О... как физики мы с Уленбеком
мало походили друг на друга. Это лучше всего объяснить на следующем
упрощённом примере. Когда я ему рассказал о g-факторах Ланде, то он спросил, к моему
большому удивлению: «Кто такой Ланде?» Когда же он упомянул четыре степени
свободы электрона, то я спросил его: «А что такое степень свободы?»
Итогом этого сотрудничества стало открытие Уленбеком и Гаудсмитом спина
электрона. В 1927 году подошло время заканчивать обучение и писать докторскую
диссертацию. С этой целью Уленбек провёл несколько месяцев (с апреля по июнь)
в Копенгагене, а на обратном пути заехал в Гёттинген, где узнал о полностью
квантово-механической трактовке спина, данной Вольфгангом Паули, и
познакомился с Робертом Оппенгеймером, учеником Макса Борна. Вместе они вернулись в
Лейден. Защита диссертации на тему статистической механики (применение новой
квантовой статистики к описанию идеального газа) состоялась в Лейдене 7 июля
1927 (в тот же день защитился и Гаудсмит).
К тому времени Уленбек и Гаудсмит уже приняли предложение занять место
Оскара Клейна в Мичиганском университете в Энн Арборе. Ещё весной Эренфест
уговорил мистера Уолтера Колби, занимавшегося поиском подходящих кандидатур в
Европе, взять на это место сразу двух человек, «чтобы им было с кем
поговорить». Перед самым отъездом, 23 августа 1927 года, Уленбек женился на Эльзе
Опхорст (Else Ophorst), студенке химического факультета Лейденского
университета . В Нью-Йоркском порту их встретил Оппенгеймер и после нескольких дней у
него в гостях в начале сентября они прибыли поездом в Энн Арбор. Несмотря на
провинциальный статус Мичиганского университета, к этому времени здесь
сформировалась небольшая компания талантливых молодых теоретиков: помимо вновь
прибывших Уленбека и Гаудсмита здесь работали Отто Лапорте (англ. Otto
Laporte), ученик Арнольда Зоммерфельда, и Дэвид Деннисон, ученик Клейна.
Вскоре самым важным событием в жизни университета стали ежегодные летние
школы: благодаря связям Уленбека и Гаудсмита в Мичиган с лекциями приезжали
многие ведущие физики (Эренфест, Крамере, Ферми, Паули, Зоммерфельд, Дирак и
др.) Кроме того, Уленбек организовал для студентов семинар в эренфестовском
духе.
После самоубийства Эренфеста его место в Лейдене занял Хендрик Крамере, а
должность последнего в Утрехтском университете была предложена Уленбеку. Не
испытывая особого к этому желания, тем не менее в 1935 году он вернулся в
Голландию. В 1938 году он вновь посетил Америку, где в течение осеннего
семестра читал лекции в качестве приглашённого профессора в Колумбийском
университете и где вновь встретился с Ферми, от которого узнал об открытии деления
ядра. Вскоре Уленбек принял окончательное решение перебраться за океан.
В августе 1939 года, перед самым началом Второй мировой войны, Уленбек
покинул Европу. Он вновь работал в Мичиганском университете. В 1942 году у него
родился сын Ольке Корнелис, ставший впоследствии известным биохимиком, членом
Национальной академии наук США. Во время войны в 1943—1945 годах Уленбек
временно примкнул к радиационной лаборатории Массачусетского технологического
института, где занимался теорий волноводов и разработкой радарной техники.
Под его руководством работали математик Марк Кац (англ. Mark Kac), который
стал ему близким другом и с которым он впоследствии много сотрудничал, и
Юлиан Швингер, отказавшийся работать над атомными проблемами в Чикаго. Осенью
1945 года Уленбек вернулся в Энн Арбор. В 1952 году он получил американское
гражданство, а спустя два года был назначен на почётный пост профессора
физики имени Генри Кархарта (Henry Carhart Professor of Physics).
В последующие годы Уленбек периодически работал в Институте перспективных
исследований в Принстоне (1948/4 9 и 1958/59 годы), Брукхейвенской
национальной лаборатории (1959). Он был избран президентом Американского физического
общества на 1959 год. В 1960 году Уленбек перебрался на должность профессора
в Рокфеллеровский институт медицинских исследований (Нью-Йорк), который под
руководством Детлева Бронка (англ. Detlev Bronk) преобразовался в
Рокфеллеровский университет и где присоединился к своему старому другу Марку Кацу. В
1971 году Уленбек получил почётное звание и ушёл в отставку, однако не
прекратил активно работать и участвовать в обсуждении важнейших научных проблем.
В 1984 году он пережил удар, после чего уже не смог вернуться к занятиям
наукой. В следующем году его сын Ольке, профессор микробиологии Иллинойсского
университета, забрал его к себе в Урбану. В 1986 году Ольке получил должность
в Колорадском университете, и семья переехала в Боулдер. Здесь Уленбек и
скончался в результате очередного удара.
В октябре 1925 года Уленбек совместно с Сэмом Гаудсмитом ввёл в физику
концепцию спина: на основе анализа спектроскопических данных они предложили
рассматривать электрон как «вращающийся волчок», обладающий собственным
механическим моментом, равным l/2h, и собственным магнитным моментом, равным
магнетону Бора. Схожие идеи приходили в голову многим физикам, однако, не были
сформулированы с достаточной отчётливостью. Так, ещё в 1921 году Артур Комп-
тон, пытаясь объяснить магнитные свойства вещества, высказал мысль об
электроне , вращающемся «подобно миниатюрному гироскопу». Позже Вольфганг Паули в
знаменитой работе, посвященной принципу запрета, был вынужден приписать
электрону «двузначность, не описываемую классически». В начале 1925 года Ральф
Крониг предположил, что эту двузначность можно объяснить вращением электрона
вокруг оси, однако вскоре он столкнулся с серьёзными трудностями (согласно
расчётам, скорость на поверхности электрона должна превышать скорость света).
Кроме того, эта гипотеза встретила негативную реакцию со стороны Паули, Хенд-
рика Крамерса и Вернера Гейзенберга, и Крониг решил не публиковать её.
По-видимому, эта двузначность (четвёртая степень свободы, или квантовое
число, электрона) была также исходным пунктом работы Уленбека и Гаудсмита, и
они также решили связать её с вращением электрона вокруг своей оси. Они
изучили старые работы Макса Абрагама, посвященные вращению заряженной сферы, но
вскоре столкнулись с теми же трудностями, что и Крониг. Тем не менее, они
сообщили о своей гипотезе Эренфесту, которому она понравилась. Он предложил
своим ученикам написать небольшую заметку для журнала Die Naturwissenschaften
и показать её Хендрику Лоренцу. Лоренц произвёл ряд вычислений
электромагнитных свойств вращающегося электрона и продемонстрировал нелепость выводов, к
которым приводит эта гипотеза. Уленбек и Гаудсмит посчитали за лучшее не
публиковать свою статью, однако было поздно: Эренфест уже отослал её в печать.
По этому поводу он заметил:
«Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать одну глупость!»
Появление статьи Уленбека и Гаудсмита породило бурное обсуждение гипотезы
спина в научных кругах. Помимо отмеченных затруднений, к которым приводило
представление о вращении электрона, оставалась нерешённой проблема лишнего
множителя 2, появлявшегося в выражении для сверхтонкой структуры водородного
спектра. Поэтому поначалу отношение к спину было весьма скептическим.
Решающей оказалась позиция Нильса Бора, который с воодушевлением воспринял
появление этой гипотезы, открывавшей новые возможности для описания атома. Бор
предложил Уленбеку и Гаудсмиту ещё раз изложить свои доводы в статье для
журнала Nature и сопроводил её своими замечаниями. Окончательно правильность
идеи о спине стала ясна весной 1926 года, когда расчёты спин-орбитального
взаимодействия, проведённые Ллевеллином Томасом и Яковом Френкелем с учётом
релятивистских эффектов (так называемая томасовская прецессия), позволили
объяснить тонкую структуру спектров (в том числе избавиться от лишнего
множителя) и аномальный эффект Зеемана.
Идея спина буквально витала в воздухе: помимо уже упомянутых учёных, схожие
мысли высказывали Гарольд Юри (для электрона), Шатьендранат Бозе (для фотона)
и тот же Паули (для атомного ядра). По этой причине однозначно определить
приоритет в вопросе открытия спина не представляется возможным. Видимо, это и
стало основной причиной того, что открытие спина так и не было удостоено
Нобелевской премии.
Вопросы статистической механики представляли для Уленбека, как ученика
Эренфеста, особый интерес. Впервые он обратился к ней в своей диссертации,
посвященной описанию идеального газа на основании статистик Ферми — Дирака и
Бозе — Эйнштейна. Это привело его к проблеме конденсации Бозе-Эйнштейна: он
вступил в полемику с Эйнштейном, утверждая, что в точном описании этого
процесса не возникает никаких сингулярностей или разрывов. Впоследствии, в 1937
году, была высказана идея, что резкий фазовый переход может происходить лишь
в термодинамическом пределе, когда число частиц вещества стремится к
бесконечности. Основываясь на этой мысли, он сформулировал (совместно со своим
учеником Борисом Каном) критерий существования конденсационного перехода в
газе. Проблема конденсации, остававшаяся в центре его внимания на протяжении
всей оставшейся жизни, привела его к подробному изучению математики линейных
графов, исследованию конденсации одномерного газа с экспоненциальным
притяжением и жёсткой сердцевиной, уравнения состояния Ван-дер-Ваальса, а также к
нескольким работам по теории сверхтекучего гелия.
Уленбек внёс большой вклад в теорию броуновского движения: совместно с Га-
удсмитом рассмотрел вращательное броуновское движение, а в классической
работе 1930 года вместе с Леонардом Орнштейном (англ. Leonard Ornstein) учёл
инерцию броуновских частиц - так называемый процесс Орнштейна—Уленбека (англ.
Ornstein-Uhlenbeck process). Кроме того, совместно с Е. Улингом (Е. Uehling)
он вывел кинетическое уравнение для квантового газа (квантовая теория явлений
переноса), получил выражения для второго и третьего вириального
коэффициентов, изучал вопросы приближения к равновесию, написал ряд работ по
кинетической теории и классической статистической физике. Уленбек активно использовал
статистические методы в других разделах физики (ядерной физике, теории
космических лучей, дисперсии звука, теории ударных волн), ввёл в научный обиход
термин «Нулевое начало термодинамики».
Уленбек одним из первых применил теорию бета-распада Энрико Ферми,
рассмотрев возможность спонтанного распада протона и нейтрона. В 1935 году совместно
со своим учеником Эмилем Конопинским (англ. Emil Konopinski) он модифицировал
теорию Ферми, добившись лучшего соответствия экспериментальным данным
(впоследствии эта модификация была отвергнута) . В следующем году он обобщил эту
теорию на случай позитронного распада (независимо от Джан Карло Вика - англ.
Gian-Carlo Wick), вычислил коэффициенты внутренней конверсии гамма-лучей с
образованием пар, рассчитал спектры внутреннего тормозного излучения. В 1941
году Уленбек вернулся к теории Ферми и в совместной с Конопинским работе дал
классификацию разрешённых и запрещённых переходов. В 1950 году он предсказал
существование бета-гамма корреляций и направленных корреляций при каскадных
ядерных процессах. Существование этих явлений ставилось в то время под
сомнение, однако, вскоре экспериментаторы обнаружили их. Ныне эти корреляции
используются для классификации ядерных состояний по угловому моменту и
чётности.
В 1932 году совместно с Дэвидом Деннисоном Уленбек рассмотрел квантово-
механическую Задачу о двойном минимуме в рамках приближения ВКБ. Это
позволило им рассчитать так называемое инверсионное расщепление линий колебательного
спектра молекулы аммиака, которое вскоре было экспериментально обнаружено
Нилом Уильямсом (англ. Neal H. Williams) и Клодом Клитоном (англ. Claud E.
Cleeton) при помощи разработанного ими магнетрона. В конце 1930-х годов
Уленбек участвовал в разработке теории космических лучей (совместно с Уиллисом
Лэмбом и др.). В конце 1940-х — начале 1950-х годов вместе с Абрахамом Пайсом
он предпринял попытку избавиться от расходимостей в квантовой электродинамике
путём модификации уравнений электромагнитного поля, введя, таким образом, в
теорию нелокальное действие. Хотя им не удалось достичь поставленной цели, в
ходе исследования были разработаны новые математические подходы, а также
показано, к чему могут приводить те или иные изменения, вносимые в основы
теории.
Оценивая личность Уленбека, Абрахам Пайс писал:
«В те годы [конец 1940-х] зародилась наша глубокая дружба с Джорджем. Она
продолжалась до самой его смерти. Я гораздо лучше понял его, особенно ту
примечательную черту его личности, которую я называю чистотой. Как сказал об
этом однажды Крамере, Джордж был «единожды рождённым» (характеристика,
изобретённая Уильямом Джеймсом)».
Эта особенность характера Уленбека проявлялась в его научной и
преподавательской работе. По словам профессора Коэна (Е. G. D. Cohen), ученика
Уленбека:
«Все статьи Уленбека сравнительно короткие и выделяются своей
лаконичностью, точностью и ясностью, они прекрасно отполированы с целью более
глубокого понимания основной проблемы в статистической физике. Они не содержат
длинных формальных выводов и почти все связаны с конкретными проблемами... они были
примером классического благородства, математической чистоты и ясности... Он
чувствовал, что нечто действительно оригинальное делается лишь однажды — как
спин электрона, — а остальное время тратится на прояснение основ».
Многие современники Уленбека отмечали его педагогический талант. Его бывший
сотрудник Джордж Форд так охарактеризовал эту сторону личности Уленбека:
«Он был великолепным лектором и толкователем с глубоким пониманием своего
предмета и систематической манерой подачи материала, приправленной тонким
юмором».
Как в своей научной деятельности, так и в работе со студентами проявлялась
та классическая традиция, наследником которой был Уленбек. Пайс, как и другие
его ученики, столкнулись с ней на своём личном примере:
«Через много лет я рассказал Уленбеку о том, как тяжело дался мне этот
первый день, проведённый в беседе с ним. Он с улыбкой ответил, что и сам прошёл
через это, когда впервые встретился с Эренфестом. А Эренфест, в свою очередь,
получил тот же урок от великого Людвига Больцмана в Вене. Эта традиция
является частью обучения в великом старом стиле, который направлен на обучение
лишь нескольких студентов... Между тем, я думаю, старая школа преподавания ушла
в небытие, поскольку теперь гораздо большее число студентов получает высшее
образование».
Сэмюэл Абрахам Гаудсмит (англ. Samuel Abraham Goudsmit;
1902—1978) — американский физик-теоретик голландского
происхождения. Член Национальной академии наук США (1947).
Научные работы посвящены квантовой механике, атомной и
ядерной физике, вопросам спектроскопии. Наибольшую
известность приобрел благодаря открытию спина электрона,
совершенному совместно с Джорджем Уленбеком. На протяжении
многих лет являлся редактором журналов Американского
физического общества.
Сэмюэл Гаудсмит родился в Гааге в семье еврейских
бизнесменов : его отец Исаак торговал оборудованием для ванных
комнат, а мать Марианна Гомперс владела модным магазином
дамских шляп. Сэмюэл увлекся физикой в одиннадцатилетнем
возрасте, когда вычитал где-то, что при помощи спектроскопических методов
можно определять состав Солнца и других звезд. После окончания школы в 1919
году он поступил в Лейденский университет, где его руководителем вскоре стал
Пауль Эренфест. В начале 1920 года Гаудсмит сопровождал своего отца в деловой
поездке в Ройтлинген и по рекомендации Эренфеста посетил соседний Тюбинген,
где встретился с Фридрихом Пашеном, который заинтересовал молодого человека
нерешенными проблемами спектроскопии. Летом 1921 года Гаудсмит вновь приехал
к Пашену, который познакомил его с техническими подробностями
спектроскопических исследований.
Уже в 1921 году, в 19-летнем возрасте, Гаудсмит опубликовал в престижном
журнале Die Naturwissenschaften свою первую работу, посвященную попытке
релятивистского объяснения дублетов щелочных металлов. В последующие несколько
лет он продолжал заниматься особенностями сложных спектров и эффекта Зеемана,
опубликовав ряд статей, в том числе в соавторстве с Дирком Костером и Ральфом
Кронигом. Между тем Эренфест, по словам Гаудсмита, посчитал, что из него «не
выйдет настоящего теоретика», и устроил его в лабораторию Питера Зеемана в
Амстердаме. Здесь Гаудсмит работал половину недели, а вторую половину
проводил в Лейдене.
Летом 1925 года из Рима вернулся Джордж Уленбек, работавший там несколько
лет учителем сына голландского посла. Эренфест предложил им поработать
вместе. Совместная работа много дала обоим молодым учёным: Уленбек узнал о
проблемах квантовой теории спектров, а Гаудсмит смог взглянуть на них с точки
зрения более общих физических соображений. Как вспоминал впоследствии сам
Гаудсмит,
«Непредубежденность и свежесть восприятия Уленбека, когда он занялся
атомными проблемами, множество его скептических замечаний и умных вопросов
привели нас к ряду новых существенных результатов... О ...как физики мы с Уленбеком
мало походили друг на друга. Это лучше всего объяснить на следующем
упрощенном примере. Когда я ему рассказал о g-факторах Ланде, то он спросил, к моему
большому удивлению: «Кто такой Ланде?» Когда же он упомянул четыре степени
свободы электрона, то я спросил его: «А что такое степень свободы?»
Итогом этого сотрудничества стало открытие Уленбеком и Гаудсмитом спина
электрона.
В октябре 1925 года Гаудсмит совместно с Джорджем Уленбеком ввел в физику
концепцию спина: на основе анализа спектроскопических данных они предложили
рассматривать электрон как «вращающийся волчок», обладающий собственным
механическим моментом, равным h/2, и собственным магнитным моментом, равным
магнетону Бора. Схожие идеи приходили в голову многим физикам, однако, не были
сформулированы с достаточной отчетливостью. Так, ещё в 1921 году Артур Комп-
тон, пытаясь объяснить магнитные свойства вещества, высказал мысль об
электроне , вращающемся «подобно миниатюрному гироскопу». Позже Вольфганг Паули в
знаменитой работе, посвященной принципу запрета, был вынужден приписать
электрону «двузначность, не описываемую классически». В начале 1925 года Ральф
Крониг предположил, что эту двузначность можно объяснить вращением электрона
вокруг оси, однако вскоре он столкнулся с серьёзными трудностями (согласно
расчетам, скорость на поверхности электрона должна превышать скорость света).
Кроме того, эта гипотеза встретила негативную реакцию со стороны Паули, Хенд-
рика Крамерса и Вернера Гейзенберга, и Крониг решил не публиковать её.
По-видимому, эта двузначность (четвертая степень свободы, или квантовое
число, электрона) была также исходным пунктом работы Уленбека и Гаудсмита, и
они также решили связать её с вращением электрона вокруг своей оси. Они
изучили старые работы Макса Абрагама, посвященные вращению заряженной сферы, но
вскоре столнулись с теми же трудностями, что и Крониг. Тем не менее, они
сообщили о своей гипотезе Эренфесту, которому она понравилась. Он предложил
своим ученикам написать небольшую заметку для журнала Die Naturwissenschaften
и показать её Хендрику Лоренцу. Лоренц произвел ряд вычислений
электромагнитных свойств вращающегося электрона и продемонстрировал нелепость выводов, к
которым приводит эта гипотеза. Уленбек и Гаудсмит посчитали за лучшее не
публиковать свою статью, однако было поздно: Эренфест уже отослал её в печать.
По этому поводу он заметил:
«Вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать одну глупость!»
Появление статьи Уленбека и Гаудсмита породило бурное обсуждение гипотезы
спина в научных кругах. Помимо отмеченных затруднений, к которым приводило
представление о вращении электрона, оставалась нерешенной проблема лишнего
множителя 2, появлявшегося в выражении для сверхтонкой структуры водородного
спектра. Поэтому поначалу отношение к спину было весьма скептическим.
Решающей оказалась позиция Нильса Бора, который с воодушевлением воспринял
появление этой гипотезы, открывавшей новые возможности для описания атома. Бор
предложил Уленбеку и Гаудсмиту ещё раз изложить свои доводы в статье для
журнала Nature и сопроводил её своими замечаниями. Окончательно правильность
идеи о спине стала ясна весной 1926 года, когда расчеты спин-орбитального
взаимодействия, проведенные Ллевеллином Томасом и Яковом Френкелем с учетом
релятивистских эффектов (так называемая томасовская прецессия), позволили
объяснить тонкую структуру спектров (в том числе избавиться от лишнего
множителя) и аномальный эффект Зеемана.
Идея спина буквально витала в воздухе: помимо уже упомянутых учёных, схожие
мысли высказывали Гарольд Юри (для электрона), Шатьендранат Бозе (для фотона)
и тот же Паули (для атомного ядра). По этой причине однозначно определить
приоритет в вопросе открытия спина не представляется возможным. Видимо, это и
стало основной причиной того, что открытие спина так и не было удостоено
Нобелевской премии.
К 1927 году, когда пришло время писать докторскую диссертацию, Гаудсмит уже
был признанным специалистом в области атомной спектроскопии. В 1926 году он
получил Рокфеллеровскую стипендию и провел несколько месяцев в Институте
Нильса Бора в Копенгагене, а также в очередной раз посетил Тюбинген, где
вместе с Эрнстом Баком изучал расщепление спектральных линий в сильных магнитных
полях (эффект Пашена — Бака). Защита диссертации состоялась в Лейдене 7 июля
1927 года (в тот же день защитился и Уленбек).
К этому времени Уленбек и Гаудсмит уже приняли предложение занять место
Оскара Клейна в Мичиганском университете в Энн Арборе. Ещё весной Эренфест
уговорил мистера Уолтера Колби, занимавшегося поиском подходящих кандидатур в
Европе, взять на это место сразу двух человек, «чтобы им было с кем
поговорить». В конце августа вместе с женами они отплыли из Европы. В Нью-Йоркском
порту их встретил Оппенгеймер и после нескольких дней у него в гостях в
начале сентября они прибыли поездом в Энн Арбор. Гаудсмит был женат на Jaantje
Logher, от которой имел дочь Эстер, ставшую биологом. Спустя много лет, в
1960 году, они развелись. Второй женой Гаудсмита была Irene Bejach.
Несмотря на провинциальный статус Мичиганского университета, к этому
времени здесь сформировалась небольшая компания талантливых молодых теоретиков:
помимо вновь прибывших Уленбека и Гаудсмита здесь работали Отто Лапорте
(англ. Otto Laporte), ученик Арнольда Зоммерфельда, и Дэвид Деннисон, ученик
Клейна. Вскоре самым важным событием в жизни университета стали ежегодные
летние школы: благодаря связям Уленбека и Гаудсмита в Мичиган с лекциями
приезжали многие ведущие физики (Эренфест, Крамере, Ферми, Паули, Зоммерфельд,
Дирак и др.)
В Энн Арборе Гаудсмит продолжал заниматься спектроскопической тематикой,
опубликовав ряд работ по сверхтонкой структуре спектров. Вместе со своим
аспирантом Робертом Бэчером (англ. Robert Bacher) он разработал методику
расчета уровней энергии неизвестных состояний атома на основе линейных соотношений
между известными уровнями атомов и ионов. В 1933 году они опубликовали
монографию, в которой сделали первую попытку обобщения информации об уровнях
энергии атомов, полученной из спектроскопических исследований. За три года до
этого вышла книга по теории линейчатых спектров, в основу которой была
положена докторская диссертация Гаудсмита. Книга была написана в соавторстве с
Лайнусом Полингом, с которым Гаудсмит познакомился во время одного из своих
визитов в Копенгаген.
Гаудсмит одним из первых осознал, что спектроскопические данные могут быть
использованы для определения спинов и магнитных моментов ядер и в 1933 году
провел расчет этих величин для различных элементов периодической таблицы. С
середины 1930-х годов он принимал участие в ряде теоретических и
экспериментальных работ, посвященных новой проблеме диффузии, рассеяния и замедления
нейтронов. Он также теоретически изучал рассеяние электронов.
После начала Второй мировой войны и ещё до вступления в неё Соединенных
Штатов Гаудсмит, будучи убежденным антифашистом, перешел на временную
должность в Гарвардском университете, надеясь, что здесь сможет принести большую
пользу в военных вопросах. В 1941 году он присоединился к Радиационной
лаборатории Массачусетского технологического института, где проводилась работа по
радарной тематике. Он участвовал в координации исследований с английскими
учеными, заведовал составлением важных технических отчетов и документации.
В мае 1944 года Гаудсмит был назначен научным руководителем секретной
миссии «Алсос», целью которой было определение, как далеко продвинулись немецкие
ученые в разработке ядерного оружия. Хотя он сам признавался, что не знает,
почему военные выбрали именно его на эту должность, вероятно, сыграло свою
роль его личное знакомство практически со всеми заметными физиками Европы.
Кроме того, поскольку Гаудсмит не принимал участия в разработке американской
атомной бомбы, он не мог разгласить никакой секретной информации в том
случае, если бы был взят в плен. В задачу Гаудсмита и его сотрудников входило
посещение немецких исследовательских лабораторий в течение первых часов после
освобождения от нацистов и сбор информации непосредственно на месте, вывоз
документации и оборудования. Вывод, к которому пришла миссия, состоял в том,
что немецкие ученые под руководством Вернера Гейзенберга находились очень
далеко от поставленной цели: им даже не удалось приблизиться к критическим
условиям развития цепной ядерной реакции, тогда как в США первый работающий
ядерный реактор был создан Энрико Ферми ещё в 1942 году. Результаты своего
расследования Гаудсмит изложил в популярной форме в книге «Алсос», вышедшей в
1947 году и выдержавшей несколько переизданий.
После освобождения Гааги Гаудсмит посетил родной город. Дом, в котором он
вырос, оказался в запустении. Из документов нацистской администрации он
узнал, что его родители погибли в одном из концентрационных лагерей. Это стало
для него сильным ударом.
Гаудсмит участвовал в определении списка немецких ученых, которые были
арестованы его миссией и интернированы в сельском доме Фарм-Холл близ Лондона,
где содержались в течение шести месяцев. За это время состоялись атомные
бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, а Гейзенберг и его коллеги выдвинули тезис о
том, что их неудача в создании атомной бомбы объясняется их моральным
противостоянием нацистскому режиму. Гаудсмит неоднократно выступал против этой
версии, поскольку обладал достаточно полной информацией, чтобы обосновать
объективные причины провала нацистского атомного проекта (разобщенность
усилий учёных, бюрократические препоны, недостаток материалов и прочее). Тем не
менее, он поддерживал дружбу с Гейзенбергом до его последних дней и считал
его одним из величайших физиков современности.
После окончания своей миссии в Европе Гаудсмит принял предложение Северо-
Западного университета, однако, в 1948 году он присоединился к недавно
созданной Брукхейвенской национальной лаборатории и перебрался на Лонг-Айленд. В
1952—1960 годах он возглавлял физическое отделение лаборатории. С конца 1940-
х годов он занимался в основном административной и общественной
деятельностью, работал одно время консультантом правительства по вопросам секретности,
был одним из организаторов Федерации ученых-атомщиков, выступал в защиту
Роберта Оппенгеймера во время слушаний по его делу.
В 1951 году Американское физическое общество назначило Гаудсмита редактором
ведущего американского физического журнала Physical Review (а также его
спутника Reviews of Modern Physics). Редакция переехала из университета Миннесоты
в Брукхейвен, где располагается до сих пор. В 1958 году Гаудсмит выступил
инициатором основания нового журнала Physical Review Letters, который быстро
стал одним из самых престижных физических изданий благодаря необычайной
скорости публикации, достигнутой при помощи новых технических средств. В 1966
году, ввиду роста редакционной работы (из Physical Review стали постепенно
выделяться секции по специальностям), Гаудсмит стал первым главным редактором
(Editor-in-Chief) всей серии изданий Американского физического общества и
оставался на этом посту до своей отставки в 1974 году.
После отставки он решил покинуть Брукхейвен и принял приглашение стать
почетным профессором университета Невады в Рино. Он посвятил свои силы
преподаванию. 4 декабря 1978 года он умер от сердечного приступа на территории
университетского кампуса.
Бывший главный редактор журналов Американского физического общества
Бенджамин Бедерсон следующим образом суммировал личные качества Гаудсмита:
«Гаудсмит был крайне активным человеком; он был известен за свои сильные
чувства, его сочувствие, его чрезвычайное отвращение к нацистскому режиму и
его веру в свободу науки и личности, и вместе со всем этим он достиг глубокой
скромности и простоты».
Как отмечали многие коллеги и современники, Гаудсмит, не обладая большими
аналитическими способностями, полагался в большей мере на интуицию,
подкрепленную знанием эмпирических данных. По словам Уленбека:
«... он... замечательно знал спектроскопию... Она была его специальностью.
Особенно, когда нужно было дать формальную математическую трактовку, просмотреть
экспериментальный материал с точки зрения чисел и найти закономерности. В
этом он был признанным мастером».
Исидор Раби назвал Гаудсмита «детективом», и действительно, он имел явную
склонность к распутыванию загадок: он прошел курс обучения сыскной работе,
увлекался египтологией и научился читать иероглифы (он даже опубликовал
несколько статей в археологических журналах, хотя и считал себя лишь
любителем) . Эта склонность Гаудсмита к проведению расследований оказалась весьма
кстати во время службы в миссии «Алсос», но она сказывалась и на его научной
работе. Его бывший аспирант и сотрудник Роберт Бэчер вспоминал:
«Среди физиков абсолютно никто не был на него похож. Он был физиком-
теоретиком, но большинство теоретиков, явно склонные к математике и
наполненные квантовой механикой и прочим, задрали бы носы перед Сэмом, поскольку,
если что-то должно быть сложным, то это не для него... Однако у него было много
действительно блестящих идей».
Тем не менее, осознание ограниченности собственных возможностей негативно
сказывалось на его душевном состоянии. Абрахам Пайс, ученик Уленбека, писал:
«Он испытывал комплекс неполноценности, ощущение ненадежности. Я думаю,
причиной был тот факт, что он никогда не был силен в теоретической физике... он
был, скорее, «детективом» в физике. Но это нисколько не влияло на мое
уважение и дружеские чувства к нему».
Мстислав Всеволодович Келдыш (1911—1978) — советский
учёный-инженер в области математики и механики, организатор
советской науки.
Академик АН СССР (1946; член-корреспондент 1943), с 1953
член Президиума, в 1960—1961 вице-президент, в 1961—1975
президент, в 1975—1978 член Президиума АН СССР. Трижды Герой
Социалистического Труда (1956, 1961, 1971). Член КПСС с
1949.
Родился в семье Всеволода Михайловича Келдыша (1878—1965)
— профессора, генерал-майора инженерно-технической службы, основоположника
методологии расчёта строительных конструкций. Его называли «отцом русского
железобетона». Своё дворянское происхождение М.В. Келдыш никогда не скрывал
(на вопрос анкеты о социальном происхождении отвечал: «из дворян»). Дед по
линии матери — полный генерал от артиллерии А.Н. Скворцов, дед по линии отца
— М.Ф. Келдыш, окончивший духовную семинарию, но затем избравший медицинскую
стезю и дослужившийся до генеральского чина.
Мать — Мария Александровна (урождённая Скворцова) — была домохозяйкой.
Мстислав был пятым ребёнком (и четвёртым сыном) в семье, позже родились ещё
две девочки. В 1915 году семья Келдышей переехала из прифронтовой Риги в
Москву. В 1919—1923 годах Келдыш жил в Иваново, где его отец преподавал в
политехническом институте, организованном по инициативе М.В. Фрунзе. В Иваново
начал обучение в средней школе, получив необходимую начальную подготовку в
домашних условиях у Марии Александровны. По возвращении в Москву (1923) стал
учиться в школе со строительным уклоном (опытно-показательной № 7), летом
ездил с отцом на стройки, работал разнорабочим. Склонность к математике у
Келдыша проявилась ещё в 7—8-м классах, учителя уже тогда отличали его
незаурядные способности к точным наукам.
В 1927 Келдыш окончил школу и хотел получить нравившуюся ему отцовскую
профессию инженера-строителя. Однако в строительный институт, где преподавал
отец, его не приняли по молодости лет (всего 16) . По совету старшей сестры
Людмилы, закончившей физико-математический факультет Московского
государственного университета (ныне МГУ имени М. В. Ломоносова), занимавшейся
математикой под научным руководством Н.Н. Лузина, он поступает на тот же факультет
МГУ. Во время учёбы в университете Келдыш завязывает научные контакты с М.А.
Лаврентьевым, переросшие потом в многолетнее научное сотрудничество и крепкую
дружбу. Н.Н. Лузин весьма критически относился к увлечению Келдыша
инженерными задачами вместо фундаментальной науки в годы его учебы в МГУ и считал, что
как математик Келдыш идет на дно.
Окончив МГУ (1931) , по рекомендации А.И. Некрасова Келдыш был направлен в
ЦАГИ. Научную жизнь ЦАГИ в это время возглавлял выдающийся отечественный
механик С.А. Чаплыгин, под его руководством регулярно проводился научный
семинар, активным участником которого стал Келдыш. Участниками семинара были
также М.А. Лаврентьев, Н.Е. Кочин, Л. С. Лейбензон, А. И. Некрасов, Г. И. Петров,
Л.И. Седов, Л.Н. Сретенский, Ф.И. Франкль, С.А. Христианович; многие из них
впоследствии стали выдающимися учеными механиками. Келдыш проработал в ЦАГИ
до декабря 1946 сначала инженером, затем старшим инженером, начальником
группы, а с 1941 — начальником отдела динамической прочности.
Продолжая работать в ЦАГИ, Келдыш поступает осенью 1934 в аспирантуру
(дополненную затем двухлетней докторантурой) в Математическом институте им. В.А.
Стеклова АН СССР (МИАН) к Лаврентьеву, где занимается вопросами теории
приближений функций, тесно связанными с прикладной тематикой его работы (гидро,
аэродинамика). В 1935 ему без защиты присваивается ученая степень кандидата
физико-математических наук, в 1937 — степень кандидата технических наук и
звание профессора по специальности «аэродинамика». 26 января 1938 им была
защищена докторская диссертация на тему «О представлении рядами полиномов
функций комплексного переменного и гармонических функций».
В июне 1944 он становится заведующим незадолго перед тем созданным отделом
механики в Математическом институте АН СССР и остается в этой должности до
1953. При отделе работал научный семинар, объединивший специалистов по
аэромеханике . Одновременно он возобновляет свою преподавательскую деятельность в
МГУ, начавшуюся в 1932 году. Здесь он читает лекции на механико-
математическом и физико-техническом факультетах, заведует кафедрой
термодинамики, руководит научно-исследовательским семинаром по теории функций
комплексного переменного. С 1942 по 1953 профессор МГУ.
С 1953 по 1978 годы был директором Института прикладной математики АН СССР
(ИПМ РАН). В 1968 году на Заседании Академии Наук СССР Келдыш призвал членов
академии осудить Сахарова.
Келдыш занимался механикой и аэрогазодинамикой летательных аппаратов.
Большое значение имеют работы Келдыша, связанные с решением проблемы флаттера,
который в конце 1930-х гг. стал препятствием в развитии скоростной авиации.
Работы Келдыша в области аэродинамики больших скоростей имели важное значение
для развития реактивной авиации. Келдышем были также найдены простые
конструктивные решения для устранения явления шимми — самовозбуждающихся колебаний
носового колеса шасси самолёта.
Келдыш участвовал в работах по созданию советской термоядерной бомбы. Для
этого в 194 6 г. он организовал специальное расчетное бюро при МИАН. Именно За
участие в создании термоядерного оружия Келдышу в 1956 г. было присвоено
первое звание Героя Социалистического Труда.
В 194 6 г. Келдыш был назначен начальником НИИ-1 Министерства авиационной
промышленности, с 1950 г. стал научным руководителем этого учреждения и
занимал этот пост до 1961 г. Он был одним из основоположников развёртывания работ
по исследованию космоса и созданию ракетно-космических систем, возглавив с
середины 1950-х годов разработку теоретических предпосылок вывода
искусственных тел на околоземные орбиты, а в дальнейшем — полётов к Луне и планетам
Солнечной системы. Он руководил научно-техническим советом по координации
деятельности по созданию первого искусственного спутника Земли, внёс большой
вклад в осуществление программ пилотируемых полётов, в постановку научных
проблем и проведение исследований околоземного космического пространства,
межпланетной среды, Луны и планет, в решение многих проблем механики
космического полёта и теории управления, навигации и теплообмена. Важное место в
деятельности Келдыша занимало научное руководство работами, осуществляемыми в
сотрудничестве с другими странами по программе «Интеркосмос». Его
деятельность в области космонавтики долгое время была засекречена и в газетах Келдыш
условно назывался «теоретик космонавтики», при том, что он был известен как
Президент АН СССР. Второе звание Героя Социалистического Труда Келдыш получил
в 1961 г. после первого пилотируемого космического полёта.
Келдыш видел в Королёве человека, который избавит его от труднейших
организационных технологических забот. Своей задачей он считал проблемные
исследования и организацию научных коллективов, выступающих в роли генераторов идей.
Это были идеи высшего качества. Любое предложение, исходившее в виде отчета
или другого документа за подписью Келдыша, было итогом строгого анализа,
тщательных расчетов и самых придирчивых обсуждений на семинарах и НТСах...
... Неоднократно приходилось наблюдать, как на затянувшихся совещаниях Келдыш
закрывал глаза и уходил в себя. Все считали, что Келдыш заснул. Но немногие
знали его удивительную способность в таком полусне пропускать в сознание
нужную информацию. К всеобщему удивлению, он неожиданно подавал реплику или
задавал вопрос, которые попадали «в самую точку». Оказывалось, что Келдыш
ухватил всю интересную информацию и своим вмешательством помог принятию
наилучшего решения.
Вошёл в Первоначальный состав Национального комитета СССР по теоретической
и прикладной механике (1956).
С именем Келдыша обычно связывают развитие в СССР современной
вычислительной математики, он руководил работами по созданию советских ЭВМ для расчетов
по атомной и ракетно-космической тематике (начиная с ЭВМ «Стрела»). Он не
только руководил научным коллективом, но и лично участвовал в создании новых
вычислительных методов и алгоритмов. Следует отметить, что как пишут Н.Н.
Боголюбов и С.Н. Мергелян: "М.В. Келдыш лично не занимался научно-техническими
проблемами конструирования новых электронно-вычислительных машин, однако роль
его в становлении и развитии отечественной вычислительной техники весьма
велика. ... М.В. Келдыш был как бы "главным государственным заказчиком" на
разрабатываемые в нашей стране новые средства вычислительной техники." В.И.
Арнольд вспоминает, что М.В. Келдыш считал нецелесообразным создание советских
суперкомпьютеров, так как такие замечательные математики, как Канторович,
смогли и без компьютеров вычислить всё, что было нужно для советского
атомного проекта. Так же Арнольд приводит слова Л.В. Келдыш, которая называла брата
"генералом от науки". Отрицательно о Келдыше как ученом отзывается и Марк
Крейн.
Келдыш также был председателем Комитета по Ленинским и Государственным
премиям при Совете Министров СССР (1964—1978), членом многих иностранных
академий (в том числе Международной академии астронавтики), научных учреждений и
Международной общественной премии Гуггенхеймов по астронавтике, делегатом
XXII—XXV съездов КПСС, на которых избирался членом ЦК КПСС, депутатом
Верховного Совета СССР 6—9-го созывов.
В 1955 году Келдыш подписал «Письмо трёхсот». Во время пропагандистской
кампании против А.Д. Сахарова Келдыш подписал антисахаровское заявление, но
не допустил исключения Сахарова из Академии. Как свидетельствует В.И. Дужен-
ков (помощник Келдыша в АН СССР) на встрече с научной общественностью во
время поездки по Дальнему Востоку в 1970 году Келдыш сказал, что Сахаров
прекрасный учёный, но в ряде вопросов общественного развития заблуждается, с ним
надо настойчиво вести разъяснительную работу. Более того, он лично встречался
с Андроповым, ходатайствуя о Сахарове.
Годы, когда пост президента АН СССР занимал Келдыш, были периодом
значительных достижений советской науки, были созданы условия для развития новых
разделов науки — молекулярной биологии, квантовой электроники и др.
Племянник Келдыша СП. Новиков также стал известным математиком.
В последние месяцы жизни Келдыш тяжело болел.
24 июня 1978 года тело М.В. Келдыша было обнаружено в автомобиле «Волга»,
находившемся в гараже на его даче. Официальное сообщение гласило, что смерть
наступила в результате сердечного приступа. В то же время широко
распространена версия о том, что он покончил жизнь самоубийством, отравившись
выхлопными газами автомобильного двигателя, пребывая в глубокой депрессии.
В книге «Этюды об учёных» (Бишкек: «Учкун», 2002. — С. 166) Ярослав
Голованов пишет:
Последние годы много и тяжело болел, сам попросил, чтобы президента
Академии переизбрали... Он умер на 69-м году жизни. Потом уже возник нелепый миф о
самоубийстве Келдыша. А дело было так. Мстислав Всеволодович собирался с дачи
поехать в Москву. Открыл гараж, сел в свою «Волгу», завёл машину и... умер. За
рулём включённого автомобиля его обнаружил сосед по даче академик Владимир
Алексеевич Кириллин. Врачи быстро установили, что причиной смерти стали не
выхлопные газы (да и ворота гаража были распахнуты!), а больное сердце. Это
случилось 24 июня 1978 года.
Урна с прахом Мстислава Всеволодовича Келдыша установлена в Кремлёвской
стене на Красной площади в Москве.
Как следует из обнародованных в 2005 году воспоминаний представителей
академической науки, М.В. Келдыш несёт значительную долю ответственности за
неоднозначное решение о переводе советской промышленности, науки и образования
к копированию ЭВМ серии IBM-360, которое определило дальнейшее развитие
советской компьютерной отрасли.
В статье директора ВЦ РАН, академика Ю.Г. Евтушенко, заместителя директора
ВЦ РАН Г.М. Михайлова и др. «50 лет истории вычислительной техники: от
„Стрелы" до кластерных решений» (в сборнике к 50-летию ВЦ РАН) отмечено:
«В этот период ГДР принимает решение ориентировать свою промышленность по
производству средств вычислительной техники на серию IBM-360. Так появляется
проект по разработке ЭВМ R-40 (ЕС-1040) на Заводе ROBOTRON (Дрезден), который
реализуется специалистами ГДР без интеграции с фирмой IBM. Этот фактор в
дальнейшем сыграл огромную роль в определении стратегии развития
вычислительной техники во всём социалистическом лагере.
... В конце 1966 г. на Заседании ГКНТ и Академии наук СССР при поддержке
министра МРП СССР В.Д. Калмыкова, Президента АН СССР М.В. Келдыша принимается
историческое решение о копировании серии IBM-360. Против этого решения
решительно выступили А.А. Дородницын, С.А. Лебедев и М.К. Сулим. Однако они
остались в меньшинстве. Итак, решение о разработке семейства ЕС ЭВМ состоялось.
Под эту грандиозную программу были переориентированы многие НИИ и заводы,
многим специалистам пришлось переучиваться и переквалифицироваться, в
студенческие программы вузов стали в основном включать вопросы структуры,
архитектуры и ПО ЕС ЭВМ. Была создана новая технологическая база для производства
интегральных схем (ИС) , полупроводниковой электроники и других средств ВТ.
Как и предсказывалось, другие направления развития отечественной
вычислительной техники постепенно стали сокращаться из-за недостатка средств,
заказчиков , молодых кадров и других объективных и субъективных причин.»
Когда С.А. Чаплыгин (по другим сведениям, И.Ф. Петров) потребовал от своих
сотрудников в ЦАГИ обучиться (под руководством инструктора) умению летать на
самолетах, успехи Келдыша были столь впечатляющими, что ему предлагали стать
профессиональным летчиком (по воспоминаниям М.Л. Галлая).
В 1960 г. при подготовке запуска первой автоматической станции к Марсу в
составе научного оборудования на станции предполагалось разместить аппарат
(спектрорефлексометр), должный определить, есть ли на Марсе вода, а тем самым
— есть ли на Марсе жизнь. Келдыш предложил испытать прибор в земных условиях.
Прибор показал, что на Земле нет жизни, и был снят, что дало экономию в 12
килограммов (по воспоминаниям Б.Е. Чертока).
Виктор Амазаспович Амбарцумян (1908—1996) — выдающийся
советский учёный, один из основателей теоретической
астрофизики .
Амбарцумян работал в области физики звёзд и туманностей,
звёздной астрономии и динамики звёздных систем, космогонии
Звёзд и галактик. Дважды лауреат Сталинской премии (1946,
1950). Лауреат Государственной премии Российской Федерации
(1995). Дважды Герой Социалистического Труда (1968, 1978).
Национальный Герой Армении. Амбарцумян — основатель Егора -
канской астрофизической обсерватории.
Амбарцумян родился в Тифлисе 5 (18) сентября 1908 года в
армянской семье. В 1924 он поступил на физико-математический факультет
Ленинградского педагогического института. В 1926 году, учась уже в Ленинградском
университете, Амбарцумян опубликовал первую научную работу, посвященную
солнечным факелам. В годы учёбы входил в число корреспондентов-наблюдателей
Русского общества любителей мироведения, не являясь формально его членом. По
окончании университета он поступил в аспирантуру при Пулковской обсерватории,
где работал под руководством А.А. Белопольского с 1928 по 1931 год.
В 1930 году Амбарцумян женился на Вере Фёдоровне Клочихиной, родом из
деревни Усолье, Соликамского уезда, Пермской губернии. Она была приёмной
дочерью астрономов Григория Абрамовича и Пелагеи Фёдоровны Шайн (первоначально
была племянницей последней).
После окончания аспирантуры Амбарцумян работал в Ленинградском
университете, где в 1934 году основал и возглавил первую в СССР кафедру астрофизики. В
1939—1941 был директором обсерватории Ленинградского университета. В 1941
году, будучи проректором Ленинградского университета, возглавлял
исследовательский филиал университета в городе Елабуга, куда были эвакуированы научные
лаборатории университета.
В 1939 году Амбарцумян был избран членом-корреспондентом Академии наук
СССР, а в 1953 году — академиком Академии наук СССР.
В 1943 году была создана Академия наук Армянской ССР. Амбарцумян был
назначен её вице-президентом, а президентом стал И.А. Орбели. В 1947 году
Амбарцумян был избран президентом Академии, после чего избирался президентом на все
сроки до 1993 года. С 1993 года он стал почётным президентом Академии Наук
Армении.
В 1946 была основана Бюраканская астрофизическая обсерватория. Амбарцумян
стал её первым директором и продолжал руководство обсерваторией до 1988 года.
Амбарцумян был президентом Международного астрономического союза с 1961 по
1964 годы. Дважды был избран президентом Международного Совета научных союзов
(1966-1972).
В.А. Амбарцумян скончался в августе 1996 года, похоронен в Бюракане,
недалеко от башни большого телескопа.
В 1932 году в журнале «Monthly Notices» Лондонского королевского
астрономического общества была опубликована работа Амбарцумяна «О лучистом равновесии
газовых туманностей», признанная краеугольным камнем современной теории
газовых туманностей. С этой работы началась целая серия работ Амбарцумяна,
посвященных физике газовых туманностей. В одной из этих работ (совместно с Н.А.
Козыревым) удалось впервые оценить массы газовых оболочек, выброшенных новыми
звёздами. Методы, разработанные в этой работе, применимы при исследовании
газовых оболочек, окружающих нестационарные звёзды, а полученные оценки масс
этих оболочек имеют важное значение для выяснения проблем эволюции звёзд, так
как дали возможность обнаружения первых признаков изменения состояний звёзд.
Амбарцумян заложил основы лучистого равновесия звёздных оболочек и газовых
туманностей и объяснил многие особенности их спектров.
В 1936 году Амбарцумян решает изящную математическую задачу определения
распределения пространственных скоростей звёзд с помощью распределения их
радиальных скоростей, поставленную знаменитым английским учёным Артуром Эддинг-
тоном. Статья, содержащая это решение, была напечатана в «Monthly Notices» no
представлению самого Эддингтона.
Эта же математическая задача была независимо решена позже для целей
медицинской компьютерной диагностики. За это решение и создание на его основе
соответствующей аппаратуры Г.Н. Хаунсфилду (Англия) и A.M. Кормаку (США) была
присуждена Нобелевская премия 1979 года по физиологии и медицине «За
разработку компьютерной томографии».
Крупным вкладом в астрономию явились исследования по статистике и динамике
звёздных систем, которые привели к созданию основ статистической механики
Звёздных систем. В 1995 году За цикл работ по динамике звездных систем
Амбарцумян был награждён Государственной премией Российской Федерации.
К 1935—1937 годам относится полемика Амбарцумяна с известным английским
учёным Джемсом Джинсом о возрасте нашей звёздной системы — Галактики.
Амбарцумян показал, что возраст Галактики на три порядка величины (в тысячу раз)
меньше принятой в то время в науке оценки Джинса.
Большая серия работ Амбарцумяна посвящается изучению межзвёздной среды в
Галактике. В этих работах было выдвинуто и обосновано новое представление о
том, что явление поглощения света в Галактике обусловлено наличием в
межзвёздном пространстве многочисленных пылевых туманностей — поглощающих
облаков . На основе этого представления о клочковатой структуре межзвёздной
поглощающей среды была разработана теория флуктуации, которая заложила основу
нового направления в астрономии.
В годы Великой Отечественной войны Амбарцумян создал новую теорию рассеяния
света в мутной среде, основанную на предложенном им принципе инвариантности.
На основе математического принципа инвариантности Амбарцумян получил решение
ряда нелинейных задач рассеяния света. Принцип инвариантности ныне широко
применяется и в других разделах математической физики. В 194 6 году за
создание теории рассеяния света в мутной среде Амбарцумяну была присуждена
Сталинская премия.
Теоретический анализ и обобщение наблюдательного материала о звёздах и
звёздных системах нашей Галактики ознаменовались открытием звёздных систем
нового типа, расширяющихся систем с положительной энергией, получивших
название «звёздных ассоциаций». Амбарцумян доказал молодость звёздных ассоциаций,
что послужило основой решения целого ряда принципиальных проблем звёздной
космологии. Было доказано, что в Галактике процессы звездообразования
продолжаются и сейчас и имеют групповой характер. В 1950 году за открытие и
изучение нового типа звездных систем Амбарцумяну была присуждена Сталинская
премия.
Особый интерес представляют результаты исследования необычного излучения,
так называемой непрерывной эмиссии, наблюдаемой в спектрах молодых звёзд типа
Тау Тельца и примыкающих к ним нестационарных звёзд. Эти исследования привели
к важным заключениям относительно природы источников звёздной энергии. На
основе изучения звёздных ассоциаций Амбарцумян разработал новую гипотезу о доз-
вёздной материи, имеющую принципиальное значение. В отличие от классической
гипотезы, согласно которой звёзды формируются в результате конденсации
(сгущения) диффузной материи, новая гипотеза исходила из представления о
существовании массивных тел — протозвёзд неизвестной природы, в результате распада
которых формируются звёзды в ассоциациях.
Большая серия исследований Амбарцумяна посвящена вопросам эволюции галактик
— огромных звёздных систем типа нашей Галактики. В частности, следует
отметить новое представление об активности ядер (центральных сгущений) галактик,
которые играют решающую роль в возникновении и эволюции галактик и их систем.
Благодаря этим исследованиям проблема изучения нестационарных явлений
грандиозных масштабов, наблюдаемых в галактиках, стала центральной проблемой
внегалактической астрономии. К этой серии примыкают и важные исследования
Амбарцумяна и его учеников по открытию и изучению голубых выбросов из ядер
гигантских галактик, систем галактик нового типа, так называемых компактных
галактик и др.
Научную работу Амбарцумян сочетал с активной педагогической деятельностью.
Он — автор первого в СССР учебника «Теоретическая астрофизика» (1939) и
соавтор курса «Теоретическая астрофизика» (1952), переведенного на многие языки.
С 1931 читал лекции в Ленинградском университете. В 1934 году основал в
Ленинградском Университете первую в СССР кафедру астрофизики, которую
возглавлял до 1947 г. В 1939—1941 был директором обсерватории Ленинградского
университета и одновременно, проректором Ленинградского университета по научной
части. В 1941—1943 гг. был Заведующим филиалом этого университета в Елабуге.
В 1944 году основал кафедру астрофизики в Ереванском Университете. В.А.
Амбарцумян создал научные школы в Ленинграде и Бюракане, которые повлияли на
развитие многих разделов астрономии. В.А. Амбарцумян — популяризатор науки,
автор целого ряда книг и статей по различным проблемам астрофизики.
Амбарцумян был видным организатором науки в Армении, России и на
международном уровне. Он был основателем и директором Бюраканской Обсерватории,
вице-президентом и президентом Академии Наук Армении, членом президиума
Академии Наук СССР, вице-президентом (1948—1955 гг.) и президентом (1958—1961)
Астрономического Союза, а затем дважды был избран президентом Международного
Совета научных союзов (1966—1972). Председатель правления общества «Знание»
Армении.
В 1940 г. Амбарцумян был принят в ряды Коммунистической Партии Советского
Союза (КПСС). В 1947 г. Амбарцумян был избран депутатом Верховного Совета
Армянской ССР. Он избирался депутатом Верховного Совета СССР всех созывов с
1950 по 1990 гг. Амбарцумян был делегатом 19, 22—25 съездов КПСС, в 1989
г.был избран делегатом Съезда Народных депутатов СССР. С 1948 по 1989 гг.
Амбарцумян — член Центрального Комитета Коммунистической партии Армении.
Цитата из статьи нобелевского лауреата А. М. Кормака «Computed tomography:
some history and recent developments» (Proc. of Symposia in Applied
Mathematics, Vol 29, p 35, 1985):
«... проблема Радона в трёхмерном пространстве скоростей... Амбарцумян дал её
решение для двух и трёх измерений в той же форме, что и Радон. Более того, он
взял группы звёзд трёх спектральных типов, по 400—500 звёзд в каждой группе,
и использовал свои теоретические результаты для получения распределения
скоростей из распределения радиальных скоростей... . Это было первое численное
обращение преобразования Радона, которое опровергает распространённое
представление о том, что компьютерная томография будто бы невозможна без компьютеров.
Детали этого вычисления приводятся в статье Амбарцумяна, и они наводят на
мысль, что даже в 1936 году компьютерная томография была бы в состоянии
оказать содействие, скажем, диагностике опухолей мозга... Кажется очень возможным,
что численные методы Амбарцумяна могли бы оказать большую помощь медицине,
если бы они были применены в 1936 году».
Лев Андреевич Арцимович (1909—1973) — советский физик,
академик АН СССР (1953), Герой Социалистического Труда
(1969).
Труды по атомной и ядерной физике. Под руководством Ар-
цимовича впервые в СССР разработан электромагнитный метод
разделения изотопов. Л.А. Арцимович был непосредственным
участником советского атомного проекта. С 1951 бессменный
руководитель исследований по физике высокотемпературной
плазмы и проблеме управляемого термоядерного синтеза. Под
руководством Арцимовича впервые в мире в лабораторных
условиях осуществлена термоядерная реакция. Сталинская
премия 1-й степени (1953). Ленинская премия (1958).
Государственная премия СССР (1971).
Был председателем Консультативного комитета Евратома по
термоядерному синтезу.
Профессор Оксфордского университета Кристофер Ллуэллин-Смит называет Л. А.
Арцимовича «признанным пионером и лидером исследований в этой области»
(лекция «На пути к термоядерной энергетике» в ФИАНе).
Отец — Андрей Михайлович Арцимович — происходил из бедной еврейской семьи,
работал статистиком в Управлении железных дорог Московского узла. Мать —
Ольга Львовна Леви — была родом из французской Швейцарии, из еврейской семьи. Во
время гражданской войны семья очень бедствовала и в 1919 году из-за тяжёлого
продовольственного положения покинула Москву и переехала в Белоруссию.
Родители вынуждены были отдать сына в детский дом, откуда он сбежал и
некоторое время был беспризорным. После окончания гражданской войны положение
семьи постепенно улучшилось. В 1922 году отец был приглашён на должность
заведующего кафедрой статистики в Белорусский государственный университет. В 1924
году Арцимович поступил на физико-математический факультет Белорусского
университета, который окончил в 1928 году.
По окончании университета около года провёл в Москве, работая в различных
библиотеках для повышения образования. В 1929году защитил в Белорусском
университете дипломную работу «Теория характеристических рентгеновских
спектров», что дало ему право на получение диплома вместо простого свидетельства
об окончании университета. Вскоре после защиты диплома переехал в Ленинград и
в 1930 году поступил на работу в Ленинградский физико-технический институт
(ЛФТИ) на должность сверхштатного препаратора. Арцимович начал свою научную
работу в рентгенографическом отделе ЛФТИ, но через полгода перешёл в отдел
электронных явлений и рентгеновских лучей, руководимый П.И. Лукирским.
Совместно с А.И. Алихановым выполнил ряд исследований по физике
рентгеновских лучей, из которых наиболее интересным было экспериментальное исследова-
ние отражения рентгеновских лучей от тонких слоев металлов под очень малыми
углами. В 1933 году в ЛФТИ начали развиваться исследования по физике атомного
ядра, и Арцимович одним из первых переключился на новое направление.
В 1966 году подписал письмо 25-ти деятелей культуры и науки генеральному
секретарю ЦК КПСС Л.И. Брежневу против реабилитации Сталина.
Жена — Нелли Георгиевна (род. 1927) — иммунолог; доктор медицинских наук,
профессор; член-корреспондент РАН.
Основные труды по атомной и ядерной физике. Исследовал процессы
взаимодействия быстрых электронов с веществом, получил данные о зависимости
интенсивности тормозного излучения и полных потерь энергии от энергии быстрых
электронов , которые подтвердили выводы и предсказания квантовой теории, что в то
время имело принципиальное значение. В 1935 году совместно с И.В. Курчатовым
доказал захват нейтрона протоном. Совместно с А.И. Алихановым и А.И. Алихань-
яном доказал сохранение импульса при аннигиляции электрона и позитрона
(1936). Вместе с Курчатовым исследовал закономерности поглощения медленных
нейтронов ядрами различных веществ (1934—1941).
Во время Великой Отечественной войны вместе с ЛФТИ был эвакуирован в
Казань , где занимался оборонной тематикой. Проводил теоретические исследования
в области электронной оптики и по теории излучения в бетатроне, занимался
разработкой электронно-оптических систем ночного видения в инфракрасной
области спектра.
В 1944 году перешёл на работу в Лабораторию измерительных приборов АН СССР
(ЛИПАН, преобразована в 1955 году в Институт атомной энергии им. И.В.
Курчатова) . Под руководством Арцимовича впервые в СССР разработан электромагнитный
метод разделения изотопов. В 1953 году эта работа была удостоена Сталинской
премии 1-й степени СССР.
В 1950 году Арцимович возглавил экспериментальные исследования в стране по
управляемому термоядерному синтезу. В 1952 году он открыл нейтронное
излучение высокотемпературной плазмы (работа получила Ленинскую премию в 1958
году) . Также это достижение было признано как научное открытие и занесено в
Государственный реестр открытий СССР под № 3 с приоритетом от 4 июля 1952 г. в
следующей формулировке: «При исследовании высокотемпературной плазмы
установлено неизвестное ранее явление, заключающееся в том, что в плазме,
образованной при прохождении мощных импульсов тока через дейтерий, возникает
нейтронное излучение интенсивностью около 108 нейтронов на разряд. Это излучение
обусловлено появлением в плазме группы неравновесных быстрых частиц
(дейтронов ) ».
Спустя несколько лет (1956 год) установил нетермоядерную природу нейтронов,
излучаемых в газоразрядных пинчах.
Арцимович руководил работой на термоядерных установках «Токамак»,
завершившейся получением физической термоядерной реакции. В частности, на установке
«Токамак-4» были зарегистрированы первые термоядерные нейтроны (1968). Цикл
работ по получению и исследованию высокотемпературной плазмы в «Токамаках»
был удостоен Государственной премии СССР (1971).
В 1932—1936 годах — доцент ЛГУ.
С 194 6 года — профессор кафедры прикладной ядерной физики МИФИ.
В 1953—1973 годах — профессор, основатель кафедры атомной физики МГУ.
В 1955 году подписал «Письмо трёхсот».
В 1963—1973 году был заместителем председателя Советского Пагуошского
комитета и возглавлял Национальный комитет советских физиков.
Арцимовичу приписывается авторство следующих высказываний:
• «Наука — лучший способ удовлетворения личного любопытства за
государственный счёт».
• «Будущее принадлежит астрофизике».
• «Для ясного понимания проблемы не следует надевать на тощий скелет
экспериментальных фактов слишком сложные математические одеяния».
• «Золотое яблоко успеха появляется часто на самой незаметной веточке
могучего дерева науки».
• «Учёные, начинающие работу в области термоядерного синтеза и
встречающиеся с неустойчивостью плазмы, находятся примерно в том же положении,
как человек, который пытается в первый раз прокатиться на одноколёсном
велосипеде, хотя он до этого и обычного велосипеда не видел».
Трудность решения проблемы управляемого термоядерная синтеза отражена в его
словах:
• «Вряд ли есть какие-либо сомнения в том, что, в конечном счете, проблема
управляемого синтеза будет решена. Природа может расположить на пути
решения этой проблемы лишь ограниченное число трудностей, и после того,
как человеку, благодаря непрерывному проявлению творческой активности,
удастся их преодолеть, она уже не в состоянии будет изобрести новые».
• «Физика плазмы ведёт к решению важнейших технических задач будущего,
поэтому она имеет право на благосклонное отношение со стороны
руководителей атомной техники нашего времени».
• «Надежда на быстрое решение проблемы УТС — то же, что надежда грешника
попасть в рай, минуя чистилище».
• «Проблема термоядерного синтеза как бы специально создана для того,
чтобы стать предметом тесного сотрудничества учёных и инженеров различных
стран».
• «термоядерная энергетика появится тогда, когда она станет действительно
необходима человечеству».
^^^^^ Игорь Васильевич Курчатов (1902—1960) — русский совет-
^01^^^^^ ский физик, «отец» советской атомной бомбы. Основатель и
щ ^^^^^к первый директор Института атомной энергии с 1943 г. по
I ^Ш 1960 г. , главный научный руководитель атомной проблемы в
\jm£ ^Фь Г^ СССР, один из основоположников использования ядерной
энергии в мирных целях. Академик АН СССР (1943).
При его участии был создан первый в Европе циклотрон
(1937). Под его руководством был сооружен первый в Москве
циклотрон (1944), первый в Европе атомный реактор (1946),
созданы первая советская атомная бомба (1949), первая в
мире термоядерная бомба (1953), первая в мире промышленная
атомная электростанция (1954), первый в мире атомный
реактор для подводных лодок (1958) и атомных ледоколов
(Атомный ледокол «Ленин», 1959), крупнейшая установка для проведения исследований
по осуществлению регулируемых термоядерных реакций (1958).
Родился на Урале, в городе Сим, в семье землемера. Вскоре его семья
переехала в Симферополь. Семья бедствовала, поэтому Игорь одновременно с учёбой в
Симферопольской гимназии №1 окончил вечернюю ремесленную школу, получил
специальность слесаря и работал на небольшом механическом заводе Тиссена.
С 24 августа 1912 г. при отличном поведении обучался по 16 мая 1920 г. и
окончил полный восьмилетний курс. По всем предметам отличные оценки. Однако
Золотой медали Игорь Курчатов не получил — в условиях войны властям было не
до медалей. В сентябре 1920 г. И.В. Курчатов поступил в Таврический
университет на физико-математический факультет. К лету 1923 г., несмотря на голод и
нужду, он досрочно и с отличными успехами закончил университет.
Затем поступает в Петрограде в Политехнический институт. С 1925 года И. В.
Курчатов стал работать в Физико-техническом институте в Ленинграде под
руководством академика А.Ф. Иоффе. С 1930 года заведующий физическим отделом
Ленинградского физико-технического института.
Свою научную деятельность Курчатов начал с изучения свойств диэлектриков, в
том числе и недавно открытого физического явления — сегнетоэлектричества.
Одним из первых (в 1932 году) в СССР приступил к изучению физики атомного
ядра. В это время И.В. Курчатов был сотрудником физического отдела Радиевого
института, руководимого В.Г. Хлопиным. В 1932 году Г.А. Гамов (в дальнейшем
эмигрировавший в США) и Л.В. Мысовский представили к рассмотрению Учёным
советом института проект нового прибора, и после его утверждения, под
руководством и при непосредственном участии Г.А. Гамова (на начальном этапе), И.В.
Курчатова и Л.В. Мысовского, создан первый в Европе циклотрон (запущен в 1937
году); именно на этой установке начал свои исследования И.В. Курчатов. В 1936
году И.В. Курчатовым, Б.В. Курчатовым, А.И. Русиновым и Л.В. Мысовским в
Радиевом институте было открыто явление изомерии искусственно созданных ядер.
В первый период войны разрабатывал метод размагничивания боевых кораблей,
борьбы с минами (вместе с А.П. Александровым) . 9 августа 1941 г. Курчатов
приезжает в Севастополь и организует размагничивание кораблей Черноморского
флота. Созданная А.П. Александровым и И.В. Курчатовым «система ЛФТИ» была
установлена в течение Великой Отечественной войны на сотнях кораблей и
обеспечила стопроцентную защиту от немецких магнитных мин.
В 1948 году Курчатов вступил в ВКП(б).
Борис Васильевич Курчатов — младший брат.
Жена — Марина Дмитриевна Синельникова.
Многие ученики и подчинённые Курчатова стали известными учёными. Это такие
специалисты как Андрей Сахаров, Виктор Адамский, Юрий Бабаев, Юрий Трутнев,
Юрий Смирнов. Аркадий Бриш.
Курчатова считают родоначальником советского атомного проекта, он вёл его с
самого старта 28 сентября 1942 года до собственной смерти. Именно Игорь
Васильевич встречался с высшими лицами государства в 194 6 году, убедил И.В.
Сталина в важности и значимости проекта. После этой встречи Сталиным были
подписаны около шестидесяти документов, определивших развитие атомной науки и
техники. В результате отрасль стала приоритетной, резко повысился уровень
жизни физиков-ядерщиков.
Для отработки технологий производства атомного топлива были построены
реактор Ф-1.
По результатам практических экспериментов были построены промышленный
реактор А-1, комбинат Маяк с Заводом Б и заводом В. Работами руководил Л.П.
Берия. И.В. Курчатов принимал активное участие в проекте, с ним работали Я.Д.
Раппопорт, А.Н. Комаровский, С.Н. Круглов, строительством занимались В. А.
Сапрыкин, Д.К. Семичастный и др.
Из воспоминаний Е.П. Славского:
«У нас случилась тогда первая неудача из-за конструкции реактора. Его
алюминиевые каналы стали быстро корродировать и выходить из строя, и мы никак не
могли понять, в чём же дело. Потом выяснили, что надо изменить систему влаго-
сигнализации, для чего потребовалось разгрузить весь реактор...
...В ту ночь в реакторном зале дежурил сам Курчатов. Надо было проверить и
загрузить свежие блочки. Игорь Васильевич, сидя у стола, через лупу рассмат-
ривал их (проверял, нет ли повреждённых) и сортировал. А сигнализация была
устроена так, что если бы радиоактивность стала больше положенной нормы, то
раздались бы звонки. Кроме того, звуковая сигнализация была дублирована
световой — загорались разные лампочки. Но так как „радиоактивная гадость" была
большая, мы, конечно, выключали эти самые звонки и „загрубили" световую
сигнализацию. А тут вдруг она загорелась. Мгновенно доставили ионизационную
камеру и установили, что в том самом месте, где сидит Курчатов, у него на
столе, находятся мощно облучённые блочки. Если бы он сидел там, пока все их не
отсортировал, — ещё тогда мог бы погибнуть!»
Спустя несколько лет после войны возглавляемая им (под кураторством
Лаврентия Берия) военная ядерная программа СССР принесла плоды: 29 августа 194 9
года был произведён взрыв первой советской атомной бомбы. 29 октября 194 9 года
Сталин подписал постановление СМ СССР № 5070-1944сс/оп:
«Учитывая исключительные заслуги перед Советской Родиной в деле решения
проблемы использования атомной энергии, и в соответствии с Постановлением
Совета Министров СССР от 21 марта 1946 г. № 627-258, Совет Министров Союза ССР
ПОСТАНОВЛЯЕТ
1. КУРЧАТОВА Игоря Васильевича, академика, научного руководителя работ по
созданию атомных реакторов и атомной бомбы:
— представить к присвоению звания Героя Социалистического Труда,
— премировать суммой 500.000 рублей (помимо выданной ранее части (50%)
премии в сумме 500.000 рублей и автомашины ЗИС-110)
Присвоить акад. Курчатову И. В. звание лауреата Сталинской премии первой
степени.
Построить за счёт государства и передать в собственность акад. Курчатова
И.В. дом-особняк и дачу, с обстановкой.
Установить акад. Курчатову И.В. двойной оклад жалования на всё время его
работы в области использования атомной энергии.
Предоставить акад. Курчатову И.В.
— право (пожизненно для него и его жены) на бесплатный проезд
железнодорожным, водным и воздушным транспортом в пределах СССР».
Под руководством Курчатова была разработана также первая в мире водородная
бомба мощностью 400 кт, подорванная 12 августа 1953 года.
Позже именно Курчатовский коллектив разработал термоядерную бомбу АН602
(Царь-бомба) рекордной мощности 52 000 кт.
В середине 1950-х годов Курчатов активно занимался проблемой управляемого
термоядерного синтеза. В 1956 году он с группой советских учёных посетил
Британский ядерный центр «Харуэлл» и высказал предложение о международном
сотрудничестве учёных в этой области.
Параллельно с решением военной проблемы возглавлял решение задачи по
мирному использованию атомной энергии. Результатом работ коллектива стала
разработка, строительство и запуск 27 июня 1954 года Обнинской АЭС. Она стала
первой в мире атомной электростанцией.
В феврале 1960-го года Курчатов приехал в санаторий Барвиха, навестить
своего друга академика Юлия Борисовича Харитона. Присели на лавочку, заговорили.
Вдруг возникла пауза. Когда Юлий Борисович посмотрел на Курчатова, он уже был
мёртв. Смерть наступила из-за эмболии сердца тромбом.
После смерти 7 февраля 1960 года тело учёного было кремировано, прах
помещён в урне в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве.
Макс Боденштейн (Bodenstein, 1871-1942)- немецкий физикохимик. Родился в
Магдебурге. Окончил Гейдельбергсий университет (1891). В 1891-1893 гг.
работал там же под руководством В. Мейера, затем в Высшей технической школе в
Берлине и в Гёттингенском университете (1893-1895), Гей-
дельбергском университете (1896-1900), в лаборатории В.
Оствальда в Лейпцигском университете. В 1907-1908 гг.
профессор Берлинского университета, в 1908-1923 гг. - Высшей
технической школы в Ганновере. С 1923 г. профессор
Берлинского университета и директор физико-химического
института. Президент Немецкого химического общества (1930-1932).
Основные работы посвящены кинетике химических реакций в
газах. Изучал (1893-1899) процессы образования и
термической диссоциации иодоводорода и состояние равновесия в
реакции Н2 + I2 = 2HI, а также кинетику образования бромово-
дорода (1907-1908) и хлороводорода (1913) из элементов.
Обнаружил (1899) зависимость кинетики термической
диссоциации иодоводорода от материала реакционного сосуда. Предложил (1913)
принцип стационарной концентрации промежуточных продуктов химических реакций в
газах, согласно которому концентрация активных частиц быстро принимает
постоянное значение вследствие равенства скоростей их образования и расходования.
Открыл (1913) фотохимические реакции с большим квантовым выходом, что
положило начало представлениям о цепных процессах. Объяснил их закономерности
передачей энергии возбуждения молекул по кинетической цепи.
Юлий Борисович Харитон (1904—1996) — выдающийся
советский и российский физик-теоретик и физик-химик. Трижды
Герой Социалистического Труда (1949, 1951, 1954).
Один из руководителей советского проекта атомной бомбы.
Лауреат Ленинской (1956) и трёх Сталинских премий (1949,
1951, 1953).
Юлий Борисович Харитон родился в Петербурге 14 февраля
(27 февраля по новому стилю) 1904 года в еврейской семье.
Его отец, Борис Осипович Харитон, был известным
журналистом, высланным из СССР в 1922 году, после присоединения
Латвии к СССР в 1940 году осуждённым на 7 лет ИТЛ и
умершим двумя годами позже в лагере. Дед, Иосиф Давидович
Харитон, был купцом первой гильдии в Феодосии; сестра отца,
Этля (Адель) Иосифовна Харитон, была замужем за историком Юлием Исидоровичем
Гессеном (их сын — журналист и сценарист Даниил Юльевич Гессен). Двоюродный
брат (сын другой сестры отца) — журналист и корреспондент «Известий» Давид
Ефремович Южин (настоящая фамилия Рахмилович; 1892—1939).
Мать, Мирра Яковлевна Буровская (во втором браке Эйтингон; 1877—1947), была
актрисой (сценический псевдоним Мирра Биренс), в 1908—1910 годах играла в
МХАТе. Родители развелись в 1907 году, когда Ю.Б. Харитон был ребёнком, его
мать в 1913 году вторично вышла Замуж за психоаналитика Марка Ефимовича Эй-
тингона и уехала в Германию, оттуда в 1933 году в Палестину. Борис Осипович
воспитывал сына сам.
С 1920 по 1925 год — студент электромеханического факультета
Политехнического института, с весны 1921 — физико-механического.
С 1921 года работал в Физико-техническом институте под руководством Николая
Семёнова.
В 1926—1928 годах стажировка в Кавендишской лаборатории (Кэмбридж, Англия).
Под руководством Эрнеста Резерфорда и Джеймса Чедвика получил степень доктора
наук (D.Sc, Doctor of Science), тема диссертации «О счете сцинтилляций,
производимых альфа-частицами».
С 1931 по 1946 год — руководитель лаборатории взрыва в Институте химической
физики, научные работы по детонации, теории горения и динамике взрыва.
С 1935 года — доктор физико-математических наук (по совокупности работ).
В 1939—1941 годах Юлий Харитон и Яков Зельдович впервые осуществили расчет
цепной реакции деления урана.
С 194 6 года Харитон — главный конструктор и научный руководитель КБ-11 (Ар-
замас-16) в Сарове при Лаборатории № 2 АН СССР. К работе над реализацией
ядерно-оружейной программы под его руководством были привлечены лучшие физики
СССР. В обстановке строжайшей секретности в Сарове велись работы,
завершившиеся испытанием советских атомной (29 августа 1949) и водородной (1953)
бомб. В последующие годы работал над сокращением веса ядерных зарядов,
увеличением их мощности и повышением надёжности.
В 1955 году подписал «Письмо трёхсот».
Член КПСС с 1956 года.
С 1946 года — член-корреспондент, с 1953 года — академик Академии наук
СССР. Депутат Верховного Совета СССР 3—9 созывов.
Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве (9 участок).
Рудольф Людвиг Мёссбауэр (нем. Rudolf Ludwig MoBbauer,
1929—2011) — немецкий физик, специалист в физике атомного
ядра и элементарных частиц, лауреат Нобелевской премии по
физике за 1961 год.
Немецкий физик Рудольф Людвиг Мёссбауэр родился в
Мюнхене и был одним из двух детей и единственным сыном Людвига
Мёссбауэра, фототехника, и Эрны (в девичестве Эрнст)
Мёссбауэр. Получив начальное образование в местных школах, он
поступил затем в гимназию в Мюнхен-Пазинг, которую
закончил в 1948 г. Некоторое время М. работал в оптической
фирме и несмотря на несомненный талант пианиста, Рудольф
решил заниматься физикой, для чего поступил в Технический
институт Мюнхена (сейчас — университет). В 1952 г. - стал
бакалавром, в 1955 г. - магистром, а в 1958 г. - доктором. В течение
академического 1953/54 г. работал преподавателем математики в том же университете.
В 1955—1957 работал над докторской диссертацией, исследуя поглощение гамма
лучей на физическом отделении Института медицинских исследований общества
Макса Планка в Гейдельберге, где впервые наблюдал явление резонансного
поглощения у-лУчеи ое3 отдачи — ядерный гамма-резонанс. В январе 1958 Мёссбауэр
стал стипендиатом-исследователем в Мюнхенском техническом университете (TUM),
где под руководством профессора Хайнца Майера-Лейбница он защитил докторскую
диссертацию. В том же году в Институте медицинских исследований общества
Макса Планка ему удалось получить прямое экспериментальное подтверждение
ядерного резонансного поглощения у-лУчеи без отдачи.
В 1957 г. Мёссбауэр женился на Элизабет Притц, специалистке по дизайну, у
них - сын и две дочери. Хобби Рудольфа были игра на фортепиано, фотография.
Проработав научным сотрудником в TUM в 1959, он принял приглашение Ричарда
Фейнмана продолжить исследования поглощения у-лУчеи в Калифорнийском
технологическом институте (Caltech) в Пасадене (США) в качестве научного сотрудника,
а затем старшего научного сотрудника. В 1961 Мёссбауэр получил должность
профессора физики в Калифорнийском технологическом институте.
В 1965 Рудольф вернулся в Мюнхен, на должность профессора в TUM, где его
заинтересовала нейтринная физика. Немецкое правительство за это возвращение
заплатило внушительную цену - было построено новое здание и возможность
приглашения 10 профессоров. Самое главное М. было позволено организовать в новой
лаборатории научный процесс по американскому образцу - отказавшись от
классического немецкого бюрократизма. Возвращение выдающего ученого произвело
впечатляющий эффект на развитие физики в Германии. Ряд ученых немецкого
происхождения вслед за Мёссбауэром вернулись в Германию. Это возвращение
впоследствии в шутку назвали "вторичным эффектом Мёссбауэра".
Рудольф Мёссбауэр оставался в TUM до 1997 г. В 1972—1977 занимал должность
директора Института им. Макса фон Лауэ и Поля Ланжевена (ILL) в Гренобле и
международного реактора с высокой мощностью потока частиц (англ. High-Flux
Reactor). В 1977 вернулся в Мюнхен, где обнаружил, что проведенная им
реорганизация научных кадров была отменена.
В 1961 г. Мёссбауэр разделил Нобелевскую премию по физике «за исследование
резонансного поглощения гамма-излучения и открытие в этой связи эффекта,
носящего его имя».
Одним из первых использований эффекта Мёссбауэра стала в 1959 г. работа
Р.В. Паунда и Г.А. Ребки из Гарвардского университета, которые
воспользовались этим эффектом для подтверждения предсказания Альберта Эйнштейна о том,
что гравитационное поле способно изменять частоту электромагнитного
излучения. Измерение изменения частоты гамма-лучей, вызванного различием
гравитационного поля у подножия и наверху 70-футовой башни, полностью подтвердило
общую теорию относительности Эйнштейна. Эффект Мёссбауэра позволяет также
получить информацию о магнитных и электрических свойствах ядер и окружающих их
электронов. Этот эффект находит применение и в таких разнообразных областях,
как археология, химический катализ, строение молекул, валентность, физика
твердого тела.
Продолжил работать над «загадкой нейтрино», в том числе принимая участие в
некоторых экспериментах по обнаружению нейтринных осцилляции в Гёсгене и
экспериментах по изучению солнечных нейтрино (gallex) в подземной лаборатории
Гран-Сассо в Италии. Этим направлением Мёссбауэр оказался увлечён настолько,
что продолжал работать над ним в свободное время, будучи в отставке с 1997
года.
Мёссбауэр рассматривал науку, как возможность объединения людей всего мира,
он был открыт к международному сотрудничеству. Рудольф поддерживал связь как
с учёными из США, так и с советскими учёными. Глубокие научные связи в
Советском Союзе возникли в 1970-е годы, когда группа советских ученых пригласила
американских профессоров к сотрудничеству. Поскольку в разгаре была холодная
война, то никто из заметных американских ученых не принял приглашения.
Мёссбауэр, будучи профессором Калифорнийского технологического института,
согласился и провел переговоры в Москве. Так возникло продолжительное
сотрудничество с Институтом химической физики (профессор Виталий Гольданский) и с
Курчатовским институтом (профессор Юрий Каган). Регулярные совместные семинары
попеременно проходили в СССР и в Германии. В 1982 году Мёссбауэр стал
иностранным членом АН СССР.
Первый совместный семинар прошёл в Москве в 1975 году. В 1977 году один из
семинаров проходил в Ереване. За неделю до семинара Мёссбауэр был приглашен в
Иран. После изучения карты он решил, что легко доберётся поездом из Тегерана
в Ереван, не понимая, что в реальности поезд остановится где-то в пустыне
между двумя городами, что потом и произошло. Немецкая делегация пережила два
тревожных дня не имея сведений о пропавшем главе делегации.
Огромное внимание Мёссбауэр уделял преподаванию. У него были блестящие по
содержанию и изложению лекции. Он никогда не уезжал на конференции в течение
учебного семестра. Своим студентам он предоставлял полную свободу, но когда
требовалась помощь, всегда её оказывал. Всегда готовый к сотрудничеству, Мёс-
сбауэр никогда не соперничал в науке со своими бывшими студентами и
коллегами.
Илья Романович Пригожий (фр. Ilya Prigogine; 1917—2003)
— бельгийский и американский физик и химик российского
происхождения, лауреат Нобелевской премии по химии 1977
года, виконт Бельгии.
Один из двух лауреатов Нобелевской премии по химии
российского происхождения (второй — Николай Семёнов).
Илья Романович Пригожий родился 25 января 1917 года в
Москве вторым сыном в семье фабриканта, выпускника
химического отделения Императорского Московского технического
училища Рувима Абрамовича Пригожина и пианистки, студентки
Московской консерватории Юлии Вихман. Его брат — Александр Пригожий (фр.
Alexandre Prigogine, 1913—1991) — орнитолог, известный результатами
многолетнего исследования птиц Бельгийского Конго.
В 1921 году семья эмигрировала из Советской России сначала в Литву, а через
год обосновалась в Берлине. Однако в 1929 году, с ростом антисемитских
настроений в Германии, Пригожины решили поселиться в Бельгии, где Илья в 1941
году окончил Брюссельский университет.
С 1961 по 1966 год Пригожий сотрудничал с институтом Ферми в Чикаго. В 1967
году в городе Остин Пригожий основал Центр по изучению сложных квантовых
систем (англ. Center for Complex Quantum Systems), которым руководил до конца
жизни.
Основная масса его работ посвящена неравновесной термодинамике и
статистической механике необратимых процессов. Одно из главных достижений заключалось
в том, что было показано существование неравновесных термодинамических
систем, которые, при определённых условиях, поглощая вещество и энергию из
окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению (дис-
сипативные структуры). Причём такой скачок не может быть предсказан, исходя
из классических законов статистики. Такие системы позже были названы его
именем. Расчёт таких систем стал возможен благодаря его работам, выполненным в
1947 году.
Доказал одну из основных теорем термодинамики неравновесных процессов — о
минимуме производства энтропии в открытой системе. Ввёл (в работе «The
Rediscovery of Time») термин «переоткрытие времени», определяющий проблему
объяснения существования явления времени.
В 1982 году Пригожий становится иностранным членом Академии наук СССР. Его
работы многократно переводились на русский язык. К его работам обращаются
многие ученые, не только физики и химики, но и биологи, палеонтологи и
математики , историки, филологи.
В 1989 году король Бельгии пожаловал Пригожину титул виконта.
Первая жена (1943) — поэтесса Хелен Йофе (фр. Helene Jofe, 1921—1988),
сын Ив (Yves Prigogine, род. 1945), антрополог.
Вторая жена (с 1961) — Марина Прокопович (англ. Marina Prokopowicz), сын
Паскаль (Pascal Prigogine, род. 1970).
Ликбез
КРАТКИЙ КУРС БИОЛОГИИ
(продолжение)
ГЛАВА 10.
ЖИЗНЕ ДЕЯТЕ ЛЬНОС ТЬ
ОРГАНИЗМОВ
10.1. ДВИЖЕНИЕ И ОПОРА
10.1.1. Опорные системы
Опорные функции у растений выполняют четыре вида тканей - паренхима,
колленхима, склеренхима и ксилема. Паренхима обеспечивает опорную функцию у
травянистых растений. Опорную функцию кустарников и деревьев обеспечивают,
прежде всего, ксилема и склеренхима, составляющие вместе древесину.
Годим н ое к оп ь цгj Внешня я
иор.а
Рисунок 10.1.1.1. Поперечный срез ствола канадской сосны
У большинства животных имеются разнообразные опорные системы (скелет),
которые обеспечивают характерную форму тела, играют существенную роль в
перемещении животного, а также защищают внутренние органы от механических
повреждений . Существует три основных формы скелета:
• гидростатический скелет;
• эндоскелет;
• экзоскелет.
Гидростатический скелет характерен для мягкотелых животных. Полостная
жидкость, заключённая внутри мышечных стенок, оказывает давление на мышцы;
давление этой жидкости и противодействующее ему сокращение мышц помогает
животному поддерживать форму тела.
Внутренний скелет (эндоскелет) имеется у некоторых простейших (кремниевые
структуры), головоногих моллюсков (внутренние раковины), позвоночных (костная
и хрящевая ткани). Эндоскелет построен из живых клеток и может непрерывно
расти вместе с телом.
Рисунок 10.1.1.2. Эндоскелет фораминифер
Как уже отмечалось, скелет позвоночных животных построен из костной и
хрящевой ткани. На продольном разрезе длинной кости хорошо различимы полая
трубка - диафиз, на концах которой находятся два расширения - эпифизы. Полость
диафиза заполнена жёлтым костным мозгом, а между костными перекладинами
эпифиза находится красный костный мозг. В костном мозге образуются эритроциты и
гранулоциты.
Костный мозг
в Губчатой кости
Рисунок 10.1.1.3. Строение кости
Скелет эмбриона является полностью хрящевым, по мере роста он становится
костным. Кости окружаются плотной тканью - надкостницей, клетки хряща
разрушаются, а образовавшиеся полости заполняются клетками костного мозга. Клетки
особого вида - остеобласты - выделяют костное вещество. Одновременно с
окостенением происходит и рост кости в длину. Хрящ между диафизом и эпифизом в
это время непрерывно образуется и окостеневает. Постепенно хрящ в зонах роста
замещается костью, и рост прекращается. Однако и после этого кость способна
изменяться; механические нагрузки стимулируют откладку дополнительной костной
ткани, часто в виде выростов и гребней. При отсутствии нагрузок кость
атрофируется .
В местах соединения костей у позвоночных образуются суставы, благодаря
которым возможно движение костей друг относительно друга. Неподвижные
соединения (швы между костями черепа, соединение костей тазового пояса) представляют
собой тонкий слой соединительной ткани, жёстко фиксирующей кости.
Полуподвижные соединения (между позвонками, костями запястья) - это хрящевые прокладки,
позволяющие костям поворачиваться или скользить друг по другу. Подвижные
суставы покрыты плотной сумкой, заполненной синовиальной жидкостью. Эта жидкость
уменьшает трение между костями. К подвижным суставам относятся локтевой,
коленный, плечевой, тазобедренный суставы, а также суставы пальцев.
Кость
'. о едините пыла я
ткань
lvстзеныи
хрЯЩ
По зь он о к
Мечпо звон очный
диск
'.ЕЯ ЗК а
L'v'CTdBH
•щдюсть
к иноеи
ибогемк
Рисунок 10.1.1.4. Суставы
Внешний скелет (экзоскелет) характерен для членистоногих, у которых он
построен из хитина. Экзоскелет членистоногих - твёрдый неклеточный наружный
покров , состоящий из пластинок и трубок. Трубчатое строение элементов позволяет
при небольшой толщине выдерживать значительные нагрузки. Таким образом,
членистое строение конечностей обеспечивает этому типу животных одновременно и
защиту, и подвижность. Железистые клетки эпидермиса секретируют специальный
воскоподобный слой - эпикутикулу, предохраняющий организм от обезвоживания.
; гикающая мышца Кутикупа
Разгибающая О/став
мышца
Рисунок 10.1.1.5. Экзоскелет насекомых
Рост эндоскелета происходит при линьке. В определённое время старый
хитиновый покров сбрасывается, и обнажается новый - пока ещё мягкий. До тех пор,
пока он не затвердел, животное может расти. С другой стороны, в это время оно
уязвимо для хищников, а мягкий скелет не способен поддерживать вес тела и
предполагает почти полную неподвижность. Линька требует значительных затрат
энергии.
10.1.2. Мышечная система
Мышечная система создаёт дополнительную опору телу животного и определяет
его движение. Мышцы состоят из множества удлинённых клеток - мышечных
волокон, способных сокращаться под действием электрических импульсов. Различают
поперечно-полосатые, гладкие и сердечные мышцы.
Рисунок 10.1.2.1. Строение мышцы
Поперечно-полосатые мышцы присоединяются к костям при помощи плотных и
малорастяжимых сухожилий, состоящих из коллагена. Один конец сухожилия
переходит в наружную оболочку мышцы, а другой плотно прикреплен к надкостнице.
При раздражении мышечное волокно будет сокращаться только в том случае,
если стимулирующий импульс превысит некоторую пороговую величину. Такое
сокращение будет максимальным и не изменится при ещё большем увеличении импульса.
Согласно современным представлениям сокращение вызывается тем, что актиновые
нити - один из типов мышечных нитей - скользят по миозиновым. Необходимая для
этого энергия образуется в результате расщепления АТФ. При интенсивных
сокращениях поставляемого в мышцы кислорода оказывается недостаточно; говорят, что
работа мышцы создаёт кислородную задолженность. При этом начинает
образовываться молочная кислота - токсичный продукт, который в печени превращается в
глюкозу или полностью разлагается на углекислый газ и воду.
Тип сокращения зависит от способа фиксации мышц: он может быть
изотоническим (сокращение при постоянной нагрузке) и изометрическим (мышца развивает
напряжение, но её длина не изменяется). Ответ на однократное раздражение
длится около 0,05 с. Фаза сокращения длится около 0,1 с, после чего наступает
длительный - около 0,2 с - период расслабления, когда мышечное волокно
некоторое время неспособно сокращаться. Если интервал между двумя сокращениями
незначителен, то второе сокращение накладывается на первое; при этом во
второй раз развивается большее напряжение. При ритмическом раздражении
напряжение достигает некоторого уровня (плато) и остается на нём достаточно долго,
после чего наступает утомляемость и расслабление.
Рисунок 10.1.2.2. Двигательная единица. На микрофотографии хорошо
заметен двигательный аксон (темный), подсоединяющийся к мышцам
Двигательные аксоны, подходя к мышцам, ветвятся. Группа мышечных волокон (в
бицепсе тысячи волокон) и иннервирующий её аксон образуют двигательную
единицу; все мышечные волокна в ней сокращаются одновременно. Чем меньше волокон в
двигательной единице, тем более тонкий контроль осуществляется со стороны
нервной системы. Регуляция напряжения, вызываемого мышцей, может
осуществляться :
• изменением количества двигательных единиц, возбуждающихся в данный
момент ;
• изменением количества нервных импульсов в секунду.
Волокна скелетных мышц можно разделить на тонические и фазические.
Тонические волокна окрашены в красный цвет, расположены в глубине мышц, имеют
собственные запасы кислорода, связанного с родственным гемоглобину крови белком
миоглобином. Они обеспечивают длительное сокращение мышцы (например,
связанное с противодействием силе тяжести - мышцы спины, шеи, поддерживающие нижнюю
челюсть). Фазические волокна преимущественно белые, залегают на поверхности
мышц и обеспечивают быстрое и сильное сокращение, но быстро утомляются.
Для того, чтобы сместить кость, а затем вернуть её в первоначальное
положение , необходима хотя бы пара мышц, например, сгибатель и разгибатель. Когда
одна из мышц сокращается, другая должна расслабляться. Это достигается
благодаря тормозным рефлексам спинного мозга, блокирующим импульсы, идущие к
соответствующей группе мышц.
Гладкая мускулатура образует стенки кровеносных сосудов, кишечника,
мочевого пузыря и других органов. Клетки гладкой мускулатуры образуют поперечные и
продольные слои; сокращение первых приводит к удлинению и утончению органа
(например, кишки); сокращение вторых вызывает обратный эффект. Гладкие мышцы
способны к самопроизвольным сокращениям; так растяжение мускулатуры при
наполнении пищеварительных проходов обычно сразу приводит к её сокращению.
Такая координированная работа мышц называется перистальтикой и способствует
перемещению содержимого внутри полых органов.
10.1.3. Движение
беспозвоночных
Движение может происходить как на уровне клетки (перетекание цитоплазмы,
движение органоидов), так и на уровне отдельных органов (сокращение сердца,
движение глазного яблока) или всего организма в целом. Растениям свойственно
только движение на клеточном уровне, иногда - на уровне органов. Большинство
животных обладают способностью к перемещению своего организма - локомоции.
Благодаря локомоции животные находят пищу, спасаются от хищников, осваиваются
в благоприятных для обитания местах, размножаются. Локомоция возможна
благодаря координированной работе скелетной, мышечной и нервной систем.
Амебоидное движение свойственно одноклеточным организмам - амёбам, а также
лейкоцитам. При этом, клетки образуют временные выступы - псевдоподии. По
одной из гипотез образование псевдоподий связано с периодическим затвердеванием
и разжижением цитоплазмы. По другой версии, движение происходит за счёт
белковых актиновых и миозиновых молекул; в этом случае амебоидное движение
сходно с механизмом мышечного сокращения.
Другой способ движения связан с ресничками и жгутиками, находящимися на
поверхности некоторых одноклеточных (эвгленовые, инфузории) и небольших
многоклеточных организмов. И те, и другие органеллы состоят из двух центральных
одиночных микрофибрилл, окружённых по периферии девятью двойными. Движение
жгутика симметрично; в каждый момент по нему проходит несколько поперечных
волн. Биение реснички, напротив, асимметрично; после быстрого удара прямой
реснички она изгибается и изогнутой возвращается в исходное состояние.
Полость тела дождевого червя окружена двумя слоями мышц. При передвижении
червя сокращение кольцевых мышц начинается на переднем конце тела и,
захватывая сегмент за сегментом, распространяется волной через всё тело.
Соответствующие сегменты становятся тоньше и длиннее. Щетинки на этих сегментах
втягиваются, не препятствуя движению вперёд. Вслед за кольцевыми мышцами, волна
сокращения идёт по продольным мышцам. Таким образом, некоторые сегменты
перемещаются вперёд, другие остаются на месте, обеспечивая опору. Изменяя
направление сокращения мышц, червь способен перемещаться назад.
Эффективный способ перемещения применяют медузы, головоногие и некоторые
двустворчатые моллюски. Вода поступает к ним в организм, а затем
выталкивается наружу при помощи купола зонтика или сифона. Похожий принцип используется
для перемещения реактивных самолетов и ракет.
Клешни речного рака при ходьбе приподнимаются вверх. Первая пара ходильных
ног оторвана от грунта, а остальные три пары находятся на нём. Ноги,
расположенные на передних сегментах, тянут тело вперёд, а на заднем сегменте -
подталкивают его. Конечности приводятся в движение поперечно-полосатыми мышцами.
Насекомые при ходьбе опираются тремя ногами о землю. Совершая шаг вперед,
они попеременно опираются, то на левые переднюю и заднюю и правую среднюю, то
на правые переднюю и заднюю и левую среднюю ноги. Сгибание и разгибание ног
обеспечивается скелетными мышцами. У многих насекомых на концах ног имеются
волоски, коготки или клейкие подушечки, обеспечивающие передвижение по
вертикальным поверхностям и вниз головой, а также скольжение по поверхности воды.
}
/
Рисунок 10.1.3.1. Клоп-водомерка может бегать по поверхности воды
Большинство насекомых способны к полёту. Крылья насекомых - это плоские
выросты хитинового скелета, поддерживающиеся сложной сетью жилок. У насекомых с
большими крыльями мышцы прикрепляются непосредственно к основанию крыла. Они
поднимают и опускают крылья (бабочка - 5 раз в секунду), регулируют амплитуду
взмаха, складывают крылья после окончания полета. Сокращения мышц вызываются
одиночными нервными импульсами. Насекомые с крыльями меньшей величины
вынуждены чаще взмахивать ими (комнатная муха - 120 раз в секунду, галлица - до
1000 раз в секунду). У этих насекомых мышцы изменяют форму груди, к которой
прикреплены крылья. Особый способ крепления крыльев приводит к значительному
перемещению крыла при небольших деформациях груди, что позволяет им совершать
более частые взмахи. Нервные импульсы поступают асинхронно - один импульс
способен обеспечить десятки взмахов. Они необходимы только для поддержания
мышцы в активном состоянии во время полета.
10.1.4. Движение рыб,
амфибий и рептилий
Позвоночные - совершенная группа животных, освоившая все три среды: сушу,
воду и воздух. К рассмотрению способов передвижения этой группы животных мы
сейчас и переходим.
Все без исключения рыбы живут в воде и неплохо научились в ней
перемещаться. Обтекаемое тело большинства рыб имеет торпедообразную форму; отсутствие
выступающих частей и смазка чешуи сводят сопротивление воды при движении к
минимуму. Перемещение тела вперёд происходит за счет боковых движений хвоста.
Хвостовой плавник изгибается и отталкивается от воды; продольная составляющая
силы сопротивления воды проталкивает рыбу вперёд. У рыб с достаточно длинным
телом плыть вперёд помогает не только хвост, но и задняя часть тела. Наконец,
у длинных угрей участки тела изгибаются в разные стороны. Изгибы создаются
благодаря сокращению миотомов - блоков мышц, расположенных по обе стороны от
позвоночника.
Не имеющие плавательного пузыря акулы должны всё время находиться в
движении - иначе они опустятся на дно. Их грудные и брюшные плавники при движении
создают дополнительную подъёмную силу, под действием которой рыба может под-
ниматься или опускаться в толще воды. Отклонение рыбы от положения равновесия
по вертикали выправляется грудными и брюшными плавниками, а по горизонтали -
спинными плавниками. Угол крена стабилизируется всеми плавниками сразу.
Нервные импульсы, направленные на стабилизацию, поступают из полукружных каналов
в головной мозг, а оттуда доставляются к плавникам.
Плавательный пузырь костных рыб обеспечивает нейтральную плавучесть;
плотность рыбы равна плотности окружающей воды, и ей не нужно расходовать энергию
на поддержание тела в воде. В связи с этим грудные и брюшные плавники стали
меньше и служат для обеспечения устойчивости или для торможения (в последнем
случае они распрямляются под прямым углом к телу). Независимость работы
грудных плавников позволяет рыбе совершать быстрый поворот относительно одного из
них. Симметричный хвостовой плавник толкает тело вперёд.
Плавательный пузырь наполнен воздухом, однако процентный состав газов может
отличаться от атмосферного. Встречаются открытые и закрытые плавательные
пузыри. Первые соединяются с пищеводом; регуляция количества воздуха
осуществляется через рот. Вторые с пищеводом не связаны; воздух по мере необходимости
поступает в пузырь и всасывается из него через кровеносную систему.
Некоторые рыбы научились ползать по суше (древние кистепёрые рыбы) или
летать (например, летучие рыбы). Впрочем, этот полёт «ненастоящий»: летучая
рыба выпрыгивает из воды и за счёт своей скорости «пролетает» до 200 м. Её
плавники при этом создают подъёмную силу, помогающую рыбе некоторое время
удерживаться в воздухе. Однако, ни воздух, ни суша не стали для рыб обыденной
средой обитания.
Рисунок 10.1.4.1. Летучие рыбы могут парить над поверхностью воды
После выхода кистепёрых рыб на сушу плавники преобразовались в настоящие
конечности. У древних амфибий они прикреплялись к телу сбоку, что давало им
возможность ползать, не отрываясь от земли. У более прогрессивных позвоночных
обнаруживалась тенденция к смещению конечностей вниз. Тяжесть тела
распределялась равномерно между конечностями, и животное тратило значительно меньше
энергии на поддержание своего тела.
Парные лапы лягушки фактически являются членистыми рычагами,
приподнимающими тело над землёй и обеспечивающими его передвижение. При медленном движении
по земле одновременно вытягиваются вперёд конечности, расположенные по
диагонали друг от друга; пара конечностей по другой диагонали согнута. Эти
конечности подтягивают тело лягушки вперёд, после чего разгибается другая пара
конечностей .
При прыжках все суставы задних конечностей разгибаются одновременно. Сила
отталкивания в несколько раз больше веса лягушки и вполне достаточна, чтобы
лягушка прыгнула вперёд и вверх. Во время приземления короткие передние лапы
обеспечивают амортизацию и смягчают удар.
Многие формы амфибий и рептилий неплохо умеют плавать, а для вымерших
ихтиозавров и плезиозавров вода и вовсе была естественной средой обитания.
Другая древняя форма пресмыкающихся - птерозавры - умели летать, используя
машущий полет, а иногда паря на перепончатых крыльях в восходящих потоках
воздуха.
Рисунок 10.1.4.2. Крыло птеродактиля
Достаточно разнообразны способы перемещения у змей. Обычно они ползут по
поверхности со скоростью несколько километров в час, S-образно изгибаясь в
горизонтальной плоскости. Движение вперёд обеспечивается за счёт отталкивания
задней поверхностью изгибов от неровностей почвы. Ползать по гладкой
поверхности змеи таким образом не могут, зато этот способ хорошо подходит для
плавания. Способность на длительное время задерживать дыхание существенно
облегчает передвижение в воде.
Крупные змеи ползут как гусеницы, за счет волнообразных сокращений
подкожных мышц. Щитки на брюхе животного отталкиваются от неровной поверхности
почвы, и змея ползёт по прямой. На сыпучих песках змеи используют «боковой ход».
То передняя, то задняя части тела по очереди перебрасываются вперёд, змея как
бы прыгает по песку, держась боком к направлению движения. В заключение
заметим, что большинство змей неплохо лазают по деревьям.
10.1.5. Движение
птиц и зверей
Наличие перьев и значительные изменения в скелетной системе привели к тому,
что большинство птиц получили способность летать и овладели воздушной
стихией. Вот важнейшие изменения:
• форма тела стала обтекаемой;
• вес тела уменьшился благодаря большому количеству губчатых костей и
внутренних воздушных полостей;
• прочный плечевой пояс служит опорой для крыльев;
• широкая грудина обеспечивает большую поверхность для прикрепления мышц;
• сросшиеся кости позвоночника и тазового пояса стали основной опорной
структурой скелета;
• кости передних конечностей частично слились, увеличив маховую
поверхность крыла;
• маховые перья значительно увеличили эффективность работы крыла;
• работа мышц отлично скоординирована;
• хорошая система кровообращения, сильное сердце и высокая температура
увеличивают эффективность сокращения мышц.
Вогнутая снизу поверхность крыла препятствует движению воздуха под ним и
создаёт пониженное давление над крылом. За счёт этого возникает подъёмная
сила, тянущая птицу вверх. Эффективность работы крыла зависит от соотношения
между подъемной силой и лобовым сопротивлением, действующем на крыло при
движении вперед.
Во время машущего полёта работают сильные грудные мышцы. При опускании
крыла перья сомкнуты, птица как бы отталкивается от воздуха вверх. При движении
крыла вверх передние маховые перья резко отводятся назад и вверх. С одной
стороны, это уменьшает сопротивление воздуха при подъёме крыла; с другой -
создаёт дополнительный импульс, толкающий птицу вперёд. Хвост при этом
является рулём, а при заходе на посадку - ещё и тормозом. При длительном машущем
полёте затраты энергии не столь велики, как при подъёме с земли. Взмахи при
этом не такие сильные, крылья выпрямлены.
а я
Ц\'х над & ери ней
рхностью крыла
1чт?тся быстрее,
чем под ничхей
поверхностью
Л о б об ое
сопротивление
По б ыш ен н ое д .з в п е н ие
воздуха Угол атаки
Рисунок 10.1.5.1. Подъёмная сила крыла
При планировании крылья не движутся; они расположены к телу под прямым
углом. Под действием силы тяжести тело постепенно теряет высоту; угол
планирования зависит от скорости птицы, её массы, расположения и формы крыла.
Выбирая восходящие потоки воздуха, птицы с широкими крыльями способны даже
постепенно набирать высоту. А вот у морских птиц крылья узкие; они парят над
морем, используя порывы ветра, и то поднимаются над волнами на 7-10 м, то с
большой скоростью спускаются вниз.
Наконец, некоторые птицы с развитой мускулатурой могут зависать в воздухе.
Крылья совершают при этом около 50 взмахов в секунду.
Наиболее быстро летают стрижи. Скорость полета иглохвостых стрижей
достигает 300 км/ч.
Подъемная
сипа
А
Крыло птицы
Резупьтирующ
сипа
Воздушный
ПОТОП
Рисунок 10.1.5.2. Полёт лебедя
V
Рисунок 10.1.5.3. Парящий коршун
Некоторые птицы хорошо плавают, действуя задними лапами как плавниками (а у
приспособившихся к плаванию пингвинов в ласты превратились крылья). Ряд птиц
умеют лазать по деревьям. Многие птицы хорошо перемещаются по земле,
переступая с одной лапы на другую или прыгая на двух ногах, а для некоторых групп
птиц (страусы, киви) ходьба и бег - единственный способ передвижения.
Рисунок 10.1.5.4. Белка-летяга
Некоторые млекопитающие (например, белки-летяги) имеют между лапами
перепонки, что позволяет им планировать в воздухе на большие расстояния,
спускаясь с деревьев. Однако истинным (машущим) полетом владеют только рукокрылые.
Каждое крыло летучей мыши представляет собой тонкую кожаную перепонку,
натянутую между передней и задней конечностями и боковой поверхностью тела.
Движения крыльев летучих мышей сходны с движениями крыльев птиц.
Многие млекопитающие неплохо плавают. У некоторых из них (выдры, ондатры и
др.) имеются перепонки между пальцами, конечности других (тюлени, сирены)
превратились в ласты. Наиболее приспособленными к водной стихии являются
киты. Обтекаемое веретеновидное тело, хвостовой плавник, отсутствие волосяного
покрова позволяют китам уверенно чувствовать себя в морских просторах.
И всё же основным местом обитания млекопитающих остаётся суша. Наименее
приспособленные виды ползают по поверхности, отталкиваясь конечностями от
грунта. Другие способны ходить, поочередно приподнимая лапы и отталкиваясь
ими от земли. Три из четырёх лап при этом удерживают тело в равновесии. При
беге могут одновременно отрываться от земли две передние лапы, затем две
задние. При этом суммарное время, при котором лапы опираются на землю,
значительно меньше, чем при ходьбе. При увеличении скорости все четыре лапы могут
оказаться в воздухе; мышцы туловища изгибают позвоночник вверх, усиливая
отталкивающую силу и удлиняя шаг.
Рисунок 10.1.5.5. Прыжки кенгуру
Некоторые животные и человек освоили передвижение на двух ногах. При этом,
когда они стоят, вес тела распределён между двумя конечностями. При ходьбе
одна из ног под действием икроножной мышцы сгибается, отрывается от земли и
перемещается вперёд, другая в это время служит опорой. Когда первая нога
достигает земли, начинает подниматься вторая нога. При беге обе ноги некоторое
время оказываются в воздухе. Более мощные толчки увеличивают шаг.
10.2. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ
10.2.1. Питание организмов
Процесс потребления энергии и веществ называется питанием. Энергия
необходима для того, чтобы:
• осуществлялся синтез веществ, необходимых для роста организма;
• сокращались мышцы и передавались нервные импульсы;
• вещества могли транспортироваться из клетки в клетку;
• температура тела поддерживалась постоянной.
Это только основные процессы, для которых необходима энергия. Кроме того,
энергия используется организмами для создания электрических разрядов,
биолюминесценции и многого другого.
Не каждый тип энергии пригоден для использования. Организмы можно
классифицировать по источникам поглощения энергии следующим образом:
• хемотрофы синтезируют органические вещества за счёт энергии химических
связей.
• фототрофы синтезируют органические вещества за счёт энергии света;
Рисунок 10.2.1.1. Солнце - источник жизни на Земле
Процесс фототрофного питания называется фотосинтезом. Фототрофы - это
растения и некоторые бактерии (в том числе сине-зеленые водоросли). К хемотрофам
относятся многие бактерии.
Организмы, живущие за счет неорганических источников углерода (например,
углекислого газа), называются автотрофами. Те же, кто использует органические
источники углерода, называются гетеротрофами. К автотрофам относят все
растения и некоторые бактерии. Гетеротрофы - животные, грибы и большинство
бактерий. Некоторые организмы (например, эвгленовые) нельзя отнести только к одной
из этих категорий, поскольку они могут питаться как автотрофно, так и гетеро-
трофно. Такие организмы называются миксотрофными.
В целом можно сказать, что гетеротрофы зависят от автотрофов, поставляющих
им органические вещества.
Перед тем, как перейти к изучению фотосинтеза, отметим важную роль хемосин-
тезирующих организмов. Хемосинтезирующие бактерии получают энергию от
различных химических реакций - окисления водорода, серы, железа, аммиака и других
веществ. Вот некоторые реакции, освобождающие энергию:
• 2NH3 + 302 -> 2HN02 + 2Н20 + Q.
• 2HN02 + 02 -> 2HN03 + Q.
• 4FeC03 + 02 + 6Н20 - 4Fe(OH)3 + 4С02 + Q.
• 2S + 302 + 2H20 -> 2H2S04 + Q.
Рисунок 10.2.1.2. Зелёные серные бактерии доминируют не только
на километровых глубинах: в некоторых геотермальные источниках
Йеллоустонского парка их цвет тоже преобладает.
Отметим также, что автотрофное питание не закачивается хемосинтезом и
фотосинтезом. Важную роль играет получение растениями и животными минеральных
веществ . Их недостаток приводит к различным заболеваниям.
10.2.2. Фотосинтез
Из общего количества солнечного излучения, попадающего на нашу планету,
лишь половина доходит до поверхности Земли, только 1/8 имеет длину волны,
подходящую для фотосинтеза, и лишь 0,4% таких лучей (около 1% от общего
объёма энергии) используется растениями. Именно от этого одного процента зависит
вся жизнь на Земле.
В процессе фотосинтеза углекислый газ в присутствии хлорофилла реагирует с
водой; при этом образуется глюкоза и выделяется кислород:
6С02 + 6Н20 - С6Н1206 + 602.
Более грамотной будет запись
С02 + 2Н20 - [СН20] + 02 + Н20,
которая показывает, что выделяющийся кислород образуется из воды. Похожим
уравнением описывается и хемосинтез серобактерий:
С02 + 2H2S - [СН20] + 2S + Н20.
Таким образом, процесс фотосинтеза включает в себя две стадии:
• получение водорода (фотолиз) - при этом кислород выделяется как побочный
продукт реакции;
• получение глюкозы (восстановление).
'. вет
Корень
Рисунок 10.2.2.1. Общая схема фотосинтеза
Рисунок 10.2.2.2. Газообмен в листе происходит через устьица
Первая стадия фотосинтеза протекает на свету. Световые кванты дают
электронам энергию, необходимую для переноса их от хлорофилла или другого фотосинте-
зирующего пигмента. В ходе первой стадии из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата
синтезируется АТФ (аденозинтрифосфат), а НАДФ (никотинамидадениндинуклеотид-
фосфат) восстанавливается до НАДФ-Н2. Синтез АТФ за счёт энергии световых
квантов называется фотофосфорилированием. Этот процесс может быть циклическим
(в реакции «работают» одни и те же электроны) и нециклическим (электроны в
конце концов доходят до НАДФ и, взаимодействуя с ионами водорода, образуют
НАДФ-Н2). Кислород как побочный продукт реакции выделяется только во втором
случае.
5 6 -
400 450 500 550 600 650 700 750
ДПИН.З Е:ППНЬ1, НМ
Рисунок 10.2.2.3. Интенсивность фотосинтеза на различных длинах волн
Для реакций второй стадии свет не нужен. Восстановление С02 происходит за
счет энергии АТФ и накопленного НАДФ•Н2. Углекислый газ связывается с пятиуг-
леродным сахаром рибулозобисфосфатом, образуя две молекулы трёхуглероднои
фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Такой процесс получил название С3-
фотосинтеза. Последующий цикл реакций (цикл Кальвина) приводит к образованию
из ФГК сахара (например, глюкозы), а также ресинтезу рибулозобисфосфата. У
некоторых растений (например, сахарного тростника, сои) наблюдается так
называемый С4-фотосинтез, в реакциях которого С02, восстанавливаясь, включается в
состав органических кислот, имеющих четыре атома углерода (например,
яблочной) . При этом поглощение углекислоты идёт гораздо эффективнее, повышается и
продуктивность растений.
На скорость фотосинтеза влияют многие факторы. Основными из них являются
интенсивность света, концентрация кислорода и углекислого газа, температура
окружающей среды. Состояние, когда скорость выделения кислорода растением
равна скорости его дыхания, называется точкой компенсации.
Кислород в процессе фотосинтеза может действовать как конкурентный ингиби-
тор, взаимодействуя с рибулозодисфосфатом вместо углекислого газа. При этом
образуется одна молекула ФГК и фосфогликолат, сразу расщепляющийся до глико-
лата. Чтобы вернуть хотя бы часть углерода, связанного в бесполезном гликола-
те, у растения имеется процесс, называемый фотодыханием. Это зависимое от
света потребление кислорода с выделением углекислого газа, заметное лишь у
С3-растений, не имеет ничего общего с обычным дыханием. Фотодыхание, в целом,
идёт с поглощением энергии; в результате образуется фосфоглицерат, а 25%
углерода теряется в виде СОг. В фотодыхании участвуют хлоропласты, пероксисомы
и митохондрии. У С4-растений фотодыхания практически нет, что и является
причиной их большей продуктивности.
О
со^сн
▲ к
Рисунок 10.2.2.4. Молекула хлорофилла
В связи с энергетической проблемой учёные пытаются провести
фотосинтетические процессы искусственно, особенно их первые этапы, когда вода под
действием солнечной радиации расщепляется на кислород и водород. Сжигание водорода
(с образованием воды) - экологически чистый процесс, который мог бы стать
неплохой заменой современным источникам энергии.
10.2.3. Гетеротрофное питание
Гетеротрофно (то есть, используя готовые органические соединения) питаются
животные, грибы, насекомоядные растения и большинство бактерий. Выживание
гетеротрофных организмов тесно связано с активностью автотрофов. Процесс
питания гетеротрофов можно условно разделить на пять больших стадий: поглощение
пищи, переваривание, транспорт, ассимиляция и экскреция.
Существует два типа гетеротрофного питания:
• Голозойный, когда благодаря сложному комплексу пищеварительных ферментов
организм может употреблять в пищу сложные, чаще всего твёрдые,
органические соединения.
• Сапротрофный, когда организм питается растворами простых органических
веществ. Иногда они выделяют ферменты непосредственно на субстрат, а
затем всасывают образовавшиеся питательные вещества. Уничтожая мёртвые
растения и животные, сапротрофы играют важную роль в круговороте
веществ .
Кроме того, животные, питающиеся голозойно, делятся на микрофагов,
поглощающих пищу мелкими частицами, и макрофагов, поглощающих пищу большими куска-
ми. По образу жизни гетеротрофов можно разделить на:
• свободноживущих, когда организмы свободно живут в определённой среде
(среди них могут быть хищники, травоядные, плодоядные, трупоядные и
т.д.) ;
• симбиотических, когда организмы существуют совместно, получая от этого
взаимную выгоду. Так, в пищеварительном тракте жвачных живут ресничные,
питающиеся целлюлозой. Они превращают её в соединения, пригодные для
самих жвачных;
• паразитических, когда организм обитает на поверхности (эктопаразит) или
внутри тела хозяина (эндопаразит), питаясь за его счёт. Паразиты бывают
облигатными (не способные жить иначе) и факультативными (при
определённых условиях могут переходить на другой тип питания).
Рисунок 10.2.3.1. Венерина мухоловка пополняет запас
минеральных солей за счёт насекомых
Наиболее распространённые способы захвата пищи животными:
• при помощи псевдоподий (амёбы); псевдоподии окружают пищевую частицу,
заключая её в пищеварительную вакуоль, наполненную ферментами;
• при помощи ресничек (например, инфузории); расположенные недалеко от
ротовой полости ряды ресничек гонят воду с находящимися в ней кусочками
пищи (например, бактериями) внутрь, где пища отфильтровывается другими
ресничками. Фильтрация может осуществляться также при помощи щетинок,
усов (усатые киты) и т.п.;
• при помощи щупалец (каракатицы); пища захватывается щупальцами (иногда
перед этим жертва парализуется ядом), после чего поглощается;
• соскабливание (садовая улитка); пища соскабливается при помощи
специальной тёрки, расположенной на языке, после чего перетирается в ротовой
полости ;
• заглатывание; глотки некоторых животных настолько велики, что даже боль-
шие куски пищи могут пройти в них без предварительного разжёвывания;
• всасывание; так питаются животные, употребляющие жидкую пищу. Всасывание
(возможно, с предварительным прокалыванием источника пищи)
осуществляется при помощи измененного ротового аппарата (обычно, хоботка).
Главным энергетическим компонентом пищи гетеротрофов является глюкоза. Она
расщепляется в клетках в две стадии. Во время первой стадии - гликолиза
(бескислородного расщепления) - глюкоза расщепляется на две молекулы пировино-
градной кислоты. Эта реакция протекает в цитоплазме; для неё не требуется
присутствия кислорода. Суммарную реакцию гликолиза можно записать так:
С6Н1206 - 2С3Н403 + 4H + 2АТФ.
Полная запись уравнения гликолиза более сложна: так, для протекания реакции
нужны 2 молекулы АТФ, а на выходе образуется 4 молекулы АТФ (общий выход
реакции остаётся прежним: 4-2=2 молекулы АТФ). Дальнейшая судьба пировино-
градной кислоты зависит от наличия кислорода в клетке. Если он есть, то
кислота полностью окисляется до углекислого газа и воды, а при его отсутствии
превращается в этанол либо в молочную кислоту. Уравнения соответствующих
реакций мы приведём в параграфе «Использование энергии».
10.2.4.
Пищеварительная система
Одноклеточные организмы переваривают пищу внутриклеточно. У подавляющего
большинства многоклеточных животных пищеварение происходит вне клетки - в
пищеварительной полости, стенки которой являются продолжением внешней оболочки
организма.
Гидра
Пища От кеды
Нематода Копьчатый червь
апамандра
Рот-
Гпотка-
Кишечннк -///
Кишечное осудив тая
ПОПОСТЬ
Задний
ПрОвид"
Рот
Гп от \.
Зое
Же пуд о»;
Задний
проход
Кишечник
Рот
Пищевод
Печень
Кишечник
задний
Про к ОД
Же пуд он
Подчалудочная
тепега
-Кпо а»; а
Рисунок 10.2.4.1. Пищеварительные системы животных
У примитивных многоклеточных все клетки пищеварительной системы выполняют
одинаковые функции; таким образом, сама система не разделена на органы. Пища
попадает внутрь через ротовую полость, через неё же выходят наружу
экскременты. Так устроены пищеварительные системы кишечнополостных, плоских червей. У
более развитых форм (например, кольчатых червей) клетки дифференцируются, и
пищеварительная система состоит из нескольких частей: ротовой полости,
глотки, пищевода, желудка, анального отверстия. Ещё более сложное строение имеет
пищеварительная система позвоночных. К её изучению мы сейчас и перейдём.
Кровеносный
сосуд
Нерв
М ы ш еч н о к иш еч н ое
сплетение
Поде пин истое
сплетение
'. ПОИ
соединительной
ткани
Железы
гепудочного
тракта
'.лизис тая
болочка
Люмен
Поде л из истая
обол очк а
Круговой
пой мышц
Продольный
:лой мышц
Рисунок 10.2.4.2. Поперечный разрез желудочного тракта
Пищеварительная система млекопитающих представляет собой желудочно-кишечный
тракт - трубку, соединяющую ротовое отверстие с анальным. На всём своём
протяжении стенка тракта состоит из четырёх слоев: слизистой оболочки
(облегчение процесса продвижения пищи, защита тракта от пищеварительных ферментов),
подслизистой основы (волокна коллагена и эластина), наружной мышечной
оболочки (кольцевой и продольный слои мышц, между которыми находится ауэрбахово
нервное сплетение, контролирующее перистальтику), серозной оболочки (рыхлая
соединительная ткань). Ещё одно нервное сплетение - мейснерово -
располагается под мышечными слоями и контролирует секрецию пищеварительных желёз.
Снаружи пищеварительный тракт покрыт брюшиной. Брюшина также выстилает внутреннюю
поверхность брюшной полости, где образует брыжейку, которая поддерживает
желудок и кишечник.
Измельчение пищи происходит в ротовой полости при пережёвывании (у птиц - в
желудке). Благодаря жеванию увеличивается поверхность пищи, доступная
воздействию ферментов. Для пережёвывания большинство позвоночных имеют челюсти,
снабжённые зубами. Рыбы и рептилии относятся к гомодонтным организмам, все
зубы у них одинаковы и имеют, как правило, конусовидную форму. Млекопитающие
гетеродонтны: так, у человека имеются 8 резцов, 4 клыка, 8 ложнокоренных
(премоляры) и 12 коренных (моляры) - всего 32 постоянных зуба, которые
сменяют 20 молочных зубов, выросших в детстве. Резцы, расположенные в передней
части ротовой полости, имеют ровные острые края и используются для
откусывания. Конусовидные клыки предназначены для захватывания жертвы и разрывания её
на куски. Зубы растительноядных животных, как правило, имеют более плоскую
форму, пригодную для перетирания растительной пиши, у хищников наоборот
наиболее выделяются длинные и изогнутые клыки. Коренные Зубы имеют несколько
корней и несколько бугорков, они необходимы для дробления и перетирания пищи.
Клыки
Коренные
:-\'бы
Л очно коренные
Рисунок 10.2.4.3. Типы зубов
- .-«мапь
Дентин
ГЬ/пьла
— Десна
1 - Кость
(f ' Корнее ой
** цемент
Рисунок 10.2.4.4. Строение зуба млекопитающего
flv п ьпа р на я М о п оч н ый
(•Э) (б) (f) if) (Д)
Рисунок 10.2.4.5. Стадии развития зуба
Зуб удерживается в ротовой полости благодаря своим корням, погружённым в
челюстную кость. Снаружи корень покрыт цементом. Над корнем находится шейка
зуба, окружённая десной. Верхнюю часть зуба составляет твердый дентин, внутри
которого находится пульпарная полость. В этой полости содержатся нервы,
кровеносные сосуды и одонтобласты - клетки, образующие дентин. Снаружи дентин
покрыт эмалью - самым твёрдым веществом организма, которая образует коронку.
Налёт из болезнетворных организмов может вызвать заболевания зубов: кариес,
разрушающий эмаль, а потом и дентин, и пародонтоз, вызывающий воспаление
дёсен.
Челюсти образуют ротовую полость. В её стенках находятся три пары слюнных и
множество щечных желез, выделяющих слюну (у человека - 1,5 литра в день).
Слюна - это водянистый секрет, содержащий слизь, пищеварительные ферменты,
различные соли и ионы. Она выделяется не постоянно, а под действием
рефлексов, безусловных (наличие пищи во рту) и условных (на вкус и запах пищи) . В
ротовой полости также находится язык - мышечный орган, переворачивающий пищу
во рту. Вкусовые сосочки на поверхности языка помогают определить вкус пищи.
У человека язык также выполняет функцию органа речи.
Пережёванная и полупереваренная во рту пища обволакивается слизью и в виде
комка попадает через глотку в пищевод. У человека его длина составляет около
25 см. Благодаря перистальтике (ритмическим движениям и сокращениям мышечных
стенок) пища быстро проходит узкую трубку пищевода и попадает в желудок.
Желудок человека располагается в левой части брюшной полости под
диафрагмой; его основное назначение - хранение и частичное переваривание пищи.
Оболочка желудка состоит из трёх слоев мускулатуры и легко растягивается; полный
желудок может вмещать до 5 литров пищи. Секрет желудка - желудочный сок
(слизь, 0,05% раствор соляной кислоты, пищеварительные ферменты) - выделяется
клетками, находящимися в стенках желудка, и перемешивается с пищей, образуя
полужидкую смесь - химус. Покрывающая стенки слизь защищает их от
переваривания.
I. ПИЗИСТЭЯ
клетка
С пи)
обоп
Падс
обоп
истая
очка
пи; не тая
оч k a
Желудочная
я Mi! a
Желудочная
•feripja
Па р нет ап ьн а я
КЛ*Т1:а
Рисунок 10.2.4.6. Слизистая оболочка желудка
У жвачных истинному желудку предшествует рубец, в котором особые симбиоти-
ческие бактерии выделяют фермент целлюлазу, переваривающую целлюлозу. Без
него животное не в состоянии переварить растительную пищу. Полупереваренная
пища отрыгивается обратно, а затем заглатывается вновь, после чего её
переваривание осуществляется, как и у всех млекопитающих.
Кишечнш; Рубец Кничка Пищевод
ькуг
Рисунок 10.2.4.7. Четырёхкамерный желудок жвачных
Химус через пилорический сфинктер попадает в двенадцатиперстную кишку. В
эту 20-сантиметровую кишку открываются также протоки поджелудочной железы и
желчного пузыря. Вместе с пятиметровой подвздошной кишкой она образует тонкий
кишечник. Его подслизистая основа собрана в многочисленные складки, а
слизистая складок образует множество подвижных ворсинок, увеличивающих
поверхность , всасывающую питательные вещества. Слизь защищает тонкий кишечник от
повышенной кислотности пищи.
ПЮННЫ'
ПОПГХТЬ
ПищРБОД
Рот об ад
поп ость
Двенадцати- /
третная
кишка /
Подже пудом ная '
чтепеза
Т о п с т ая
кишка 1
Аппендикс 1—
Печень
Желуде
Тонкая
Прямая
W
Рисунок 10.2.4.8. Пищеварительная система человека
Слизистая тонкого кишечника выделяет кишечный сок, в который входят
разнообразные пищеварительные ферменты. Вместе с желчью и соком поджелудочной
железы он активно переваривает пищу, после чего та всасывается через
микроворсинки эпителиальных клеток, расположенных на ворсинках подвздошной кишки.
Через кровеносные капилляры, сливающиеся в воротную вену печени, питательные
вещества поступают в печень. Там они откладываются про запас или поступают в
кровеносную систему и разносятся по клеткам организма, а токсичные вещества
(например, алкоголь) обезвреживаются.
В следующем отделе пищеварительной системы - толстом кишечнике - благодаря
бактериям-симбионтам синтезируются некоторые аминокислоты и витамины. Все
они, а также вода и некоторые электролиты, всасываются в кровь. Оставшаяся
непереваренной пища твердеет и обволакивается слизью, становясь каловой
массой. В конце концов, она поступают в прямую кишку и, пройдя через пару
сфинктеров , выводится из организма через анальное отверстие. Внешний сфинктер
контролируется центральной нервной системой; у маленьких детей этот контроль
осуществляется недостаточно хорошо.
И желудочный, и кишечный сок вырабатываются не постоянно, а только под
действием специальных гормонов. Поглощение пищи также происходит только в те
моменты, когда у организма пробуждается аппетит. У людей аппетит контролируется
центрами голода и насыщения, расположенными в гипоталамусе. Контроль
производится при помощи изменения концентрации глюкозы в крови. На аппетит также
влияют дополнительные факторы (растяжение стенок желудка, физиологическое
состояние организма, повреждение головного мозга).
10.2.5. Исполь-
зование энергии
Живая клетка - сложная и непрерывно изменяющаяся структура. Химические
реакции, происходящие в ней, можно разделить на две большие группы. В
анаболических реакциях крупные молекулы синтезируются из более мелких. Для этого
необходимо затратить энергию. В катаболических реакциях молекулы распадаются на
более мелкие; обычно этот процесс идёт с выделением энергии. Впоследствии эти
мелкие «кирпичики» могут снова использоваться для биосинтеза.
Перечисленные два типа реакции составляют метаболизм клетки.
Выделившаяся в ходе катаболических реакций энергия может быть использована
клеткой в различных целях: синтез новых молекул, транспорт, мышечные
сокращения и т.п. Энергия может переходить из одной формы в другую; наиболее удобен
для использования химический тип энергии, то есть энергия связи в молекулах.
Однако, каковыми бы ни были трансформации энергии внутри клетки, её
первоисточником служит Солнце. В пищевые цепи солнечная энергия может включиться
после того, как будет поглощена автотрофными организмами.
Непосредственно выделение химической энергии происходит в процессе дыхания.
Как правило, оно идет в присутствии кислорода; в этом случае дыхание
называется аэробным. Дыхательные процессы, протекающие без участия кислорода,
называются анаэробными. Дыхание осуществляется в два этапа: взаимодействие с
внешней средой (поглощение кислорода и выделение углекислого газа) и
окислительные реакции в клетках.
В клетке происходят окислительные реакции трёх типов:
• прямое окисление кислородом;
• окисление за счёт других веществ;
• перенос электронов.
Основным результатом дыхания является образование АТФ в результате фосфори-
лирования из АДФ и фосфата в митохондриях клетки:
АДФ + фк О АТФ + Н20
Для этого нужно потратить 30,6 кДж на 1 моль; необходимую энергию
доставляет протонный градиент, устанавливающийся по разные стороны мембраны митохонд-
рии (в пространстве между двумя слоями мембраны митохондрий накапливаются
положительно заряженные протоны, а в матриксе митохондрий - отрицательно
заряженные гидроксильные ионы; именно за счёт этой энергии осуществляется синтез
молекул АТФ, который реализуется при движении протонов через фермент мембраны
митохондрий АТФ-синтетаЗу). АТФ (аденозинтрифосфат) - универсальный источник
энергии, он может быть доставлен в любое место клетки и гидролизован там с
выделением энергии.
Адемим
Три остатка
фосфорной
кислоты
Л
Рисунок 10.2.5.1. Молекула АТФ
Молекула АТФ состоит из аденина, пентарибозы и трёх фосфатных групп. Именно
пирофосфатные связи и позволяют запасти в молекуле АТФ столь большое
количество энергии.
В дыхательном процессе необходимо наличие окисляющегося вещества
(субстрата) . Как правило, эту роль играют углеводы, поступающие в клетку в виде
питательных веществ, реже - жиры, в исключительных случаях - белки. К примеру, из
каждой молекулы глюкозы в итоге получаются две молекулы АТФ, а также две
молекулы пировинограднои кислоты 2СзН40з- В присутствии кислорода эта кислота
окончательно окисляется до углекислого газа и воды:
С6Н1206 + 602 - 6С02 + Н20 + 38АТФ;
при анаэробном дыхании образуются либо этиловый спирт (например, у
дрожжей) :
C6Hi206 - 2С2Н5ОН + 2С02 + 2АТФ,
либо молочная кислота (например, в мышечных клетках при недостатке
кислорода) :
C6Hi206 - 2С3Н6Оз + 2АТФ.
Коэффициент полезного действия этих реакций составляет около 40% для
аэробного дыхания и молочнокислого брожения и около 29% для спиртового брожения.
Так как часть АТФ при молочнокислом брожении образуется позднее, в
присутствии кислорода, то аэробное дыхание можно считать более эффективным, чем
анаэробное. Впрочем, КПД любого из этих процессов значительно выше, чем, скажем,
КПД парового двигателя (около 10%). Большинство из описанных процессов
протекают в митохондриях.
В сутки энергозатраты человека покрываются пищей, в которой содержится
более полукилограмма глюкозы.
Ещё более эффективным является использование жиров. Сначала они при участии
ферментов гидролизуются до глицерина и жирных кислот. Окисление одной
молекулы глицерина даёт в общем итоге всего 19 молекул АТФ, а вот окисление, к
примеру, стеариновой кислоты - целых 147 молекул.
с
Рисунок 10.2.5.2. Молекула молочной кислоты СН3СН(ОН)СООН
10.2.6. Газообмен
Для обеспечения жизнедеятельности между организмом и окружающей средой
должен непрерывно происходить газообмен. Аэробные организмы в результате
диффузии поглощают кислород (из воды, в которой он растворен, либо из атмосферы) и
выделяют углекислоту. Дыхательная поверхность, на которой происходит
газообмен , должна быть:
• проницаемой для 02 и С02;
• тонкой - диффузия эффективна только на небольших расстояниях;
• влажной - эти газы диффундируют в растворе;
• большой - для поддержания достаточной скорости газообмена.
Интенсивность метаболизма растений невысока, кислорода им требуется
сравнительно немного. Газообмен осуществляется путём диффузии газов через всю
поверхность ; у крупных растений для этих целей служат устьица листьев и трещины
в коре. Клетки, содержащие хлорофилл, могут потреблять для дыхания только что
выработанный ими кислород.
У одноклеточных животных газообмен происходит через клеточную мембрану.
Наиболее примитивные многоклеточные - кишечно-полостные, плоские черви -
также обеспечивают свои потребности в кислороде, поглощая его каждой клеткой,
находящейся в контакте со средой.
У более сложных организмов появляется большое количество клеток, не
контактирующих со средой, и простая диффузия становится неэффективной. Необходима
специальная дыхательная система, которая будет эффективно поглощать кислород
и выделять углекислоту. Как правило, эта система оказывается связанной с
кровеносной системой, обеспечивающей доставку кислорода тканям и клеткам.
Растворимость кислорода в крови составляет 0,2 мл на 100 мл крови, однако
наличие дыхательных пигментов способно в десятки и сотни раз увеличить
эффективность этого процесса. Наиболее известным дыхательным пигментом является
гемоглобин .
Пигмент
Гемоглобин
Гемоцианин
Гемоэритрин
Хлорокруорин
Металл
Железо
Медь
Железо
Железо
Цвет
(с/без 02)
Оранжево-
красный/пурпурно-
красный
Синий/бесцветный
Красный/бесцветный
Красный/зелёный
Животные
Некоторые моллюски
и кольчатые черви,
хордовые
Улитки,
головоногие , ракообразные
Некоторые кольчатые
черви
Некоторые кольчатые
черви
Растворимость 02
(мл на 100
мл крови)
2-25
2-8
2
9
Таблица 10.2.6.1. Некоторые дыхательные пигменты
Рассмотрим некоторые наиболее типичные дыхательные системы.
В тело насекомых воздух попадает через специальные отверстия - дыхальца.
Они открываются в воздушные полости, от которых отходят особые трубочки -
трахеи. Трахеи укреплены хитином и всегда остаются открытыми. В каждом
сегменте тела они разветвляются на многочисленные мелкие трубочки - трахеолы,
через которые кислород поступает прямо к тканям; необходимости в его
транспортировки кровью нет. Трахеолы заполнены водянистой жидкостью, через неё
диффундируют кислород и углекислота. При активной работе мышц жидкость
всасывается в ткани, и кислород попадает непосредственно к клеткам уже в
газообразном состоянии. Трахейная система дыхания весьма эффективна, однако наличие
в дыхательной цепи процесса диффузии ограничивает размеры насекомого (точнее,
его толщину).
Рисунок 10.2.6.1. Дыхательная система насекомых
Газообмен у рыб происходит при помощи специальных дыхательных органов -
жабр. Каждая жабра поддерживается вертикальным хрящём - жаберной дугой. У
костных рыб жаберная дуга состоит из костной ткани. От перегородки, лежащей над
жаберной дугой, отходит ряд горизонтальных складок - жаберных лепестков, на
каждом из которых образуются вертикальные вторичные лепестки. Свободные края
жаберных перегородок вытянуты и работают как откидные клапаны. Когда дно
ротовой полости и глотки опускается, давление в них уменьшается, и в жабры
через рот и брызгальца устремляется вода. Клапан при этом предотвращает
попадание в жабры воды с другой стороны. Многочисленные капилляры, пронизывающие
жабры, насыщаются здесь кислородом и объединяются в жаберные артерии,
выносящие из жабр богатую кислородом кровь. Отметим, что дыхательная система
костных рыб более совершенна, чем у рыб хрящевых, так как у костных рыб жабры
имеют большую площадь поверхности, а движение крови навстречу току воды
обеспечивает более эффективный обмен газов.
Жаберная Жаоерная Жаберная Жаберная Жаберные Ламеппы
гребенка дуга гребенка дуга нити с капиппярной
Рисунок 10.2.6.2. Жабры рыб
Рисунок 10.2.6.3. Дыхательная система земноводных
Амфибии получают кислород тремя способами: через кожу, рот и лёгкие. При
кожном и ротовом дыхании газ поглощается влажным эпителием, выстилающим кожу
или ротовую полость. Заметные глазу движения горла лягушки - это именно
ротовое дыхание. Поступающий в рот воздух может также через гортань, трахею и
бронхи попадать в лёгкие. Лёгкие у лягушки представляют собой пару полых
мешков , стенки которых образуют многочисленные складки, пронизанные кровеносными
капиллярами. В результате мышечных сокращений происходит вдох и выдох, лёгкие
наполняются воздухом, кислород из него поступает в кровь.
Воздушное
простронетег
Е: НОГТИ
Легкс
Тр.знея Бронки
Вш душны
мешки
Рисунок 10.2.6.4. Дыхательная система птиц
У высших форм позвоночных кожное дыхание отсутствует, основным дыхательным
органом становятся лёгкие. Они имеют гораздо большее количество складок, чем
лёгкие амфибий. У птиц появились также воздушные мешки, благодаря которым
через лёгкие и во время вдоха, и во время выдоха проходит богатый кислородом
воздух; это увеличивает эффективность газообмена.
У млекопитающих воздух поступает внутрь через ноздри; небольшие волоски
задерживают посторонние частицы, а ресничный эпителий, которым выстланы носовые
ходы, увлажняет воздух, прогревает его, а также улавливает частички, которым
удалось проскользнуть через волоски. Из носа воздух попадает в глотку, а
затем в гортань. Хрящевой клапан (надгортанник) защищает дыхательные пути от
попадания в них пищи. В полости гортани находятся голосовые связки; когда
выдыхаемый воздух проходит сквозь голосовую щель, возникают звуковые волны. С
изменением натяжения связок меняется высота издаваемого звука.
Из гортани воздух попадает в трубковидную трахею. Её стенки покрыты
ресничным эпителием, собирающим попавшие в трахею пылинки и микробы. Стенки трахеи
(так же, как и гортани) выполнены из хрящевой ткани, за счёт этого она не
опадает при вдохе. На нижнем конце трахея разветвляется на два бронха. Бронхи
разделяются на более тонкие бронхиолы; у самых маленьких из них (диаметром 1
мм и меньше) хрящевая ткань отсутствует. Бронхиолы разветвляются, в свою
очередь, на многочисленные альвеолярные ходы, заканчивающиеся мешочками,
выстланными соединительной тканью, - альвеолами. В лёгких млекопитающего могут
быть сотни миллионов альвеол, общая площадь их поверхности такова, что ими
можно покрыть целое футбольное поле. Толщина стенки альвеолы составляет всего
0,0001 мм. Наружная сторона альвеол покрыта густой сетью кровеносных
капилляров. Поглощаясь влажным эпителием, кислород диффундирует в плазму крови и там
соединяется с гемоглобином. Углекислый газ диффундирует в обратном
направлении . Диаметр капилляров меньше диаметра эритроцитов; это обеспечивает тесное
соприкосновение эритроцитов с поверхностью альвеол.
Рисунок 10.2.6.5. Дыхательная система млекопитающих
Лёгкие отделены от стенок грудной клетки плевральной полостью. Она
непроницаема для воздуха; давление в ней на 3-4 мм рт. ст. ниже, чем в лёгких, за
счёт чего последние заполняют почти всю грудную клетку. Вентиляция лёгких
осуществляется благодаря одновременному сокращению диафрагмы и наружных
межрёберных мышц. Объём грудной клетки увеличивается, давление уменьшается, и
воздух поступает внутрь. В процессе выдоха диафрагма и наружные мышцы
возвращаются в прежнее положение, а внутренние межрёберные мышцы сокращаются.
Грудная клетка становится меньше, и воздух выталкивается из лёгких. При больших
физических нагрузках выдох становится более активным и требует дополнительных
затрат энергии.
Течений к put и
Рисунок 10.2.6.6. Лёгкие человека
Лёгкие человека вмещают около 5 литров воздуха. Объём выдыхаемого воздуха в
среднем равен 450 мл; объём максимального вдоха составляет около 3,5 л. Треть
объёма воздуха при вдохе остаётся в воздухоносных путях, не попадая в лёгкие,
а при выдохе выводится из организма. Содержание кислорода в выдыхаемом
воздухе составляет 16,4 % (против 21 % в атмосферном воздухе); в лёгких же
кислорода ещё меньше - всего 13,8 %. Зато концентрация углекислого газа там в
сотню раз больше, чем в атмосфере.
Регуляция дыхания осуществляется как непроизвольно (через дыхательный центр
продолговатого мозга), так и под влиянием импульсов головного мозга. В первом
случае важнейшим регуляционным фактором является содержание СОг в крови.
При недостаточной насыщенности воздуха кислородом (например, высоко в
горах) начинается гипоксия, проявляющаяся в недомогании и чувстве сильной
усталости. Со временем дыхательная система может приспособиться к небольшому со-
держанию кислорода - в таких случаях говорят,
в новых условиях.
что организм акклиматизировался
Млекопитающие, способные долгое время оставаться под водой (киты, тюлени),
при нырянии рефлекторно уменьшают частоту сердечных сокращений, их
кровеносные каналы сужаются, и кровью снабжаются только самые важные для жизни
органы. Первый вдох после выныривания служит сигналом для увеличения частоты
сердечных сокращений.
10.2.7.
Транспорт у растений
Клетки обмениваются различными веществами с окружающей их средой в
результате диффузии. Однако перенос веществ обычной диффузией на большие расстояния
неэффективен; возникает необходимость в специализированных системах
транспорта . Такой перенос из одного места в другое осуществляется за счёт разности
давлений в этих местах. Все переносимые вещества движутся с одинаковой
скоростью в отличие от диффузии, где каждое вещество движется со своей скоростью в
зависимости от градиента концентрации.
У животных можно выделить четыре основных типа транспорта: пищеварительную,
дыхательную, кровеносную и лимфатическую системы. Часть из них были описаны
ранее, к другим мы перейдем в следующих параграфах.
У сосудистых растений передвижение веществ осуществляется по двум системам:
ксилеме (вода и минеральные соли) и флоэме (органические вещества).
Передвижение веществ по ксилеме направлено от корней к надземным частям растения; по
флоэме питательные вещества движутся от листьев.
>ПИДйрМИ(
сР
L ',-,■, -,
г U pci
fVr^r*^
'
1
Протодермз 1 и
1 г
1 1*
1 1
к1 ^ш^
К! ^Ш
й ■ Пе
1 ы ш пр
^-— Фпозма
К 1. ИПеМ а
Корнееые
_ еan ос * и
"•НДОДйрМИС
отофпо :<ма
это* с ип ем а
Верхушечная
меристема
Корневой
юппачон
Рисунок 10.2.7.1. Общее строение корня
Одним из важнейших механизмов транспорта веществ в растении является осмос.
Осмос - это переход молекул растворителя (например, воды) из областей с более
высокой его концентрацией в области с более низкой концентрацией растворителя
(большей концентрации растворённого вещества) через полупроницаемую мембрану.
Этот процесс похож на обычную диффузию, но протекает быстрее. Численно осмос
характеризуется осмотическим давлением - давлением, которое нужно приложить,
чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор.
В растениях роль таких полупроницаемых мембран играют плазматическая
мембрана и тонопласт (мембрана, окружающая вакуоль). Если клетка контактирует с
гипертоническим раствором (то есть раствором, в котором концентрация воды
меньше, чем в самой клетке), то вода начинает выходить из клетки наружу. Этот
процесс называется плазмолизом. Клетка при этом сморщивается. Плазмолиз
обратим: если такую клетку поместить в гипотонический раствор (с более высоким
содержанием воды), то вода начнёт поступать внутрь, и клетка снова набухнет.
При этом внутренние части клетки (протопласт) оказывают давление на клеточную
стенку. У растительной клетки набухание останавливается жесткой клеточной
стенкой. У животных клеток жёстких стенок нет, а плазматические мембраны
слишком нежны; необходим особый механизм, регулирующий осмос.
Еще раз подчеркнём, что осмотическое давление - величина скорее
потенциальная, чем реальная. Она становится реальной только в отдельных случаях -
например, при её измерении. Также необходимо помнить, что вода движется в
направлении от более низкого осмотического давления к более высокому.
Рисунок 10.2.7.2. При некоторых условиях корни
растений могут принимать необычную форму
Основная масса воды поглощается молодыми зонами корней растений в области
корневых волосков - трубчатых выростов эпидермиса. Благодаря им значительно
увеличивается всасывающая воду поверхность. Вода поступает в корень за счёт
осмоса и движется вверх к ксилеме по апопласту (по клеточным стенкам), сим-
пласту (по цитоплазме и плазмодесмам) , а также через вакуоли. Надо заметить,
что в клеточных стенках имеются полоски, называемые поясками Каспари. Они
состоят из водонепроницаемого суберина и препятствуют продвижению воды и
растворённых в ней веществ. В этих местах вода вынуждена проходить через
плазматические мембраны клеток; полагают, что таким образом растения защищаются от
проникновения токсичных веществ, патогенных грибов и т.п.
Рисунок 10.2.7.3. Корневые волоски
Кора
[- Эндодерма
Перициип
Пояски Кае пари
Рисунок 10.2.7.4. Пояски Каспари
Подъём воды по ксилеме происходит, по-видимому, за счёт испарения воды в
листьях. В процессе испарения в кроне образуется недостаток воды.
Поверхностное натяжение в сосудах ксилемы способно тянуть вверх весь столб воды,
создавая массовый поток. Скорость подъёма воды составляет около 1 м/ч (до 8 м/ч в
высоких деревьях); чтобы поднять воду к вершине высокого дерева, требуется
давление порядка 40 атм. Следует иметь в виду, что одни только капиллярные
эффекты способны поднять воду на высоту не более 3 м.
Корневой
вопос ок
Путь по с имппае ту
Кора —
эпидермис
[-«ндйдмрмт:
- П ер и цик п
•ХУДЫ
Рисунок 10.2.7.5. Различные пути транспорта воды
Вторая важная сила, участвующая в подъёме воды, - это корневое давление.
Оно составляет 1-2 атм (в исключительных случаях - до 8 атм) . Этой величины,
конечно, недостаточно, чтобы в одиночку обеспечить движение жидкости, но её
вклад у многих растений несомненен.
Попадая по ксилеме в листья, вода и минеральные вещества распределяются
через разветвлённую сеть проводящих пучков по клеткам. Движение по клеткам
листа осуществляется, как и в корне, тремя способами: по апопласту, симпласту и
вакуолям. На свои нужды растение использует менее 1% поглощаемой им воды,
остальное в конце концов испаряется через восковый слой на поверхности листьев
и стеблей - кутикулу (около 10% воды) - и особые поры - устьица (90% воды).
Травянистые растения теряют в день около литра воды, а у больших деревьев эта
цифра может доходить до сотен литров. Испарение воды (транспирация)
осуществляется за счёт энергии солнца. Проще всего транспирацию наблюдать, если
накрыть растение в горшке колпаком; на внутренней поверхности колпака будут
собираться капельки жидкости.
Ксипема
't'ntJUMa
J6»: П ЭДИ
_...-- -,
\^^^k —
w_
^^ш t
">''
^_ Верхний
• пидермш:
_П*П ЙОДНЫЙ
не зо ф ипп
Губчатый
мезофит
Ничхий
:< пи дер ми с
Элитная
кп ет к а
трог.яа
Рисунок 10.2.7.6. Строение листа
<>ii*.«'
i
Рисунок 10.2.7.7. Устьице (под электронным микроскопом)
Рисунок 10.2.7.8. Под действием корневого давления
вода выделяется через устьица листьев
На скорость испарения влияют многие факторы; как внешние условия (свет,
температура, влажность, наличие ветра, доступность воды в почве), так и
особенности строения листьев (площадь поверхности листа, толщина кутикулы,
количество устьиц). Ряд внешних факторов приводит к уменьшению диффузии воды из
листьев, другие (например, отсутствие света или сильный ветер) вызывают
замыкание устьиц (благодаря работе особых замыкающих клеток). Растения засушливых
регионов имеют специальные приспособления для уменьшения транспирации:
погруженные глубоко в листья устьица, густое опушение из волосков или чешуек,
толстый восковой налёт, превращение листьев в колючки или иглы и другие. Осенний
листопад в умеренных широтах также призван уменьшить испарение воды, когда
наступят холода.
Из почвы растение получает не только воду, но и минеральные соли. Эти
вещества движутся в корнях под действием диффузии. За счёт энергии дыхания
возможен также их активный транспорт против градиента концентрации. Попадая в
ксилему, минеральные вещества разносятся по всему организму с массовым током
воды. Основным потребителем этих веществ являются растущие части растения.
Некоторые минеральные вещества, выполнив свою полезную функцию, могут
перемещаться дальше вверх или вниз по флоэме. Это происходит, например, перед
сбрасыванием листьев, когда накопленные листьями полезные вещества
сохраняются, откладываясь в других частях растения.
Рисунок 10.2.7.9. Недостаток различных минеральных веществ на
примере листьев томата. Слева направо: контрольный образец,
растения, страдающие от недостатка меди, марганца, цинка, хлора
У многоклеточных растений есть ещё одна транспортная система,
предназначенная для распределения продуктов фотосинтеза, - флоэма. В отличие от ксилемы,
органические вещества могут транспортироваться по флоэме и вверх, и вниз. 90%
переносимых веществ составляет сахароза, которая практически не участвует в
метаболизме растения непосредственно и поэтому является идеальным углеводом
для транспорта. Скорость движения сахара обычно составляет 20-100 см/ч; за
день по стволу большого дерева может пройти несколько килограммов сахара (в
сухой массе).
Каким образом столь большие потоки питательных веществ могут протекать в
тонких ситовидных трубках флоэмы (их диаметр не превышает 30 мкм), не совсем
понятно. По-видимому, вещества по флоэме распространяются массовым током, а
не диффузией. Возможными механизмами транспорта являются обычное давление или
электроосмос.
При повреждении флоэмы ситовидные трубки закупориваются в результате
отложения каллозы на ситовидных пластинках. Безвозвратная утечка питательных
веществ обычно прекращается уже через несколько минут после повреждения.
Митохондрия-
Гпадкая эндоппа зматичеси-ая
с еть
Цитоплазма
Клеточная стенка
Кран мапьное зерно
П паст ид а
Фпо:<мный
бе по*
lитоеидная
пора
Плазматическая
мембрана
Цеппюпазна
клеточная
стенка
#
/
.ерединная
пластинка
Элемент сит обидно и трубки
— Клеточная стемна
Небольшая
Eauvont.
Аппарат Гйпьдчл
F'и бос омы
Гранулярная
э ндо пп а з мат и ч е с \ а я
с ет ь
Ппазмсдесма
Ядро
Митохондрия
;вободная
рибосома
Клетка-спутница
Рисунок 10.2.7.10. Ситовидная трубка в разрезе
10.2.8. Циркуляторные
системы у животных
У большинства животных одной диффузии недостаточно для распределения
питательных веществ по организму. Это предопределяет появление циркуляторнои
системы, по которой органические вещества разносятся с током жидкости.
мзединитепьная
ткань
Гладкая
кр/гпая
мышца
?пастичный
спой
Эндотелии
эндотелии
оединитепьнзя
ткань
Гладкая
крутая
мышца
пластичный
спой
эндотелии
Рисунок 10.2.8.1. Строение кровеносных сосудов
Рисунок 10.2.8.2. Кровеносный капилляр (под электронным микроскопом)
В состав любой циркуляторной системы должны входить циркулирующая жидкость
(кровь, лимфа, гемолимфа), сосуды, по которым переносится жидкость, (или
участки полости тела) и пульсирующий орган, обеспечивающий движение жидкости по
всему телу (таким органом обычно бывает сердце). Кровеносные сосуды делятся
на артерии, по которым кровь идёт от сердца, и вены, по которым кровь
возвращается к сердцу. Стенки кровеносных сосудов у млекопитающих состоят из трёх
слоев.
В состав любой циркуляторной системы должны входить циркулирующая жидкость
(кровь, лимфа, гемолимфа), сосуды, по которым переносится жидкость, (или
участки полости тела) и пульсирующий орган, обеспечивающий движение жидкости по
всему телу (таким органом обычно бывает сердце). Кровеносные сосуды делятся
на артерии, по которым кровь идёт от сердца, и вены, по которым кровь
возвращается к сердцу. Стенки кровеносных сосудов у млекопитающих состоят из трёх
слоев тканей: плоского эндотелия, гладкой мускулатуры и наружных коллагеновых
волокон. Артерии и вены в органах разветвляются на более мелкие сосуды - ар-
териолы и венулы, а те, в свою очередь, ветвятся на микроскопические
капилляры, проходящие между клетками практически всех тканей. В описанной системе
кровь на всём пути заключена в сосуды и не вступает в контакт с тканями тела,
обмен веществ осуществляется только через стенки сосудов. Такая система
называется замкнутой, она имеется у кольчатых червей, позвоночных и некоторых
других групп животных.
Сосуды
Аорта
Артерии
Артериолы
Капилляры
Венулы
Вены
Полая вена
Объём,
мл
100
300
50
250
300
2200
300
Давление,
мм рт. ст.
100
40-100
25-40
12-25
10-12
5-10
2
Скорость,
см/с
40
10-40
0,1-10
< 0,1
< 0,3
0,3-5
5-20
Таблица 10.2.8.1. Распределение крови в кровеносной системе человека
В незамкнутой кровеносной системе артерии открываются в систему полостей,
образующих гемоцель. Кровь медленно движется между тканями под низким
давлением и вновь собирается к сердцу через открытые концы венозных сосудов. В
отличие от замкнутой системы, здесь распределение крови между тканями практиче-
ски не регулируется. Незамкнутая система существует, например, у
членистоногих.
Хорошо развитой замкнутой кровеносной системой обладают кольчатые черви.
Периодические сокращения спинного сосуда гонят кровь к переднему концу
животного ; движению крови в обратном направлении препятствует серия клапанов. Пять
пар пульсирующих «ложных» сердец соединяют спинной сосуд с брюшным; сердечные
клапаны пропускают кровь только в сторону брюшного сосуда. Пройдя по брюшному
сосуду, кровь попадает в органы тела; в конце концов, она снова собирается в
спинном сосуде. Кровь кольчатых червей разносит по телу кислород и
питательные вещества, забирает углекислоту и метаболические отходы.
Кровеносная система членистоногих незамкнутая. Она предназначена для
транспорта питательных веществ к органам и удаления продуктов жизнедеятельности
(напомним, что газообмен у этого типа животных осуществляется через трахеи).
Кровь идёт по спинному сосуду - аорте; движение обеспечивается сокращениями
сердца, находящегося в заднем участке спинного сосуда. Аорта разветвляется на
артерии, из которых кровь изливается в открытые полости и омывает внутренние
органы.
Н Ж й >: о МО Й КО П ЬМ ЗТЫ Й '-) Й р В Ь
Ге мо цепь "" Брюшной* ро в я н ой с о с уд
Рисунок 10.2.8.3. Кровеносные системы беспозвоночных
У позвоночных ток крови обеспечивается сокращениями хорошо развитого
мышечного сердца. Обратному ходу крови препятствует система сердечных клапанов.
Сокращения сердца происходят автоматически, но могут регулироваться
центральной нервной системой.
У рыб кровь, совершая в теле полный круг, проходит через сердце только один
раз; говорят, что у них имеется один круг кровообращения. При сокращении
сердца кровь выталкивается в брюшную аорту. Жаберные артерии приносят бедную
кислородом кровь к жабрам, где она в тончайших капиллярах насыщается
кислородом. От выносящих жаберных артерий кровь поступает в наджаберные артерии, а
оттуда переходит в спинную аорту. Отходящие вперёд от спинной аорты сонные
артерии несут кровь к голове; многочисленные артерии, отходящие от спинной
аорты в задней части тела, снабжают кровью внутренние органы.
В связи с полуназемным образом жизни у земноводных сформировались лёгкие, а
между сердцем и лёгкими появился новый круг кровообращения. Насыщенная
кислородом кровь из лёгких и венозная кровь из органов попадают, соответственно, в
левое и правое предсердия, откуда одновременно выталкиваются в единственный
желудочек. Смешиванию крови в нём препятствуют специальные мышечные гребни и
клапаны, но всё же круги кровообращения у земноводных ещё не вполне
обособлены. Пройдя через желудочек, бедная кислородом кровь уходит к лёгким, а
насыщенная кислородом - разносится по внутренним органам. В состоянии покоя
лёгкие лягушки не работают, и кислород поступает в кровь через кожу.
Артерии
Вены
Шейная
Верхняя
попая &ена
Легочная
артерия
'- ердце
Нюх я я
попая
епезенка
й С
Рисунок 10.2.8.4. Кровеносная система человека
У птиц и зверей сердце становится четырёхкамерным, артериальная и венозная
кровь полностью разделены. Выйдя из лёгких, насыщенная кислородом кровь
должна пройти через сердце, после чего под высоким давлением она поступает во
внутренние органы. Кровеносная система у птиц и млекопитающих также сильно
изменилась.
Верхняя
попая вена
В nernie -*
И? пегкик
Правое
предсердии
Клапан
Правый
тепудочек
Ничияя
по па я вена
\ 1 /
Левый
'♦тепудочек
Рисунок 10.2.8.5. Сердце человека
10.2.9. Кровь
и её функции
Кровь млекопитающих состоит из взвешенных в жидкости (плазме) клеток.
Плазма составляет около 55% объёма крови; это бледно-жёлтая жидкость, на 90%
состоящая из воды. Оставшиеся 10% - растворённые вещества: различные белки,
минеральные ионы, продукты пищеварения и экскреции, гормоны. Белки связывают в
крови кальций, железо, некоторые витамины, участвуют в работе иммунной
системы и свёртывании крови. Ионы играют важную роль в системе регуляции.
Эритроциты - красные кровяные клетки. У человека их диаметр составляет 7-8
мкм и приблизительно равен диаметру капилляров, а толщина равна 2 мкм.
Специфическая форма эритроцита увеличивает эффективную поверхность газообмена. В 1
мл крови содержится около 5 миллионов эритроцитов. Они образуются, в
основном, в костях черепа, грудине, рёбрах, позвонках и лопатках, существуют 3-4
месяца и разрушаются в печени или селезёнке в количестве 200 миллиардов в
день. Благодаря гемоглобину эритроциты способны связывать кислород и
переносить его к внутренним органам; фермент карбоангидраза связывает углекислый
газ СОг • Заметим, что гемоглобин хорошо реагирует не только с кислородом, но
и с угарным газом СО. СО действует как конкурентный ингибитор; при его
наличии перенос кислорода кровью становится невозможным. Недостаток эритроцитов в
крови либо снижение содержания гемоглобина в них называются анемией
(малокровием) и вызывают слабость, головокружение, одышку.
Рисунок 10.2.9.1. Красные и белые кровяные клетки
Рисунок 10.2.9.2. Кровяные клетки в костном мозге
Белые кровяные клетки - лейкоциты - играют важную роль в защите организма
от болезней. В 1 мл крови содержится около 7000 лейкоцитов; продолжительность
их жизни составляет несколько дней. Образуются лейкоциты в костном мозге.
Лейкоциты делятся на два типа. Гранулоциты имеют разделённое на лопасти
ядро и зернистую цитоплазму и способны к амебоидному движению. Их можно
разделить на фагоциты, поглощающие болезнетворные бактерии, (70% всех лейкоцитов),
эозинофилы и базофилы. Агранулоциты содержат ядро овальной формы и
незернистую цитоплазму. Они подразделяются на моноциты, поглощающие бактерии, (4%
всех лейкоцитов) и лимфоциты (24% от общего числа лейкоцитов), вырабатывающие
антитела.
Красные кровяные пластинки (тромбоциты) - это фрагменты клеток неправильной
формы, обычно лишённые ядра. Они образуются в костном мозге; в 1 мл крови
содержится около 250 000 тромбоцитов. Их основное значение - инициация
свёртывания крови.
Стенки капилляров проницаемы для всех компонентов крови, за исключением
белков и эритроцитов. Часть крови уходит через них, образуя межклеточную
жидкость . Именно через эту жидкость и происходит обмен веществ между кровью и
тканями. Значительная часть межклеточной жидкости возвращается в кровь через
венозные концы капилляров или лимфатическую систему.
Рисунок 10.2.9.3. Молекула гема
^я^ш
Рисунок 10.2.9.4. Свёртывание крови. На фотографии,
выполненной электронным микроскопом, хорошо заметны
эритроциты, застрявшие в нитях фибрина
Основные функции крови:
• перенос питательных веществ к различным органам и тканям;
• перенос отходов жизнедеятельности к органам выделения;
• транспорт кислорода и углекислого газа;
• перенос гормонов к органам-мишеням;
• равномерное распределение тепла по всему организму;
• защитные функции;
• регуляция осмотического давления.
Защитные функции заключаются, в основном, в трёх механизмах:
• свёртывание крови - чрезвычайно сложный многоступенчатый процесс,
необходимый для остановки кровотечения;
• фагоцитоз - поглощение и переваривание в лизосомах болезнетворных
бактерий и посторонних частиц;
• воспаление - отёк окружающих тканей и повышение температуры в результате
расширения кровеносных сосудов и просачивания плазмы сквозь стенки
капилляров .
10.2.10. Иммунитет
Иммунитет - это способность распознавать вторжение в организм чужеродных
объектов и удалять эти объекты из организма. Чужеродные вещества,
обнаруживаемые иммунной системой, называются иммуногенами (антигенами); обычно ими
являются белки или углеводы, находящиеся на поверхности болезнетворного
микроорганизма или в свободном виде. В ответ на появление антигена в костном
мозге образуются антитела - сложные белковые молекулы, способные распознать
«ключевую» молекулу на поверхности микроорганизма и уничтожить её.
Рисунок 10.2.10.1. Клетка иммунной системы (на фотографии
обозначена серо-голубым цветом) атакует раковую клетку. Через
проделанное в её плазматической мембране отверстие вода проникает
внутрь; раковая клетка набухает и лопается
Существует два способа борьбы с чужеродными организмами:
• Клеточный иммунитет. Т-лимфоциты, несущие на своих мембранах рецепторы
соответствующих веществ, распознают иммуноген. Размножаясь, они образуют
клон таких же Т-клеток и уничтожают микроорганизм или вызывают
отторжение чужеродной ткани.
• Гуморальный иммунитет. В-лимфоциты также распознают антиген, после чего
синтезируют соответствующие антитела и выделяют их в кровь. Антитела
связываются с антигенами на поверхности бактерий и ускоряют их захват
фагоцитами либо нейтрализуют бактериальные токсины.
Рисунок 10.2.10.2. Фагоцит уничтожает бактериальные
клетки (на фотографии выделены ярко-жёлтым)
Будущие Т-лимфоциты, образовавшиеся в костном мозге, смогут функционировать
только после того, как пройдут через ткань тимуса - вилочковой железы,
активизирующейся в период внутриутробного развития и перестающей функционировать
после окончания вскармливания грудным молоком. У ребёнка она расположена под
грудиной недалеко от сердца. Механизм созревания Т-лимфоцитов до конца не
изучен; возможно, созреванию способствует гормон тимозин. Т-клетки регулярно
поступают из лимфотической системы в кровь, что повышает вероятность их
встречи с иммуногеном. Распознавание происходит по принципу «ключа и замка».
В-лимфоциты, распознав комплиментарные им иммуногены, размножаются, образуя
клоны плазматических клеток и клетки памяти. Плазматические клетки
синтезируют большое количество антител, а клетки памяти позволяют организму быстрее и
энергичнее реагировать на повторное вторжение того же иммуногена. Клетки
памяти могут запомнить «иммуногены» только одного вида.
Клетки, вырабатывающие антитела, живут несколько дней; они синтезируют
около 2000 молекул в секунду.
Особые белки - интерфероны - могут действовать в ответ на вирусную инфекцию
любого типа. Клетка-хозяин, в которой развивается вирус, вырабатывает
интерферон, который подавляет развитие вируса в расположенных рядом клетках и его
выход из них, препятствуя, таким образом, распространению вируса по
организму. Одной молекулы интерферона вполне достаточно, чтобы сделать клетку
невосприимчивой к вирусной инфекции.
Существуют четыре основных типа иммунитета:
• естественный пассивный иммунитет (например, иммунитет новорождённого);
готовые антитела передаются от одного индивидуума к другому (того же
вида) ; обеспечивает лишь кратковременную защиту от инфекции вследствие
естественного разрушения антител в организме;
• приобретённый пассивный иммунитет; выделяют готовые антитела в организме
одного индивидуума (лечебные сыворотки) и вводят их в кровь другому;
сохраняется непродолжительное время;
• естественный активный иммунитет; индивидуумом вырабатываются собственные
антитела при инфицировании;
• приобретённый активный иммунитет; в организм вводятся небольшие
количества иммуногенов в виде вакцины - убитых или ослабленных
микроорганизмов , их молекул, в т.ч. и полученных методами генной инженерии.
А Количество .антител или Т-клеток
Вторичный откпии
► Время
Рисунок 10.2.10.3. Первичный и вторичный отклики. На графике
видно, что организм, один раз уже боровшийся с инфекцией, во
второй раз реагирует быстрее и более мощно
Нарушения иммунной системы сами по себе не приводят к смертельным случаям,
но резко ослабляют устойчивость индивидуума по отношению к инфекции, в
результате чего он может погибнуть. Одним из самых известных нарушений является
синдром приобретённого иммунодефицита (СПИД). Он вызывается вирусом
иммунодефицита человека (ВИЧ), атакующим Т-лимфоциты и записывающим в их ДНК
собственную информацию. ВИЧ передаётся от матери к ребёнку, при переливании крови
или половым путём. Инкубационный период (до момента проявления симптомов)
сильно варьирует; обычно он продолжается около 10 лет. СПИД - чрезвычайно
опасная и пока что неизлечимая болезнь.
Особый вид иммунной реакции наступает при несовместимости собственной крови
человека или животного и крови, которую ему переливают. Мембраны донорских
эритроцитов содержат особые углеводы - агглютиногены, которые действуют как
иммуногены и взаимодействуют с антителами, присутствующими в плазме
реципиента, - агглютининами. В результате донорские клетки слипаются друг с другом.
Существуют два типа агглютиногена и четыре группы крови. Кровь первой группы
можно переливать любому человеку, а человеку, у которого кровь четвёртой
группы, можно переливать кровь любой группы. Большинство людей имеют кровь
первой и второй группы.
МИГ-/*
* Ь
А
Рисунок 10.2.10.4. Вирус СПИДа (на фотографии отмечен голубым)
У 85 % людей имеется дополнительный агглютиноген - резус-фактор (Rh).
Плазма резус-отрицательной крови (то есть крови с отсутствующим резус-фактором)
обычно не содержит резус-агглютининов, но если в неё попадает резус-
положительная кровь, то агглютинины начинают вырабатываться и при попадании
обратно в резус-положительную кровь вызывают разрушение эритроцитов. Наиболее
часто этот эффект проявляется, если мать с резус-отрицательной кровью
беременна плодом с резус-положительной кровью.
Проблемы могут возникнуть не только при переливании крови, но и при
пересадке тканей от одного индивидуума к другому. Если ткани не совместимы, то
примерно через полторы недели лимфоциты и моноциты уничтожают
трансплантированную ткань.
I
II
III
IV
I
+
-
-
-
II
+
+
-
-
III
+
-
+
-
IV
+
+
+
+
Таблица 10.2.10.1. Последствия смешивания крови различных групп.
«-» - кровь переливать нельзя. «+» - переливать можно
10.2.11.
Лимфатическая система
Каким образом лимфоциты попадают из костного мозга в кровь? Оказывается для
этой цели у позвоночных имеется лимфатическая система. Это сеть сосудов и
органов , которая служит источником и переносчиком клеток, обеспечивающих
иммунитет , а также возвращает избыток тканевой жидкости в кровь.
Микроскопические лимфатические капилляры пронизывают почти все органы тела.
Они объединяются в лимфатические сосуды, которые впадают в грудной и правый
лимфатический протоки, расположенные в области грудной клетки. Эти протоки
впадают в вену вблизи ключицы. Лимфатические сосуды заполнены лимфой -
бесцветной жидкостью, текущей в направлении сердца. Ток осуществляется в
результате сокращений мышц и колебаний давления в грудной клетке; одностороннее
направление движения обеспечивается системой клапанов. Фактически, лимфа - это
тканевая жидкость, просачивающаяся в лимфатические капилляры.
Рисунок 10.2.11.1. Лимфатическая система
Накопление тканевой жидкости проявляется в виде отёков. Одним из примеров
является слоновая болезнь; вызывающий её паразитический червь поселяется в
лимфатических узлах паховой области, препятствуя току лимфы.
Лимфоидная ткань может также собираться в органы. Вот основные из них у
млекопитающих:
• костный мозг; образует лимфоциты, способствует созреванию некоторых
типов лимфоцитов;
• тимус; способствует созреванию некоторых типов лимфоцитов;
• селезёнка; делится на две области: красную пульпу (депо крови) и белую
пульпу (выделение антител);
• пейеровы бляшки; способствуют созреванию некоторых типов лимфоцитов;
фильтруют частицы, попадающие в организм через кишечник;
• миндалины; выстилают бронхи; улавливают частицы, попадающие в организм
через дыхательную систему;
• лимфатические узлы (у человека их более 400) ; фильтруют протекающую
лимфу; любые частицы здесь сталкиваются с лимфоцитами.
У других позвоночных лимфатическая система имеет некоторые отличия. В
частности, круглоротые не имеют селезёнки и тимуса. У рыб отсутствует костный
мозг; лимфоциты продуцируются в особой части почки. Птицы, рептилии, амфибии
и некоторые рыбы имеют лимфатические сердца - мышечные уплотнения,
проталкивающие лимфу в вены.
В о п осы
Роговой
спой
Зернистый
спой
М апьпигиее/'
с п о й
Нерв
Вопосяной
фОППИПУП
Жировые
тепезы
К а пи пп яры
Жир
Мышца,
поднимающая
в о п ос
Нервные
окончания
- эпидермис
Дерма
Пэдксг+яэя
клетчатка
. апьные
тепезы
Рисунок 10.2.11.2. Кожа - первый барьер на пути
болезнетворных микроорганизмов
\УШ£*я&***(**
Рисунок 10.2.11.3. Поверхность носовой полости (увеличение в 3500 раз)
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
ОНИ СДЕЛАНЫ ИЗ МЯСА
Терри Биссон
- Они мясные.
- Мясные?
- Да. Они сделаны из мяса.
- Из мяса?!
- Ошибка исключена. Мы подобрали несколько экземпляров с разных частей
планеты, доставили на борт нашего корабля-разведчика и как следует
протестировали . Они полностью из мяса.
- Но это невероятно! А как же радиосигналы? А послания к звездам?
- Для общения они используют радиоволны, но сигналы посылают не сами.
Сигналы исходят от машин.
- Но кто строит эти машины? Вот с кем нужен контакт!
- Они и строят. О чем я тебе и толкую. Мясо делает машины.
- Что За чушь! Как может мясо изготовить машину? Ты хочешь, чтобы я поверил
в мясо с памятью и чувствами?
- Да ничего я не хочу. Просто рассказываю, что есть. Это - единственные
разумные существа в целом секторе, и при этом состоят из мяса.
- Может, они похожи на орфолеев? Ну, знаешь, этот карбоновый интеллект,
который в процессе развития проходит мясную фазу?
- Да нет. Они рождаются мясом и умирают мясом. Мы изучали их в ходе
нескольких жизненных циклов - которые у них, кстати, совсем коротенькие. Ты,
вообще, представляешь, сколько живет мясо?
- Ох, пощади меня... Ладно. Может, они все-таки не полностью мясные? Ну,
помнишь, как эти... веддилеи. Мясная голова с электронно-плазменным мозгом внутри.
- Да нет же! Сперва мы тоже так подумали. Раз у них голова из мяса. Но
потом, как я и сказал, каждого протестировали. Сверху до низу. Везде сплошное
мясо. Что снаружи, что внутри.
- А как же мозг?
- А, мозг есть, все в порядке. Но тоже из мяса.
- Откуда же берутся мысли?!
- Не понимаешь, да? Мысли производит мозг. Мясо.
- Мысли у мяса? Ты хочешь, чтобы я поверил в разумное мясо?
- Да, черт возьми! Разумное мясо. Мясо с чувствами. С совестью. Мясо,
которое видит сны. Всё - сплошное мясо. Соображаешь?
- О господи... Ты что, серьезно?
- Абсолютно. Они на полном серьезе сделаны из мяса, и последние сто своих
лет пытаются выйти на связь.
- Чего же они хотят?
- Для начала - поговорить... Потом, видимо, пошарить по Вселенной, выйти на
ученых других миров и воровать у них идеи с данными. Все как всегда.
- Значит, нам придется разговаривать с мясом?
- В том-то и дело. Так они и твердят в посланиях: «Алло! Есть кто живой?
Кто-нибудь дома?» - и прочую дребедень.
- То есть, действительно разговаривают? При помощи слов, идей и концепций?
- Еще как. Особенно с окружающим мясом...
- Но ты же сказал, что они используют радио!
- Да, но... Чем, по-твоему, они забивают эфир? Мясными звуками. Знаешь, это
плямканье, когда шлепают мясом по мясу? Вот так они перешлепываются друг с
дружкой. И даже поют, пропуская сквозь мясо струйки сжатого воздуха.
- С ума сойти. Поющее мясо! Это уж слишком... И что ты посоветуешь?
- Официально или между нами?
- И так, и эдак.
- Официально нам полагается выйти на контакт, приветствовать их и открыть
доступ к Полному реестру мыслящих существ и многосущностных разумов в этом
секторе - без предубеждений, опасений и поблажек с нашей стороны. Но если
между нами - я стёр бы к чертовой матери все их данные и забыл о них навсегда.
- Я надеялся, что ты это скажешь.
- Мера, конечно, вынужденная. Но всему есть предел! Разве нам так уж
хочется знакомиться с мясом?
- Согласен на все сто! Ну, скажем мы им: «Привет, мясо! Как дела?» А дальше
что? И сколько планет они уже заселили?
- Только одну. Они могут путешествовать в специальных металлических
контейнерах, но постоянно жить в пути не способны. Кроме того, будучи мясом, они
могут передвигаться только в пространстве «С». Это не дает им развить
скорость света - а значит, вероятность выхода на контакт у них просто ничтожна.
Точнее, бесконечна мала.
- Выходит, нам лучше сделать вид, что во Вселенной никого нет?
- Вот именно.
- Жестоко... С другой стороны, ты прав: кому охота встречаться с мясом? А те,
кого брали на борт для тестирования, - ты уверен, что они ничего не помнят?
- Если кто и помнит - все равно его примут за психа. Мы проникли к ним в
головы и разгладили мясо таким образом, чтобы они воспринимали нас как
сновидения .
- Сны у мяса... Подумать только - мы снимся мясу!
- И тогда весь этот сектор на карте можно отметить как необитаемый.
- Отлично! Полностью согласен. Как официально, так и между нами. Дело
закрыто. Других нет? Что там еще забавного, на той стороне Галактики?
- Да так... Одна робкая, но симпатичная водородная особь в созвездии Девятого
класса, зона 445. Входила в контакт пару галактических циклов назад, теперь
снова хочет дружить.
- Ох. Похоже, никуда от них не денешься.
- Да ладно тебе! Только представь, как неописуемо холодна была бы
Вселенная, населяй мы ее в одиночку...
Химичка
г о г\
\—^\ /V
I Л
/4S7
\ w
^лр7
1
НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ'
РЕАГЕНТЫ
И КАТАЛИЗАТОРЫ
Метилнитрат
Азотнокислый эфир метилового спирта CH3ON02 - это бризантное взрывчатое ве-
1 Все прописи взяты из интернета. Возможно, не все они работоспособны, они не
проверялись , а только редактировались при помещении в журнал.
щество, превосходящее по мощности гексоген. Это бесцветная прозрачная
жидкость с запахом хлороформа, уд.в.- 1,2, раств. в воде-3,8%, обладает высокой
летучестью, легко пластифицирует коллоксилин. При температуре 65 °С
перегоняется без разложения. Токсичен, при вдыхании вызывает головную боль, которая
устраняется принятием внутрь грамм 100 водки. Чувствительность к удару меньше
чем у нитроглицерина. Объём газообразных продуктов 875 л/кг, теплота взрыва
1600 ккал/л, фугасность 657 см3. Меньшая вязкость метилнитрата по сравнению с
нитроглицерином обуславливает при слабой оболочке большую бризантность, чем у
нитроглицерина. Получают метилнитрат осторожной этерификацией метилового
спирта азотной кислотой или серно-азотной смесью. Также есть способ получения
метилнитрата действием серно-азотной смеси на избыток метанола1.
Не рекомендуется к изготовлению, если без него можно обойтись.
В колбе, охлаждаемой в бане со льдом смешиваем 425 г (300 мл, 4,7 моль)
химически чистой азотной кислоты (плотность 1,42), не содержащей HNO2 (Прим. 1)
и 550 г (300 мл) , х.ч. серной кислоты (плотность 1,84) (Прим. А) . Во второй
колбе, также охлаждаемой в бане со льдом, к 119 г (150 мл, 3,7 моль) чистого
метанола (Прим. 2) приливают 92 г (50 мл) х.ч. серной кислоты, поддерживая
температуру < 10 °С. (Прим. В) .
Холодную смесь азотной и серной кислоты разливают поровну в 3 конические
колбы (объём около 0,5 л) (Прим. 3) и каждую порцию по отдельности
обрабатывают 1/3 частью смеси метилового спирта и серной кислоты, при непрерывном
перемешивании и взбалтывании (Прим.4, прим. С).
Температуре дают подняться до 40 °С и с помощью внешнего охлаждения
поддерживают эту температуру. При прибавлении смеси метанола и серной кислоты
большая часть метилнитрата выделяется в виде почти бесцветного маслянистого слоя
над кислотным слоем. Время необходимое для завершения реакции 2-3 мин (Прим.
D), для каждой колбы. Реакционную смесь оставляют стоять на 15 минут на
холоде, но не больше (Прим. Е). Затем отделяют нижний слой отработанной кислоты и
сразу выливают его в большой объём холодной воды (около 1 л на каждую
порцию) , чтобы избежать разложения, которое быстро наступает с обильным
выделением оксидов азота. (Прим. F)
Оба эфирных слоя соединяют и 2 раза промывают охлаждённым до 0 °С раствором
поваренной соли (22 процентный), порциями по 25 мл. Ко второй порции
промывной жидкости прибавляют немного (8-10 капель) концентрированного раствора
гидроксида натрия, до слабощелочной реакции на лакмус. От щёлочи эфир
отмывают снова раствором соли и 2 раза водой. Продукт обрабатывают 10-15 г
безводного кальция хлорида и оставляют стоять над ним 30 мин. Потом
отфильтровывают. Применяют для синтезов без дальнейшей очистки. Выход 190-230 г (66-80
процентов, прим. G). Неочищенный эфир нельзя долго хранить, его нужно быстро
использовать. (Прим. 6, прим. Н).
Примечания
авторов:
(1) Если азотная кислота окрашена, её можно очистить добавлением мочевины
(1,2 г на 100 мл), но только в том случае, если она заметно окрашена.
(2) Синтетический метанол предпочтительнее древесного.
(3) При смешивании наблюдается сокращение объёма смеси. Общий объём
кислот вместо 600 мл - 585 мл, метанола и серной кислоты - вместо 200 мл
- 182 мл.
(4) Авторы предлагают использовать защитный экран, хотя ими было проведено
Еще существует более безопасный и удобный способ получения кипячением метанола,
азотной кислоты и нитрата аммония с насадкой Дина-Старка.
100 синтеза без единого взрыва.
(5) Неочищенный эфир содержит следы кислот, способствующих разложению.
Примечания
исполнителя:
(A) Для всех синтезов использовал кислоты марки «чистые», один раз
применял техническую серную кислоту. На выход это не влияет. Особое
внимание следует обратить на то, чтобы азотная кислота не содержала
избыточных окислов азота. Поэтому следует применять обычную
концентрированную, но не в коем случае не «красную».
(B) Я проводил все синтезы кроме первого при температуре от -15 до -10. Из
за этого немного удлиняется время реакции, но зато намного более
безопаснее .
(C) Серная кислота с метанолом смешиваются довольно бурно, поэтому оба
исходных реагента я бы советовал изначально охладить хотя бы до нуля.
(D) При -10 это время составляет 5-15 минут.
(E) Можно и больше выдерживать. Я выдерживал до получаса. Дело в том, что
необходимо всё время поддерживать нужную температуру, потому что при
повышении температуры выше 10 смесь может очень бурно разложиться (Я
экспериментировал с небольшими количествами смеси, 10 мл, разложение
действительно очень бурное. Повторять не советую). Перед отделением
слоя отработанной кислоты Вам придётся вытаскивать колбу из бани.
Перед этим постарайтесь посильнее охладить (баня снега с аммиачной
селитрой) .
(F) Выливать лучше всего в снег, но без соли. Если выливать в воду,
следует использовать в три раза большее количество воды, нежели указано в
оригинале. От отходов следует побыстрее избавиться. Они тоже содержат
метилнитрат, который испаряется.
(G) Мой выход был обычно 65-70 процентов, но, по-моему, лучше пожертвовать
небольшим количеством продукта, нежели своей безопасностью.
(Н) Хранить можно, как указано раннее. Но в маленьких количествах, в
прохладном и тёмном месте и вдали от всего окисляющегося и взрывчатого.
Коммент арий
Методика представленная мной взята из сборника «Синтезы органических
препаратов» (первый или второй том). По этой, мною приведённой методикой с
некоторыми упрощениями и улучшениями я синтезировал в общей сложности около 2
литров метилнитрата, с очень неплохими качественными показателями, а именно:
слегка желтоватый оттенок, хорошо желатинизируется тринитроцеллюлозой, в
небольших количествах (бутылочки по 20 мл, из тёмного стекла в тёмном,
прохладном месте или в холодильнике) прекрасно сохраняется в течении месяца над
небольшим количеством бикарбоната натрия (я просто дольше не хранил).
Взрывается от удара (груз - 2 кг, высота 40 см, вероятность 9 из 10, в литературе
указывается похожая статистика). Да, метилнитрат мощнее даже гексогена, но
мощность не всегда имеет отношение к чувствительности. Желатинизированныи
метилнитрат прекрасно взрывается от детонаторов на основе перекиси ацетона.
Однако заниматься этой частью я категорически не советую людям не имеющим
значительного опыта работы со взрывчатыми веществами.
При работе с метилнитратом надо запомнить несколько правил:
1) Он чрезвычайно летуч! Причём его пары более взрывчаты, чем он сам.
Несмотря на мои продолжительные работы по теме его получения и свойств, я
нигде не читал, что он взрывается при переливании или от света
электрической лампочки. Выход из ситуации: при температуре -10 °С летучесть
значительно меньше, поэтому пользоваться и переливать намного более
удобнее. Используйте хорошую вытяжку, не переливайте его с зажженной
сигаретой во рту. Пользуйтесь, по возможности противогазом (у меня
вообще был ранцевый противогаз с автономным кислородным питанием).
2) Метилнитрат - сильный яд. Вдыхание его паров приводит к головокружению
и даже может привести к потере сознания. Применяйте опять же
противогаз .
3) Насчёт стабильности. 70-80 процентные растворы в метаноле более
стабильные . Можно сохранять над бикарбонатом натрия, но свойства могут
внезапно ухудшиться.
4) Если уж пришлось его хранить, храните его отдельно, желательно в
прохладном месте. Крышки банок обильно промазывайте вазелином, лучше
сохранять в растворе (с метанолом).
Перед осуществлением этого синтеза обязательно ознакомьтесь с оригинальной
методикой в указанной литературе (см. выше).
Упрощенный способ
1 часть метилового спирта вводят в 6.3 части охлажденной кислотной смеси
40% НЫОз и 60% H2SO4 при t = 0 - 10 °С и интенсивном перемешивании. Затем
метилнитрат (верхний слой, у меня он был желтоватый) аккуратно переносят в
другой сосуд. Промывают водой а затем раствором соды.
Процедура с Оргсин
ВНИМАНИЕ! Используемые для приготовления метилнитрата азотная кислота или
нитраты должны быть абсолютно свободны от примесей нитритов! Метилнитрат -
взрывчатое соединение!
400 ml of nitric acid (65%), 30 g of ammonium nitrate and 100 ml of metha-
nole are mixed in a 1 1 RBF. the mixture was refluxed on a Dean & Stark
apparatus. The lower phase in the dean-stark is to be collected. Its methyl
nitrate with about 15% methanole in it. This can be used without purification
in the methylation of phenols instead of methyl sulphate. BP 65 °C, methyl
nitrate is highly flammable and explosive when heated over 150 С (thats why
it isn't used anymore in industry since last century).
Notes
AFAIK cone, nitric acid means somewhere around 65%. There are recipies
using fuming (nearly 100%) nitric acid and sulfuric. I decided to go for the
destination preparation. In the original recipe they add urea instead of am-
moniumsalt to prevent oxidation of the alcohol (any nitrous acid promoting
oxidations is destroyed this way), but ammoniumsalts also work. Without it
you get nitrous gases!
You can re-use the nitric acid remaining after preparation. Just destill
off the reaction water until 120 °C is reached. (Nitric acid azeotrope with
water is 121,5 °C, containing 69% of nitric acid, so when you reach 121,5 °C
that means your acid will be of exactly that cone.)
Метилтозилат
Получение метилового зфира р-толуолсульфокислоты CH3OSO2-C6H4-CH3.
190г тонко измельченного р-толуолсульфохлорида обливают при 0° 150 г
метилового спирта. К смеси медленно и при перемешивании прибавляют 115 г раствора
едкого натра (40° Be) так, чтобы температура не поднималась выше 8°.
Перемешивание продолжают еще в течение приблизительно 10 час, после чего смесь
выливают в воду со льдом. Эфир выпадает в твердом виде; его отсасывают и
промывают водой до удаления щелочи. Сырой эфир расплавляют, фильтруют через сухой
фильтр, помещенный в воронку, обогреваемую горячей водой, и перегоняют при
уменьшенном давлении. Температура кипения около 176°/11 мм. Температура
плавления 2 8°.
Метиламин
гидрохлорид
В плоскодонную колбу 2000 мл поместили 400 г измельченных таблеток сухого
горючего (гексамин, уротропин, гексаметилентетрамин), залили 400 мл воды и
растворили почти полностью при небольшом нагреве и периодическом
встряхивании. В колбу влили 1100 мл соляной кислоты и начали кипятить, отгоняя воду.
Через несколько часов отогналось 500 мл жидкости. Rm1 перелили в стакан и
поставили на холод. Было отфильтровано 340 г сырого хлорида аммония. Жидкость
продолжили кипятить, отгоняя воду. После отгона еще 600 мл жидкости Rm
оставили на ночь на холоде, к утру содержимое стакана полностью
закристаллизовалось. Содержимое измельчили ножом, растерли в стеклянной миске с 500 мл
горячего iPrOH2 и отфильтровали на воронке Бюхнера. Содержимое воронки промыли
500 мл горячего iPrOH. Горячее фильтрование достаточно кропотливо, метиламин
имеет обыкновение закристаллизовываться прямо в воронке, забивая ее. Можно
просто растертую с литром спирта массу поместить в стакан, нагреть до кипения
периодически перемешивая и сразу профильтровать через х/б ткань. На ткани
хлорид аммония, в емкости маточный раствор титульного продукта. Фильтрат
оставили на ночь на холоде, получив утром первую порцию метиламина гидрохлорида
в виде тонких белых пластинок. Кристаллы промыли небольшим кол-вом сухого
ацетона, недолго посушили на листе бумаги и поместили в герметичную посуду.
Выход после первой кристаллизации - 110 г белоснежных легких кристаллов.
Объединенные спирто-ацетоновые фильтраты упарили до небольшого объема (около 300
мл ) и оставили их на ночь на холоде, утром получили вторую порцию продукта,
промыли ацетоном, высушили, получив 95 г слегка желтоватых кристаллов. Общий
выход метиламина гидрохлорида около 200 г, общий вес высушенного хлорида
аммония около 380 г. С продуктом рекомендуется работать при отрицательной
уличной температуре. В этом случае его можно сушить от ацетона на листе бумаги.
При положительной уличной температуре оставленный в отрытом виде продукт
быстро расплывается.
1,5 кг NH4C1, 3 кг формалина слабо кипятится 5 часов в приборе для
перегонки, за это время отгоняется примерно 0,5 л метилового спирта с водой, а затем
перегоняем до начала кристаллизации хлористого аммония. Суммарный объём
отгона - примерно 1 л. Затем рм оставляется на улице (0 °С) осадок NH4C1
отфильтровывается и отжимается. Фильтрат упаривается до появления дыма в холодильни-
1 Маточный раствор, реакционная смесь.
2 Изопропиловый спирт С3Н80
ке, объём отгона примерно 1,2-1,3 л, остаток - 0,9 л, и выливаем массу в
химический стакан. После охлаждения до 0 °С масса полностью кристаллизуется.
Отжимаем и получаем 250 мл фильтрата и 700-800 гр сырого метиламина хлорида.
Его при кипячении растворяем в 1,2 л осушенного MgS04 спирта и фильтруем от
NH4C1 (около 50 г).
Этилсульфат калия
Сначала этилсерная кислота:
• Этанол - 300 мл 95% (228 г + 12 г воды) - истинное кол-во 205,2 г
• Серная кислота - 240 мл 95% (410 г + 21 г воды)
Итого:
Вода = 12 г + 21 г + 80 г из реакции = 113 г
• NaS04 - 178 г (2-кратный избыток), 267 г (3-кратный избыток);
Сульфат мельчить не надо. Засыпаете в горячую, после смешивания, смесь
кислоты со спиртом и охлаждаете под струёй воды при непрерывном встряхивании до
примерно КТ (во избежание образования комков - ибо NaS04 начинает связывать
10 молекул воды ниже 32 С) . Просто хорошенько встряхивайте смесь
периодически. Через двое суток она приобретет слабую красно/желтоватую окраску, что
можно рассматривать как индикатор полного обезвоживания (точнее, его
наступления какое-то время назад). Если оставить её стоять ещё на денёк не
встряхивая, то нижние солянистые слои слипнутся и позволят слить верхний слой без
фильтрации, каковая весьма неприятна.
Пока этилсерная кислота готовится, приготовьте насыщенный раствор КОН в 95%
EtOH (именно калиевой щёлочи - она лучше растворима в спирте). Раствор станет
интенсивно жёлтым - это нормально (храните такие растворы только в плотно
укупоренной полиэтиленовой таре - например, в бутылке из-под Белизны.) Этот
раствор обязательно должен быть протитрован (20% серной кислоты + кубик
льда), т.к. все щёлочи частично состоят из воды - вам необходимо узнать
точную концентрацию КОН в растворе. Сам же раствор положите в холодильник (в
морозилке он встанет колом и вам потом придётся его отогревать). Раствор в
опыте был 22,9% вес/объём (т.е., 22,9 г КОН на 100 мл раствора).
85 мл этилсерной кислоты (плотность = 1,28, теоретическая концентрация
кислоты по весу = 93,8%) наливают в капельную воронку и охлаждают в морозилке.
Колбу на 300 мл помещают на водно-ледяную баню под мешалку и наливают в неё
190 мл 22,9% раствора КОН в спирте (где-то 5% избыток от теории). Когда всё
охладится, этилсерная кислота добавляется в щёлочь со скоростью три капли в
секунду при интенсивном перемешивании (и периодически помешивайте лёд в
бане) .
Когда останется ~5 мл кислоты, за реакцией нужно начинать серьезно следить
- т.е., мерить рН каждые 5-10 секунд. Заранее подготовьте 5 мл раствора
щёлочи, чтобы вылить их при первых признаках подкисления среды. Если вы всё
сделаете правильно (т.е., как описано выше), то это произойдёт в самом-самом
конце. И элементарный расчёт покажет, что полученный Вами этилсульфат калия
имеет 94%-ную чистоту.
Спирт затем частично отгоняется, пока не надоест, и остаток высушивается в
эмалированной миске на кипящей водяной бане под тягой (без тяги этого достичь
затруднительно).
Метилсульфат натрия
Возьмите 100 мл 93% аккумуляторной кислоты и добавьте её в 90 мл метанола
мелкими порциями с хорошим охлаждением. Смесь станет слегка розоватой. Когда
добавление окончено, нагрейте смесь в кипятке и всыпьте внутрь около 60 г
мелкоизмельчённого безводного Na2S04. Затем охлаждайте смесь до комнатной
температуры с частым встряхиванием. Когда температура упадёт ниже комнатной,
прекратите охлаждение и оставьте стоять несколько часов, периодически
потряхивая. Затем отфильтруйте через самый мелкий фильтр, что у вас есть.
Полученная таким образом метилсерная кислота имеет плотность 1,34 г/см3 и
имеет в объёме 150 мл (1,7 моль).
Эта кислота охлаждается и прикапывается с хорошим перемешиванием и
охлаждением в ледяной ванне к 120 г (25% избыток) Na2C03 в 300 мл метанола. По мере
добавление смесь драматично загустевает, поэтому не уменьшайте количество
метанола! Вы потом получите его обратно. (Фактически, вы получите больший
выход , т.к. в оригинальном эксперименте метанол был добавлен не сразу, а лишь
по мере очевидной необходимости, после того, как смесь встала колом пару раз,
в результате чего локально ненейтрализованная кислота наверняка успела
частично гидролизоваться.)
Получившуюся пасту поместите в кипящую воду и отгоните прочь большую часть
метанола для последующего использования (он, однако же, содержит воду). Потом
поместите остаток на эмалированную тарелку под вытяжку (чтобы не получить
отравление) и нагрейте на водной бане до полной сухости, которая наступит очень
скоро. Вообще, весь смысл проведения реакции в спирте состоит не только в
том, что уменьшается степень гидролиза метилсерной кислоты, но и в том, что
сухая соль получается очень легко (никаких эксикаторов, два часа - и готово),
тогда как в воде этот процесс очень проблематичен (и для выхода тоже, стоит
вам лишь чуть-чуть переборщить с температурой).
Пятиграммовый образец сухой соли был протестирован хлоридом кальция и дал
1,7 г осадка, что, учитывая присутствующие 20% карбоната, свидетельствует о
73% к 27% соотношению MeSC^i/SC^.
Нитрометан
Нитроэтан
Нитрометан — химическое соединение с формулой CH3N02, простейший
представитель нитросоединений алифатического ряда.
Бесцветная высокополярная жидкость(8 35.87), имеющая запах горького
миндаля; tKHn = 101,2 °С, trui = -28,5 °С, плотность 1,138 г/см3 (20 °С) .
Нитрометан ядовит при вдыхании паров (ПДК 30 мг/м3) или проглатывании,
поражает печень и почки, центральную нервную систему. Наркотик, обладающий
также судорожным действием и последействием.
Нитроэтан C2H5NO2 применяется как растворитель для многочисленных
органических соединений и смол, таких, как акриловые и виниловые смолы, используемые
в покрытиях и красках. В нитроэтане растворимы и некоторые неорганические
материалы .
Температура кипения 114,1 °С. Температура плавления -89,52 °С.
1. Из хлоруксусной/хлорпропионовой кислоты
ClCH2COONa + NaN02 + H20 -> CH3N02 (35-38%) + NaCl + NaHC03
Реактивы:
• Хлоруксусная кислота - 9,4 г;
• NaN02 - 7г;
• NaOH 40%-раствор;
• НС1(1:1);
• СаС12,
К смеси хлоруксусной кислоты с 20 г толченого льда прибавляют при
помешивании охлажденный льдом 40%-ый раствор гидроокиси до щелочной реакции по
фенолфталеину (около 7 мл) . Температура при нейтрализации не должна превышать 20
°С. Полученную смесь приливают к раствору нитрата натрия в 10 мл воды,
находящемуся в колбе Вюрца вместимостью 100 мл. Колбу соединяют с нисходящим
холодильником и закрывают пробкой с термометром, шарик которого должен быть
погружен в жидкость. В приемник наливают 2-3 мл разбавленной 1:1 НС1. Смесь
медленно нагревают до начала выделения пузырьков С02 (около 60-70 °С), после
чего нагревание прекращают, так как реакция экзотермична. Если температура
смеси начинает понижаться, снова осторожно нагреваем до 85 °С. Когда реакция
в основном закончится, реакционную смесь подогревают, доводя температуру к
концу реакции до 110 °С. Нитрометан начинает перегоняться около 90 °С.
Нитрометан отделяют от водной фазы в делительной воронке и удаляют следы
воды кусочками фильтровальной бумаги. Для более тщательной очистки нитрометан
сушат кальцием и перегоняют, собирая фракцию, кипящую при 98-102 °С. Выход
продукта около 2 г (около 33%).
CH3CH(Cl)COONa + NaN02 => CH3CH (N02) COONa + NaCl,
CH3CH(N02)COONa + H20 => CH3CH2N02 + NaHC03,
CH3CH(N02) COONa + NaHC03 => CH3CH (OH) COONa + NaCl + C02 ;
Третья реакция приводит к уменьшению выхода нитроэтана, но может быть
частично задержана прибавлением борной кислоты. Выход нитроэтана может быть,
таким образом, повышен до 58%.
К смеси 50 г а-хлорпропионовой кислоты прибавляют мелкими порциями ~50 г
кальцинированной соды, следя за тем, чтобы температура не превышала 10 °С,
раствор точно нейтрализуют 0,5 М соляной кислотой в присутствии
фенолфталеина, прибавляют к нему раствор 32 г азотистокислого натрия в 50 мл воды и 25-
30 г борной кислоты, после чего смесь нагревают на небольшом пламени в колбе,
снабженной погруженным в жидкость термометром и длинным нисходящим
холодильником. При 45 °С начинает выделяться углекислота и небольшое количество
окислов азота. Жидкость приобретает зеленую окраску, которая при 80 °С
становится очень интенсивной. При этом начинает отгоняться нитрометан, а зеленая
окраска раствора постепенно исчезает. Смесь нагревают до 110 °С, причем раствор
становится оранжево-желтым. Водный слой дистиллята отделяют от нитроэтана,
прибавляют к нему примерно одну треть по весу хлористого натрия и снова
перегоняют, повышая температуру до 110 °С. Эту операцию повторяют несколько раз.
Нитроэтан высушивают хлористым кальцием и перегоняют над небольшим
количеством окиси ртути. Ткип 98-102 °С.
Выход 18,7 г (54%). В водном дистилляте можно обнаружить лишь очень
незначительное, количество синильной кислоты. Реакция протекает очень гладко и без
вспенивания. При работе с нитроэтаном необходимо соблюдать меры
предосторожности .
Аналогичным образом из 50 г а-бромпропионовой кислоты, 35 г соды и 23 г
нитрита натрия можно получить до 12,5 г нитроэтана (50% от теор.).
2. Из метил/этилсульфата натрия
Возьмите 50 г метилсульфата натрия (см. выше) и измельчите как можно мельче
в кофемолке, затем измельчите также 50 г свежесплавленного нитрита натрия,
смешайте всё начерно в кофемолке, добавив также 3 г карбоната натрия (на
всякий случай), затем разделите на меньшие порции и как можно тщательнее откофе-
мольте каждую.
Получившуюся пудру поместите в колбу с прямым холодильником (малюсенький
пойдёт) и поместите в масляную баню, которую медленно нагрейте до 150 °С, а
затем как можно быстрее - до примерно 150 °С.
Нитрометан отгоняется весьма медленно, примерно 5-10 капель в минуту, под
конец - реже. Когда выделение прекратится, объём полученного нитрометана
составит 6 мл, что соответствует 4 6% выходу в пересчёте на метилсульфат. Он
лишь совсем чуть-чуть желтоватый, причём большая часть желтизны проходит в
самом начале отгонки.
Элементарный расчёт показывает, что из всего полученного на первой стадии
метилсульфата натрия таким образом выйдет около 20 мл.
Нитроэтан может быть получен аналогичным образом заменой в вышеприведённом
синтезе метилового спирта на этиловый.
3. Нитроэтан из этилбромида
или этилиодида в ДМСО или ДМФ
Этот метод дорог, но единственный на сегодняшний день пригодный для
получения нитроэтана в средних или больших количествах. Правда, реакция эта весьма
капризна и также работает не всегда.
32.5 грамма этилбромида (0.3 моль) вылили в перемешиваемый раствор диметил-
формамида (DMF) 600 мл, и 36 граммов сухого NaN02 (0.52 моль) в мензурке,
стоящей в водяной бане, сохраняя раствор в комнатной температуре, поскольку
реакция слегка экзотермична. Всегда держите раствор вдали от прямого
солнечного света. Перемешивание было продолжено в течение шести часов. После этого
реакционную смесь вылили в мензурку 2500 мл или колбу, содержащую 1500 мл
ледяной воды и 100 мл петролейного эфира. Слой петролейного эфира был слит, и
водная фаза была экстрагирована еще четыре раза с 100 мл петролейного эфира
каждый раз, после чего органические экстракты были объединены, и в свою
очередь были, промыты 4x75 мл воды. Остающаяся органическая фаза была высушена
MgS04, фильтрована, и петролейный эфир был удален перегонкой под уменьшенным
давлением на водяной бане, которая температуре позволяли медленно повыситься
к приблизительно 65 °С. Остаток, состоящий из сырого нитроэтана был
дистиллирован под обычным давлением (предпочтительно с маленькой фракционной
колонкой) чтобы дать 60% продукта, кипящего в 114-116 °С. (Внимание! Существуют
сведения практического характера, что необходимо добавлять мочевину или фло-
роглюцинол - возможно, гидрохинон также сработает - иначе реакция в ДМСО не
работает.)
Этот метод может быть изменен несколькими способами. Во-первых, диметил-
сульфоксид (ДМСО) может заменить диметилформамид как растворитель. Этиленгли-
коль (основное составляющее тосола, и очень дёшев) также работает как
растворитель , но реакция продолжается довольно медленно в этой среде, притом
усиливаются побочные реакции. KN02 может также использоваться вместо NaN02 • Если
NaN02 используется в DMF, 30 г (0.5 mol) мочевины может также быть добавлено
как убийца нитрит-ионов, чтобы минимизировать побочные реакции, также увели-
чивая растворимость NaN02 и таким образом знаменательно ускоряя реакцию.
Если этил бромид замещён этилиодидом, требуемое время реакция может быть
уменьшено до 2.5 ч вместо 6 ч. В случае, если этил иодид используется,
небольшое изменение в вышеупомянутой процедуре должно быть выполнено.
Объединенные экстракты должны быть, промыты 2x75 тиосульфатом натрия 10%, потом -
2x75 мл воды, вместо 4x75 воды как выше - чтобы удалить маленькие количества
свободного йода.
Нитрозофенол и
нитрозодиметиланилин1
Синтез N,N-диметил-4-нитрозоанилина
В фарфоровом стакане, снабженном мешалкой, термометром и капельной
воронкой, смешивают 10,3 г (8,6 мл) соляной кислоты с 5 г диметиланилина (димети-
ланилин вносят в кислоту), прибавляют около 40 г измельченного льда и
медленно, при постоянном перемешивании и температуре не выше 10°С, приливают из
капельной воронки в течение 1 ч раствор 3,1 г нитрита натрия в 10 мл воды.
Смесь окрашивается в оранжевый цвет, и из нее выпадают желтые кристаллы
гидрохлорида п-нитрозодиметиланилина. Содержимое перемешивают еще в течение 1 ч,
выпавший осадок отфильтровывают, хорошо отжимают стеклянной пробкой,
промывают 5 мл этилового спирта и высушивают в эксикаторе. Выход гидрохлорида 7,2 г
(90% от теоретического).
Для выделения свободного основания гидрохлорид п-нитрозодиметиланилина
обрабатывают в делительной воронке 5%-ным раствором карбоната натрия и 20 мл
эфира. Основание переходит в эфирный слой, который отделяют от содового
раствора, а затем отгоняют эфир. Ы,Ы-диметил-4-нитрозоанилин выделяется в виде
зеленых чешуек. Продукт можно получить более чистым, перекристаллизовав его
из петролейного эфира. Получаются зеленые кристаллы с Тпл = 85°С.
Синтез 4-нитрозофенола
В фарфоровый стакан, снабженный мешалкой, термометром и капельной воронкой,
помещают 45 мл воды, растворяют в ней 4,6 г нитрита натрия и прибавляют 5 г
фенола, расплавленного в 15 мл воды. В эту смесь вводят 60 г измельченного
льда и из капельной воронки в течение 1 ч по каплям прибавляют холодный
раствор серной кислоты, полученный отдельно смешением 2 мл концентрированной
кислоты с 7 мл воды. Прибавление ведут при энергичном перемешивании и наружном
охлаждении реакционной массы льдом с солью, чтобы температура во время
реакции была около 0°С. При этой температуре содержимое перемешивают еще в
течение 2 ч, после чего п-нитрозофенол отфильтровывают, промывают холодной водой
до нейтральной реакции по индикаторной бумаге и высушивают при 50-60°С. Выход
5,2 г (80% от теоретического).
Пропионовая кислота
Из МЕК и хлорной извести2
In contrast to the general familiarity of the reaction between acetone and
Гитис С.С. и др. Практикум по органической химии. (1991) . Страницы 119-120.
2 Charles D. Hurd and Charles L. Thomas - The Action of Bleaching Powder on Methyl
Ethyl Ketone. JACS 55, 1646-1649 (1933)
bleaching powder, very little is known of the action of bleaching powder on
other ketones. Ethyl methyl ketone was selected to see if the reaction would
yield chloroform and calcium propionate or ethylidene chloride and calcium
acetate. Only the first of these two possibilities was realized. This
provides a convenient source of propionic acid.
The general equation for this type of synthesis is:
2RCOCH3 + 6CaOCl2 -> (RCOO)2Ca + 3CaCl2 + 2Ca(OH)2 + 2CHC13
In this case R represents C2H5-
Three hundred grams of commercial bleaching powder (24% available chlorine)
was made into a paste with 750 mL of water at 15°C. The temperature of the
water must be above 10°C, otherwise too viscous a paste results. This mixture
was put into a 3-liter flask which was equipped with a dropping funnel,
mercury-sealed stirrer and condenser. Then 25 mL of ethyl methyl ketone was
gradually introduced with stirring, care being taken to avoid frothing over.
The mixture became quite warm and 10 mL of chloroform, a 45% yield,
distilled. The refractive index of the distillate was 1.4452 (for chloroform
1.4458; for ethylidene chloride, 1.4165).
The residue in the flask was neutralized with nitric acid. Then more nitric
acid was added to liberate the propionic acid, purposely adding less than the
calculated amount to avoid subsequent extraction of nitric acid. Even with an
excess, however, ether extracts but insignificant quantities of nitric acid
from a dilute aqueous solution.
The acidified solution was made up to 2000 mL with water. An aliquot
portion of 500 mL of this was extracted four times with ether for the organic
acid and the extracts made up to 250 mL. Titration of an aliquot portion of
50 mL of this ether solution with 0.2016 N alkali required 27.5 mL. This
corresponds to a yield of 8.18 g or 40.7% of the calculated amount of propionic
acid.
Тионил хлорид
40 частей серной кислоты (100%) и 0.4 части хлорида ртути помещены в
подходящую ёмкость, и при поддерживаемой температуре менее 30 С, с постоянным
перемешиванием и подводом хлора, добавили 73.5 части дихлорида серы. Содержимое
варится под О.Х. при температуре от 50 до 70 °С пока не образуется гомогенная
смесь, всё это время смесь насыщали хлором. Затем всё это отгоняют, получая
38 частей дистиллята содержащего тионилхлорид со следами дихлорида серы.
Остаток от перегонки может быть использован в следующем приготовлении тионил-
хлорида.
Предпочтительно, хотя и не обязательно, чтобы использовалась именно 100%
серная кислота, так как вода присутствующая в более слабой кислоте
способствует разложению продукта.
Коммент арий
Всё это далеко не так сложно, как выглядит. Никакую хлористую серу заранее
готовить не нужно (естественно, не будем её стабилизировать, и хранить тоже).
Просто берёте серу, насыщаете хлором до максимума, потом меняете пробирку на
содержащую серную кислоту и сулемой - и далее как в процедуре.
Тионил хлорид затем можно отделить от остаточного дихлорида серы не
фракционной перегонкой, а всего лишь обычной - добавив предварительно немного серы
- SOCI2 с ней не реагирует, a SCI2 превращается в высококипящий монохлорид.
Фактически, это процедура приготовления тионил хлорида из серы, хлорки,
соляной и серной кислоты в один шаг! Причём не только для тионилхлорида, но и
вообще для любого Вильсмайер-подходящего вещества.
Толуолсульфокислота (ТСК)
Синтез п-толуолсульфокислоты
В круглодонной колбе смешал серную кислоту с толуолом и кипятил 15-20 мин.
Осторожно снимал колбу и нежно сливал верхний слой горячего толуола в
стакан. При охлаждении из толуола выпали белые кристаллы . Их фильтруем, а
толуол обратно в колбу.
Кристаллы нагреваем до полного удаления остатков толуола.
Весь смысл в том, что ТСК хорошо растворима в горячем толуоле и очень плохо
в холодном.
В литровую колбу налить 200 мл концентрированной серной кислоты, 500-600 мл
толуола и кипятить с водоотделителем. В начале масса состоит из двух слоев,
которые постепенно исчезают. При этом происходит выпадение в осадок
моногидрата ТСК - у меня более половины колбы получилось. Если чистота продукта не
важна - фильтруйте и пользуйтесь. Главное только не отогнать избытка воды -
ТСК хорошо растворима в толуоле, а ТСК моногидрат мало растворим. Конечный
продукт загрязнен серной кислотой.
Если нужна чистая ТСК, кипятите до растворения моногидрата и выливаете в 1
литр воды, кидаете 2-3 грамма активированного угля и кипятите до получения
раствора, цвета разбавленного чая. Фильтруете и упариваете на водяной бане до
объема 300-400 мл, а затем до упора насыщаете газообразным НС1. Выпадают
светло-желтые кристаллы, отфильтровываете, промываете концентрированной
соляной кислотой и сушите в эксикаторе над КОН. В итоге получаете почти чистый
моногидрат толуолсульфокислоты, примерно грамм 400-500.
Если действовать по упрощённой методике, то лучше отогнать всю воду - до
прекращения отгонки и образования однородной жидкости, затем выливаем 75-80%
отгона обратно в колбу (учитываем воду, которая содержалась в серной
кислоте) , пару раз промываем кристаллы толуолом, а затем концентрированной соляной
кислотой. После сушим над КОН. В результате продукт будет значительно чище
(на цвет не обращайте внимания), и вполне подойдёт для чего угодно.
Уксусный ангидрид1
Свойства
Уксусный ангидрид представляет бесцветную жидкость острого запаха,
разъедающую кожу; т.к. 138°С; уд. в. 1,08 при 15°С.
Реакции
Уксусный ангидрид при нагревании с водой быстро переходит в уксусную
кислоту, на холоду реакция эта идет очень медленно. Со спиртом, аммиаком, анилином
он дает те же реакции, что и хлористый ацетил, только они протекают
медленнее.
1 Можно получить пропусканием кетена в уксусную кислоту. О кетене смотрите
предыдущий номер.
1. Из ацетата натрия и хлора/серы1
2CH3COONa + S2C12 = (CH3COO)2S2 + 2NaCl (на холоду)
2(CH3COO)2S2 —> 2(СН3СО)20 + 3S + S02 (при подогревании).
Получение:
• 4x100 г свежесплавленного уксуснокислого натрия
• 4x65 г хлористой серы
Отвешивают 100 г свежесплавленного и мелко растертого уксуснокислого натрия
и 64 г хлористой серы. Небольшое количество уксуснокислого натрия всыпают в
тонкостенный стакан, охлаждаемый в бане с холодной водой. Туда же осторожно
приливает немного хлористой серы и все быстро размешивают деревянной
лопаточкой, не давая разогреваться. Затем снова присыпают уксусно-натриевую соль,
размешивают, подливают хлористую серу и т.д.
Когда вся указанная порция будет смешана, перемещают при помощи лопаточки
полужидкую массу в литровую круглодонную колбу. Эти операции повторяют еще
три раза, так что в работу будет взято всего 400 г уксуснокислого натрия и
260 г хлористой серы.
Затем соединяют колбу с обратным холодильником и осторожно подогревают на
водяной бане до 85-90°С. Как только начнется реакция, нагревание прекращают,
а если реакция начинает принимать бурный характер, колбу охлаждают холодной
водой.
Через 20—30 минут выделение сернистого газа прекращается, тогда подогревают
еще минут 10 на кипящей водяной бане. Затем колбу соединяют с прямым
холодильником и отгоняют продукт реакции на масляной бане с вакуумом.
Отгон фракционирует при обыкновенном давлении, собирая фракцию 132—142°С.
Для очистки перегоняют еще раз с 2—3% марганцовокислого калия или двухромо-
вокалиевой соли для разрушения сернистых соединений.
Выход до 90% теоретического количества, считая на хлористую серу, т.к.
уксуснокислого натрия борется значительный избыток.
Количественное определение
содержания уксусной
кислоты в уксусной ангидриде
К отвешенному количеству уксусного ангидрида прибавляют теплой воды и
оставляют на некоторое время в герметически закрытом сосуде. Тогда весь
уксусный ангидрид переходит в уксусную кислоту, количество которой определяют
титрованием. Вычисление и анализ производят так, как это делают при определении
дымящей серной кислоты.
Испытание:
I. На примесь хлористого ацетила: в пробирке к нескольким каплям уксусного
ангидрида прибавляют небольшое количество воды н азотной кислоты. Смесь
кипятят и прибавляют несколько капель раствора азотнокислого серебра; при этом не
должен выделяться белый осадок хлористого серебра.
II. На принеси большого количества уксусной кислоты: в пробирке к
небольшому количеству уксусного ангидрида прибавляют холодной воды и взбалтывают, при
этом в течение нескольких секунд не должно произойти растворения. Чистота
препарата узнается также по т.к. и уд. весу.
Примечание:
В этой и всех похожих процедурах необходимо использовать свежепереплавлен-
1 По немецкому патенту (DRP) 132605
ный безводный ацетат натрия - оный очень гигроскопичен!
2. Из ацетата натрия и брома/серы.
К 65,5 г свежесплавленного ацетата натрия добавили раствор 3,3 г серы в
48,4 г (15,4 мл) брома при ручном перемешивании. Коричневый цвет быстро
исчезает при добавлении, давая почти бесцветную смесь. Перемешивание продолжают
15 мин. Смесь имеет очень странную консистенцию: пока её мешают, она почти
жидкая, но при прекращении перемешивания затвердевает. Смесь выковыряли из
колбы (лучше делайте это в той же колбе, из которой сбираетесь перегонять) и
продукт отогнан.
Выход - 29,2 г бесцветной жидкости.
3. Из ацетата натрия и пиросульфата натрия
Измельчить очень мелко пиросульфат (70 г) и прибавить ацетат натрия (50 г),
плавленый и растолченный в порошок) и прилить 16 мл ледяной уксусной кислоты
(плавилась при +10°С). Нагревать смесь над газом с обратным холодильником и 1
час перегонять в приёмную колбу. Получено 38 мл жидкости, из которых 16 мл
уксусной кислоты (выход 76,5%) .
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Электроника
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЗАРЯДКИ
ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ
С.Н. Буранов, В.В. Горохов, В.И. Карелин, П.Б. Репин
Описан транзисторный преобразователь постоянного напряжения с
гистерезисным методом управления для зарядки генератора
Аркадьева-Маркса, обеспечивающего накачку эксимерного лазера. Наводки
по сети питания, вызванные срабатыванием генератора и лазера, не
нарушают работу преобразователя. Время зарядки накопительных
конденсаторов с общей емкостью 660 нФ до напряжения 15-25 кВ не
более 10 с. Нестабильность зарядного напряжения < ±1%, пульсации
< 0.5%, к.п.д. 81-85%.
Для зарядки высоковольтных генераторов импульсных напряжений (г.и.и.) на
емкостных накопителях используются транзисторные квазирезонансные
преобразователи, выполненные по мостовой (полумостовой) схеме с последовательным
резонансным контуром [1, 2]. Квазирезонансные преобразователи с частотно-
импульсной модуляцией [1] критичны к динамическим режимам и не отслеживают
резких изменений тока нагрузки и провалов входного напряжения, сопровождающих
зарядку и срабатывание г.и.н. В результате при увеличении мощности г.и.н.
недопустимо растут пульсации зарядного напряжения и нарушается
помехоустойчивость устройства.
Лучшие динамические параметры обеспечивает релейная (гистерезисная)
модуляция [3], при которой выходная мощность преобразователя регулируется
изменением длительности пачек высокочастотных импульсов, возбуждаемых в силовом
контуре. Если при этом моменты остановки колебаний не синхронизированы с
резонансным процессом в силовом контуре, то сердечник силового трансформатора
испытывает одностороннее насыщение, что снижает эффективность преобразователя и
ухудшает его массогабаритные характеристики. Этот недостаток может быть
устранен, если в процессе управления использовать пачки импульсов длительностью,
кратной минимальному циклу, при котором замыкается петля гистерезиса
сердечника [ 4 ] .
В данной статье описан квазирезонансный преобразователь с гистерезисным
управлением по схеме [4]. Блок управления работает по четырехтактному циклу и
выключение преобразователя может быть осуществлено только в момент его
окончания. Так как четырехтактный цикл в квазирезонансном преобразователе
является минимальным заведомо симметричным циклом, то исключается насыщение
силового трансформатора и обеспечиваются высокие динамические параметры.
Силовая часть преобразователя (рис. 1) содержит полумостовой инвертор,
состоящий из транзисторов Т1, Т2, диодов Д1, Д2 и резонансного контура, который
образован последовательно соединенными дросселем Др, конденсатором С2 и
первичной обмоткой повышающего трансформатора Tpl. Схема сравнения (R1-R4, Ml),
блок запуска (Т7, М2, МЗ-2) , тактовый генератор (МЗ-4, М5-5) , формирователь
импульсов (М4, М5) и усилитель мощности, выполненный на транзисторах ТЗ, Т4,
Т5, Т6 с трансформаторной развязкой Тр2 и ТЗ, управляют работой инвертора.
Вторичная обмотка Tpl через умножитель напряжения (СЗ-С18, ДЗ-Д18) подключена
к емкостному накопителю Zn.
Схема сравнения, блок запуска и последовательный регистр М4 формируют пачки
управляющих импульсов. Длительность отдельной пачки определяется временем, в
течение которого сигнал обратной связи Uoc меньше заданной величины иэт.
Напряжение Uoc снимается с нижнего плеча делителя выходного напряжения R1-R4.
Двухпороговый компаратор Ml имеющий гистерезис Л сравнивает Uoc с иэт и
вырабатывает команду разрешения (логическая 1, если Uoc < иэт - Л) или остановки
(логический 0, если Uoc > иэт).
Работа преобразователя иллюстрируется временными диаграммами (рис. 2).
Частота работы задается тактовым генератором, с прямого (М5-5) и инверсного (МЗ-
1) выходов которого импульсы поступают на соответствующие счетные входы
регистра М4 и триггера М2. Пока схема сравнения находится в состоянии логического
О, триггер за блокирован по входам R и на выходах регистра записаны нули. В
момент времени tl (Uoc < иэт - Л) компаратор Ml переключается в состояние
высокого уровня. Блокировка с триггера снимается и он производит
последовательное деление тактовой частоты на два (выход М2-1) и четыре (выход М2-2).
Сигналы этих выходов преобразуются логическим элементом МЗ-2 в
последовательность импульсов со скважностью четыре и длительностью, равной периоду
тактового генератора Ттг. Фазировка импульсов с М5-5 и МЗ-2 обеспечивает
совпадение единичного состояния МЗ-2 с положительным перепадом только первого из
четырех тактовых импульсов, последовательно переключающих состояния регистра.
В результате на выходах М4 Q0-Q3 поочередно формируются импульсы
длительностью Ттг, причем цикл импульсов завершается полностью независимо от момента
t2 (Uoc = иэт) снятия команды разрешения. Через буферные элементы М5 выходы
QO, Ql и Q2, Q3 подключены к входам двухтактных усилителей мощности,
формирующих сигналы управления на базах (ибэ) силовых транзисторов Т1, Т2 .
Импульсы с выходов Q0 и Q2 открывают эти транзисторы, с выходов Q1 и Q3
обеспечивают их форсированное выключение.
Под действием импульсов управления Тупр = ТО.5, сдвинутых друг относительно
друга на период собственных колебаний резонансного контура 2ТО.5, в силовой
цепи инвертора протекают импульсы тока Jflp. Каждый импульс состоит из двух
разнополярных полуволн. Первая образована протеканием тока через один из
силовых транзисторов, а вторая через блокирующий обратный диод. Четыре
полуволны составляют минимальный цикл Тц, обеспечивающий симметричное пе-
ремагничивание сердечника Tpl. Все циклы имеют одинаковую длительность и, как
отмечалось выше, даже если команда остановки вырабатывается раньше окончания
очередного цикла, он формируется полностью.
0 " ИЗ Пю
+300 М М
Лл
i
Сп
_ДР__ ЗОн
YYYYV
4.7 н 4.7 н
4.7 н
Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя. Ml - КР1006ВИ1, М2 -
К561ТВ1, МЗ - К561ЛЕ5, М4 - К561ИР9, М5 - К1561ПУ4; Т1, Т2 - КТ847А,
ТЗ-Т6 - КТ972А, Т7 - КТ3102А; Д1, Д2 - КД226Д, ДЗ-Д18 - КД106Г.
т.
тг
м
5-5
м
3-1
м
м
2-1
м2.2
м
г
м4<
!3-2
Q1
Q2
Q3
V
^бэТ2
J
Лр
ппп
"1 п \
,г
Ч 1
1
П'
1
пппппппг
Х___
гп
-—гз—*|—1
XI
1—1
(П П П П П
гпппп
1 ь
т £7
i
' i ■■ " '
i
i
: т. .
—1
ГУпр ,| 1. | 1
1 1 1 I
1—1 |—|
т
1 0.5
т ^
-^
^
Рис. 2. Временные диаграммы работы преобразователя.
Приведенный алгоритм работы исключает подмагничивание сердечника в процессе
зарядки и стабилизации напряжения, так как при замкнутом цикле отсутствует
постоянная составляющая магнитной индукции. Включение преобразователя
осуществляется блоком управления, вырабатывающим сигналы, под действием которых
усилители мощности формируют пары импульсов Тупр, возбуждающих колебания в
резонансном контуре инвертора. На этапе начала зарядки напряжение обратной
связи Uoc < иэт и компаратор Ml удерживается в единичном состоянии,
осуществляя перезапуск циклов управления. В результате на выходе умножителя
напряжения, подключенного к вторичной обмотке Tpl, зарядное напряжение нарастает до
заданного верхнего уровня. В этот момент Uoc = иэт и компаратор переключается
в нулевое состояние, блокируя устройство запуска. После завершения текущего
четырехтактового цикла управления колебания в инверторе прекращаются. По
цепям утечки напряжение на емкостном накопителе уменьшается до нижнего
значения, при котором Uoc = иэт - Л. В этот момент компаратор Ml вырабатывает
команду разрешения, инвертор вновь включается и напряжение на накопителе
увеличивается до верхнего значения. Далее последовательность операций в процессе
стабилизации напряжения повторяется, удерживая зарядное напряжение в заданных
пределах. После срабатывания г.и.н. начинается новый этап зарядки.
В процессе стабилизации зарядного напряжения задержка ТЗ включения и
выключения инвертора относительно моментов переключения компаратора не превышает
Тц, величина которого при указанных ниже параметрах резонансного контура
составляет 25 мкс. Это время меньше длительности переходных процессов по току
нагрузки и входному питанию, что обеспечивает необходимую динамическую
стабильность зарядного напряжения и помехоустойчивость устройства.
В описанном преобразователе дроссель Др индуктивностью 130 мкГн намотан на
сердечник из альсифера ВЧ-32 К36х25х10. Силовой трансформатор Tpl выполнен на
броневом сердечнике СБ-48 из феррита 2000НМ1. Первичная обмотка содержит 28
витков провода ПЭТВ-2-0.42, вторичная обмотка - 1060 витков провода ПЭТВ-2-
0.1. Намоточные данные разделительных трансформаторов Тр2 и ТрЗ одинаковы:
первичная обмотка содержит 160 витков провода ПЭТВ-2-0.1 с отводом от
середины, вторичная обмотка - 14 витков провода ПЭТВ-2-0.25, сердечник из феррита
2000НМ1 К20х12х6. Схема умножения состоит из восьми каскадов. В ней
использованы конденсаторы К15-5 и диоды КЦ106Г. Элементы, находящиеся под высоким
потенциалом, размещены в корпусе из органического стекла и залиты парафином.
Делитель выходного напряжения собран из двух последовательно соединенных
сопротивлений КЭВ-2-15МОм (R1) и сопротивлений С2-29-0.25 (R2-R4). Емкость С2
резонансного контура состоит из трех параллельно соединенных конденсаторов
К78-2-2000В-10нФ.
Питание силовой части преобразователя осуществляется нестабилизированным
напряжением сетевого выпрямителя с емкостным фильтром.
Остальные узлы преобразователя питаются от стабилизированного источника
напряжением 15 В при токе 0.2 А.
Источник на основе описанного преобразователя был использован для зарядки
трехкаскадного г.и.н. Аркадьева-Маркса, обеспечивавшего накачку эксимерного
лазера. Суммарная емкость конденсаторов г.и.н. составила 660 нФ, зарядное
напряжение варьировалось резистором R5 в диапазоне 15-25 кВ. Время зарядки до
напряжения 25 кВ не превышало 10 с. Тактовый генератор преобразователя
работал на частоте 80 кГц. Точная подстройка частоты генератора под частоту
резонансного контура проводилась регулировкой R6.
Нестабильность зарядного напряжения при изменении входного напряжения
питания на +10% не превышала ±1% во всем диапазоне регулирования. Амплитуда
пульсаций зарядного напряжения определялась гистерезисом компаратора Ml и
составила 0.5%. Величина гистерезиса устанавливалась резистором ТЗ из условия
обеспечения помехоустойчивости блока управления при срабатывании г.и.н. и
лазера. К.п.д. преобразователя при изменении входного напряжения на ±10%
находился в пределах 81-85%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ivanov A. //J. Phys. E Sci. Instrum. 1988. V. 21. № 7. P. 663.
2. Источники вторичного электропитания. / Под ред. Ю.И. Конева. М: Радио и
связь, 1990. С. 122.
3. Александров Ф.И., Сиваков А.Р. Импульсные преобразователи и
стабилизаторы. Л.: Энергия, 1970. С. 16.
4. Буранов С.Н., Горохов В.В., Карелин В.И., Репин П.Б. А.с. № 96103319/07
РФ. Кл. Н02 М 3/335 // БИ. 1997. №33. С. 204.
Системы
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
ГЛАВА 6.
ЦИФРОВЫЕ ФИЛЬТРЫ1
Введение
Цифровая фильтрация является одним из наиболее мощных инструментальных
средств ЦОС. Кроме очевидных преимуществ устранения ошибок в фильтре,
связанных с флуктуациями параметров пассивных компонентов во времени и по
температуре, дрейфом ОУ (в активных фильтрах) и т.д., цифровые фильтры способны
удовлетворять таким техническим требованиям по своим параметрам, которых, в
лучшем случае, было бы чрезвычайно трудно или даже невозможно достичь в
аналоговом исполнении. Кроме того, характеристики цифрового фильтра могут быть
легко изменены программно. Поэтому они широко используются в
телекоммуникациях, в приложениях адаптивной фильтрации, таких как подавление эха в модемах,
подавление шума и распознавание речи.
Процесс проектирования цифровых фильтров состоит из тех же этапов, что и
процесс проектирования аналоговых фильтров. Сначала формулируются требования
к желаемым характеристикам фильтра, по которым затем рассчитываются параметры
фильтра. Амплитудная и фазовая характеристики формируются аналогично аналого-
1 Уолт Кестер
вым фильтрам. Ключевое различие между аналоговым и цифровым фильтрами
заключается в том, что, вместо вычисления величин сопротивлений, емкостей и индук-
тивностей для аналогового фильтра, рассчитываются значения коэффициентов для
цифрового фильтра. Иными словами, в цифровом фильтре числа заменяют
физические сопротивления и емкости аналогового фильтра. Эти числа являются
коэффициентами фильтра, они постоянно находятся в памяти и используются для
обработки (фильтрации) дискретных данных, поступающих от АЦП.
Цифровой фильтр, работающий в реальном масштабе времени, оперирует с
дискретными по времени данными в противоположность непрерывному сигналу,
обрабатываемому аналоговым фильтром. При этом очередной отсчет, соответствующий
отклику фильтра, формируется по окончании каждого периода дискретизации.
Вследствие дискретной природы обрабатываемого сигнала, на отсчеты данных зачастую
ссылаются по их номерам, например, отсчет 1, отсчет 2, отсчет 3 и т.д. На
рис.6.1 представлен низкочастотный сигнал, содержащий высокочастотный шум,
который должен быть отфильтрован. Вначале сигнал должен быть оцифрован с
помощью АЦП для получения выборки х(п). Далее эта выборка поступает на цифровой
фильтр, который в данном случае является НЧ-фильтром. Отсчеты выходных данных
у(п) используются для восстановления аналогового сигнала с использованием ЦАП
с низким уровнем ложного сигнала.
H(f)
Аналоговый
ФНЧ
(antialiasing)
АЦП
х(п)
-У-
Цифровой
ФНЧ
У(п)
ЦАП
Аналоговый
ФНЧ (anti-
imaging)
Рис. 6.1. Цифровая фильтрация
Тем не менее, цифровые фильтры не могут являться решением всех возможных
задач фильтрации, возникающих при обработке сигналов. Для работы в реальном
масштабе времени, DSP-процессор должен быть рассчитан на выполнение всех
шагов в программе фильтрации в пределах промежутка времени, соответствующего
одному такту дискретизации, то есть l/fs. Высокопроизводительный
универсальный DSP-процессор с фиксированной точкой типа ADSP-2189M, обладающий
быстродействием 75MIPS, способен выполнить операцию умножения с накоплением при
реализации одного каскада фильтра за 13,3 не. DSP-процессор ADSP-2189M
затрачивает N+5 инструкций при реализации фильтра с количеством каскадов N. Для
100-каскадного фильтра полное время вычисления составляет приблизительно 1,4
мкс. Это соответствует максимально возможной частоте дискретизации 714 кГц,
ограничивая, таким образом, ширину полосы частот обрабатываемого сигнала
несколькими сотнями килогерц.
Можно заменить универсальный DSP-процессор специализированным аппаратным
цифровым фильтром, способным работать на частотах дискретизации,
соответствующих видеосигналу. В других случаях ограничения по быстродействию могут
быть преодолены сохранением выборки данных, поступающих с большой скоростью
от АЦП, в буферной памяти. Затем буферная память читается со скоростью,
совместимой с быстродействием цифрового фильтра, основанного на DSP. Используя
данный метод, может осуществляться обработка сигнала в псевдореальном
масштабе времени в таких системах как радар, где обычно обрабатываются пакеты
данных, накапливаемые после каждого излучаемого импульса.
Другой подход заключается в использовании специализированных микросхем
цифровых фильтров, подобных фильтрам PulseDSP™ компании Systolix. 16-разрядный
сигма-дельта-АЦП AD7725 имеет на своем кристалле фильтр PulseDSP, который
может выполнять за секунду 125 миллионов операций умножения с накоплением.
В дискретных системах, даже с высокой степенью избыточной дискретизации,
требуется наличие аналоговых ФНЧ перед АЦП и после ЦАП для устранения эффекта
наложения спектра. Более того, с ростом частоты, сигналы выходят за рамки
возможностей доступных АЦП, и цифровая фильтрация становится невозможной. Но
на крайне высоких частотах и активная аналоговая фильтрация тоже невозможна
из-за ограничений, связанных с полосой пропускания и искажениями ОУ, и в этих
случаях требования фильтрации удовлетворяются пассивными элементами.
Дальнейшее обсуждение будет сфокусировано, в первую очередь, на фильтрах, которые
могут работать в реальном масштабе времени и могут быть программно
реализованы с использованием DSP.
Цифровые фильтры
Высокая точность
Линейная фаза (КИХ фильтр)
Нет дрейфа вследствие
изменения параметров
компонентов
Гибкость, возможна адаптивная
фильтрация
Легки в моделировании
и проектировании
Ограничения при работе
в реальном масштабе времени -
вычисление должно быть
завершено в течение интервала
дискретизации
Аналоговые фильтры
Низкая точность из-за допуска
на элементы
Нелинейная фаза
Дрейф вследствие изменения
параметров компонентов
Реализация адаптивных
фильтров затруднена
Сложны в моделировании
и проектировании
Аналоговые фильтры требуются
на высоких частотах и для
устранения эффекта наложения
спектра
Рис. 6.2. Сравнение цифровых и аналоговых фильтров
В качестве примера сравним аналоговый и цифровой фильтры, показанные на
рис. 6.3. Частота среза обоих фильтров равна 1 кГц. Аналоговый фильтр
реализован в виде фильтра Чебышева первого рода 6 порядка (характеризуется
неравномерностью коэффициента передачи в полосе пропускания и равномерностью
коэффициента передачи вне полосы пропускания). На практике этот фильтр может быть
собран на трех фильтрах второго порядка, каждый из которых состоит из
операционного усилителя и нескольких резисторов и конденсаторов. Проектирование
фильтра 6 порядка является непростой задачей, а удовлетворение техническим
требованиям по неравномерности характеристики в 0,5 дБ требует точного
подбора компонентов.
Аналоговый фильтр
Фильтр Чебышева 1 рода 6
порядка, неравномерность 0,5 дБ
ДБ
0
-20
-60
-80
-100
4 I I L
-|-\- -----г--------|--------т
J Л^-.L i 1
н h^4r ' *"
l^Nl Г
ДБ
0
-20
-40
-60
-80
-100
Цифровой фильтр
КИХ-фильтр 129 коэффициентов,
неравномерность 0,002 дБ,
fs = 10kSPS
щ
_|__| 1 1 1
i""lk"i" i i
1 2 3
ЧАСТОТА (кГц)
1 2 3
ЧАСТОТА (кГц)
Рис. 6.3. Сравнение частотных характеристик
аналогового и цифрового фильтров
С другой стороны, представленный цифровой фильтр с конечной импульсной
характеристикой (КИХ) имеет неравномерность характеристики всего 0,002 дБ в
полосе пропускания, линейную фазовую характеристику и значительно более крутой
спад частотной характеристики. Таких показателей невозможно достичь
аналоговыми методами! На практике существует много других факторов, учитываемых при
сравнительной оценке аналоговых и цифровых фильтров. В большинстве
современных систем обработки сигналов используются комбинации аналоговых и цифровых
методов для реализации желаемых функций и используются преимущества всех
методов , как аналоговых, так и цифровых.
Существует много приложений, в которых цифровые фильтры должны работать в
реальном масштабе времени. В них накладываются определенные требования на
процессор DSP в зависимости от частоты дискретизации и сложности фильтра.
Ключевым моментом является то, что процессор DSP должен проводить все
вычисления в течение интервала дискретизации, чтобы быть готовым к обработке
следующего отсчета данных. Пусть ширина полосы частот обрабатываемого сигнала
равна fa. Тогда частота дискретизации АЦП fs должна быть, по крайней мере, в
два раза больше, то есть 2fa. Интервал дискретизации равен l/fs. Все
вычисления, связанные с реализацией фильтра (включая все дополнительные операции),
должны быть закончены в течение этого интервала. Время вычислений зависит от
числа звеньев фильтра и быстродействия и эффективности процессора DSP. Каждое
звено при реализации фильтра требует одной операции умножения и одной
операции сложения (умножения с накоплением). Процессор DSP оптимизируется для
быстрого выполнения операций умножения с накоплением. Кроме того, многие
процессоры DSP имеют дополнительные особенности, такие как реализация
циклической адресации и организация программных циклов с автоматической проверкой
условия продолжения цикла, минимизирующие количество дополнительных
инструкций, которые в противном случае были бы необходимы.
■ Полоса сигнала = fa
■ Частота дискретизации fs > 2fa
■ Период дискретизации =1/fs
■ Время вычисления фильтра + доп. операции < период дискр.
♦ Зависит от числа коэффициентов фильтра
♦ Скорости операций умножения с накоплением (MAC)
♦ Эффективности ЦОС
• Поддержка циклических буферов
• Отсутствие дополнительных операций
• и т.д.
Рис. 6.4. Требования к цифровой фильтрации для работы
в реальном масштабе времени
Фильтры с конечной
импульсной
характеристикой (КИХ)
Существует два основных типа цифровых фильтров: фильтры с конечной
импульсной характеристикой (КИХ) и фильтры с бесконечной импульсной характеристикой
(БИХ). Как следует из терминологии, эта классификация относится к импульсным
характеристикам фильтров. Изменяя веса коэффициентов и число звеньев КИХ-
фильтра, можно реализовать практически любую частотную характеристику. КИХ-
фильтры могут иметь такие свойства, которые невозможно достичь методами
аналоговой фильтрации (в частности, совершенную линейную фазовую
характеристику) . Но высокоэффективные КИХ-фильтры строятся с большим числом операций
умножения с накоплением и поэтому требуют использования быстрых и эффективных
процессоров DSP. С другой стороны, БИХ-фильтры имеют тенденцию имитировать
принцип действия традиционных аналоговых фильтров с обратной связью. Поэтому
их импульсная характеристика имеет бесконечную длительность. Благодаря
использованию обратной связи, БИХ-фильтры могут быть реализованы с меньшим
количеством коэффициентов, чем КИХ-фильтры. Другим способом реализации КИХ или
БИХ фильтрации являются решетчатые фильтры, которые часто используются в
задачах обработки речи. Цифровые фильтры применяются в приложениях адаптивной
фильтрации, благодаря своему быстродействию и простоте изменения
характеристик воздействием на его коэффициенты.
■ Фильтр скользящего среднего
■ Фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ)
♦ Линейная фаза
♦ Легкость проектирования
♦ Значительные вычислительные затраты
■ Фильтр с бесконечной импульсной характеристикой
♦ Основаны на классических аналоговых фильтрах
♦ Высокая вычислительная эффективность
■ Решетчатые фильтры (могут быть КИХ или БИХ)
■ Адаптивные фильтры
Рис. 6.5. Типы цифровых фильтров
Элементарной формой КИХ-фильтра является фильтр скользящего среднего
(moving average), показанный на рис.6.6. Фильтры скользящего среднего
популярны для сглаживания данных, например, для анализа стоимости акций и т.д.
Входные отсчеты х(п) пропускаются через ряд регистров памяти (помеченных z в
соответствии с представлением элемента задержки при z-преобразовании). В
приведенном примере имеется четыре каскада, соответствующих 4-точечному фильтру
скользящего среднего. Каждый отсчет умножается на 0,25, и результаты
умножения суммируются для получения значения скользящего среднего, которое подается
на выход у(п). На рисунке также представлено общее уравнение фильтра
скользящего среднего на N точек. Вновь обращаем внимание, что N относится к числу
точек при вычислении фильтра, а не к разрешающей способности АЦП или ЦДЛ, как
в предыдущих разделах.
Рис. 6.6. 4-точечный фильтр скользящего среднего
С учетом равенства коэффициентов, наиболее простой путь исполнения фильтра
скользящего среднего представлен на рис.6.7. Обратите внимание, что первым
шагом является запоминание первых четырех отсчетов х(0), х(1), х(2), х(3) в
регистрах. Эти величины суммируются и затем умножаются на 0,25 для получения
первого выхода у(3). Обратите внимание, что начальные значения выходов у(0),
у(1) и у(2) некорректны, потому что, пока отсчет х(3) не получен, не все
регистры заполнены.
Когда получен отсчет х(4), он суммируется с результатом, а отсчет х(0)
вычитается из результата. Затем новый результат должен быть умножен на 0,25.
Поэтому вычисления, требуемые для получения нового значения на выходе,
состоят из одного суммирования, одного вычитания и одного умножения, независимо от
длины фильтра скользящего среднего.
Реакция 4-точечного фильтра скользящего среднего на ступенчатое воздействие
представлена на рис.6.8. Обратите внимание, что фильтр скользящего среднего
не имеет выброса по фронту входного сигнала. Это делает его полезным в
приложениях обработки сигналов, где требуется фильтрация случайного белого шума
при сохранении характера входного импульса. Из всех возможных линейных
фильтров фильтр скользящего среднего дает самый низкий уровень шума при заданной
крутизне фронта импульса. Это показано на рис.6.9, где уровень шума
понижается по мере увеличения числа точек. Существенно, что время реакции фильтра на
ступенчатое воздействие от 0 % до 100 % равно произведению общего количества
точек фильтра на период дискретизации.
У(3) =
у(4) =
У(5) =
у(6) =
У(7) =
•
•
•
_,
0.25
0.25
0.25
0.25
0.25
х(3) + х(2) + х(1) + х(0)
х(4) + х(3) + х(2) + х(1)
х(5) + х(4) + х(3) + х(2)
х(6) + х(5) + х(4) + х(3)
х(7) + х(6) + х(5) + х(4)
Вычисление каждого выходного значения требует
1 умножения, 1 сложения и 1 вычитания
Рис. 6.7. Вычисление выходного сигнала 4-точечного
фильтра скользящего среднего
. . • ж Ж Ж Ж Ж
• = Вход х(п)
X = Выход у(п)
* ж ж
X
X
X
В общем: У(п) = ^ X х(п - к)
к = 0
Для N=4: у(п) = -т-£ х(п - к)
ц к = 0
п
01 2 34 5 67 8 9 10 11 12
N-1
Рис. 6.8. Реакция 4-точечного фильтра скользящего
среднего на ступенчатое воздействие
Рис. 6.9. Реакция фильтра скользящего среднего на
воздействие в виде смеси шума и ступенчатого сигнала
Частотная характеристика простого фильтра скользящего среднего выражается
функцией sin(x)/x. Она представлена в линейном масштабе на рис. 6.10.
Увеличение числа точек при реализации фильтра сужает основной лепесток, но
существенно не уменьшает амплитуду боковых лепестков частотной характеристики,
которая равна приблизительно -14 дБ для фильтра с 11- и с 31-отводами.
Естественно, эти фильтры не подходят в том случае, где требуется большое ослабление
в полосе задержки.
Можно существенно улучшить эффективность простого КИХ-фильтра скользящего
среднего, выбирая разные веса или значения коэффициентов вместо равных
значений. Крутизна спада может быть увеличена добавлением большего количества
звеньев в фильтр, а характеристики полосы затухания улучшаются выбором
надлежащих коэффициентов фильтра. Обратите внимание, что, в отличие от фильтра
скользящего среднего, для реализации каждой ступени обобщенного КИХ-фильтра
требуется цикл умножения с накоплением. Сущность проектирования КИХ-фильтра
сводится к выбору соответствующих коэффициентов и необходимого числа звеньев
при формировании желаемой частотной характеристики фильтра H(f). Для
включения необходимой частотной характеристики H(f) в набор КИХ-коэффициентов
имеются различные алгоритмы и программные пакеты. Большинство этого программного
обеспечения разработано для персональных компьютеров и доступно на рынке.
Ключевой теоремой проектирования КИХ-фильтра является утверждение, что коэф-
фициенты h(n) КИХ-фильтра являются просто квантованными значениями импульсной
характеристики этого фильтра. Соответственно, импульсная характеристика
является дискретным преобразованием Фурье от H(f).
1,0
0,8
0,6
|Амплитуда|
0,4
0,2
0
С
1 \ 1 ^^
1 \ '
1 \ | 3 отсчета
I I i \i
1 11 отсчетов \
I \г 31 отсчет ; \
- -V- -f\ - Л- - -г f - -Х- 1
) 0,1 0,2
Частота
\
— ^t -1 — ~ ^^ — — *
^k i f i
0,3 0,4 0,5
( в долях Fs)
Рис. 6.10. Частотная характеристика фильтра скользящего среднего
х(п)
о •-
х(п-1)
Z1
x(n-N+2)
Z1
x(n-N+1)
ш0 щ0
h(N-2)
h(N-1)
X;
Y
ii)
У(п)
—►
N-1
y(n) = h(n)*x(n) = £h(k)x(n-k)
k = 0
* = символ свертки
Требуется N операций умножения с накоплением для каждого
выходного отсчета
Рис. 6.11. Фильтр с конечной импульсной характеристикой порядка N
Обобщенная форма КИХ-фильтра с числом звеньев N представлена на рис. 6.11,
Как было сказано, КИХ-фильтр должен работать в соответствии с уравнением,
задающим свертку:
Y (n) = h (k) *х (п) = У h(k)x(n - к)
ЛГ-1
к=0
где h(k) - массив коэффициентов фильтра и x(n-k) - входной массив данных
фильтра. Число N в уравнении представляет собой число звеньев и определяет
эффективность фильтра, как было сказано выше. КИХ-фильтр с числом звеньев N
требует N циклов (операций) умножения с накоплением.
Согласно рис. 6.12, диаграммы КИХ-фильтров часто изображаются в упрощенном
виде. Операции суммирования представляются стрелками, указывающими в точки, а
операции умножения обозначают, помещая коэффициенты h(k) рядом со стрелками
на линиях. Элемент задержки Z"1 показывают, помещая его обозначение выше или
рядом с соответствующей линией.
х(п
0 1
)
>
х(п)
о с
h(0b
»
'
z-1
h(
X(l
1)'
ь U
* Q
1-1)
b-
7-1 x(n-1)
ч
h(1P
ь i
w \
f
'
fe Ь
W w
z-1
x(n-
i
h(N-2),
A
N+2)
ь—
r
&
7"1 Х(П-
4
h(N-2),
л
N+2)
►
'
%
z-1
h(N
x(n
-1)1
ь /Ч
-N+1)
^ &
z-i x(r
i-N+1)
h(N-1)"
ь >
w W
У(п)
►
У(п)
►
Рис. 6.12. Упрощенная схема фильтра
Реализация КИХ-фильтра
на процессоре DSP
с использованием
циклических буферов
В рядах, задаваемых уравнениями КИХ-фильтров, предполагается
последовательное обращение к N коэффициентам от п(0) до h(N-l). Соответствующие точки
данных циркулируют в памяти. При этом добавляются новые отсчеты данных, заменяя
самые старые, и каждый раз производится вычисление выходного значения
фильтра . Для реализации циклического буфера может использоваться фиксированный
объем оперативной памяти, как показано на рис. 6.13 для КИХ-фильтра с 4
звеньями. Самый старый отсчет данных заменяется новым после каждой операции
вычисления свертки. Выборка из четырех последних отсчетов данных всегда
сохраняется в оперативной памяти.
Чтобы упростить адресацию, чтение из памяти старых значений начинается с
адреса, который следует непосредственно за адресом только что записанного
нового элемента выборки. Например, если значение х(4) только что записано в
ячейку памяти 0, то значения данных читаются из ячеек 1, 2, 3 и 0. Этот
пример может быть расширен применительно к любому числу звеньев фильтра.
Используя адресацию ячеек памяти таким способом, адресный генератор должен лишь
вычислять последовательные адреса, независимо от того, является ли данная one-
рация чтением памяти или записью. Такой буфер в памяти данных называется
циклическим, потому что, когда достигается его последняя ячейка, указатель
автоматически позиционируется на начало буфера.
Ячейка
памяти
0
1
2
3 1
У(3) =
У(4) =
Чтение Запись Чтение Запись Чтение
х(0) х(4)
х(1) /
х(2) /
г Х(3)
Г+х(4К
• х(1) х(5)
^
х(2)
х(3)
-у (4)
х(5)
|х(2)
v>
х(3)
h(0) х(3) + h(1) х(2) + h(2) х(1) + h(3) x(0)
h(0) х(4) + h(1) х(3) + h(2) х(2) + h(3) x(1)
у(5) = h(0) х(5) + h(1) х(4) + h(2) х(3) + п(3) х(2)
Рис. 6.13. Вычисление выходного сигнала КИХ-фильтра 4
порядка с использованием циклического буфера
Выборка коэффициентов из памяти осуществляется одновременно с выборкой
данных. В соответствии с описанной схемой адресации, самый старый отсчет данных
выбирается первым. Поэтому сначала должна осуществляться выборка из памяти
последнего коэффициента. При использовании адресного генератора,
поддерживающего инкрементную адресацию, коэффициенты могут быть сохранены в памяти в
обратном порядке: h(N-l) помещается в первую ячейку, а п(0) - в последнюю. И
наоборот, коэффициенты могут быть сохранены в порядке возрастания их номеров,
если использовать адресный генератор, поддерживающий декрементную адресацию.
В примере, показанном на рис. 6.13, коэффициенты сохранены в обратном
порядке.
Простая итоговая блок-схема для этих операций представлена на рис. 6.14.
Для DSP-процессоров компании Analog Devices все операции, выполняемые за один
цикл фильтра, производятся за один командный цикл процессора, благодаря чему
существенно увеличивается эффективность вычислений. Данное преимущество
известно как реализация циклов без дополнительных операций. Ассемблерный код
КИХ-фильтра для семейства процессоров ЦОС ADSP-21XX с фиксированной точкой
представлен на рис. 6.15. Стрелками в тексте помечены исполняемые команды,
остальная часть кода - просто комментарии, добавленные для пояснения.
Первая команда (помеченная меткой fir:) инициирует вычисления, очищая
регистр MR и заполняя регистры МХО и MYO первым значением данных и первым
значением коэффициентов из памяти программ и памяти данных. Затем, для
вычисления суммы первых N-1 слагаемых, N-1 раз в N циклах выполняется операция
умножения с накоплением, реализуя свертку выборки следующего набора данных и
коэффициентов . Заключительная команда умножения с накоплением выполняется с
включенным режимом округления для округления результата до старших 24
разрядов регистра MR. Затем регистр MR1 условно насыщается до своего наибольшего
положительного или отрицательного значения, в зависимости от состояния флага
переполнения в регистре MV. Благодаря такому подходу, при накоплении
результата используются преимущества регистра MR 40-разрядной точности. Насыщение
происходит только в том случае, если вычисление заключительного результата
привело к переполнению 32 младших значащих разрядов регистра MR.
1. Получение отсчета от АЦП (обычно по прерыванию)
2. Помещение отсчета в циклический буфер входного сигнала
3. Обновление указателя циклического буфера входного сигнала
4. Обнуление аккумулятора
5. Осуществление фильтрации (цикл по всем коэффициентам)
6. Выборка коэффициента из циклического буфера коэффициентов
7. Обновление указателя циклического буфера коэффициентов
8. Выборка отсчета из циклического буфера входного сигнала
9. Обновление указателя циклического буфера входного сигнала
10. Умножение коэффициента на отсчет
11. Добавление нового слагаемого к промежуточному результату
12. Выдача отфильтрованного отсчета на ЦАП
ADSF-21xx Пример кода:
CNTR - H-I;
DO convolution UNTIL CE;
convolution:
MR ^ MR + MXO * MYO(SS), MXO
= DM(10,Mi) , MY 0 = PM(14,MS)
Рис. 6.14. Псевдокод программы фильтра, использующей
DSP-процессор с циклической буферизацией
.MODULE
.ENTRY
fir:
convolution:
tir_sub;
FIR Filter Subroutine
Calling Parameters
10 > Oldest input data value in delay line
14 --> beginning of filter coefficient table
L0 = Filter length IN)
1.4 - Fi 1 ter length (N)
M1,M5 - 1
CNTR = Filter length - 1 <N-1>
Return Values
МГ<1 - Sum ot products (rounded and saturated)
10 --> Oldest input data value in delay line
"4 --> Beginning of filter coefficient table
Altered Registers
MXO, МУС,MR
Computation Time
(N - 1) + 6 cycles = N -t- 5 cycles
All coefficients are assumed to be in 1.15 format. )
tir;
MR=0, MX0-DM(IC,M1;, MY0=PM(I4,M5)
CNTR = H-l;
"0 convolution UNTIL CF.;
MR.-MR+MXO*MYC;SS; , MX0-LM(1C,M1) , МУС-РМ(14,М5) ;
MR-MR+MXO «МУС{RWD1;
IF MV SAT MR;
RTS;
.ENDMOD;
Рис. 6.15. Ассемблерный код КИХ-фильтра на базе ADSP-
21ХХ (одинарная точность)
Ограничение на число звеньев фильтра, реализующего подпрограммы КИХ-
фильтрации в реальном масштабе времени, определяется, прежде всего,
длительностью процессорного цикла, частотой дискретизации и требуемым объемом других
вычислений. Подпрограмма КИХ-фильтра, представленная в примере, требует
общего количества циклов N+5 для фильтра с числом звеньев N. Для DSP-процессора
ADSP-2189M, обладающего быстродействием 75 MIPS, один цикл команды
выполняется за 13,3 не, так что фильтр с числом звеньев 100 требует 13,3 не * 100 +
5*13,3 не = 1330 не + 66,5 не = 1396,5 не = 1,4 мкс.
Проектирование
КИХ-фильтров
Благодаря современным средствам САПР, проектирование КИХ-фильтров
выполняется относительно просто. На рис. 6.16 представлены некоторые характеристики
КИХ-фильтров и наиболее популярные методы их проектирования. Проектирование
КИХ-фильтров базируется, в первую очередь, на том, что частотная
характеристика фильтра определяется импульсной характеристикой, а во-вторых, на том,
что коэффициенты фильтра определяются его квантованной импульсной
характеристикой. Оба положения иллюстрирует рис. 6.17. На вход КИХ-фильтра подается
одиночный импульс, и по мере прохождения этого импульса через элементы
задержки, на выходе поочередно формируются коэффициенты фильтра. Таким образом,
процесс проектирования КИХ-фильтра состоит в определении его импульсной
характеристики по желаемой частотной характеристике с последующим квантованием
импульсной характеристики в ходе генерации коэффициентов фильтра.
Полезно сделать некоторое отступление и исследовать соотношения между
временным и частотным представлениями для лучшего понимания принципов, лежащих в
основе цифровых фильтров, в частности - КИХ-фильтров. В дискретной системе
операция свертки может быть представлена рядом операций умножения с
накоплением. Операция свертки во временной или частотной области эквивалентна
умножению "точки на точку" в соответствующей дуальной области. Например, свертка
во временной области эквивалентна умножению в частотной области. Это
изображено графически на рис. 6.18. Очевидно, что фильтрация в частотной области
может быть выполнена умножением на 1 всех частотных компонентов в полосе
пропускания и умножением на 0 всех частотных компонентов в полосе задержки. И
наоборот, свертка в частотной области эквивалентна умножению "точки на точку"
во временной области.
■ Импульсная характеристика имеет конечную длительность (N циклов)
■ Линейная фаза, постоянная групповая задержка (N должно быть
нечетным)
■ Нет аналогового эквивалента
■ Безусловная устойчивость
■ Может быть адаптивным
■ Вычислительные преимущества при децимации на выходе
■ Легкое понимание принципов и проектирование
♦ Оконный метод sin(x)/x (Windowed-Sine)
♦ Разложение в ряд Фурье со взвешиванием (Windowing)
♦ Синтез произвольной частотной характеристики и использование
обратного БПФ
♦ Программа Паркса-Макклиллана (Parks-McClellan) с алгоритмом
обмена Ремеза (Remez)
Рис. 6.16. Характеристики КИХ-фильтров
о-
x(n)
x(n-1)
?-л
x(n-7)
—f—
x(n-8)
h(o)-(>g hd)-^X) h(7r-QO h(8)-Q<
N = 9
_У(п)
x(n)
У(п)
h(4)
n
h(2)
h(0) •
•
i
h(1)
•
•
h(6)
• h(8)
•
h(7)
h(3) h(5)
Рис. 6.17. Импульсная характеристика КИХ-фильтра
определяет коэффициенты фильтра
ВРЕМЕННАЯ ОБЛАСТЬ
Вход
Характеристика
фильтра
Выход
ЧАСТОТНАЯ ОБЛАСТЬ
Х(К)
* БПФ ►
1
1
Н(к)
Х(к)• Н(к)
Рис. 6.18. Двойственность (дуальность) времени и частоты
Функция передачи в частотной области (1 или 0) может быть отображена во
временную область с использованием дискретного преобразованием Фурье (ДПФ)
(на практике используется БПФ) . Во временной области это дает импульсную
характеристику фильтра. Так как умножение в частотной области (спектр сигнала
умножается на функцию передачи фильтра) эквивалентно свертке во временной
области (сигнал свернут с импульсной характеристикой), то сигнал может быть
отфильтрован путем вычисления его свертки с импульсной характеристикой фильтра.
Задача фильтрации с использованием КИХ-фильтра является в точности таким
процессом. Так как мы имеем дело с дискретной системой, сигнал и импульсная
характеристика квантуются по времени и амплитуде, давая в результате набор
дискретных отсчетов. Дискретные отсчеты, включающие желаемую импульсную
характеристику, являются коэффициентами КИХ-фильтра.
Математический аппарат, применяемый при проектировании фильтров (аналоговых
или цифровых), в основном базируется на преобразованиях Фурье. В непрерывных
по времени системах в качестве обобщенного преобразования Фурье может
рассматриваться преобразование Лапласа. Подобным способом можно обобщить
преобразование Фурье для дискретных по времени систем, и результат такого
обобщения известен как z-преобразование. Детальное описание использования z-
преобразования при проектировании цифровых фильтров можно найти в литературе,
хотя для понимания дальнейшего материала и нет необходимости в глубоких
теоретических изысканиях.
Проектирование
КИХ-фильтра по методу
sin(х)/х со взвешиванием
Частотная
характеристика идеального ФНЧ
Импульсная
характеристика идеального ФНЧ
Усеченная
импульсная характеристика
1
0
(А)
sin х
(sine функция)
• ••
f
• ••
Оконная
весовая
функция
Взвешенная
импульсная характеристика
N
Окончательная частотная
характеристика фильтра
1
Рис. 6.19. Проектирование КИХ-фильтра по методу
sin(x)/х со взвешиванием (windowed-sine)
Частотная характеристика идеального ФНЧ представлена на рис. 6.19, А.
Соответствующая импульсная характеристика во временной области представлена на
рис. 6.19, В и является функцией sin (x)/x (sine) . Если для реализации этой
частотной характеристики использовать КИХ-фильтр, то он должен иметь
бесконечное число звеньев. Метод sin(х)/х со взвешиванием заключается в следующем.
Сначала импульсная характеристика обрезается до разумного числа точек N, как
на рис. 6.19, С. Как было обсуждено ранее, частотная характеристика,
соответствующая рис. 6.19, С, имеет слишком большое влияние боковых лепестков из-за
разрывов в области конечных точек в усеченной импульсной характеристике.
Следующий шаг в процессе проектирования состоит в применении к усеченному
импульсу соответствующей весовой функции, как показано на рис. 6.19, D,
обнуляющей конечные точки. Выбранная таким образом весовая функция определяет
спад и характеристики боковых лепестков фильтра. Весовые оконные функции были
подробно обсуждены выше. Как правило, существует несколько приемлемых
вариантов в зависимости от желаемой частотной характеристики. Частотная
характеристика фильтра с усеченной импульсной характеристикой sin(х)/х (рис.6.19, Е)
представлена на рис.6.19, F.
Проектирование
КИХ-фильтра по методу
рядов Фурье
со взвешиванием
Метод рядов Фурье со взвешиванием (рис. 6.20) заключается в начальном
математическом определении функции передачи H(f) и последующем разложении ее в
ряд Фурье. Коэффициенты ряда Фурье определяют импульсную характеристику и,
следовательно, коэффициенты КИХ-фильтра. Затем импульсная характеристика
должна быть усечена и подвергнута взвешиванию с использованием оконной
функции, как в предыдущем случае. После усечения и применения оконной функции
используется БПФ для генерации соответствующей частотной характеристики.
Частотная характеристика может быть изменена выбором различных оконных функций,
хотя точное управление характеристиками частотной характеристики в полосе ре-
жекции затруднено при любом методе, использующем взвешивание с функцией окна.
■ Точное определение передаточной характеристики H(f)
■ Раложение H(f) в ряд Фурье: коэффициенты ряда Фурье являются
коэффициентами КИХ-фильтра h(k) и его импульсной характеристикой
■ Усечение импульсной характеристики до N точек
■ Взвешивание h(k) с соответствующей оконной функцией
для сглаживания эффекта усечения
■ Отсутствует точное управление частотой среза; сильная зависимость
от оконной функции
Рис. 6.20. Проектирование КИХ-фильтра по методу рядов
Фурье со взвешиванием
Проектирование
КИХ-фильтра по методу
частотной дискретизации
Этот метод чрезвычайно полезен при генерации КИХ-фильтра с произвольной
частотной характеристикой. H(f) определяется как набор точек амплитудной и
фазовой характеристик в частотной области. Затем точки преобразуются в веще-
ственные и мнимые составляющие комплексного спектра. Следующим шагом является
получение импульсной характеристики путем взятия комплексного обратного БПФ
от частотной характеристики. Далее импульсная характеристика обрезается до N
точек и применяется взвешивание с функцией окна для минимизации эффекта
усечения. Затем результат проектирования фильтра должен быть проверен путем
вычисления БПФ от импульсной характеристики и оценки получившейся частотной
характеристики. Для получения желаемой характеристики может потребоваться
несколько итераций.
■ Определение Н(к) как конечного числа спектральных точек,
равномерно распределенных между 0 и 0,5 fs (обычно достаточно 512)
■ Определение фазовых точек (можно делать равными 0)
■ Преобразование в алгебраическую форму (вещ. + мнимая части)
■ Комплексное обратное БПФ массива H(f) для получения импульсной
характеристики
■ Усечение импульсной характеристики до N точек
■ Взвешивание h(k) с подходящей функцией окна для сглаживания
эффектов усечения
■ Проверка результата и при необходимости коррекция
■ Методы САПР больше подходят для ФНЧ, ФВЧ, полосовых и
режекторных фильтров
Рис. 6.21. Метод частотной дискретизации для КИХ-
фильтра с произвольной частотной характеристикой
Проектирование КИХ-фильтров с
использованием программы
Паркса-Макклиллана
Метод проектирования, основанный на использовании окон для усечения
импульсной характеристики и получения желаемой частотной характеристики,
исторически был первым методом проектирования КИХ-фильтров. Метод частотной
дискретизации был разработан в 70-ых годах и до сих пор популярен в тех случаях,
где частотная характеристика является произвольной функцией.
Сегодня доступны современные программы САПР, которые существенно упрощают
проектирование НЧ, ВЧ, полосовых и режекторных КИХ-фильтров. Популярная
программа была разработана Парксом (Parks) и Макклилланом (McClellan) и
использует алгоритм обмена Ремеза (Remez). Проектирование фильтра начинается с
определения параметров, представленных на рис. 6.22: неравномерности полосы
пропускания, неравномерности полосы задержки (то же, что ослабление) и
области перехода. Для этого примера проектирования была использована программа
QED1000 фирмы Momentum Data Systems (демонстрационная версия свободно
доступна по адресу http://www.mds.com).
В этом примере мы будем проектировать звуковой НЧ фильтр, который работает
при частоте дискретизации 44,1 кГц. Фильтр определен согласно рис. 6.22.
Граничная частота полосы пропускания составляет 18 кГц. Полоса задержки
начинается при 21 кГц, неравномерность полосы пропускания равна 0,01 дБ, а
неравномерность полосы задержки (ослабление) - 96 дБ. Мы также должны определить
длину слова (разрядность) коэффициентов, которая в данном случае составляет
16 разрядов, принимая во внимание, что используется 16-разрядный процессор
DSP с фиксированной точкой.
|Усиление|
51 = неравномерность в полосе пропускания
Частота окончания
полосы пропускания
О
Коэффициент
неравномерности =
f Частота начала
с
полосы задержки
52= Неравномерность в
полосе задержки
(ослабление)
WT
Частота
Рис. 6.22. САПР-методы проектирования КИХ-фильтров:
программа Паркса-Макклиллана с алгоритмом Ремеза
Тип фильтра:
♦
НЧ
♦
♦
♦
♦
♦
вч
полосовой
режекторный
Дифференциатор
Мультичастотный
Частота дискретизации: 44 100 Гц
Частота полосы пропускания: 18 000 Гц
Частота полосы задержки: 21 000 Гц
Неравномерность полосы пропускания :| 0,01 дБ
Неравномерность полосе задержки
96 дБ
Длина слова : 16 бит
Рис. 6.23. Входные данные для программы
проектирования ких-фильтров с фиксированной неравномерностью
полосы пропускания полосы задержки
Программа позволяет нам выбирать между проектированием, основанным на
взвешивании с использованием оконных функций, и проектированием КИХ-фильтров с
фиксированной неравномерностью Паркса-Макклиллана. Если выбрать последний
способ, то программа оценивает число звеньев фильтра, требуемое для его
реализации с соблюдением сформулированных технических требований. В данном
случае число звеньев равно 69. Можно принять это число и продолжить проектирова-
ние или уменьшить число звеньев и посмотреть, можно ли с меньшим числом
достичь требуемой спецификации.
Оценка требуемого порядка фильтра:) 69
♦ Принять? Изменить?! Принять^
Частотная характеристика (линейная и логарифмическая
шкалы)
Реакция на ступенчатое воздействие
Анализ в S- и Z- плоскостях
Импульсная реакция: коэффициенты фильтра
(квантованные)
Ассемблерный код DSP процессора для КИХ-фильтра
Рис. 6.24. Выходные данные программы проектирования КИХ-фильтра
Примем это значение и дадим возможность программе закончить вычисления.
Программа выдает частотную характеристику (рис. 6.25), реакцию фильтра на
ступенчатое воздействие (рис. 6.26), данные анализа в s- и z- плоскостях и
импульсную характеристику (рис. 6.27). Затем программа QED1000 выдает
квантованные коэффициенты фильтра, которые служат исходными данными для программы,
генерирующей реальный ассемблерный код для ряда популярных DSP процессоров,
включая процессоры Analog Devices. Программа обладает достаточной степенью
гибкости и позволяет пользователю выполнять ряд сценариев оптимизации
проектируемого фильтра.
OdB
УСИЛЕНИЕ
-24dB
-48dB
-72dB
-96dB
-120dB
fs = 44
Неравномерность в полосе
пропусканиж 0,01 дБ 18 кГц
!!!!!!!!
j j j j j j j j I
:::::::: Д
!!!!!!!! !1
I II II II [ \\
j [ j [ j [ j L J L
i i i i i i i i i
i i i i i i i i i/
/
If
0 4410 B820 13230 17640 / 22(
1kSPS ЧАСТОТА (Гц) / 1
,1 кг>кь 21 кГц
Courtesy Momentum Data Systems
a
96 дБ
1
'
)50
2
Рис. 6.25. Пример проектирования КИХ-фильтра: частотная характеристика
КИХ-фильтр с 69 звеньями требует 69+5=74 командных цикла процессора ADSP-
2189М быстродействием 75MIPS, дает полное время вычисления на отсчет 74*13,3
нс = 984 не. Интервал дискретизации равен 1/44,1 кГц или 22,7 мкс. Это дает
22,7 мкс - 0,984 мкс = 21,7 мкс для различных дополнительных операций и
реализации других алгоритмов.
Вследствие избыточности вычислительной мощности процессора в данном случае
появляется целый ряд возможностей, которые включают использование более
медленного процессора для этого приложения (3,3 MIPS), реализацию более сложного
фильтра, который требует большего времени вычисления (до N = 1700) или
увеличения частоты дискретизации до 1 MSPS.
2.00
АМПЛИТУДА
1.50
1.00
0.50
0
0 .3084 .6168v V .9252 1.234 1.542
ВРЕМЯ (мс)
Courtesy Momentum Data Systems
Рис. 6.26. Пример проектирования КИХ-фильтра: реакция
на ступенчатое воздействие
.875
АМПЛИТУДА
.437
0
-.437
-875
: : :
| | |
! _ _ „1 л л pi А П
: ■ - г^^Vv
1 i
L...J
П Л 'г\ л л U
V Ч ,
N - 69
0 .3084 .6168 .9252 1.234 1.5
ВРЕМЯ (МС)
Courtesy Momentum Data Systems
42
Рис. 6.27. Пример проектирования КИХ-фильтра:
импульсная характеристика (коэффициенты фильтра)
■ Частота дискретизации fs = 44,1 kSPS
■ Интервал дискретизации = 1 / fs = 22,7 мкс
■ Порядок фильтра, N = 69
■ Количество требуемых команд = N + 5 = 74
■ Процессорное время на команду = 13,3 не (75 MIPS)
(ADSP-2189M)
■ Общее время обработки = 74 х 13,3 не = 984 не
■ Общее время обработки < интервала дискретизации и
22,7 мкс - 0,984 мкс = 21,7 мкс запас для других операций
4 Увеличение частоты дискретизации до 1 МГц
4 Использование более медленного процессора ЦОС
(3,3 MIPS)
4 Увеличение порядка фильтра (до N = 1700)
Рис. 6.28. Пример проектирования с использованием ADSP-
2189М: процессорное время для КИХ-фильтра 69 порядка
Проектирование ВЧ,
полосовых и режекторных
фильтров на основе НЧ фильтров
■ Метод инверсии спектра:
4 Проектируем ФНЧ (линейная фаза, нечетное N)
4 Изменяем знак каждого коэффициента в импульсной
характеристике h(n)
4 Прибавляем 1 к коэффициенту в центре симметрии h(n)
■ Метод реверсирования спектра:
4 Проектируем ФНЧ
4 Изменяем знак каждого второго коэффициента
в импульсной характеристике h(n)
4 Это переворачивает характеристику в частотной области
слева направо:
Значение по частоте, соответствующее 0, становится
соответствующим 0,5; 0,5 становится соответствующим 0;
т.е. если частота среза ФНЧ равна 0,2, то частота среза
результирующего ФВЧ равна 0,3
Рис. 6.29. Проектирование ВЧ фильтра с использованием
импульсной характеристики НЧ фильтра
Преобразование спроектированной импульсной характеристики НЧ фильтра в
импульсную характеристику ВЧ фильтра может быть выполнено одним из двух
способов . По методу инверсии спектра знак каждого коэффициента фильтра в
импульсной характеристике НЧ фильтра изменяется на противоположный. Затем к
центральному коэффициенту прибавляется 1. Но методу реверсирования спектра
изменяется знак каждого второго коэффициента. Это приводит к изменению характери-
стик в частотной области. Другими словами, если частота среза НЧ фильтра
равна 0,2*fs, то результирующий ВЧ фильтр будет иметь частоту среза 0,5*fs -
0,2*fs = 0,3*fs. Это должно приниматься во внимание при проектировании
исходного НЧ фильтра.
Полосовой и режекторный фильтры можно спроектировать, комбинируя надлежащим
образом соответствующие НЧ и ВЧ фильтры. Полосовые фильтры проектируются
посредством каскадного соединения НЧ и ВЧ фильтров. Вычисляя свертку двух
индивидуальных импульсных характеристик, получают эквивалентную импульсную
характеристику каскадных фильтров.
Режекторный фильтр проектируется посредством параллельного подключения НЧ и
ВЧ фильтров и суммирования сигналов с их выходов. Суммируя индивидуальные
импульсные характеристики, получают эквивалентную импульсную характеристику.
х(п)
р
х(п)
' h^k) ■
>
ФНЧ
► h^k)
► h2(k)
\
—
1
h2(k)
/
у(п) х(п)
► ►
h^k)*^)
У(п)
►
/ V Ж = свертка
ФВЧ ПФ
/ ФВЧ
Vr\ х(п)
X —► v(n) ►
\^J УУ"1
/
\ ФНЧ
h^ + h^k)
\ / Режекторный
У(п)
►
i
Рис. 6.30. Проектирование полосовых и режекторных
фильтров с использованием ФНЧ и ФВЧ
Фильтры с бесконечной
импульсной
характеристикой (БИХ)
Как было упомянуто ранее, КИХ-фильтры не имеют реальных аналоговых
эквивалентов . Самой близкой аналогией является фильтр скользящего среднего с
взвешиванием. Кроме того, частотные характеристики КИХ-фильтров имеют только нули
и не имеют полюсов. С другой стороны, БИХ-фильтры имеют традиционные
аналоговые эквиваленты (фильтры Баттерворта, Чебышева, эллиптический и Бесселя) и
могут быть проанализированы и синтезированы с использованием традиционных
методов проектирования фильтров.
БИХ-фильтры получили такое название, потому что их импульсные
характеристики растянуты на бесконечном временном интервале. Это объясняется тем, что
данные фильтры являются рекурсивными, то есть, используют обратную связь.
Хотя БИХ-фильтры могут быть реализованы с меньшим, чем КИХ-фильтры, количеством
вычислений, БИХ-фильтры не могут иметь таких характеристик, которыми обладают
КИХ-фильтры. Более того, БИХ-фильтр не имеет линейной фазовой характеристики.
Но вычислительные преимущества БИХ-фильтра теряются, когда выходной сигнал
фильтра подвергается децимации, поскольку в этом случае всякий раз приходится
вычислять заново значение выходной величины.
БИХ-фильтры обычно реализуются с помощью звеньев второго порядка, которые
называются биквадратными фильтрами, потому что описываются биквадратными
уравнениями в z-области. Фильтры высокого порядка проектируют, используя
каскадирование биквадратных звеньев. Например, фильтр шестого порядка требует
трех биквадратных звеньев.
Имеют обратную связь (рекурсия)
Импульсная характеристика имеет бесконечную длительность
Потенциально нестабильны
Нелинейная фазочастотная характеристика
Более эффективны, чем КИХ-фильтры
Нет вычислительных преимуществ при децимации по выходу
Обычно проектируется по характеристике аналогового фильтра
Обычно реализуется каскадным соединением звеньев второго
порядка (биквадратные фильтры)
Рис. 6.31. Фильтры с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ)
Структура биквадратного БИХ-фильтра представлена на рис. 6.32. Нули
формируются коэффициентами прямой связи bo, bi и Ъг', а полюса (порядок)
определяются коэффициентами обратной связи al и а2.
х(п)
и ^
-1
Z
Ь2
1 ► ►
У(п)
y(n) = b0x(n) + blX(n-1) + b2x(n-2) - а1У(п-1) - а2у(п-2)
М N
у(п) = 2 bkx(n-k) - L akx(n-k)
k=0 k=1
H(z) =
M
£ bkz_
k=0
N
1 + 2
k=1
a,,z
(нули)
(полюса)
Рис. 6.32. Аппаратная реализация БИХ-фильтра второго
порядка (биквадратного) форма 1
x(n)
У(п)
-1
±
-1
< <-
-> >>
Приводится к такому же уравнению, как для первой прямой формы:
y(n) = b0x(n) + b.,x(n-1) + b2x(n-2) - a^n-1) - a2y(n-2)
Требует только 2 элемента задержки (регистра)
Рис. 6.33. Биквадратный БИХ-фильтр форма 2
- - Ьо _
Х(11) ►
Х(11) >
к
к
л
\
к
К
к
к
-а,
> <
—а»
а2
ь ь.
9 >
-а,
к л
9 *
к
-а2
Т
Z"1
-+-
Z"1
1
V
^
1
f
1
4
9
■ г"1
w
^ ЧР
ь1
►—<
J
?• 1
J
ь,
* я
к
?*
9
к
к
9
9
к
" У1"1
► у(п)
Рис. 6.34. Упрощенная схема биквадратного БИХ-фильтра
Общее уравнение цифрового фильтра, представленное на рис. 6.32, описывает
обобщенную передаточную функцию H(z), которая содержит полиномы и в
числителе, и в знаменателе. Корни знаменателя определяют расположение полюсов фильт-
pa, а корни числителя характеризуют расположение нулей. Хотя существует
возможность создания непосредственно по этому уравнению БИХ-фильтра более
высокого порядка (так называемая прямая реализация), накапливающиеся ошибки
квантования (из-за арифметики с фиксированной точкой и конечной длины слова)
могут вызывать неустойчивость работы фильтра и большие ошибки. По этой причине
правильнее расположить каскадно несколько биквадратных звеньев с
соответствующими коэффициентами, чем использовать прямую форму реализации. Данные при
вычислении биквадратных фильтров могут масштабироваться раздельно, а затем
биквадратные звенья каскадируются для минимизации ошибок квантования
коэффициентов и накапливающихся ошибок рекурсивного накопления. Каскадные
биквадратные фильтры работают более медленно, чем их эквиваленты прямой формы
реализации, но они более устойчивы и в них минимизируются эффекты, связанные с
арифметическими ошибками конечной разрядности данных.
Первая прямая форма биквадратного звена, представленная на рис. 6.32,
требует использования четырех регистров. Эта конфигурация может быть заменена
эквивалентной схемой, представленной на рис. 6.33, которая называется второй
прямой формой реализации и требует использования только двух регистров. Можно
показать, что уравнения, описывающие биквадратный БИХ-фильтр второй прямой
формы реализации, такие же, как и уравнения первой прямой формы реализации.
Как и в случае КИХ-фильтра, система обозначений при изображении БИХ-фильтра
часто упрощается, как показано на рис. 6.34.
Методы
проектирования
БИХ-фильтров
Популярный метод проектирования БИХ-фильтра сводится к тому, что сначала
проектируется эквивалентный аналоговый фильтр, а затем функция передачи H(s)
преобразуется математически в z-область, H(z). Проектирование фильтров более
высоких порядков выполняется каскадированием биквадратных звеньев. Наиболее
популярными аналоговыми фильтрами являются фильтры Баттерворта, Чебышева,
эллиптические и Бесселя (см. рис. 6.35). Существует множество программ САПР,
способных генерировать функцию передачи фильтра, заданную с помощью
преобразования Лапласа.
Фильтр Баттерворта, не имеющий нулей частотной характеристики, (также
называемый фильтром с максимально плоской характеристикой), не создает пульсаций
(неравномерности) в полосе пропускания и в полосе задержки, то есть обладает
монотонной характеристикой в обеих полосах. Фильтр Чебышева 1-го рода имеет
более быстрый спад частотной характеристики, чем фильтр Баттерворта (при
равном порядке), и создает пульсации (неравномерность) в полосе пропускания.
Реже используются фильтры Чебышева 2-го рода, имеющие пульсации
(неравномерность) в полосе задержки, а не в полосе пропускания.
Эллиптический фильтр (фильтр Кауэра) имеет полюса и нули частотной
характеристики и создает пульсации (неравномерность) и в полосе пропускания, и в
полосе задержки. Этот фильтр имеет более быстрый спад частотной характеристики,
чем фильтр Чебышева при том же числе полюсов (порядке). Эллиптический фильтр
часто используется там, где допускается несколько худшая фазовая
характеристика .
Наконец, фильтр Бесселя (Томпсона), который не имеет нулей частотной
характеристики, обладает оптимальной импульсной характеристикой и линейной фазовой
характеристикой, но имеет худший спад частотной характеристики из всех типов
обсуждавшихся фильтров при том же числе полюсов (порядке).
Все вышеперечисленные типы аналоговых фильтров описаны в литературе, их
преобразования по Лапласу H(s) доступны либо из таблиц, либо могут быть полу-
чены с помощью средств САПР. Существует три метода преобразования изображения
по Лапласу в z-изображение: метод инвариантности импульсной характеристики,
билинейное преобразование и согласованное z-преобразование. Результирующее z-
изображение может быть преобразовано в коэффициенты биквадратного БИХ-
фильтра. Эти методы достаточно распространены в математике и в дальнейшем не
будут обсуждаться.
Баттерворта
♦ Нет нулей частотной характеристики, нет пульсаций в полосе
пропускания и задержки
♦ Максимально плоская характеристика (быстрый спад без
пульсаций)
Чебышева 1-го рода
♦ Нет нулей частотной характеристики, пульсации в полосе
пропускания, нет пульсаций в полосе задержки
♦ Более короткая область перехода, чем у фильтра Баттерворта
для данного порядка
♦ Фильтр 2-го рода имеет пульсации в полосе задержки, нет
пульсаций в полосе пропускания
Эллиптический (Кауэра)
♦ Имеет полюса и нули, пульсации и в полосе пропускания, и в
полосе задержки
♦ Более короткая область перехода, чем у фильтра Чебышева
для данного порядка
♦ Фазовая характеристика хуже
Бесселя (Томпсона)
♦ Нет нулей частотной характеристики, нет пульсаций в полосе
пропускания и задержки
♦ Оптимизирован по линейной фазовой и импульсной
характеристикам
♦ Самая длинная переходная характеристика из всех фильтров
данного порядка
Рис. 6.35. Обзор популярных аналоговых фильтров
Подход САПР при проектировании БИХ-фильтра подобен программе Паркса-
Макклиллана, используемой для КИХ-фильтров. Эта методика использует алгоритм
Флетчера-Пауэла (Fletcher-Powell).
При вычислении производительности специального процессора DSP,
предназначенного для реализации БИХ-фильтров, необходимо исследовать эталонные
требования эффективности вычислений для биквадратного звена фильтра. Для получения
выходного отсчета биквадратного фильтра при его реализации на базе семейства
процессоров ADSP-21XX требуется семь командных циклов. Для DSP-процессора
ADSP-2189M, обладающего быстродействием 75 MIPS, это соответствует 7*13,3 не
= 93 не, что дает максимально возможную частоту дискретизации 10 MSPS (в
пренебрежении дополнительными операциями).
Выбор между КИХ-и БИХ-фильтрами может быть своего рода состязанием в
проектировании, но несколько основных руководящих принципов дать можно. Как
правило, БИХ-фильтры более эффективны, чем КИХ-фильтры, потому что они требуют
меньшего количества памяти и меньшего количества операций умножения с
накоплением. БИХ-фильтры могут быть разработаны, основываясь на предыдущем опыте
проектирования аналоговых фильтров. БИХ-фильтры могут приносить проблемы
неустойчивости , но это происходит реже, если проектируемые фильтры высокого
порядка реализуются как системы, состоящие из каскадов второго порядка.
■ Метод инвариантности импульсной характеристики
4 Начинается с определения H(s) для аналогового фильтра
4 Взятие обратного преобразования Лапласа для получения
импульсной характеристики
4 Получение z-преобразования H(z) из дискретной импульсной
характеристики
4 z-преобразование выдает коэффициенты фильтра
4 Должен быть учтен эффект наложения спектров
■ Метод билинейного преобразования
4 Другой метод для преобразования H(s) в H(z)
4 Характеристики определяются дифференциальным уравнением,
описывающим аналоговую систему
4 Не важен эффект наложения спектра
■ Метод согласованного z-преобразования
4 Отображает H(s) в H(z) для фильтров и с полюсами, и с нулями
■ Методы САПР
4 Алгоритм Флетчера-Пауэла
4 Осуществляются каскадированием биквадратных звеньев
Рис. 6.36. Методы проектирования БИХ-фильтров
■ Определение количества биквадратных звеньев, требуемых
для реализации желаемой частотной характеристики
■ Умножение этого количества на время выполнения одного
биквадратного звена для DSP процессора (например,
7 командных циклов х 13,3 не = 93 не для ADSP-2189M при
скорости 75 MIPS)
■ Результат (плюс дополнительные операции) является
минимально допустимым периодом дискретизации (1/fs) для
работы в реальном масштабе времени
Рис. 6.37. Скорость обработки данных при реализации БИХ-фильтров
С другой стороны, КИХ-фильтры требуют большего количества звеньев и,
соответственно, операций умножения с накоплением для реализации частотной
характеристики с заданной частотой среза, но при этом имеют линейную фазовую
характеристику. КИХ-фильтры работают на конечном временном интервале данных,
поэтому, если часть данных испорчена (например, в результате сбоев в работе
АЦП), КИХ-фильтр будет «звенеть» только на временном интервале,
соответствующем N-1 отсчетам. БИХ-фильтр, из-за наличия обратной связи, будет «звенеть»
значительно более длительный период времени.
Если необходимы фильтры с крутым спадом и испытывается дефицит во времени,
отведенном для обработки, хорошим выбором являются эллиптические БИХ-фильтры.
Если число операций умножения с накоплением не является чрезмерным и
требуется линейная фаза, то должен быть выбран КИХ-фильтр.
БИХ-фильтры
Более эффективны
Есть аналоговый эквивалент
Могут быть нестабильными
Нелинейная фазовая
характеристика
Больше «звон» при наличии
ложных сигналов
Доступны средства САПР
Децимация не влияет на
эффективность
КИХ-фильтры
Менее эффективны
Нет аналогового эквивалента
Всегда стабильные
Линейная фазовая характеристика
Меньше «звон» при наличии
ложных сигналов
Доступны средства САПР
Децимация увеличивает
эффективность
Рис. 6.38. Сравнение КИХ и БИХ фильтров
Фильтры с изменяемой
частотой дискретизации
Существует множество приложений, требующих изменения эффективной частоты
дискретизации дискретной системы. Во многих случаях это требование может быть
удовлетворено простым изменением частоты дискретизации АЦП или ЦАП. Однако
часто желательно выполнить преобразование частоты дискретизации после того,
как сигнал был оцифрован. Наиболее общими методами такого преобразования
являются децимация (уменьшение частоты дискретизации с коэффициентом М) и
интерполяция (увеличение частоты дискретизации с коэффициентом L). Коэффициенты
децимации и интерполяции (М и L) обычно являются целыми числами. В более
общем случае может потребоваться дискретизация с дробным коэффициентом. В
частности, для преобразования частоты дискретизации 44,1 кГц, используемой в
проигрывателях компакт-дисков, в частоту дискретизации 48 кГц, используемую в
цифровой звукозаписи в формате DAT, осуществляется интерполяция с
коэффициентом L=160, сопровождаемая децимацией с коэффициентом М=147.
Концепция децимации проиллюстрирована на рис. 6.39. Верхняя диаграмма
показывает исходный сигнал с полосой fа, который дискретизирован с частотой fs.
Диаграмма, содержащая соответствующий спектр, показывает, что частота
дискретизации значительно превышает частоту, требуемую для сохранения информации,
содержащейся в полосе fa, то есть сигнал с полосой fa является избыточно дис-
кретизированным сигналом. Обратите внимание, что полоса между частотами fa и
fs-fa, не содержит никакой полезной информации. Нижняя диаграмма показывает
тот же самый сигнал, но частота дискретизации его уменьшена с коэффициентом
М. Несмотря на сниженную частоту дискретизации, эффект наложения спектров
отсутствует и потерь информации нет. Децимация с большим коэффициентом, чем
показано на рис. 6.39, вызовет наложение спектров.
А) ИСХОДНЫЙ ИЗБЫТОЧНО
ДИСКРЕТИЗИРОВАННЫЙ СИГНАЛ
тН h
В) СИГНАЛ ПОСЛЕ ДЕЦИМАЦИИ
С КОЭФФИЦИЕНТОМ М
1
'с
2М М
's
2
• ••
fs^a fs f
Рис. 6.39. Децимация дискретного сигнала с коэффициентом М
Рис. 6.40, А показывает процесс децимации выходного сигнала КИХ-фильтра.
Данные у(п) с выхода фильтра сохраняются в регистре данных, который стробиру-
ется с частотой fs/M, соответствующей частоте дискретизации после децимации.
В данном случае децимация не изменяет объема вычислений, требуемых для
реализации цифрового фильтра, то есть фильтр должен вычислять каждый выходной
отсчет у (п) .
х(п)
—i
А) нет изменений в требуемом объеме вычислений
>-
г
Z"1
h
(1)1
г.
^
1
г
х(п)
—1
h(
1-
3) требу (
1ропорц
Z"1
г
z-1
h(2
Г
S Г-
у—
г
z-1
h(N-1
)'
Такт = -^~
г
i) W W
змый
ионал
объем в
ьно коэ
г"1
ЫЧИС1
ффиц
V—
пений ук
иенту М
Z"1
yinj
1еньшаетс!
IVI
Регистр
данных
ц
y(m) i M
N регистров данных
ОГ
h(1)'
г.
\б
Щ2У
S ?.
t)
^
h(N-1)'
S г.
J
^
г
i)
f
4ТаКТ= М
4 т
y(m) I M
Рис. 6.40. Децимация, совмещенная с КИХ-фильтрацией
На рис. 6.40, В представлен метод, который может использоваться для
увеличения с коэффициентом М вычислительной эффективности КИХ-фильтра. Данные из
регистров задержки сохраняются в N регистрах данных, которые стробируются
частотой, соответствующей частоте дискретизации после децимации fs/M.
Операции умножения с накоплением в КИХ-фильтре теперь должны выполняться только в
каждом М-ом тактовом цикле. Этот выигрыш в эффективности может быть
использован для реализации фильтра с большим количеством звеньев и для проведения
дополнительных вычислений. Данный выигрыш позволяет, также, использовать более
медленный и дешевый процессор DSP.
На рис. 6.41 представлена концепция интерполяции. Исходный сигнал на рис.
6.41, А дискретизирован с частотой fs. На рис. 6.41, В частота дискретизации
увеличена с коэффициентом L и добавлены нули для заполнения дополнительных
отсчетов. Сигнал с добавленными нулями пропускают через фильтр интерполяции,
который формирует дополнительные данные в точках, ранее заполненных нулями.
ИСХОДНЫЙ "*'*.. „-'"'
А) ДИСКРЕТИЗИ- """ \ у Частота
РОВАННЫЙ СИГНАЛ Ч"Т'' дискретизации = fs
СИГНАЛ С "*ч»
В) ДОБАВЛЕННЫМИ
НУЛЯМИ
СИГНАЛ ПОСЛЕ * ^
С) ИНТЕПОЛЯЦИОН-
НОГО ФИЛЬТРА
у
S
*--.-.-*'
1
У-<
►'
■s
ч
V
\
ч
\
ч
ч
t
t
V ,'■ Частота
дискретизации = Lfs
кЛ Y-
Рис. 6.41. Интерполяция сигнала с коэффициентом L
Иллюстрацию эффекта интерполяции в частотной области представляет рис.
6.42. Исходный сигнал, дискретизированный с частотой fs, показан на рис.
6.42, А. На рис. 6.42, В интерполированный сигнал имеет частоту дискретизации
Lfs. Примером использования интерполяции является ЦАП проигрывателя компакт-
дисков, где данные генерируются с частотой 44,1 кГц. Если эти данные, спектр
которых показан на рис. 6.42, А, поступают непосредственно на ЦАП, то
требования, предъявляемые к ФНЧ на выходе ЦАП, чрезвычайно высоки. Обычно
используется интерполирующий ЦАП с избыточной дискретизацией, дающий спектр,
показанный на рис.6.42, В. Обратите внимание на упрощение требований к
аналоговому ФНЧ. Это важно для реализации фильтра с относительно линейной фазовой
характеристикой и для сокращения стоимости фильтра.
исходный сигнал
т
h-H '
СИГНАЛ ПОСЛЕ ИНТЕРПОЛЯЦИИ С
КОЭФФИЦИЕНТОМ L
ТТ V
тН К-
2
Lfe f
Рис. 6.42. Эффект интерполяции в частотной области
Цифровая реализация интерполяции представлена на рис. 6.43. Исходный сигнал
х(п) сначала пропускают через экспандер частоты, который увеличивает частоту
дискретизации с коэффициентом L и вставляет дополнительные нули. Затем данные
проходят через интерполяционный фильтр, который сглаживает данные и
интерполирует промежуточные значения между исходными точками данных. Эффективность
этого фильтра можно улучшить, используя алгоритм фильтрации, в котором
входные отсчеты с нулевым значением не требуют операций умножения с накоплением.
Использование DSP-процессора, поддерживающего циклические буферы и циклы,
реализуемые без дополнительных операций проверки условия завершения цикла,
также улучшает эффективность реализации фильтров.
Такт, частота = Lf,
Интерполяционный фильтр
z"' —1
h(N-1)
^ y(m)tl_
Экспандер частоты
увеличивает частоту
отсчетов и вставляет
нули
Эффективные алгоритмы ЦОС используют:
■ Умножение на О
■ Циклические буферы
■ Реализацию циклов с автоматической проверкой условий
Рис. 6.43. Типичная реализация интерполяции
Интерполяторы и дециматоры могут совместно использоваться для выполнения
преобразования частоты дискретизации с дробным коэффициентом, как показано на
рис. 6.44. Сначала входной сигнал х(п) интерполируется с коэффициентом L, а
затем подвергается децимации с коэффициентом М. Результирующая выходная
частота дискретизации равна Lfs/M. Чтобы сохранить максимально возможную полосу
частот в сигнале, являющемся промежуточным результатом, интерполяция должна
быть осуществлена перед децимацией. В противном случае часть полосы исходного
сигнала была бы отфильтрована дециматором.
ИНТЕРПОЛЯТОР \ / ДЕЦИМАТОР
х(п)
Tl
h'(k)
h"(k)
4м
y(m)
Выходная частота
дискретизации = -гт- fs
х(п)
Tl
h(k)
4-м
y(m)
■ Пример: преобразование частоты дискретизации CD = 44,1 кГц
в частоту дискретизации DAT = 48,0 кГц
■ используем L = 160, М = 147
■ fout =^=ШХ 44'1 КГЦ = 48'° КГЦ
■ AD189X - семейство преобразователей частоты дискретизации
Рис. 6.44. Конверторы частоты дискретизации
Характерным примером является преобразование частоты дискретизации
проигрывателя компакт-дисков, которая равна 44,1 кГц, в частоту дискретизации,
используемую при цифровой звукозаписи в формате DAT, которая равна 48,0 кГц.
Коэффициент интерполяции при этом равен 160, а коэффициент децимации - 147.
На практике, интерполяционный фильтр h'(k) и прореживающий фильтр h"(k)
объединяются в один фильтр h(k).
Полная функция преобразования частоты дискретизации интегрирована в
микросхемах семейства AD1890, AD1891, AD1892, и AD1893, которые работают на
частотах от 8 кГц до 56 кГц (48 кГц для AD1892) . Новая модель AD1896 работает на
частотах до 196 кГц.
Адаптивные фильтры
В отличие от аналоговых фильтров, характеристики цифровых фильтров могут
быть легко изменены путем изменения коэффициентов. Это делает цифровые
фильтры привлекательными в коммуникационных приложениях, таких как адаптивный эк-
валайзинг, компенсация эха, подавление шума, анализ и синтез речи и т.д.
Основная идея адаптивной фильтрации представлена на рис. 6.45. Ее цель состоит
в том, чтобы так отфильтровать входной сигнал х(п), чтобы он соответствовал
опорному сигналу d(n). Для генерации сигнала ошибки опорный сигнал d(n)
вычитается из фильтруемого сигнала у(п). Сигнал ошибки управляет алгоритмом адап-
тации, который генерирует коэффициенты фильтра, минимизирующие сигнал ошибки.
Наиболее популярными алгоритмами являются метод наименьших квадратов (least-
mean-square) и рекурсивный метод наименьших квадратов (recursive-least-
squares) .
d(n)
Опорный сигнал
х(п)
Входной сигнал
Адаптивный
КИХ-фильтр
N звеньев
У(п)
+
Коэффициенты
фильтра
Алгоритм
адаптации
(LMS, RLS)
Т
" Сигнал
Ошибки
Рис. 6.45. Адаптивный фильтр
ПЕРЕДАВАЕМЫЕ
ДАННЫЕ
О
ПРИНИМАЕМЫЕ
ДАННЫЕ
АДАПТИВНЫЙ
ФИЛЬТР
/'
N
h(k)
АЛГОРИТМ
АДАПТАЦИИ
КОДЕР,
МОДУЛЯТОР,
ФИЛЬТР
ЦАП
ОБУЧАЮЩАЯ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
ДЕКОДЕР,
ДЕМОДУЛЯТОР,
ФИЛЬТР
АЦП
АНАЛОГО
-ВЫЙ
ФИЛЬТР
АНАЛОГО
-ВЫЙ
ФИЛЬТР
''
КАНАЛ
ПЕРЕДАЧИ
Добавляет шум,
амплитудные
и фазовые
искажения
ОШИБКА
о
-4Z
ОБУЧАЮЩАЯ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
Рис. 6.46. Цифровая передача с использованием адаптивного эквалайзинга
На рис. 6.4 6 показано применение адаптивного фильтра для компенсации
эффектов амплитудных и фазовых искажений в канале передачи. Коэффициенты фильтра
определяются в процессе передачи обучающей последовательности, представляющей
известный образец данных. Алгоритм адаптации корректирует коэффициенты
фильтра для получения соответствия между принимаемыми данными и данными обучающей
последовательности. При связи через модем обучающая последовательность
передается после установления первоначального соединения. После передачи
обучающей последовательности коммутаторы переключаются в другую позицию, и
начинается передача реальных данных. В течение этого времени генерируется сигнал
ошибки, равный разности входных и выходных данных адаптивного фильтра.
Сжатие и синтез речи также подразумевают активное использование адаптивной
фильтрации для уменьшения требуемых объемов передачи данных. Модель системы
линейного кодирования с предсказанием (linear predictive coding, LPC),
представленная на рис. 6.47 моделирует голосовой тракт, как импульсный генератор
переменной частоты для гласных звуков и генератор случайного шума для
согласных звуков. Сигнал от этих генераторов подается на цифровой фильтр, который,
в свою очередь, генерирует реальный звуковой сигнал.
ГОРТАНЬ
(ГОЛОСОВЫЕ
СВЯЗКИ)
Сигнал
возбуждения
ГЕНЕРАТОР
ИМПУЛЬСНОЙ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
ГЕНЕРАТОР
СЛУЧАЙНОГО
ШУМА
ГЛОТКА
НОС
J~^
НЕБНАЯ
ЗАНАВЕСКА
РОТ
(ЯЗЫК И ГУБЫ)
Гласные
Согласные
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ЦИФРОВОЙ
ФИЛЬТР
УСИЛ.
Рис. 6.47. Модель линейного кодирования с
предсказанием (linear predictive coding, LPC)
На рис. 6.48 дан пример применения линейного кодирования с предсказанием
(LPC) в системе мобильной связи GSM. Входной голосовой сигнал оцифровывается
16-разрядным АЦП с частотой дискретизации 8 kSPS. Этим создается поток данных
со скоростью 128 kBPS, слишком высокой для непосредственной передачи. DSP-
процессор на передающем конце использует LPC-алгоритм для того, чтобы разбить
передаваемый сигнал на набор коэффициентов фильтра и сигнал возбуждения.
Такое кодирование проводится в интервал сигнала 20 мс, который считается
оптимальной для большинства голосовых приложений. Реальная скорость передачи
данных составляет всего 2,4 kBPS, что соответствует коэффициенту сжатия 53,3.
Принимающий DSP-процессор использует LPC-модель для восстановления речи из
принятых коэффициентов фильтра и сигнала возбуждения. В результате выходные
данные поступают со скоростью 128 kBPS на 16-разрядный ЦАП для окончательного
восстановления голосового сигнала.
fs=8kSPS
Входной
голосовой
сигнал
16-разр.
АЦП
/
128kBPS
fs=8kSPS
Выходной
голосовой
сигнал
•4
128kBPS
Передающая DSP-система
Предыскажение
Взвешивание
(20 мс)
Коэффициенты
и тембры
Принимающая DSP-система
2,4 kBPS
s(n) = 2 aks(n-k)+ G •x(n)
k = 1
\ / \ / V^/V^/
Выходной Фильтр Усил. Возбуждение
сигнал
Коэффициент сжатия данных = 53,3
Рис. 6.48. Компандер речи на основе линейного кодирования с предсказанием
Цифровые фильтры, используемые в приложениях линейного кодирования речи с
предсказанием, могут быть либо КИХ-, либо БИХ-фильтрами, хотя БИХ-фильтры без
нулей частотной характеристики используются наиболее широко. И КИХ- и БИХ-
фильтры могут быть реализованы в виде лестничной структур, как показано на
рис. 6.4 9 для рекурсивного фильтра без нулей частотной характеристики. Данная
структура может быть выведена из традиционной структуры БИХ-фильтра, но
преимущество лестничного фильтра состоит в том, что его коэффициенты более
связаны с результатами работы алгоритмов, которые используют модель голосового
тракта, показанную на рис. 6.47, чем коэффициенты эквивалентного БИХ-фильтра.
СИГНАЛ
ВОЗБУЖДЕНИЯ
Хм(п)
U (П)
u,(n)
„-1
выходной
голосовой СИГНАЛ
У(п)
Рис. 6.49. Решетчатый фильтр без нулей частотной характеристики
Параметры модели лестничного фильтра без нулей частотной характеристики
определяются линейной экстраполяцией голосовых отсчетов, как показано на рис.
6.50. Вследствие нестационарного характера голосовых сигналов, эта модель
применяется только к коротким сегментам (обычно 20 мс). Новый набор
параметров обычно определяется для каждого временного сегмента, если между
сегментами нет разрывов, которые принудительно сглаживают данные.
ГОЛОСОВЫЕ
ОТСЧЕТЫ
г-
я
w
2ГЛ
*К
АДАПТИВНЫЙ
КИХ-ЭКСТРА-
ПОЛЯТОР
i,
л
СИГНАЛ
ОШИБКИ
КОЭФФИЦИЕНТЫ
V
АЛГОРИТМ
АДАПТАЦИИ
Рис. 6.49. Оценивание коэффициентов лестничного
фильтра в передающей DSP-системе
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Майер Р.В.
Одним из эффективных методов изучения технических устройств является метод
компьютерного моделирования [1]. Компьютерные модели проще и удобнее
исследовать, они позволяют имитировать эксперименты, реальная постановка которых
затруднена или может дать непредсказуемый результат. Логичность и формализован-
ность компьютерных моделей помогают выявить основные факторы, определяющие
свойства изучаемых объектов, исследовать отклик системы на изменения ее
параметров и внешних воздействий. Метод компьютерного моделирования предполагает
построение математической модели исследуемого объекта, разработку алгоритма,
написание программы и проведение серии вычислительных экспериментов при
различных параметрах системы, внешних воздействиях и начальных условиях.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА
Рассмотрим измерительный прибор электромагнитной системы, состоящий из двух
постоянных магнитов, цилиндра из магнитомягкого материала, подвижной обмотки,
*
к которой прикреплена стрелка и один конец пружины. Второй конец пружины
прикреплен к корпусу прибора. При подаче на концы обмотки напряжения по ней
течет ток, и со стороны магнитного поля неподвижных магнитов действует
вращающий момент, поворачивающий обмотку со стрелкой и деформирующий пружину. Чтобы
колебания стрелки быстро затухали, используется воздушный демпфер, состоящий
из изогнутого сосуда и поршня. Методом компьютерного моделирования изучим
движение стрелки прибора при подаче постоянного напряжения, прямоугольных
импульсов и т.д.
Математическая модель
Для подвижной обмотки со стрелкой запишем основной закон динамики
вращательного движения:
Is = Мм + Му + МТР = k\i - к2(р - к3а>,
где / - момент инерции подвижной обмотки со стрелкой, S = СО = ф - ее
угловое ускорение, А^д^ = к]1 - вращающий момент магнитных сил, My = — к2<р ~
момент силы упругости, Mjp = —k^CD - момент сил вязкого трения. Если учесть
ЭДС индукции — k\d(p I dt и самоиндукции — Ldi I dt , возникающие во вращающейся
в магнитном поле обмотке по которой течет изменяющийся ток, то из второго
закона Кирхгофа имеем:
_,. т di 1 do , .
Ri + L — + #4 = u(i).
dt dt
Угол поворота стрелки изменяется от 0 до 7112 ; на концах шкалы установлены
ограничители движения. При частично упругом ударе стрелки об ограничитель она
теряет часть своей скорости и отскакивает в противоположную сторону. Учтем
отскакивание стрелки от ограничителей так: если (р < 0 или (р > 711A, то
o)l+L=-ba)lf 6 = 0,8 - коэффициент восстановления при ударе.
Алгоритм и программа
Запишем представленные выше дифференциальные уравнения в конечных
разностях:
st+l = (kli-k2(p-k3(Dt)/I, a)t+1 = a)t+et+1Atl <pt+1 =<p*+a)t+1At,
.t+i = .t | uf - Rif - к4(<р< - ер*'1) / At At
L
Для моделирования используется программа ПР-1. Она содержит цикл по
времени, в котором пересчитываются сила тока в обмотке, действующие моменты сил,
угловые ускорение, скорость и координата подвижной обмотки со стрелкой.
Результаты выводятся на экран в виде графиков (рис. 1).
uses crt, graph; { ПР-1}
const dt=0.0001; Mlner=0.001; R=3; L=0.005; {Free Pascal}
kl=0.01; k2=0.01; k3=0.002; k4=0.1; Mt=100;
var DV, MV: integer; ii,i,t,U,fi,fil,eps,w,Myp,Mel,Mtr: real;
BEGIN DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi');
Repeat t:=t+dt;
If sin(t*2)>0 then U:=3 else U:=0;
{ U:=2*abs(sin(t*4));} {If sin(t)>0 then U:=7*sin(t);}
{ If sin(t*10)>0 then U:=7*sin(t*10) else U:=0.04;}
ii:=(U-R*i-k4*(fi-fil)/dt)/L; i:=i+ii*dt;
Myp:=-kl*fi; Mel:=k2*i; Mtr:=-k3*w;
eps:=(Mel+Myp+Mtr)/Miner; fil:=fi; w:=w+eps*dt
If fi>3.14/2 then begin fi:=3.14/2; w:=-0.8*w;
If fi<0 then begin fi:=0; w:=-0.8*w; end;
circle(10+round(t*Mt),450-round(U*40),1);
circle(10+round(t*Mt),450-round(fi*200),1);
until KeyPressed; CloseGraph;
END.
fi:=fi+w*dt;
end;
Результаты
На рис. 1.1 представлен график затухающих колебаний стрелки при подаче на
подвижную обмотку постоянного напряжения. Если на вход прибора подать
прямоугольные импульсы напряжения низкой частоты, то стрелка будет совершать
вынужденные колебания, изображенные на рис. 1.2. При подаче на вход импульсов
напряжения, получающихся в результате однополупериодного направления, стрелка
прибора совершает колебания, изображенные на рис. 1.3 и 1.4. Можно убедиться,
что амплитуда вынужденных колебаний сильно зависит от соотношения собственной
частоты подвижной обмотки со стрелкой и частоты подаваемого напряжения.
Компьютерная модель позволяет исследовать поведение измерительного прибора при
его различных параметрах и подаваемых напряжениях.
Рис. 1. Колебания стрелки прибора при подаче импульсов напряжения.
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
Для преобразования электрической энергии в механическую часто используют
асинхронный двигатель (АД). Трехфазный АД (рис. 2) состоит из статора,
содержащего три обмотки, повернутые на 2W3, и короткозамкнутого ротора. При
подаче на обмотки трехфазного напряжения возникает вращающееся магнитное поле,
которое индуцирует в роторе индукционные токи и, взаимодействуя с ними,
вызывает вращение ротора.
Рис. 2. Устройство трехфазного асинхронного двигателя.
Математическая модель
Рассмотрим упрощенную модель, в которой не учитывается влияние магнитного
поля ротора на токи в обмотках статора. Внутри статора возникает магнитное
поле с индукцией Bv , вращающееся со скоростью СО^ . Так как угол поворота
ротора равен (р , то угол между вектором магнитного поля статора Bg и нормалью
к виткам обмотки ротора составляет ОС = CO^t — (р . Тогда магнитный поток через
виток ротора площадью Sp равен Ф^> = BgSp COS ОС . В обмотке ротора возникает
ЭДС индукции вц^ = — N^иФj^ /ш . Для обмотки ротора можно записать:
^Rif) = LR-^ + RiR,
at
где LR - индуктивность обмотки ротора. Со стороны магнитного поля статора
на ротор действует вращающий момент М = BgipSpNRS\WOC . Угловое ускорение
ротора равно £ = \М — Mjp — Мц) 11р , где Mjp=A + B(D - тормозящий
момент, действующий на ротор со стороны подшипников, Шц - механическая
нагрузка на валу, 1р - момент инерции ротора. Угловые скорость и ускорение
ротора равны: СО = dip I' dt, £ = did I dt .
Алгоритм и программа
В записанных выше диффуравнениях заменим производные их конечно-разностными
аппроксимациями:
4+1
рХ - J R
eiR ~ LR
^ + Rii+l
J+l
At
t+\
lR
J+i_eiR&t + LRiR
lR -
RAt + LR
а)-- = а)*+е*+1&, (pt+l=(pf +(Dt+lAt.
Программа ПР - 2, моделирующая работу асинхронного двигателя, содержит цикл
по времени, в котором пересчитываются значения тока в обмотке ротора,
мгновенного и среднего значений вращающего момента, угловых ускорений, скоростей
и перемещений ротора в последовательные моменты времени. Магнитное поле
статора движется относительно ротора АД со скоростью (D\ — G>2 i поэтому мгновенный
вращающий момент периодически изменяется с этой частотой.
^0)1}0)2,Мср,Мн
Рис. 3. Работа асинхронного двигателя при изменении нагрузки на валу.
uses crt, graph; {ПР - 2}
const dt=0.0005; 1=0.1; wl=314; Rr=l; {Free Pascal}
Sr=0.0002; Lr=0.007; Nr=200; Mt=10;
var DV,MV,j,k: integer;
ir,t,tl,M,Mn,Mtr,SM,fi,ffi,w2,wsr,eps,Eir,alfa,Fr1,Fr2,Bs
BEGIN DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi'); k:=l;
Repeat t:=t+dt; Bs:=20;
alfa:=wl*t-fi; M:=Nr*ir*Sr*Bs*sin(alfa); Mtr:=0.002*w2;
eps:=(M-Mtr-Mn)/I; w2:=w2+eps*dt; fi:=fi+w2*dt;
Frl:=Fr2; Fr2:=Bs*Sr*cos(alfa); Eir:=-Nr*(Fr2-Frl)/dt;
ir:=(Eir*dt+Lr*ir)/(Rr*dt+Lr);
real;
If t>20 then Mn:=5; if t>30 then Mn:=10;
If t>45 then Mn:=15; inc(k); tl:=tl+dt;
If w2<0 then w2:=0; ffi:=ffi+w2*dt; SM:=SM+M;
If tl>1.5 then begin wsr:=ffi/tl; ffi:=0; tl:=0;
circle(round(Mt*t),450-round(15*SM/k),2); SM:=0; k:=l; end;
circle(round(Mt*t),460,1); {circle(round(Mt*t),4 60-round(l*M),1);}
circle(round(Mt*t),4 60-round(15*Mn),1);
circle(round(Mt*t),4 60-round(l.3*wl),1);
circle(round(Mt*t),4 60-round(l.3*w2),1);
until KeyPressed; CloseGraph;
END.
Результаты
На рис. З показано, как изменяется скорость вращения ротора асинхронного
двигателя и действующий на него средний вращающий момент МГГ1 при ступенча-
том изменении механической нагрузки на валу. При увеличении нагрузки скорость
ср
ротора уменьшается, средний вращающий момент Шсп растет
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ
ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР
Теперь рассмотрим ситуацию, когда вал асинхронного двигателя соединен с
валом синхронного генератора. Генератор состоит из статора с неподвижной
обмоткой и ротора, который вращается под действием механического момента,
создаваемого двигателем.
Математическая модель
Через обмотку вращающегося ротора генератора течет постоянный ток,
возникает вращающееся магнитное поле с индукцией В . Магнитный поток через обмотку
статора равен <3> = BS COS (p , в ней возникает ЭДС индукции Qq = —Ы^иФ I ш ,
где Ng - число витков. Если к обмотке статора подключить нагрузку
сопротивлением R , то потечет ток / . По второму закону Кирхгофа: 6q = iR + Lui I ut .
Этот ток создает магнитное поле статора с индукцией Bg = k\Ni , которое
тормозит ротор генератора (и двигателя), создавая момент
Мн = k2BsSNR sin ср = kNiSNR sin cp .
Алгоритм и
программа
Запишем дифференциальные уравнения в конечных разностях:
,+1 Л7 Фт-ф' /ч .,+1п Tit+1-i* .,+1 еСтД1-Ы'
el+L=-Ns , er(t) = il+LR + L , il+=-^ .
U * At U At RAt + L
Программа ПР-3, моделирующая работу системы "двигатель-генератор" в случае,
когда сопротивление нагрузки генератора ступенчато уменьшается, представлена
ниже.
uses crt, graph; { ПР - 3 }
const dt=0.0005; 1=0.1; wl=314; Rr=l; Lg=0.03; { Free Pascal }
Sr=0.0002; Lr=0.007; Nr=200; Mt=10; k2=2 ;
var DV,MV,j,k,Rn: integer;
ir,t,tl,M,Mn,Mtr,SM,fi,ffi,w2,wsr,eps,Eir,alfa,Fr1,Fr2,Bs,Figl,Fig2,eg,ig
: real ;
BEGIN DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi');
line(0,400,640,400); k:=l; Rn:=5000;
Repeat t:=t+dt; Bs:=20;
alfa:=wl*t-fi; M:=Nr*ir*Sr*Bs*sin(alfa); Mtr:=0.002*w2;
eps:=(M-Mtr-Mn)/I; w2:=w2+eps*dt; fi:=fi+w2*dt;
Frl:=Fr2; Fr2:=Bs*Sr*cos(alfa); Eir:=-Nr*(Fr2-Frl)/dt;
ir: = (Eir*dt+Lr*ir)/(Rr*dt+Lr) ;
If t>15 then Rn:=100; if t>30 then Rn:=10;
Fig2:=Figl; Figl:=10*cos(fi); eg:=(Fig2-Figl)/dt;
ig:=(eg*dt-Lg*ig)/(Rn*dt+Lg); Mn:=k2*ig*sin(fi); inc(k); tl:=tl+dt;
If w2<0 then w2:=0; ffi:=ffi+w2*dt; SM:=SM+M;
If tl>1.5 then begin wsr:=ffi/tl; ffi:=0; tl:=0;
circle(round(Mt*t),400-round(15*SM/k),2); SM:=0; k:=l; end;
circle(round(Mt*t),400-round(3*ig),1);
circle(round(Mt*t),400-round(l*wl),1);
circle(round(Mt*t),400-round(l*w2),1);
until KeyPressed; CloseGraph;
END.
^G)1,a>2,McV,MH
®l(t)
Рис. 4. Моделирование системы "двигатель-генератор".
Результаты
При запуске программы ПР-3 получаются графики, изображенные на рис. 4. В
моменты t^ и ^2 нагрузка генератора ступенчато повышается, что вызывает
увеличение механической нагрузки на валу двигателя. Среднее значение вращающего
момента АД Ш с^ растет, скорость вращения ротора СО^ уменьшается. Сила тока
генератора lit) совершает колебания с частотой вращения его ротора; в моменты
t^ и ^2 ее амплитуда резко увеличивается, так как сопротивление нагрузки R
уменьшается, а ротор по инерции продолжает двигаться с большой скоростью.
Через некоторое время скорость ротора CD снижается, амплитуда тока i{t)
уменьшается .
МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ
В качестве непрерывной замкнутой системы автоматического управления (САУ)
рассмотрим систему автоматического регулирования скорости, состоящую из
двигателя постоянного тока 2, вал которого соединен с тахометром 3, подключенным
к электронному устройству управления 1, регулирующему напряжение на обмотке
якоря U\t). Вал двигателя соединен с управляемым объектом 4. Ток возбуждения,
текущий через обмотку статора, остается неизменным; он создает магнитный
поток Ф = const . Малоинерционный тахометр 3 выдает напряжение,
пропорциональное скорости вращения ротора CD , которое поступает на вход устройства
управления 1. Оно работает так: при отклонении скорости вращения вала от заданной
величины происходит изменение напряжения питания на якоре двигателя U\t) на
величину All в соответствии с определенным законом регулирования. В
результате скорость вращение снова возвращается к заданному значению. Используя метод
компьютерного моделирования, изучим работу этой самоадаптирующейся системы
при изменении механической нагрузки на валу.
Рис. 5. Система автоматического регулирования скорости вращения.
Математическая модель
Запишем второй закон Кирхгофа для цепи якоря двигателя [2, с. 128]:
L — + Ш + ЕЯ= u(t\
dt
где Ejj = К^СОФ = K^CD - противо-ЭДС, возникающая в обмотке якоря вследствие
его вращения, Ф - поток возбуждения, L и R - индуктивность и сопротивление
обмотки якоря, U\t) - напряжение питания. По основному закону динамики
вращательного движения IS = М — Adjp — Мj-[ , где / - момент инерции ротора
двигателя, А/ = А^Ф = Л^/ - вращающий момент, действующий на ротор со стороны
магнитного поля статора, Мрр = К^СО - тормозящий момент, действующий на
ротор со стороны подшипников, Мj-[ \CD) - механическая нагрузка на валу,
£ = и(01 Си и (О — d(p I dt - угловые ускорение и скорость вала. Получаем систему
уравнений:
di _ u(t) - Ri - Kico dco _ K2i - K3a> - MH
dt L dt I
Учесть влияние цепи обратной связи, состоящей из тахометра и устройства
управления, можно, задав закон регулирования. Он может выражаться
зависимостью вида duI dt = ОСуА — (О) , где А - заданное значение угловой скорости.
Если (О < А , du I dt > 0 , то управляющее напряжение U и скорость ротора (О
растут , а если (0> А , то U и (О уменьшаются.
Алгоритм и программа
Заменим производные их конечно-разностными аппроксимациями:
il+=f+ 1-—A/, en =(D +—*" У-At.
L I
Закон регулирования dli I dt = Ос(А — СО) дает U —U + Ос(А — Cd)At .
Используемая программа ПР-4, включает в себя цикл по времени t , в котором пересчитыва-
ются перечисленные выше величины, и строятся соответствующие графики.
uses crt, graph; {ПР-4 }
const dt=0.001; MIner=0.4; R=5; L=0.05; Kl=0.6; K2=0.5; {Free Pascal}
K3=0.02; Mt=10;
var DV, MV : integer; i,t,U,eps,w,M,Mtr,Mn : real;
BEGIN DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi');
Line(0,450,640,450);
Repeat t:=t+dt; Mtr:=K3*w;
If t>2 then U:=100; If t>35 then Mn:=8;
eps:=(Kl*i-Mtr-Mn)/Miner; w:=w+eps*dt;
i:=i+(U-R*i-K2*w)/L*dt;
circle(10+round(t*Mt),450-round(i*15),1);
circle(10+round(t*Mt),450-round(w*2.5),1);
circle(10+round(t*Mt),450-round(Mn*7),1);
until KeyPressed; CloseGraph;
END.
Результаты
Сначала промоделируем работу машины постоянного тока в режиме двигателя и
изучим, как изменяется угловая скорость ротора и ток якоря при включении и
резком увеличении нагрузки. Результаты представлены на рис. 6.1. Видно, что
при включении ток якоря резко возрастает, скорость CD\t) начинает расти. Ко-
гда наступает равенство М = Мj + М^ скорость ротора CD и ток якоря I
достигают своих предельных значений. В момент t\ резко возрастает момент
нагрузки Adj-[ , скорость вращения ротора CD уменьшается, потребляемый ток I растет,
стремясь к новому предельному значению.
Рис. 6. Результаты компьютерного моделирования работы двигателя.
Теперь рассмотрим замкнутую САУ, состоящую из двигателя (МПТ), тахометра,
цепи управления. Пусть закон регулирования напряжения питания двигателя задан
так:
/+1 J
U =<
uf -bh co>A + AA,
uf +b2, cq<A-AA.
Для моделирования этой системы используется программа ПР-5; результаты
представлены на рис. 6.2. Так как при включении системы СО = 0 < А — АА , то
сначала напряжение питания U растет, ток якоря I и его скорость вращения CD
увеличиваются. Когда СО > А — l\A , управляющее напряжение начинает
уменьшаться , уходя в область отрицательных значений. Скорость ротора падает, снова
проскакивая заданное значение А . После двух-трех затухающих колебаний
скорость системы стабилизируется в интервале А±АА. В момент ^2 скачком
увеличивается момент нагрузки на валу, угловая скорость СО резко уменьшается.
Напряжение питания U и ток якоря I растут, затем уменьшаются, совершая
затухающие колебания относительно новых "положений равновесия". Угловая скорость
ротора CD после нескольких колебаний опять стабилизируется в интервале
А±АА.
uses crt, graph; { ПР-5 }
const dt=0.001; MIner=0.5; R=5; L=0.05; {Free Pascal}
Kl=0.8; K2=1.2; K3=0.05; Mt=5; da=0.001;
var DV, MV : integer;
a,dU,i,t,U,eps,w,M,Mtr,Mn : real;
BEGIN DV:=Detect; InitGraph(DV,MV,'c:\bp\bgi');
Line(0,400,640,400); a:=150;
Repeat t:=t+dt; Mtr:=K3*w;
If t>70 then {Mn:=l.l*(t-70);}Mn:=20;
eps:=(Kl*i-Mtr-Mn)/Miner; w:=w+eps*dt;
i:=i+(U-R*i-K2*w)*dt/L;
If w<a-da then dU:={0.002*(a-w);}+0.03;
If w>a+da then dU:={0.02*(a-w);} -0.05;
U:=U+dU;
circle(10+round(t*Mt),400-round(i*3),1);
circle(10+round(t*Mt),400-round(w*l.8),1);
circle(10+round(t*Mt),400-round(Mn*2),1);
until KeyPressed; CloseGraph;
END.
Теперь исследуем функционирование анализируемой САУ в случае, когда закон
регулирования имеет вид: uUI ut = Ъ\А — СО) , то есть напряжения питания
двигателя изменяется пропорционально отклонению СО от заданного значения А . Для
этого в программе ПР-5 необходимо раскомментировать оператор dU:=0.002*(а-
w);. Получающиеся графики представлены на рис. 7.1. Видно, что при резком
изменении момента нагрузки скорость ротора, совершив несколько колебаний,
возвращается к заданному значению А .
oj(t),i(t),MH(t)
co(t),i(t),MH(t)
[2]
co(t)
Рис. 7. Работа системы автоматического регулирования скорости.
Для того, чтобы изучить поведение системы при равномерном увеличении
механической нагрузки на валу -А/^у / следует активизировать оператор: if t>70
then Mn:=l.1*(t-70);. Если при этом мы хотим учесть, что коэффициент О в
законе регулирования для случаев СО < А и СО > А имеет различные значения, то
необходимо раскомментировать операторы: if w<a then dU:=0.002*(a-w); if w>a
then dU:=0.02*(a-w);. В случае, когда коэффициенты неодинаковы, кривые
колебаний i(t) и C0\t) относительно установившихся значений несимметричные (рис.
7.2) .
ЛИТЕРАТУРА
1. Самарский А.А. , Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи.
Методы. Примеры. - М: Физматлит, 2001. - 320 с.
2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического
регулирования. - М.: Наука, 1975. - 768 с.
РЕСТАВРАЦИЯ АНТИКВАРИАТА
Хорев В.Н.
РЕСТАВРАЦИЯ
МУЗЫКАЛЬНЫХ
ИНСТРУМЕНТОВ
Поскольку глава посвящена дереву, мы не станем касаться проблем ремонта
бас-геликонов, корнетов и пионерских горнов, тем более что автор решительно
не представляет себе даже то, как все это изготавливается первоначально.
Вероятно, где-то существуют специальные заведения и населяющие их мастера, но
ни видеть этого, ни слышать о чем-либо похожем мне лично не посчастливилось.
Далее: если владельцу, к примеру, мандолины, не терпится извлекать волшебные
мелодии, было бы глупо орудовать молотком и рубанком самостоятельно — ведь не
беремся же мы резать себе аппендицит или коленную чашечку! Для этого есть
клиники и мастерские, в которых персонал способен отличить глаз от пятки, а
ноту «до» — от «соль». Проблема в том, что здесь, в отличие от буфета,
внешний вид непосредственно связан со звуком, для чего корпуса собираются из
особого дерева, на особом клею и кроются особыми лаками. Утраченные и порченые
элементы тоже не могут быть заменены или сымитированы, исходя из критерия
«заметно — не заметно». В большинстве случаев корпус представляет собой
мембрану или резонатор, его материал и пропорции выверены до миллиметра, так что
всякая случайная деталь обязательно ухудшит, а то и погубит тонкую гармонию
вибраций. Поэтому, решившись приступить к работе, отдавайте себе отчет в
мизерности собственных средств и возможностей. Если же утраты отсутствуют,
общее состояние не заставляет вспоминать о костре, а единственным назначением
лютни или баяна в обозримом будущем станет услаждение взора, но не слуха —
тогда карты в руки.
Реставрация сооружений наподобие фортепьяно ничем не отличается от
реставрации мебели, разве что тщания и аккуратности нужно побольше. В начале своей
карьеры я столкнулся с такой работой и за месяц "сделал" для краеведческого
музея фисгармонию, причем она даже играет (как — не берусь судить), стоит
нажать на педали, раздувающие меха. Смею заверить, ничего нового изобретать не
пришлось: та же циклевка, расчистка и консервация механизма, легкое
лакирование тампоном — и гордость «Музыкального салона» вот уже много лет радует
редких посетителей, а некоторые даже умудряются воровато извлечь какой-нибудь
Заунывный звук.
Однако самые частые пациенты — струнные щипковые: гитары, балалайки, домры
и другие представители хрупкого племени. Им достается и от сырости, и от
буйства владельцев и их отпрысков. Сам-то я не помню, но близкие (а куда они-то
смотрели?) рассказывали, будто в возрасте от трех до пяти лет я предал казни
старинные скрипку и мандолину.
Как бы там ни было, эта работа отличается кое-какой спецификой. Если иную
рухлядь можно и нужно первым делом разобрать на мелкие части, треснувшая дека
гитары вовсе не требует полного расчленения последней. Но встречаются, к
сожалению, предметы, требующие вскрытия. Вот один из примеров: так называемая
цитра (Германия, XIX в.) имела повреждения внутреннего каркаса, несмотря на
всю свою немецкую добротность. Волей-неволей пришлось отделять нижнюю деку.
Кстати, когда есть выбор, верхнюю деку лучше не трогать, так как именно она
воспринимает вибрацию струн и прямо влияет на качество звука.
Были произведены: частичное удаление разрушенного лакового покрытия,
проклейка корпуса (в том числе заполнение трещин эпоксидной смолой), нанесение
свежего лака, замена утраченных струн близкими по диаметру, а также расчистка
и консервация металлических деталей натяжного механизма — самая обыкновенная
работа по металлу (см. выше).
Разумеется, это не музыкальная, а, скажем так, экспозиционная реставрация,
т.е. воссоздание внешнего облика, но не функций.
Иногда вопрос о целесообразности демонтажа просто не возникает, поскольку
«клиент» уже разбит на куски. Так было с несчастной балалайкой, попавшей ко
мне в виде кучи обломков. Воистину, подобная работа — идеал благодарности и
самоудовлетворения, ибо на ваших глазах из ничего восстает утерянный было
навеки предмет, порой достаточно изысканный. В те годы для сборки подобных
вещей я еще не пользовался цианакрилатом, который только появился в продаже, а
широко применял эпоксидку. Ничего плохого в этом нет, кроме значительного
увеличения сроков, так как каждая заливка или пропитка требует до полусуток
выдержки.
Перламутровая инкрустация избушки отсутствовала полностью, и все квадратики
с ромбиками пришлось терпеливо вытачивать, подгонять и вклеивать на место
(конкретно об особенностях работы с перламутром рассказывается далее).
Как ни странно, максимальные неприятности причиняет самый финал работы,
когда наступает пора лакировать очищенное и проклеенное дерево. Откровенно
говоря, мне не удалось найти рецептуру специальных «музыкальных» лаков и
технологию их нанесения, а промышленные мебельные составы не дают характерного
гладкого слоя.
Ряд исследователей склоняются к мнению, что волшебным звучанием старинные
итальянские скрипки работы Страдивари, Гварнери, Амати и т.д., обязаны именно
особому лаку, так что статус проблемы вызывает уважение. Если есть
возможности и желание, попробуйте поэкспериментировать с «янтарным» лаком, который
получается растворением янтаря в спирте, но не забудьте загодя припасти
вразумительную ложь для супруги относительно пропавшего ожерелья или браслета.
Мандолина (начало XX века)
Как уже говорилось, реставрация музыкальных инструментов имеет двойственную
природу, а ход работы зависит от конечной цели — воссоздание только внешнего
облика или всей полноты характеристик, т.е. звучания. Если в первом случае
мастер относительно свободен в подборе материалов и методов вплоть до прямой
имитации утраченных фрагментов, то второй путь предполагает наличие слуха и
музыкальную грамотность. При этом допустимы исключительно традиционные мате-
риалы. Например, для восполнения утрат используется точно такая же древесина,
что на оригинале, причем соизмеримого возраста и качества.
Строго говоря, по-настоящему отреставрировать обветшавший раритет в
состоянии лишь опытный специалист по изготовлению аналогичных предметов. В условиях
домашней мастерской, без обширного инструментария и запаса редких материалов,
недопустимо претендовать на большее, нежели самый поверхностный,
косметический ремонт, не вторгающийся в святая святых звучания.
РЕСТАВРАЦИЯ
ЛАКОВЫХ
ПОКРЫТИЙ
Если не брать в расчет какие-то особые приемы отделки поверхности дерева
типа вощения, то именно лакирование и близкая ему по технике окраска являются
последней операцией в нашем неторопливом деле.
Как уже отмечалось, далеко не всякий лак хорош и не всякий же даст
приемлемый результат, как бы мы ни старались. Так, быстросохнущие нитроцеллюлозные
составы физически невозможно нанести на более или менее обширную поверхность
абсолютно равномерно, не используя распыления. Однако сразу хотелось бы
предостеречь от соблазна применения каких угодно пульверизаторов: после них
остается зернистая пленка, повторяющая фактуру микрокапель лака, очень
своеобразная и узнаваемая. Этого не происходит лишь в одном случае — когда жидкость
наносится настолько обильно и быстро, что образует глубокий слой,
воспринимающий и растворяющий новые поступления. Стоит чуть-чуть сбавить
интенсивность напыления, как лаковые брызги будут застывать сами по себе,
индивидуально. Но далеко не всегда можно заливать вещь таким образом, позволяя
излишкам лака стекать невесть куда. В каждом конкретном случае допустимость и
возможность такого приема должна решаться индивидуально.
Наиболее эстетичную и благородную поверхность дает проверенный веками
способ с тампоном и шеллачной политурой. Вообще-то, политурой можно назвать
любой лак, разведенный до очень жидкой консистенции, однако именно спиртовые
растворы шеллака оказались самыми удобными и эффективными. Нанося слой за
слоем до 40-60 раз, наши деды получали превосходную полировку с дивной
глубиной тона. К сожалению, шеллак чувствителен к влаге и прикосновениям горячих
предметов, оставляющих после себя матовые белесые пятна. Есть методы их
устранения, но полностью побороть зло почти невозможно. Самая простая
рекомендация такого рода — потереть увечное место тряпочкой, смоченной чистым спиртом.
Он частично растворит смолу и вернет ей прозрачность. Разумеется, в музейной
реставрации или тогда, когда вы хотите придать древесине действительно
старинный вид, следует пользоваться исключительно шеллаком. Никакие современные
ухищрения не дадут похожего результата. Здесь только одна трудность: техника
правильного нанесения политуры и ее располировки является настоящим
искусством и требует опыта. Достаточно сказать, что результат сильно зависит от
многих мелких факторов наподобие материала и размеров тампона, количества и вида
растительного масла, которым он слегка смачивается перед увлажнением
политурой (да, именно масла, как ни странно это звучит), крепости спирта, коим был
разведен шеллак, и так далее и тому подобное, включая траектории движения
руки при разгонке «ласов» (т.е. слоев). На данную тему написаны специальные
руководства, так что желающему овладеть традиционной технологией не миновать
читального зала библиотеки.
Если же у вас нет времени и желания тратить неделю-полторы на создание не
вполне стойкой пленки, обратитесь к лакам из славного семейства пентафталевых
(ПФ) или их близких родственников. Все они хороши тем, что легко наносятся и
тампоном, и кистью, причем в обоих случаях достаточно двух-трех слоев. Кета-
ти, однослойным покрытие не может быть НИКОГДА, поскольку первый проход
всегда и всюду является грунтовочным. Обычно лак при этом впитывается, но по
высыхании «поднимает шерсть». И только отшлифовав вздыбленную поверхность, мы
получаем приемлемый полигон для отделочных операций.
Итак, по порядку. Тампон используется тогда, когда мы хотим получить
полуматовое (даже если лак отчаянно глянцевый) ненавязчивое покрытие, без
создания заметного слоя. Тут все просто, но следует помнить несколько моментов:
тампон (некий рыхлый материал вроде ваты или шерсти, обернутый тканью) не
должен быть слишком рыхлым и емким. Солидный клок набивки возьмет много лака
и при легчайшем нажиме выдаст его обильными потеками. Напротив, сухой и
плотный приведет к появлению проплешин. В любом случае все решает опыт и хотя бы
несколько пробных мазков. Лак для работы нужно слегка разбавить уайт-спиритом
(не скипидаром). Скипидар чересчур жесткий, а уайт-спирит (в крайнем случае,
очищенный керосин) мягкий и жирный, а потому дает равномерный мазок. Если
есть необходимость, допустимо дважды пройтись по одному и тому же месту
тотчас, но не позже, поскольку буквально через полминуты лак начнет
схватываться, подлипать, и тампон оставит после себя ребристый ландшафт. Строго говоря,
такая работа близка к живописи акварелью «а ля прима», в одно касание.
Работа кистью кажется элементарной, но это заблуждение. Даже подбор хорошей
кисти — задача вовсе не простая. Слишком мягкая не разгонит лак равномерно, а
грубая щетина наделает продольных борозд. Из опыта могу сказать, что
наилучшим образом зарекомендовали себя плоские (круглые малоприемлемы)
синтетические кисти оранжево-коричневого цвета. Говорят, они из японского волокна и
потому дороги, но цена того стоит. Не берусь судить об их химическом составе,
да это и неинтересно. Гораздо важнее, что каждый волосок плавно истончается к
кончику, делая кисть мягкой, упругой и весьма емкой. К тому же дерзкий
синтетик не боится ни ацетона, ни бензина, ни уайт-спирита, так что с мытьем
инструмента проблем не возникает.
Наносить лак следует быстро и равномерно, позволяя следующим порциям
сливаться с предыдущими. Преимущества составов типа ПФ в том, что они сохнут не
враз, и слой успевает растечься и выровняться сам по себе. Это происходит в
первые 3-5 минут, а окончательно дозревает за несколько часов. Потом в
течение суток лак просто сохнет, но остается эластичным и, так сказать, ранимым
на протяжении месяца. Засим, по мере испарения малолетучих компонентов, он
твердеет окончательно. Но это усредненные интервалы, а химическая
промышленность выпускает слишком разнообразный ассортимент продукции, чтобы можно было
говорить конкретно. Как и в случае с тампоном, нежелательно вторгаться кистью
в уже пройденные пространства — можно наделать неустранимых огрехов. Излишне
также напоминать, что присутствие в воздухе какой бы то ни было пыли
(особенно волокон), тополиного пуха или насекомых совершенно недопустимо. Странно,
но мелкая мошкара типа дрозофил питает какую-то суицидную токсикоманскую
страсть к свежему лаку и жадно садится на его поверхность, исторгая из уст
мастера поток ненормативной лексики. Отсюда вывод: лакировать следует в
закрытом помещении без сквозняков, мух и шмыгающих мимо родственников.
Нитроцеллюлозные лаки схватываются буквально за кистью, и поэтому получить
гладкую поверхность нереально, но в качестве грунтовки или порозаполнителя
они хороши — не надо долго ждать, хотя терпение и есть одна из главных
добродетелей всякого реставратора. А куда деваться? Сплошь и рядом приходится
использовать процессы, ускорить ход которых не только вредно, но и невозможно
физически. Воистину, быстро делаются лишь злые дела!
Иногда лак дополнительно полируют. В прежние времена шеллачное покрытие
полировали естественным образом в силу необходимости. Делалось это с помощью
мягкой ткани, чуть смоченной крепким спиртом. Нынешние лаки обходятся без
этого, однако, мертвая «стеклянная» поверхность не радует, и потому после
полного высыхания (т.е. через несколько дней) по ней следует пройтись
суконкой. Шерсть, обладающая абразивными свойствами, придаст лаку мягкий
шелковистый блеск, слегка приглушив отчаянные блики. Пресловутая «полировка» 70-х
годов XX века отнюдь не была зеркальной сразу после отверждения полиэфирного
слоя. Ее элементарно полировали на больших станках войлочными кругами и
специальными пастами — отдельно плоскости плит, отдельно их торцы и т.д.
Я бы не рекомендовал увлекаться популярными советами натирать деревянную
мебель восковой мастикой, точно паркет. Как уже отмечалось, пчелиный воск
липкий, и вместе с приятным блеском вы получите проблемы с пылью, отпечатками
рук и прочих частей тела. Вообще неясно, для чего выпускают все эти полироли,
так как глянец не нуждается в дополнительном блеске, а фактура непременно
забьется подсохшим составом и станет неопрятной. Впрочем, дело вкуса. Я знавал
людей, которые с гордостью показывали вощеное трюмо, липкое, как карамельный
петушок и тусклое, будто двехвековое стекло в чердачном окошке.
РЕСТАВРАЦИЯ
МЯГКОЙ МЕБЕЛИ
Задача непростая, так как, помимо основы всех этих диванов, кресел и
банкеток, нужно ловко выполнить перетяжку их мягкой седалищной части, а это, между
прочим, особое искусство с набором больших и малых секретов. Здесь требуется
специальный инструмент вроде хитрых широких клещей, шильев, кривых игл с
ушком под шпагат и т.п., а также редкие материалы типа прочной мешковины,
льняного холста, конского волоса, морской травы и разного рода пружин. И это лишь
для создания пространственной несущей структуры, силового каркаса, способного
год за годом выдерживать отнюдь не эфемерные человеческие телеса. Внешний же
декор разнообразен до чрезвычайности и может включать, помимо собственно
чехла, витые шнуры, кисти, бахрому и т.д. Поэтому действительно традиционную
перетяжку, идентичную утраченной, осилит не каждый мастер, даже аккуратный и
опытный. Мелкие же отступления от веками устоявшихся технологий в сумме дадут
скверный результат, т.е. предмет получится, безусловно, мягким, но
бесформенным, и не прослужит долго.
Хуже всего, когда утрачена или проржавела часть оригинальных пружин, так
как добыть близкие им по характеристикам сегодня маловероятно. Если вы горите
желанием восстановить все по уму, отыщите выброшенные диван или матрац,
снимите железо оттуда и замените комплект целиком, в полном составе, вооружась
книгой типа «Ремонт мягкой мебели». Обычно там подробнейшим образом (если
издание старое и добротное) описаны все хитросплетения процесса. Те же, кому
мебельное нутро абсолютно безразлично, могут припасть к сомнительным благам
цивилизации, а именно: вплоть до середины XX века альтернативы доброй
пружинной системе не было, но появление на сцене поролона (он же пенополиуретан) и
вспененной резины (латекса) внесло приятное разнообразие. Хотя,
справедливости ради, стоит заметить, что пружины по сей день недосягаемы с точки зрения
механических характеристик и удобства. Поролоновыми подушками оснащаются
только самые дешевые виды мебели, ибо он недолговечен и, разлагаясь со
временем, принимается потихоньку выделять неполезные химические соединения,
становится липким, теряет упругость и рассыпается в желто-коричневую пыль, что
вообще свойственно полиуретану. По крайней мере, хорошие кровати делаются, как
и сто лет назад, с пружинным матрацем, разумеется, разработанным и
изготовленным на основе самых прогрессивных методов, вплоть до компьютерного
моделирования .
Но каждый баран висит за свою ногу — поролон и латекс нашли пристанище как
материал для причудливых кресел, а также диванных спинок и боковин, поскольку
с их помощью легко создавать самые сложные формы. Здесь материалы из пробирки
незаменимы, а их упомянутая деструктуризация реально маячит в не столь уж
близком будущем. На деле поролон начинает дряхлеть только через 10 или 12 лет
эксплуатации, а до того особых нареканий нет. За резиной подобных
неприятностей вообще не отмечено. Так что, если предусмотреть возможность легкой (не
трогая обивку) замены поролоновой подушки, проблема решается элементарно.
Резюме: коль скоро вы не являетесь фанатиком пружин, с легким сердцем
заменяйте их поролоном, но с обязательным условием возможности его замены без
вреда для предмета. Почему не рекомендуется лишний раз менять обивку,
очевидно: после гвоздей остаются дыры, и три-четыре перетяжки превращают остов
предмета в труху. В том случае, когда заменить несущие конструкции либо их
часть невозможно (или не хочется), советую хорошенько пропитать израненную
поверхность эластичным пластифицированным ПВА, залив все трещины и отверстия.
Эпоксидка здесь не годится, она хрупка и плохо работает на растяжение.
Именно так я поступил с резным дубовым креслом и полукреслом в стиле
«русский ампир1». Поролоновая подушка лежит на жестком листе из 12-мм фанеры,
прикрученном снизу мощными шурупами, что со стороны незаметно. При
необходимости достаточно снять поддон, заменить наполнитель и снова полминуты
поработать отверткой, не прикасаясь к обивке.
Кстати, технический прогресс вложил сегодня в руки мастера дивный
инструмент , какого не имели в старину — пружинный степлер2, который аккуратно бьет
скрепки различного размера с регулируемым усилием. Таким образом, проблема
крепления черновой (внутренней) обивки решается удивительно просто и с
высочайшим качеством. Любой гвоздь прихватывает ткань в одной точке, проделывая в
древесине отверстие диаметром до 1 мм. Скрепка же имеет сечение порядка 0,2-
0,3 мм, крепит сразу две точки плюс спинка, но главное — всаживается одной
рукой , оставляя другую свободной для натяжки и выравнивания ткани. Только тот,
кто ни разу не мучился с гвоздями и мешковиной, вряд ли оценит революционную
прелесть степлера. Вдобавок черновая обивка всегда является несущей, она
отвечает за распределение нагрузки, а равномерно и часто посаженные скобы дают
в этом сто очков вперед любым гвоздям. Древесина способна выдержать до десяти
и более циклов с использованием скрепок.
1 «Домашняя лаборатория» №10 за 2012 г.
2 А еще лучше электрический.
Теперь о конском волосе, морской траве и древесном лыке. Все эти
экзотические вещи объединены полезным свойством: в спутанном виде они образуют
легкий, упругий комок или слой, не теряющий кондиций после сотен и тысяч сжатий-
распрямлений. Независимо от конструкции, размера или художественного стиля,
старые предметы непременно обнаруживают под обивкой тонкие коврики из
упомянутых материалов, проложенные поверх системы пружин и холста, а иногда и в
качестве самостоятельного амортизатора (сиденья и спинки полужестких кресел).
До сих пор не изобретено ничего, что могло бы соперничать с этими дарами
природы по удобству для тела и долговечности. В ряде случаев адекватной замены
вообще нет, не было и вряд ли отыщется. Например, в показанном здесь
замечательном конторском (офисном по-теперешнему) вращающемся кресле были
использованы тонкие, не более полутора сантиметров, матики из конского волоса. Не
уцелей они в первозданном виде, право, не знаю, каких ухищрений стоил бы
поиск чего-то похожего. К слову, чудесный предмет меблировки, выполненный из
превосходного дуба, мог не только вращаться и ездить на колесиках, подобно
своим нынешним пластиковым собратьям, но и качаться взад-вперед на остроумном
рессорном шарнире.
Другое богатое кресло обтянутое синим бархатом, демонстрирует использование
окантовки витым шнуром без применения специальных обивочных гвоздей с
большими латунными или бронзовыми шляпками. Его развороченный подлокотник, похожий
на персонаж анатомического театра, был набит чем-то невразумительным типа
корпии или ветоши, т.е. перед нами отнюдь не оригинальная работа, а плоды
низкопробной реставрации невесть какого периода. Хорошие мастера так не
поступают .
По поводу отсутствия вереницы обивочных гвоздей следует заметить, что это
распространенная техника, но она требует особого рода декоративного шнура или
плетеной тесьмы, разновидностей коих сотни и тысячи, за небольшим
исключением: по закону подлости достать именно то, что нужно, никогда не удается, да и
стоимость подобных красот выходит за рамки разумного. Впрочем, раздобыть
сегодня настоящие гвоздики с латунными или бронзовыми шляпками также
проблематично, и лучший выход — бережно извлечь старые и пустить в дело их.
Ну и, наконец, еще образчик восстановления изрядно пострадавшего одра, где
до того, как заниматься обивкой, реставратору пришлось чинить «скелет» и
восполнять его утраты. Не скажу, что налицо умелая работа, но результат
приемлем . Может, человеку просто мало заплатили?
-V5W
РЕСТАВРАЦИЯ
СОВРЕМЕННЫХ
ИЗДЕЛИЙ
Здесь нужно рассказать о том, что делать в некоторых самых распространенных
случаях, когда несчастье постигло вовсе не комод XVIII века, а полированный
стол или крышку секретера, изготовленную из ДСП. Начнем по порядку.
Сплошь и рядом в быту от тех или иных неосторожных действий страдает такая
мебель — и зеркальная, и матовая. Поскольку в абсолютном большинстве она
покрыта полиэфирным лаком, постольку нет смысла говорить о пятнах и полосах,
ибо дивный синтетик не боится ни воды, ни горячего чайника. В прежние годы
роковая чашка кофе или мокрая шапка оставляли на шеллачной поверхности
неустранимое белое пятно, теперь же подобные горести забыты. Но вот царапины...
Разумеется, чисто теоретически есть возможность зашлифовать не очень глубокие
бороздки наждачной бумагой соответствующей крупности, затем полировальной
пастой и трубить победу, благо, полиэфирный лак всегда имеет слой порядка 1-2
мм. Но реально лично мне, со всем опытом и утонченной оснасткой, ни разу не
удалось свести нахальные дефекты к нулю. Уменьшение их заметности процентов
на тридцать — вот все, на что можно рассчитывать. Часто слой лака в силу
неведомых причин трескается насквозь, до дерева, и края разрыва при этом слегка
поднимаются вверх, как застарелый сыр. Тут следует заливать гиблое место
эпоксидкой, хорошенько греть феном, чтобы смола затекла под лак и заполнила
все пустоты, а потом шлифовать и полировать. Но, повторяю, не ждите чуда —
рана попросту станет немногим менее заметна, и все.
В отличие от полированных, матовые и полуматовые покрытия кажутся менее
капризными, однако, это иллюзия. Во-первых, они всегда в большей или меньшей
степени повторяют (или имитируют) фактуру дерева, все его бороздки, ложбинки,
бугорки и т.д. Соответственно, любая шлифовка приводит к появлению «лысого»
пятна. Во-вторых, никогда не удается задать поновленному участку нужной
степени и характера матовости, чтобы он слился с окружающей поверхностью. Даже
символические попытки использования каких бы то ни было паст, политур, восков
и т.д. заставляют лак блестеть, особенно при взгляде сбоку. Приемлемый
результат дает общая натирка всей плоскости спиртовой морилкой. Воздействуя
огульно и равномерно, затекая в трещины и впадины, она мягко нивелирует тон,
не затрагивая девственного лака, но подкрашивая царапины и всяческие марцефа-
ли. И, поверьте, ничего более радикального тут не изобрести.
Как уже говорилось, почти вся современная мебель, кроме баснословно дорогих
экземпляров цельного дерева, изготавливается из ДСП — древесностружечной
плиты или МДФ (мелкая древесная фракция) . Если не поминать на ночь зловещие и
справедливые нарекания гигиенистов относительно испарений формальдегида и
прочих химикатов, то материал этот отнюдь не плох. По крайней мере, в целом
ряде случаев он труднозаменим, например, при изготовлении столешниц, крышек
секретеров и других плоских элементов. Но, будучи до звона крепка в
поперечном направлении, даже самая качественная плита сравнительно легко
расслаивается вдоль, так как представляет собой пропитанные полимерной смолой и
спрессованные под давлением стружки. Чем больше смолы, тем крепче продукт, а вовсе
рыхлый справедливо именуют макухой. Столь долгая преамбула необходима для
того, чтобы перейти к рецепту врачевания распространеннейшего увечья ДСП —
размочаленным краям всевозможных дверец и боковин шкафов, а также вывороченным
крышкам секретеров после их срыва с поддерживающих цепей и ограничителей.
Здесь, как ни странно, нас поджидает успех. Ущербную плиту нужно
расположить торцом кверху (т.е. стоймя), прикрыть рану с боков полиэтиленом, затем —
гладкие подкладки (лучше из кусков той же ДСП), и все это сдавить
струбцинами. Слегка поджав их так, чтобы конструкция только-только держалась, обильно
залейте мочалистый торец нагретой эпоксидкой и подождите, пока она втянется
внутрь. Повторяйте пропитку до полного насыщения «макухи», а потом затяните
струбцины, насколько хватит сил. Полиэтилен не даст смоле приклеить
подкладки , и чем ровнее будет их поверхность, тем меньше будет хлопот, связанных с
финальной обработкой. Именно поэтому так удобны обрезки ламинированной ДСП.
Предупреждаю: никакой другой клей совершенно не годится — только разогретая
смола способна пропитать древесину снизу доверху и справа налево, а
залеченное место будет крепче прежнего.
А ведь я не раз сталкивался с попытками населения (неудачными, естественно)
чинить разбитую плиту каучуковым клеем «Момент». Последствия таких опытов
настолько необратимы, что заклинаю снова и снова: никакой каучуковый или поли-
уретановый клей (вообще все то, что предназначено для ремонта обуви и
склеивания резины, микропора и других гибких материалов) категорически не применим
для дерева в любых ипостасях. Буквально за день до того, как писались эти
строки, мой собственный сын с приятелями, расщепив край скейтборда (кто не
знает — это доска на колесиках) из слоеного клёна, решили быстро восстановить
статус-кво именно клеем «Момент». Разумеется, горькая правда жизни явилась во
всей красе, коль скоро у них не достало терпения воспользоваться эпоксидкой и
поскучать до утра. ПВА, безусловно, также принесет горькие плоды, поскольку
он на воде, а всякий контакт с водой грозит стружечной плите разбуханием без
малейшего шанса вернуть прежний облик, разве что вы умудритесь в домашних
условиях снова сдавить ее с усилием в несколько десятков тонн.
В последнее время морально устаревшую ДСП в мебельном производстве теснит
ее продвинутая сестра МДФ — та же самая плита, но из мелкой древесной
фракции, что и породило новую аббревиатуру. Фактически мы имеем дело с обычной
ДВП (древесно-волокнистой плитой), только высокой степени прессования и самых
разных толщин. В отличие от ДСП, МДФ не имеет склонности расслаиваться вдоль
плоскости, обладает более стабильными механическими характеристиками и даже,
якобы, не выделяет из себя в воздух смертоносные вещества. Абсолютное
большинство ассортимента дешевой (и даже вовсе не дешевой) корпусной мебели
сегодня производится из МДФ, ламинированной или фанерованной натуральным шпоном
под освященные веками породы: дуб, орех и т.д. Никаких особых способов
реставрации , отличных от тех, что описаны выше, новомодный материал не требует.
А вообще, по моему сугубо личному мнению, возня с массовой мебелью второй
половины XX — начала XXI века вообще не есть реставрация, и в большинстве
случаев увечный предмет дешевле выбросить вон, чем тратить на него время и
деньги.
Подводя итог этому довольно поверхностному рассказу о работе со старым
деревом, не могу скрыть своего профессионального отношения к деяниям разного
рода модных «конструкторов впечатлений», которые в последнее время с экрана
телевизора, потрясая серьгами в ушах, кольцами в носу и цепями на худых
авангардистских шеях, учат многомиллионную аудиторию тому, что можно утворить с
антикварной мебелью.
Когда в качестве жертвы выступает полированная хельга производства 1973
года, это простительно, но зачастую дитя богемного быта накладывает руки на
действительно ценную вещь позапрошлого века, притом в прекрасном состоянии.
Глубокомысленно взирая на отличную ореховую древесину с глубокой, тщательно
подобранной текстурой, сохранившуюся без изменений в течение полутора сотен
лет, этот злой фантазер мрачно произносит: «Да-а... какой кошмар... с этим надо
что-то делать!» (дословно цитирую по памяти). И после такой преамбулы
принимается покрывать милый резной шкафчик новейшими гелями, пастами и прочими
мудреными составами (каждый из которых, смею уверить, не по карману обычному
человеку), затем ловко вырезает трафареты бабочек, птичек и т.д., наклеивает,
сдирает, орудует тампонами, золотит, перламутрит, а в итоге перед нами
является нечто, напоминающее декорацию-однодневку к нарководевилю «Безумная ночь,
или я у мамы дурочка». Если учесть, что, с точки зрения психиатрии, даже
сногсшибательный шарфик или какая-нибудь эдакая «фенька» в волосах уже
однозначно говорят о предрасположенности субъекта к шизофрении, то пребывание в
одной комнате с тем, чем стал некогда изысканный, благородный предмет, не
может не привести к элементарному душевному расстройству.
Остается лишь воззвать к благоразумию, то есть — не пытаться повторять эпа-
тажные рекомендации так называемых стилистов, попросту зарабатывающих на
шокировании публики неслабые деньги. В конце концов, существуют вечные
ценности , не подвластные моде, и антикварная мебель уж точно из их числа.
РЕСТАВРАЦИЯ МЕТАЛЛА
Затем он сходил на набережную
Железного лома и дал приделать новый
клинок к своей шпаге.
А. Дюма. Три мушкетера
Металлическая старина, на наше счастье, слабее подвержена разрушительному
угрызению временем, чем ее деревянные ровесники. Вероятно, ни в одном музее
мира не отыскать подлинной эллинской кушетки или шумерского кресла, а не
менее древних изделий из меди, бронзы, серебра и золота пруд пруди. Хотя, увы —
тернии веков относительно благосклонны лишь к цветным металлам, но грозную
сталь и простое железо они обращают в прах скоро и безвозвратно. Конечно,
археология — наука серьезная, и методы обращения с ветхими сокровищами
специфичны, требуют высокого профессионализма и знания особых критериев
допустимости тех или иных действий, но это полностью выходит из области наших
интересов. Металлический хлам, который обыкновенно попадает на стол домашнего
реставратора, не представляет собой, за редким исключением, сколько-нибудь
заметной исторической ценности. Поэтому не будет ошибкой сформулировать
алгоритм обращения с ним так:
• расчистка;
• восстановление формы;
• консервация.
Расчистка
В зависимости от ситуации может включать как мытье простой водопроводной
водой, так и применение химически активных жидкостей, а заодно разнообразные
механические операции со щетками и абразивами. Собственно, уж что-что, а
мыльная ванна делается всегда, поскольку водно-растворимая грязь присутствует
абсолютно на всех железках и медяшках.
Восстановление
Подразумевает придание сохранившимся останкам оригинального облика, для
чего может потребоваться заделка дыр, трещин и прочих травм, шлифовка,
полировка, монтаж отвалившихся деталей (в том числе клепка, пайка, склейка),
рихтовка вмятин — короче, все что нужно. Сложнее восполнять утраты, так как здесь
необходим не просто сымитировать отбитую ножку или завиток, но повторить их в
том же материале и пропорциях, да так, чтобы было незаметно (напротив, архео-
логические находки никогда не восполняют подобным образом — по музейным
правилам заплаты должны отличаться от оригинала).
Для иллюстрации приведу пример восполнения. Пациентом была фигурная
подставка канделябра цинкового1 литья. Материал достаточно хрупкий, и один край
подставки был когда-то отбит. К счастью, сохранившиеся фрагменты сами
продиктовали единственно возможный вариант: снять слепок и отлить дубликат.
Будь предмет редким и ценным, это следовало бы сделать из цинка же, но в
данном случае игра не стоила ни единой свечи, подставкой никто не предполагал
пользоваться, а потому в ход пошел обычный гипс. Поскольку изделия такого
рода всегда окрашивались «под бронзу», по окончании работ никто бы не распознал
новодела.
Что касается крацевания, сиречь обработки поверхности металлической щеткой,
то здесь нужно остановиться подробнее. Дело в том, что сдирание ржавчины с
гаражных ворот стальной щетиной не совсем крацевание. Этим специальным
термином скорее принято обозначать вариант, когда материал щетки (которая может
быть вращающейся) соизмерим по твердости с обрабатываемой поверхностью.
Естественно, каленая сталь годится только для стали же, причем сам инструмент
должен быть эластичным и уж, во всяком случае, не драть, а нежно лизать по-
1 Слово «цинкового» не подразумевает, что предмет отлит из чистого цинка, так как в
старину использовали самые разнообразные композиции с добавками олова, свинца,
сурьмы и т.д. Скорее всего, в данном случае мы имеем дело со шпиатром — цинко-оловянным
сплавом, но точный ответ может дать только анализ.
верхность, не оставляя на ней заметных царапин. Если используется
электромотор, то слишком высокие обороты даже самую пушистую насадку превратят в
абразив. Соответственно, при диаметре щетки порядка 100 мм скорость вращения вала
не должна превышать 1000-1500 об/мин.
Остается добавить, что для крацевания ювелирных изделий и вообще цветных
сплавов применяются бронзовые и латунные щетки разной степени жесткости,
каковая зависит от диаметра и упругости волосков. Весь же этот огород городится
для того, чтобы получить в итоге эстетичную поверхность с мягким шелковистым
отливом, скрывающим микроскопические изъяны, но в то же время выявляющим
художественную фактуру изделия. Никаким иным способом нам не удастся придать
металлу действительно старый вид.
Но есть и вторая сторона медали: если нужно придать соответствующий
"старый" облик новодельному фрагменту и закамуфлировать его под изъеденную
коррозией "копанину", то его как раз и следует прокрацевать жесткой стальной
щеткой на том режиме, когда она начинает работать как абразив, оставляя после
себя хаотичный рытый рельеф, похожий на грубую бумагу. Затем — легкая
шлифовка наждачкой крупностью не грубее 500-й, старение (патинирование) — и только
опытный глаз распознает подвох. Именно так следует поступать, например, с
недостающими, изготовленными вновь латунными и бронзовыми деталями оправ
строевого холодного оружия XIX-XX веков, чтобы ввести в заблуждение экспертизу.
Впрочем, для этого нужен изрядный опыт, поскольку простой крацовкой и
старением дело не обходится, все гораздо сложнее.
Консервация
Призвана закрыть дорогу коррозии, дабы впредь семейная реликвия переходила
от внуков к правнукам без потерь, не требуя регулярного вмешательства. В
основном это касается железа, так как поголовье медных, латунных и бронзовых
изделий не демонстрирует желания разрушаться в комнатных условиях. Напротив,
тщательно очищенная и восстановленная поверхность железа тотчас покроется
ржавчиной от естественной атмосферной влажности, будучи предоставлена сама
себе, и тем скорее, чем она чище. Так что нанесение защитных пленок является
абсолютно необходимой операцией. Подробнее технология консервации описана в
разделе о черных металлах.
Таким образом, полная реставрационная программа выглядит довольно
внушительно , но на деле все зависит от материала, из которого сработан предмет,
его состояния, а также того, как именно вы планируете обходиться с ним впредь
— использовать по назначению или поставить на полку. Начнем рассказ по
нарастающей, от меньшего к большему, от ювелирных украшений — к чугунному литью.
ДРАГОЦЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ
Итак, седая старина вкладывает нам в руки три общеизвестные категории
металлов и сплавов: черные, цветные и благородные. Последние также относятся к
цветным, но их справедливо выделяют в особую группу. Тут все понятно — ни
золото, ни серебро, ни платина, ни их сочетания практически не подвержены
естественной коррозии, о чем свидетельствуют находки и трех-, и пяти-тысячелетней
давности, выглядящие после минимальной чистки (а то и без нее) как новенькие.
Даже если сии раритеты пролежали в сырой могиле, ни их форма, ни глубинная
целостность отнюдь не страдают. Хотя ювелиры и уголовники на своем
профессиональном сленге именуют золото «рыжьем» и «ржавчиной», это относится лишь к
его цвету. Проблемы реставрации ювелирных украшений выходят за пределы моей
компетенции, однако пара-тройка практических советов не повредит, так как
всем нам приходится время от времени приводить в божеский вид не только
почерневшие ложки-вилки, но и золотишко, утратившее девственный блеск.
Оговоримся сразу и категорически — ни о каких механических операциях речи
быть не может, и если вы не хотите погубить ценную брошь или отколоть край
сапфира на перстне, не ковыряйте их сами, а отнесите специалисту, который
проделает все необходимое быстро и профессионально, хотя и за деньги. Между
тем разнообразные меры химического толка находятся целиком в нашей власти, и
нет нужды оплачивать то, что едва ли не с лучшим качеством может быть сделано
дома. Реагенты, потребные для сих зловонных опытов, вы легко найдете в
хорошем хозяйственном магазине.
Если учесть, что чистить предстоит отнюдь не содержимое пиратского сундука,
измеряемое пудами, а всего-навсего две или три (ну, десяток) мелких вещиц, то
проблемы с емкостью для травления также не возникнет. Любая стеклянная или
полиэтиленовая баночка с низким (для удобства) краем подойдет в лучшем виде.
Золото
Хоть «желтый дьявол» и не способен ржаветь, от времени и воздействия
агрессивных сред (пота, сероводорода, йода и т.д.) украшения теряют лоск и
темнеют . Чем золото хуже, тем злее напасть. Низкопробный металл, характерный для
восточных изделий (Турция, арабский мир), содержит так много меди, что вполне
способен почернеть просто со временем, на воздухе (медь самооксидируется).
Поскольку чистка абразивами совершенно недопустима, то самый простой рецепт —
погрузить кольца, серьги и прочее на какое-то время в скипидар или спирт, а
затем натереть мягкой тканью. Если этого недостаточно, повторите операцию с
нашатырным спиртом. Он не только уберет всю органику, но и слегка куснет медь
(если таковая присутствует), осветлив ее. Аналогично, только нежнее, работает
раствор трилона Б. Сильно потускневшая поверхность уступит натиску смеси из
столовой ложки препарата «Белизна» с яичным белком (в данном случае изделие
также протирается фланелью).
Как известно, йод способен оставлять на золоте пятна. От них избавляются,
оставив предмет на четверть часа в растворе гипосульфита (чайная ложка на
стакан воды). Если же вы непременно захотите ядовито-зеркального блеска, то
снесите отмытые одним из указанных способов сокровища хорошему ювелиру. Он
выполнит специальную операцию — электрохимическое полирование, после которой
легко разглядеть свое миниатюрное отражение в ободке перстня.
Все сказанное в полной мере относится к платине и ее сплавам, разве что эта
редкая и дорогая гостья вовсе не способна тускнеть. Достаточно того, что из
платины делают специальную химпосуду для работы с концентрированными
кислотами , щелочами и т.д.
Серебро
К великому сожалению, ненавидимый оборотнями, вампирами и прочей нежитью
«лунный металл» чернеет даже в сухой стерильной атмосфере, хотя и медленно.
Кому из нас не приходилось заниматься чисткой фамильного серебра в ожидании
именитых гостей! Что? Ах, у вас нет столового сервиза на сорок персон? А на
чем же тогда... Ну, все равно, читайте дальше, поскольку хотя бы одна такая
маааленькая ложечка, подаренная в детстве «на зубок» бабушкой, сыщется в
каждом доме, надо только как следует покопаться в старом буфете.
Ничего оригинального чистка серебра не требует, хотя способов придумано
великое множество, включая вполне экзотические, вроде такого: «Класть предметы
в горячий раствор винного камня (кремортартара), тщательно протирая затем
замшей». Остается малость — раздобыть этот самый кремортартар. Но реально нас
выручит любимый нашатырный спирт или тот же трилон. Использовать зубной
порошок эффективно, но нежелательно, поскольку это абразив, и его чистящий
потенциал обусловлен способностью механически удалять пленку окислов. Как в
загадке: «Сколько будет три, три и три?.. Нет, не девять, а дырка!» Хотя
справедливости ради следует отметить, что практически все промышленные средства по
уходу за серебряными вещами обязательно содержат, наряду с вездесущим
аммиаком, что-нибудь трущее из семейства мягких абразивов. Кстати, об умении
зубного порошка стачивать металл говорит внешность старых пряжек солдатских
ремней, на которых усердные чистки день за днем и поколение за поколением
совершенно истребили весьма выпуклый рельеф звезды.
В самых отчаянных случаях положите предмет в раствор лимонной кислоты. На
следующий день вы достанете его белым, как первый снег — лимонка растворит
абсолютно все, кроме чистого серебра (особенно медь), и более или менее
толстый поверхностный слой приобретет высочайшую пробу (потеряв притом блеск).
Только никогда не кидайте в кислоты предмет вместе с камнями — вы же не
гематолог, и не можете точно знать их химическую природу и то, как они себя
поведут. Особенно это касается бирюзы, но не экспериментируйте даже с рубинами,
сапфирами и бриллиантами!
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
Чисто медные предметы домашнего обихода встречаются сравнительно редко,
поскольку металл этот слишком мягкий и вдобавок тугоплавкий (1083 °С).
Соответственно , делать отливки сложно, но не проще сверлить и резать, так как
тягучая медь склонна ломать завязшие инструменты. Поэтому основная масса
предметов исполняется в технике выколотки (штамповки) из листа той или иной толщины
— вспомните печально знаменитых библейских медных быков, в раскаленном чреве
коих языческие сатрапы поджаривали христиан. Напротив, бронза (сплав меди с
оловом) и латунь (сплав меди с цинком) словно бы предназначены как раз для
литья, имеют приемлемую температуру плавления (порядка 900 °С) и отлично
заполняют форму. Чтобы история вопроса прорисовалась более выпукло, давайте
проделаем небольшую экскурсию в прошлое.
Трудно сказать, кто и когда догадался бросить в расплавленную медь кусок
олова. Вполне возможно, что знаменательное событие произошло как-нибудь
случайно — не важно. Главное то, что наши далекие предки получили в руки дивный
металл, прочный и коррозионно-стойкий одновременно. Историки, как и
полагается ученым, постоянно спорят о конкретных датах и сроках, и каждая новая
археологическая находка подливает масла в огонь. Хотя к проблеме реставрации
подобные тонкости прямого отношения не имеют, для полноты картины полезно
представлять временные промежутки, о которых идет речь.
Общепринятая точка зрения гласит, что поначалу пращуры обрабатывали куски
самородной меди, попадавшиеся под руку. Первые небольшие изделия из меди и
свинца (также встречающегося в самородном состоянии), обнаруженные на
территории современной Турции, датируются VII-VI веками до н.э. Увы, медь — не
лучший из материалов для изготовления инструментов и оружия. Хотя, будучи
подвергнута ковке, она и приобретает некоторую твердость за счет так
называемого наклепа, для ножей и топоров этого недостаточно. Тем не менее, подобные
предметы в отдельных регионах были в чести едва ли не до наших дней.
Взгляните, к примеру, на жуткий кинжал (см. выше) народности кисеи (Западная
Африка) , вынырнувший не из такой уж глубокой пучины времен.
Около 60 веков назад (за 4000 лет до н.э.) шумеры научились выплавлять
чистую медь из руды. Тогда же они разработали приемы заливки меди, серебра и
золота в формы. Разумеется, остальной мир не сидел сложа руки, свидетельством
чему — находки прекрасно сохранившихся медных вещей и оружия наподобие клевца
из Ирландии, датируемого 2300-1600 годами до н.э.
Бронза
Довольно скоро, примерно в 3500 году до н.э., сообразительные месопотамцы
стали выделывать уже настоящую бронзу, а собственно «бронзовый век» продлился
на Земле с 3000 по 1000 год до н.э. Разумеется, на своем протяжении он
заметно перекрывался и вытеснялся набиравшим силу «железным веком», но не все так
просто. Любопытно, что в "черной" Африке (исключая Египет) бронзового века не
было вовсе, и первобытные племена сразу и вплотную взялись за железо.
Существует солидно обоснованная точка зрения, гласящая, будто досточтимые пращуры
воспользовались готовыми к употреблению осколками неких гипотетических
знаний, накопленных пресловутыми погибшими цивилизациями. Аргументы и доводы,
как представителей сухой науки, так и всевозможных уфологов представляются
убедительными, но все же теория естественного ползучего прогресса выглядит
какой-то скучной и обыденной. Как сказал персонаж известного кинофильма1:
«Романтизма нету!» В конце концов, тайна появления знаменитой делийской
колонны из химически чистого железа (VIII век до н.э.) так и осталась тайной.
Кельтские меч и наконечник копья (IX-VIII вв. до н.э)
1 Из к/ф "Не может быть" 1975.
Но вернемся к бронзе. С некоторой натяжкой можно сказать, что ее век
успешно продолжается, не думая кончаться. Просто номенклатура изделий
видоизменилась и слегка сузилась. Оставим в покое гребные корабельные винты и запорную
арматуру на трубопроводах, но по сей день и во всем мире колокола, статуи и
разнообразнейший мелкий декор интерьеров и экстерьеров зданий отливается
почти исключительно из бронзы. Правда, она уже не является строго оловянистой1.
В зависимости от технологических требований в смесь добавляют самые разные
металлы. Например, в России для монументального литья применяется марка
БрОЦС5-5-5, т.е. «Бронза оловянно-цинко-свинцовая».
Кинжал с ножнами (VII-VI вв. до н.э)
Клевец (Китай, IV-III вв. до н. э)
Показанные здесь предметы из бронзы, начиная с ритуального сосуда для
жертвенных возлияний (Китай, XIII-XI век до н.э.), объединяет изумительная
сохранность , свойственная этому сплаву благодаря его способности покрываться
тонким слоем прочной и весьма эстетичной патины. Именно поэтому старая бронза
никогда не подвергается полной чистке. Напротив, для придания «новоделам»
сходства с подлинниками их искусственно патинируют тем или иным химическим
способом.
Если уж придерживаться исторической правды, то подлинные старые бронзы были вовсе
не оловянистыми, а скорее мышьяковистыми, поскольку основным легирующим элементом в
них выступал мышьяк (As). Вероятно, это обусловлено чисто природными факторами.
Именно химическому составу древние сосуды, топоры и т.д. обязаны своим внешним
видом, отличным от современных реплик.
Колокола (Китай, Чжоу, V-IV вв. до н.э)
Вообще, существует много сортов художественных бронз, в большинстве своем
содержащих олово, цинк, свинец и фосфор. Известен также целый класс безоловя-
нистых технических бронз, например, алюминиево-никелевая, кремнисто-
марганцевая, бериллиевая, но произведения искусства, тем более старые, не
имеют к ним никакого отношения. Иногда вводились вовсе экзотические
компоненты наподобие драгоценных металлов. Так, знаменитый японский сплав «сякудо»
имел 3-6% (по другим источникам — 30-70%) золота, благодаря которому
приобретал неописуемо красивый сине-черный цвет. Примечательно, что цубы и другие
предметы оправы зловещих самурайских катан и вакидзаси стяжали искомый
оттенок не вдруг, а через какое-то время, по мере самооксидирования, при котором
изделие естественным образом покрывается тонкой пленкой окислов под влиянием
внешних условий (либо поверхность подвергалась химической обработке). Именно
благодаря окислам резко тормозится (практически останавливается) разрушение
основной массы металла. Не будь этого, мы сегодня были бы лишены удовольствия
созерцать творения древних мастеров буквально в том самом виде, в каком они
вышли из рук создателей. Специальные исследования показали, что коррозионная
стойкость бронз увеличивается с ростом содержания в ней олова.
Разумеется, не вся старая бронза сохранилась так, как показанные здесь
экземпляры, однако нетрудно представить, что сталось бы за аналогичное время с
железом.
С точки зрения химии, патина (сиречь коррозионные пленки) на поверхности
бронзы, строго говоря, не есть окисел в чистом виде. Это достаточно сложный
комплекс соединений, конкретный состав которых зависит от окружения. Наиболее
зримо различия проявляются в цветовой гамме, простирающейся от черно-
коричневых до ослепительно-зеленых тонов. Так, в ядовитой атмосфере
промышленных центров, изобилующей сернистыми соединениями, образуется черная или
черно-зеленая патина, в приморских районах с соленым йодистым воздухом —
ярко-зеленая, а сухие степные города и веси любуются красно-коричневыми
произведениями монументального искусства.
По химическому составу примесей (имея в виду влияние на бронзу) атмосферу
так и подразделяют на морскую, промышленную и сельскую, но в любом случае
главным стимулирующим коррозию фактором остается влага. В сухом (до 60%
влажности) воздухе происходит обычное окисление металла с образованием тонкой
плотной корки, в результате чего процесс быстро затухает. Если влажность
немногим более 60%, то эпизодически возникающие адсорбционные и фазовые пленки
влаги растворяют в себе агрессивные газы (S02, N02, NH3, СО), образуя
электролит , и далее реакция протекает уже по иному, гораздо более разрушительному
электрохимическому принципу. Когда же злосчастная цифра достигает 80% и
более , участь бронзы печальна. В толщах земли вредоносные газы отсутствуют, а
влажность почти постоянна, потому-то именно раскопки дают нам порой образцы
удивительной сохранности.
В основном цвет патины обусловлен соединениями меди как главной
составляющей сплава, а прочие компоненты лишь вносят те или иные пикантные тона и
оттенки. Первичный продукт окисления — куприт (Cu20) , взаимодействуя с влагой и
углекислым газом, превращается в малахит [СиСОз»Си (ОН) 2] . Если налицо
присутствие сернистого газа (S02) , то старая патина описывается формулой
CuS04#3Cu(ОН)2 (брохантит). Вблизи моря сера уступает место хлору —
CuCl2»3Cu(OH)2.
Разумеется, чистая медь также самооксидируется на воздухе и, если тот сух,
покрывается тонкой, прочной пленкой коричневого цвета. В этом случае изделия
вовсе не подлежат обработке — достаточно натереть их суконкой или фланелью,
чтобы придать поверхности глубину и блеск. Патина, образовавшаяся на любых
предметах из бронзы, начиная с величественных скульптур и заканчивая самой
последней пряжкой прадедовского ремня, безусловно, является одним из живых
элементов истории, и в качестве такового категорически не подлежит удалению.
Речь не идет о рыхлых струпьях или потеках, под которыми теряются очертания
мелкие детали. Коль скоро вам в руки попала, например, статуэтка, сплошь
залепленная неким зеленым безобразием, ее надлежит аккуратно расчистить почти
(повторяю — почти) до основного металла, оставив лишь самый тонкий налет
окислов. Сделать это можно по-разному. Так, монументальные творения обрабатывают
струями воды под высоким давлением, попросту смывающими растворимую грязь, но
ничто не мешает обойтись подобным образом с шедевром любого размера в
собственной ванной. К сожалению, способ не дает приемлемых результатов, и милая
штучка не будет радовать глаз блестящей, плотной и равномерной патиной. Одна-
ко в качестве первого, подготовительного этапа интенсивное мытье совершенно
необходимо. Наиболее эффективный и доступный метод — чистка (скорее,
натирание) жесткой щетинной кистью. Свиная щетина обладает слабыми, но явными
абразивными задатками. Ее твердости и прочности как раз хватает, чтобы содрать
рыхлые, отслоившиеся фрагменты патины, не затрагивая основ, не говоря уже о
коренном металле. В девяти случаях из десяти обработки щеткой достаточно, и
через короткое время у нас в руках оказывается тускло поблескивающий предмет
в идеальном (ну, почти) состоянии.
Если же вы непременно желаете придать сокровищу девственный цвет (а у
бронзы он колеблется от желтого до красноватого), то обзаведитесь нашатырным
спиртом или — что гораздо лучше — раствором трилона Б, работающим медленно и
нежно. Предмет следует погрузить в купель полностью, чтобы никакая его часть
не высовывалась над поверхностью, иначе в этом месте образуется трудноудали-
мая пограничная полоса. Время от времени (один раз в несколько часов)
прохаживайтесь по нему кистью, удаляя отработанный налет, и где-то через сутки вас
ожидает виктория. Мало суток — пусть отмокает двое или трое. Сам раствор при
этом позеленеет, повествуя о насыщении медью. Повторяю: аммиак грызет патину
излишне жестко, не брезгуя самой бронзой. Разумеется, он не выест дырок и
раковин, но какие-то тысячные доли миллиметра вполне могут перейти в жидкое
состояние, что, как вы понимаете, нежелательно. За трилоном же подобного не
замечалось . Еще мягче работает раствор гексаметафосфата натрия1 — он не
затрагивает даже тонкие плотные пленки благородной патины, то есть металл остается
"старым", но идеально чистым. Именно гексаметафосфатом рекомендуется
производить расчистку копанины из любых медных сплавов.
Совершенно недопустимо травить изделие кислотами, которые растворяют и
оксидные пленки, и породивший их сплав. В тех местах, где наслоения крепки, в
итоге образуются возвышенности, поскольку прилегающие участки будут тихо
убраны на заметную глубину, и былой шедевр обретет несвойственный ему
микрорельеф. Затем, как только кислота растворит в себе медь, отнятую у бронзы,
начинается ее высадка на оголившуюся поверхность, и по завершении процедуры
шедевр явится взору не приятно-желтоватым, но красномедным, словно вождь апа-
чей Виннету2. А убрать пленку химически стойкой меди невероятно трудно,
потому что вторичному травлению кислотой она не поддается.
Если предмет изувечен — например, отбит какой-либо фрагмент — самым
приемлемым будет приклеить его на место эпоксидной смолой, а уж затем чистить.
Однако порой склейка невозможна ввиду того, что важная деталь утрачена или
слишком мала — ведь не станем же мы приклеивать лепесток на литом
растительном орнаменте! Вновь изготовленный элемент однозначно потребует надежного
крепления — и наступает необходимость пайки.
Оговоримся сразу: паяние мягкими оловянными припоями не обеспечивает
прочности, а потому желательно использовать мощную бензиновую или газовую горелку
(паяльную лампу), буру (в качестве флюса) и желтый латунный припой.
Серебряные припои хороши легкоплавкостью, но стык будет выделяться белым цветом.
Техника проста — отсутствующая деталь фиксируется строго по месту (например,
привязывается тонкой проволокой), затем зона пайки посыпается сухой бурой
(лучше смазать раствором), точно на шов накладывается крупинка припоя, и все
вместе раскаляется до красного или оранжевого свечения. В какой-то момент
Гексаметафосфат натрия, известен также под названием М-19, или калгон. Белый
порошок, смесь гексаметафосфорнокислых солей натрия и калия в различном соотношении.
2 Этот термин не имеет ничего общего с естественным цветом кожи индейцев (от белой
до смуглой). Существует версия, что он происходит от обычая беотуков — племени о.
Ньюфаундленд, одним из первых вступившего в контакт с европейцами - раскрашивать
охрой, как лицо, так и одежду.
крупинка обратится в каплю, которая втянется в щель стыка. Далее предмет
остывает сам, но гораздо лучше окунуть его в воду. При этом стекловидные пленки
оплавленной буры отскочат, и вам не придется удалять твердую глазурь
механически. Как и положено, вся зона нагрева станет пятнистой и почернелой,
поэтому довершит дело пребывание в растворе чистящего средства, а затеки припоя
сошлифовываются надфилем или мелкой наждачной бумагой. Чтобы поверхность
окончательно приобрела естественный вид, ее надо крацевать латунной щеткой.
Например, такую операцию потребовалось учинить над маленьким литым
купидоном, входившим в комплект бронзового декора большой черно-синей фаянсовой
вазы (см. ниже). Пухлый мальчишка (один из двух) кокетливо смотрелся в
зеркальце, каковое и было почти отломано. Пайка латунью восстановила status quo1, но
в пламени горелки бронза почернела самым страшным образом, и стадия очистки
составила львиную долю трудозатрат.
Роскошная ваза (XIX в. керамика, бронза). Реставрация свелась к
демонтажу, упомянутой выше пайке зеркальца в руке купидона,
освежающему крацеванию литья и сборке.
После такой экзекуции ни о какой патине речи быть не может, а при желании
В данном случае — неизменное положение вещей.
ее заполучить вам придется прибегнуть к искусственному патинированию.
Существует много рецептов, к примеру, такой1:
«Чтобы искусственно получить зеленое окрашивание, схожее с настоящей
патиной, нужно, по возможности, подражать процессу, при помощи которого
совершается естественное образование малахита, т.е. поставить вещи в условия,
вызывающие постепенное образование на их поверхности углекислой меди. Для этого
переносят вещи в помещение с умеренно теплой атмосферой, богатой влагой и
углекислым газом; оставляют их там на более или менее продолжительное время,
смазывая поверхность ежедневно (не менее двух-трех раз) 2%-ным раствором
уксусной кислоты или уксусом, разведенным четырьмя-пятью частями воды».
Еще одна ваза, чем-то аналогичная первой (XIX в. керамика,
бронза, позолота), не имевшая повреждений и утрат. Реставрация
потребовала предварительной отмывки элементов декора от мощных
наслоений краски «под бронзу», после чего они сами собой обрели
первозданный блеск и четкость очертаний. Оказалось также, что
поверхности массивного основания и горловины были вызолочены.
Внутренний стакан из тонкой черной жести пришлось расчистить от
ржавчины и законсервировать.
Если речь идет о мелких предметах, то достаточно соорудить относительно
герметичный ящик. Старые руководства рекомендуют на роль постоянного
источника углекислого газа плошку с мелом или известью, в которую капля за каплей
стекает соляная кислота. Однако в современных условиях удобнее
воспользоваться газовым баллоном или баллончиками для сифонов или пневматических
пистолетов . Когда на бронзе появится зелень, концентрацию уксуса нужно снизить, а то
и заменить его простой водой. Для добротного патинирования требуется от 2 до
1 А. Лихонин. Ковка и чеканка. Н. Новгород, 1998 г.
6 недель. Чем больше в сплаве меди, крепче уксус и теплее камера, тем скорее
идет процесс, однако патина получается не вполне естественная. Как и во всем,
качество тут прямо пропорционально затраченному времени. Но главное —
поверхность предмета перед патинированием должна быть самым тщательным образом
обезжирена и очищена от малейших пятен, отпечатков пальцев и т.д.
Как правило, реставрация предметов из меди и серебра, а также их сплавов
сводится к весьма щадящей обработке растворами, снимающими наслоения грязи и
окислов, но не затрагивающими сам металл.
Наглядный пример такой расчистки — большой бронзовый крест-распятие с
вкраплениями цветной эмали.
Суточная выдержка в водном растворе трилона-Б и активный «массаж» жесткой
щетинной кистью сделали то, что вы видите. Незначительные утраты деталей
верхней части в данном случае лучше не восполнять, оставив реликвию как есть.
Пока он сияет свежестью, но через некоторое время поверхность
самооксидируется, слегка потемнеет, и рельеф приобретет благородную глубину.
Латунь
Исторически латунь моложе бронзы, однако, пользуется не меньшей
популярностью ввиду коррозионной стойкости и превосходных механических характеристик.
Из латуни делается великое множество сугубо утилитарных предметов наподобие
трубопроводной арматуры, теплообменников, крепежных и скобяных изделий, вся-
ческих уголков, шпингалетов, петель, гвоздиков, шурупов, оружейных
боеприпасов и т.д., включая богатый ассортимент чисто декоративных мелочей жизни. В
отличие от бронзы, латунь почти не темнеет и не зеленеет на воздухе, оттого
ее так любят военные — вспомните эти пряжки, пуговицы, оправы сабель и прочие
аксельбанты. Однако, полежав в земле и превратившись в пресловутую
"копанину", латунные предметы становятся черными, хуже того — происходит
некая таинственная перекристаллизация сплава, и они делаются вдобавок хрупкими,
как леденец.
Чистка латуни не представляет труда и легко осуществляется в полной
аналогии с серебром, медью или бронзой. Поскольку этот сплав в естественных
условиях не образует патины, его не патинируют и насильно, однако окрасить
поверхность латуни можно, хотя сложнее, чем ту же медь.
Для получения оттенков бурого цвета следует приготовить раствор из 30 г
CuS04 (медный купорос) , 15 г KC1 (хлористый калий) и 10 г КМп04 (марганцовка)
в полутора литрах воды. Получившееся зелье нагревается до кипения, и в его
пучину погружают предварительно очищенное, обезжиренное изделие. Плотность
окраски определяется на глаз, в зависимости от времени. Такая процедура
полезна в том случае, когда желательно выявить рельеф игрой темных и светлых
тонов. Легкая протирка суконкой снимет налет на выпуклых частях, оставив
ложбины во власти теней — и ваша реликвия приобретет искомый объем. Остается
добавить , что, как и бронза, техническая латунь представлена довольно обширной
номенклатурой марок, бывая и свинцовой, и железомарганцевой, и кремнистой, и
алюминиево-мышьяковой. Однако старая латунь, являющаяся объектом
реставрационных работ, чаще всего простая, т.е. цинковая.
Переходное звено между латунью и медью — высокомеднистая латунь с
содержанием последней свыше 90% — называется томпаком. Этот сплав был чрезвычайно
популярен в конце Х1Х-начале XX веков для изготовлении часовых корпусов,
цепочек, самоваров и прочего житейского инвентаря, а сегодня используется в
банальном производстве кабельных наконечников, ножей рубильников, арматуры
трубопроводов и тому подобного. Никаких особенных требований в отношении чистки
томпак не предъявляет и вообще ведет себя как любая латунь — гнется,
рихтуется, паяется и отжигается.
Наконец, собственно красная медь, иногда называемая так за свой природный
цвет. Каждый может это проверить, потерев наждачной бумагой первую встречную
медяшку. Чем металл чище, тем он краснее.
И отбелить, и зачернить, и почистить ее проще простого. Уже не раз
упоминавшийся раствор аммиака или трилона замечательно уберет банальную грязь,
органику и окислы. Когда медь очищена, самым разумным будет натереть ее сукном.
Через неделю-другую голый металл самооксидируется, сделавшись коричневым.
Продолжая время от времени манипуляции с натиранием, мы в итоге получим
невероятно эстетичную поверхность с глубоким мягким глянцем теплых оттенков. Если
не бросать предмет в сыром месте, не хвататься за него потными руками и не
забывать о тряпке, то обретенная красота сохранится сколь угодно долго.
И о чернении. Как сама медь, так и многие ее сплавы великолепно поддаются
чернению в растворе «серной печени». Под зловещим названием кроется
безобидная смесь серы и поташа, простая в изготовлении и использовании. Чтобы
получить печень (слово не имеет никакого отношения к соответствующему органу, а
происходит от глагола «печь»), нужно взять 1 весовую часть серы и 2 части
поташа (углекислого калия — К2С03) , хорошенько их перемешать и сплавить в
тигле.
Застывший расплав, благоухающий сероводородом, и будет искомым продуктом.
Его толкут, помещают в закрытую посудину и хранят в свое удовольствие
неопределенно долго. По мере надобности щепотка порошка растворяется в воде, лучше
теплой. Если свежеочищенную медяшку положить в этот раствор, она стремительно
покрывается черным сульфатом меди, что и требуется. Чем раствор крепче, а
вода горячее, тем плотнее тон. Также со временем: дольше — чернее. Чтобы
покрытие было стойким и равномерным, натирайте погруженную медь щетинной
кисточкой. В принципе, этого достаточно, однако для пущей черноты советуют добавить
в раствор каплю-другую селенистой кислоты (правда, ее формулу1 я не смог
отыскать даже в химическом справочнике) или аммиака. Очевидно, последний должен
слегка подчищать медь по ходу дела. Готовое изделие промывается водой,
промокается легко впитывающей тряпкой (для удаления капель) и сушится. Финальная
натирка сукном осветлит выпуклости и выявит объем. Законсервировать
поверхность можно любым бесцветным сапожным кремом: натираем, сушим и располировы-
ваем.
Намного проще (хотя и результат похуже) чернить медь, медные сплавы и
серебро аптечной серной мазью. Достаточно натереть ею предмет, выждать
положенное время (до суток) — и позапрошлый век обеспечен. Если вас грызет бес
нетерпения, можно слегка подогреть металл горелкой или мощным феном, и чернота
явится гораздо скорее, иногда прямо на глазах. Однако глубины и
равномерности , которую дает раствор серной печени, этим способом не достичь.
Чрезвычайно обширная ниша использования латуни в прошлом — оправы
армейского холодного оружия. Соответственно, существует спрос на их реставрацию, о
чем разговор отдельный, и не здесь. Просто небольшая иллюстрация: нижние
стаканы ножен шашек. Вверху — расчищенный, но не состаренный; внизу —
состаренный (затемненный) при помощи серной мази (фото в натуральную величину).
МЕДНО-НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ
Мельхиор
Вопреки распространенному заблуждению, этот сплав, будучи похож на серебро,
не содержат ни атома Ад. Бывает двух видов: МН19 (художественный, без
добавок) и МНЖМцЗО-08-1 (технический, с железом и марганцем). Первый, сугубо мед-
но-никелевый, широко использовался и используется для изготовления разнооб-
1 Химическая формула: H2SeO:
разной столовой утвари как мелкой, так и вполне увесистой. Уж чего-чего, а
мельхиоровых ложек-вилок у народа хватает. Или какое-нибудь почерневшее блюдо
для цельного жареного гуся, вынырнувшее из лучших времен! Несомненно, его
следует утопить в лохани с горячей водой, плеснуть нашатырного спирта, дать
постоять, а затем усердно обработать тряпкой, макая ее в зубной порошок. Дыру
в данном случае вы не протрете, зато на славу отполируете ложе для любимой
птицы.
Техническая разновидность в больших количествах идет на запорную арматуру,
трубы теплообменников и прочее, работающее в морской воде.
Нейзильбер
Справочное наименование: МНЦ 15-20 (медь-никель-цинк, причем последнего
довольно много). Красивый белый сплав, используется для изготовления приборов
точной механики, а также монет, медалей и столовой посуды. Иногда покрывается
(плакируется) слоем чистого серебра, а то и золота, служа им основой.
Монель-металл
В отличие от мельхиора (при том же составе) изготовлен на основе никеля —
тот просто преобладает над медью. Очень стоек к коррозии в морской воде, что
привело к одной любопытной и грустной (кому — как) истории. Однажды некий
миллионер заказал себе прогулочную яхту с корпусом из новомодного монель-
металла. Заказ был выполнен на славу, но проектировщики не учли нюанс: прочие
детали судна (стальные, бронзовые и т.д.) составили со сверкающим чудом
активную гальваническую пару. Печальный итог: немедленно по спуску на воду
дорогостоящая посудина была разъедена до дыр буквально в считанные дни.
Однако, несмотря на описанный казус, сплав нашел применение при
изготовлении предметов, требующих стойкости в агрессивных средах и работающих при
температурах до 500 °С. В качестве художественного материала употребляется
редко.
Куниаль
Сплав меди с никелем и алюминием (Cu-Ni-Al). Так же, как монель-металл,
является скорее техническим, нежели художественным материалом, но знать о его
существовании полезно.
* * *
Все разновидности медно-никелевых сплавов отлично поддаются методикам и
реактивам, предназначенным для чистки серебра, латуни и бронзы. Что касается
столовых приборов и посуды, следует иметь в виду: при наличии влаги на их
поверхности, особенно в мелких завитках и углублениях, может образовываться
яркая зелень медных окислов, а это забористый яд. Поэтому прежде чем нанизывать
на бабушкину вилку кусок бараньего бока, потрудитесь над ней с мелом и
нашатырем.
Теперь давайте рассмотрим некоторые наиболее часто встречающиеся предметы
старины из меди и ее сплавов. Почему «старины»? А потому что сегодня
навязчивая идея экономии заставляет даже богатые производства настырно подыскивать
замену медным сплавам в самых неожиданных местах. В итоге современные
устройства наделяются жизненным ресурсом в два-три года, тогда как их аналоги
полувековой давности продолжают работать, не сдавая позиций.
Самовары
В 1996 году Тула отметила 250-летие русского самовара. Считается, что
именно здесь началось промышленное производство уникального изделия, ставшего
своеобразным символом России, знакомым решительно всему свету.
Но здесь нет смысла углубляться в разнообразие видов и форм старинных
водогреек, равно как в их историю, потому что на эту тему написано много
подробных высокопрофессиональных исследований. Нас интересует собственно металл,
его состояние на текущий момент и, главное, — что с ним делать?
Относительно расхожей фразы о медном самоваре следует заметить, что чисто
медными были только ранние образцы, а дорогие экземпляры в начале XX века
делались из мельхиора. Абсолютное же большинство самоваров — латунные или
томпаковые. Известна также плеяда никелированных (снаружи) изделий, но
никелировать можно любой металл.
К сожалению, большинство сохранившихся самоваров успели претерпеть за свою
долгую жизнь все — от бережного почитания в качестве семейного поильца до
самого варварского обращения как с никчемным ломом. Один мой знакомый,
заведовавший когда-то давным-давно базой «Вторцветмета», рассказывал, что на их
обширном дворе регулярно, примерно раз в неделю, разгружались вагоны и
грузовики, сваливая горой наследие веков, собранное по всему югу России. Там
встречались удивительные, редкостные шедевры бронзового литья, но преобладали
страдальцы-самовары. Нетрудно вообразить, что происходило в многотонных
завалах с мягкими боками опальных любимцев народа.
Вот перед нами достаточно редкий круглый самовар малой емкости,
«украшенный» отнюдь не редким приобретением — сквозной дырой, к тому же с оторванными
или срезанными краями. Трудно представить, кому и для чего понадобилось
творить такое с хорошей вещью, но факт налицо, и факт неприятный, поскольку
заделать этот ужас почти невозможно. Конечно, чисто технически есть варианты
заплат, пайки, рихтовки и т.д., но это дешевый декор. Остаются мелочи:
подобрать крышку и краник, расчистить корпус, выточить из дерева соответствующие
стилю и времени ручки и навести общий лоск. Однако гонять чаи из такой руины
уже вряд ли получится. Менее всего пострадали (точнее, не пострадали
совершенно) массивное литое основание и литые же кронштейны рукояток, но их,
возможно , придется напаивать заново.
Кстати, очень часто (фактически то и дело) на глаза попадаются
«отреставрированные» самовары с кранами и рукоятками, буквально прилепленными на свои
места толстыми ломтями оловянного припоя, торчащего в стороны, будто струпья.
Это оттого, что горе-мастера молодецки орудуют паяльниками, а никаким
паяльником, даже самым мощным, не удастся разогреть такую массу металла с огромной
площадью теплоотвода. На самом деле нужно аккуратно залудить места пайки (и
корпус, и деталь), а затем, совместив одно с другим, нагреть всю (!) зону
газовой или бензиновой горелкой, пока припой не расплавится, заполнив стык. И
не забывать о канифоли!
Другой случай (фото внизу) не очень зол, но малоприятен — трещина, и
преогромная. Строго говоря, мне не совсем понятно, отчего самовары то и дело
лопаются, точно переспелый арбуз, хотя сделаны они, как правило, из пластичной
латуни. В конце концов, не обладай материал отменной тягучестью, он нипочем
не принял бы сложные очертания, радующие глаз. Вероятно, здесь имеют место
усталостные явления и незаметные межкристаллические перемены, как в старом
стекле, способном расколоться от малейшего щелчка.
Трещину следует протравить кислотой (иначе припой не затечет внутрь) и
тщательно пройтись по ней мощным паяльником либо прогреть горелкой, чтобы припой
оставался жидким хотя бы секунды две-три и успел совершить, что требуется.
Под «мощным» подразумевается электропаяльник не менее 500 Вт или массивная
медная болванка в форме утюга, разогреваемая, опять же, горелкой. Если нужна
рихтовка, то делается она, естественно, до пайки. Однако, сколь бы умело вы
не провели «курс лечения», после окончательной обработки тонкая линия белого
шва обязательно будет выделяться на желтом фоне. В остальном данный предмет
пребывает во вполне приличной сохранности. Даже краник на месте, а это ред-
кость.
Обратите, кстати, внимание на кошмарные отложения накипи, высадившейся
практически повсюду, отчего-то даже вокруг ручек. Как она смогла туда попасть
— загадка, но удалять ее придется кислотой, уксусной или лимонной, которая
затронет, к сожалению, и саму латунь, придав ей красномедный цвет из-за
растворения цинка.
Последний пример может показаться не таким уж скверным: почти все детали в
наличии, дырок нет, а отсутствующий кран можно подобрать и заново притереть.
Но бесчисленные мелкие вмятинки и щербины на корпусе никогда не дадут
возможности увидеть его девственно гладким. К тому же основание сильно вдавлено с
одного бока, начнешь выправлять — днище наверняка лопнет.
К слову сказать, подобный дефект очень распространен, повествуя о том, что
самовар швыряли на твердую землю. Странно, что носик уцелел.
Если представить весь объем работы над среднестатистическим самоваром как
последовательность операций, то выглядеть это будет примерно так:
1. Удаление водно-растворимой грязи. Здесь нет хитростей — целиком
погружаем предмет в воду, подсыпаем любого стирального порошка и ждем около суток,
после чего большая малярная кисть или тряпка довершат начатое. Кисть лучше,
так как жесткая щетина проберется во все углубления и закоулки.
2. Демонтаж. Если вы не планируете использовать самовар по прямому
назначению, тогда, конечно, можно его и не разбирать, а довольствоваться
косметической натиркой (при условии, что он в хорошем состоянии, без вмятин и дыр).
Но для серьезной реставрации все, что удастся снять, отвинтить или отпаять,
следует аккуратно снять, отвинтить и отпаять с помощью горелки (тем более что
старый припой и без того разрушен временем, особенно возле носика). Исключе-
ние составляет лишь основание — если оно не вдавлено в корпус, лучше не
трогайте . Оси рукояток обычно заржавлены и требуют замены. Но, конечно, не стоит
прилагать грубую силу, пытаясь во что бы то ни стало скрутить заевшую резьбу,
уродуя деталь плоскогубцами. Зачастую достаточно капнуть керосином или WD-40,
а радикально — нагреть упрямое место докрасна и дать остыть.
3. Восстановление формы. Самый сложный процесс в работе — правка корпуса с
попутной заделкой пробоин и трещин. Здесь требуется терпение и умелая рука, а
также кое-какие специфические приспособления: набор киянок и молотков разного
веса и размера, гладилки из прочного дерева, оправки, подкладки и т.д.
Труднее всего с множественными мелкими, но резкими вмятинами и щербинами,
которые, строго говоря, так и не выводятся полностью. В целом-то поверхность
будет как бы ровной, но изначальной глади не достичь. Наиболее характерные
травмы корпуса — вдавленные внутрь рукоятки и заломленный кверху или книзу
носик.
Кстати, от накипи следует избавляться до начала рихтовки, поскольку она
просто не даст нормально работать. Не знаю, быть может, где-то на русском
Севере , где речная и озерная вода мягка, проблемы накипи не существует, но
южные регионы «славятся» чрезмерно жесткой водой, образующей при нагреве
колоссальные наслоения. Суть зла такова: содержащиеся в воде соли жесткости —
бикарбонаты кальция и магния — выпадают в осадок, а образовавшиеся при этом
карбонаты оседают на стенки. Мне встречались самовары, покрытые изнутри
пятимиллиметровой корой, прочной, как мрамор.
К счастью, чем накипь толще, тем слабее она держится, и легкое постукивание
киянкой снаружи приводит к ее отпадению. Но тонкие пленки могут быть удалены
исключительно химически, для чего придумано много простых средств. Однако все
они требуют кипячения раствора (соды, уксусной кислоты и т.п.) в очищаемой
емкости, что для ведерного самовара как-то проблематично, если только он не
на ходу. Для всех прочих есть элементарный, но нетерпимый в домашней
атмосфере прием, использовать который желательно на открытом воздухе: нагреть почти
до кипения слабый (4%) раствор соляной кислоты1, залить его в сосуд (или
погрузить оный «с головой»), подождать минут тридцать, а затем счистить
размякшую накипь деревянным шпателем или палочкой. И, разумеется, промыть водой.
4. Полное удаление окислов. Достигается суточной или более выдержкой в ра
створе нашатырного спирта или трилона Б. Чтобы дело продвигалось быстрее и
равномернее, примерно раз в час нужно пройтись по поверхности щетинной
кистью. Разумеется, тут же очищаются все прочие детали, всякие там клапаны,
крышечки, винтики и краны. Использовать кислоты не есть «gut2» ввиду
вымывания цинка и неизбежной высадки красной меди из раствора на оголившуюся
поверхность. И попробуйте ее потом снять! Но совершенно, категорически
недопустимо применять наждачную бумагу и тому подобные абразивы. После десятка таких
чисток самовар лишается изображения медалей за участие во всевозможных
выставках и ярмарках, а без этого великолепия ценность и красота экземпляра
резко падают.
Из экзотики попадаются советы использовать кислые (очевидно, недозрелые)
помидоры. Тут все понятно.
5. Изготовление недостающей фурнитуры. Это проблема! Подавляющее
большинство самоваров лишены мелких частей, крепившихся на верхней крышке, и
достоверное их дублирование возможно лишь путем отливки по сохранившимся аналогам. К
счастью, эти штуковины, в общем-то, однотипны, а если и прикрутите что-нибудь
не то, так не беда, лишь бы копия была сделана с хорошего оригинала. В конце
концов, специалистов по самоварной архитектуре вокруг не густо, да мы и гото-
Для удаления накипи отличный результат дает щавелевая кислота.
2 Хорошо (нем.)
вим предмет вовсе не для тульского музея. Только вот найти фирму, занятую
литьем бронзы, не просто, а деньги за свою работу они берут абсолютно
неадекватные. Самый популярный в народе путь — снять искомые запчасти с какого-то
другого самовара. Это, в первую очередь, относится к краникам. Не будучи
прикреплена к родному сосуду ничем, кроме собственного веса, злосчастная
запорная арматура умудряется сохраниться лишь в редких случаях, и из десяти старых
водогреев обычно только два-три имеют при себе родной кран.
На этом же этапе придется выточить токарным способом деревянные рукоятки и
«шишечки», тщательно повторяя материал и форму оригинала. Несомненно, это
допустимо только тогда, когда исходные образцы полностью разрушены или
утрачены, так как потертые, чуть засаленные прикосновениями предков штуковины
обладают своеобразным шармом, абсолютной достоверностью и, соответственно,
реальной исторической ценностью. Мне довелось видеть много самоваров с грубо
выточенными новехонькими «деревяшками», которым рука невежественного токаря даже
не удосужилась придать более или менее правильных очертаний.
Старые рукоятки в большинстве изготовлены из березы или ореха — древес
плотных, крепких, в полированном виде похожих на кость. Поэтому
использование, скажем, пористого дуба выглядит скверно. Великолепные результаты дают
фруктовые породы: абрикос, вишня, груша, яблоня и т.д. Пропорции и размеры
следует точно копировать исключительно по реальным образцам, без каких-либо
фантазий. Поверхность готовых деталей не покрывается никаким лаком, а прямо
на токарном станке тщательно шлифуется мелкой-мелкой наждачной бумагой и
затирается парафином, воском или льняным маслом.
6. Сборка. Наибольшую сложность представляет напайка крана и рукояток. Как
уже отмечалось, применять паяльник бесперспективно из-за огромной площади те-
плоотвода, к тому же могучие наплывы оловянного припоя по краям не то, что не
украсят предмет — они вовсе недопустимы. Поэтому пайка ведется с помощью
горелки, с прогревом всей зоны контакта предварительно залуженных деталей.
Вытекший или выдавившийся наружу припой следует тщательно удалить (срезать,
счистить и т.п.). Если были отделены основание и дымогарная (топочная)
камера, то обратная их напайка ведется не оловянно-свинцовым припоем, а чистым
«пищевым» оловом, чтобы свинец никоим образом не контачил с водой (коль скоро
вы собрались ее кипятить). Вероятно, нет нужды пояснять, отчего следует
избегать свинца: этот тяжелый металл, наряду с сурьмой, ртутью и т.д., отравит не
хуже гремучей змеи1.
7. Лужение. Может, для кого-то это новость, только вся старинная посуда,
изготовленная из меди или ее сплавов, в обязательном порядке лудилась изнутри
чистым оловом, поскольку контакт воды и пищи (особенно пищи) с медью чреват
отравлением окислами (и не только: доказано, что наличие в воде и пище меди
как металла однозначно приводит к циррозу печени2. Например, в Индии из-за
использования медной посуды от цирроза страдают даже дети).
Честно говоря, я не знаю, как лудили самовары и как это можно проделать в
современных (тем более домашних) условиях. Когда-то этим занимались бродяги-
цыгане, но сегодня навыки утеряны. Один знакомый рассказывал мне о наблюдени-
1 Это преувеличение. Ядовит не сам свинец (это металл и в воде никак не растворим),
а соли свинца, например, сульфат свинца, нитрат свинца, ацетат свинца. Но в
водопроводной воде эти соли вряд ли образуются (такая вода вообще не годится к
употреблению) , а самого свинца в припое не так много чтобы достичь ПДК. Водопровод на основе
свинцовых труб практически дожил до наших дней.
2 И это тоже преувеличение. Некоторые соли меди можно рассматривать как ядовитые или
вредные для здоровья, но нормально медь в воде покрывается пленкой окислов, которые
не растворимы. В настоящее время в развитых странах водопровод в домах выполняется
медными трубами и уже не считается, что медь вызывает цирроз печени. В Индии же
сильно увлекаются пряностями, что вряд ли полезно для печени.
ях своей юности за подобным специалистом. Тот лудил большие медные кастрюли —
в пятидесятые годы XX века они еще попадались и у населения, и в
общепитовских столовых. Выглядело это так: он разогревал всю (!) емкость над костерком
до нужной температуры, затем пучком льняной пакли стремительным движением
проходился по внутренней поверхности соляной кислотой и тотчас повторял сие с
мелко нарезанным оловом. Куда как просто! Только за мнимой легкостью кроется
великая сноровка и живой опыт, без которых ни у меня, ни у вас, уважаемые,
ничего не получится. Увы, увы... Но имейте в виду, что пить чай из нелуженого
самовара нельзя. Категорически! Кстати, непонятно, как нагреть корпус для
полуды так, чтобы не отпаялись рукоятки и краник? Вопросы, вопросы..
8. Финальная чистка. Разумеется, после паяния и возни со сборкой наш
агрегат отнюдь не сияет боками. Поэтому его следует окончательно искупать в три-
лоне, а затем чуть-чуть натереть зубным порошком, который, являясь мягким
абразивом, придаст поверхности нежный шелковистый блеск. Неправы те, кто при
помощи вездесущей пасты ГОИ полирует самовар, как зеркало. Они (самовары) не
были такими и в день своего рождения. Как любит говорить один мой знакомый
китаец: «Это нехоросё! Это плёхо!».
К написанному остается добавить лишь то, что для качественного
использования предмета по назначению его краник, являющийся по конструкции «пробковым»,
нужно притереть к стакану, иначе самовар будет течь. Конечно, родной кран в
этом обычно не нуждается, но вновь подобранный или изготовленный —
обязательно. Делается это при помощи любого мелкого порошкового абразива. Слегка
смоченный водой конус крана присыпается оным, опускается в стакан и вертится до
тех пор, пока детали не притрутся одна к другой в точности. Чем лучше
предварительное соответствие и мельче абразив, тем качественнее будет результат.
Кстати, внутреннюю поверхность крана нужно также залудить оловом.
Слева: так выглядит самовар после расчистки. Справа: прекрасно
сохранившийся экземпляр без повреждений, хотя рукоятки крышки,
сделанные кем-то взамен утраченных, не соответствуют традиции ни
формой, ни размерами, ни материалом.
Вот, вкратце, то, что следует знать о восстановлении самоваров. Именно
вкратце, поскольку узкий специалист, реставрирующий их постоянно, обязательно
имеет в арсенале множество иных приемов и готов отстаивать их со всей мощью
личного практического опыта. Но эта публикация не посвящена одним только
самоварам, а рекомендации являются лишь базовыми, призванными подготовить
домашнего реставратора к сугубо персональным удачам и конфузам, неизбежно
чередующимся при работе.
Перед нами ряд характерных обликов, в которых предстает большинство
самоваров , доживших до наших дней:
1. Множественные мелкие вмятины, с трудом поддающиеся выправлению. Вдобавок
утрачены крышка и дымогарная топочная камера, хотя в целом корпус
сохранился неплохо.
2. Глубокая, обширная деформация корпуса, выправление которой может
привести к появлению трещин. Основание и крышка утрачены.
3. Так выглядит накипь, наслоения которой могут достигать толщины 3-5 мм.
4. Вдавленные рукоятки — самый частый, хотя и не фатальный дефект.
Результат ничем не оправданного варварского обращения. Перекос верхней кромки
корпуса может представлять известную проблему.
"^*ч
Двоюродная сестра самоваров — элегантная керосиновая лампа (XIX
в.) с подставкой и рукоятками цинкового литья, без единой
утраты. Корпус никелирован, изрядно окисленный, но не поврежденный.
После самоваров в числе наиболее массовых «пациентов» обычно числится
разнообразное латунное и бронзовое литье: статуэтки, подсвечники, оправы для
керамики, рукоятки и подставки, а также мебельная фурнитура — всяческие
замочки, ключики, вкладыши, накладки и поворотные петли. Никаких специфических
особенностей работа с ними не имеет, но невредно запомнить кое-какие, уже не
раз упоминавшиеся общие принципы:
• не нужно начищать просто потемневший, но хорошо сохранившийся предмет. В
большинстве случаев достаточно растереть его суконкой или пройтись
латунной щеткой. В особенности это касается бронзы с ее свойством
образовывать исторически ценную патину. Самым привлекательным в старых вещах
как раз является та легкая «замшелость», которую неопытные мастера
удаляют с маниакальной нетерпимостью.
• при возможности выбора всегда желателен наименее радикальный, самый
щадящий процесс. Если речь идет о цветных металлах, то кислотам и
нашатырному спирту следует предпочесть раствор трилона Б, а из чистящих средств
— только мягкие абразивы (мел, крокус, венскую известь). Зачастую
хватает простой щетинной кисти;
• для придания художественной фактуре объема и глубины очень полезно
слегка затемнить, тонировать предмет одним из многих известных способов,
самый простой из которых — легкий общий нагрев (категорическим условием
при этом является тщательное обезжиривание поверхности, так как любой
отпечаток пальца проступает, точно бельмо на глазу);
• если предмет тяжел, но при этом отлит из белого металла, то чаще всего в
ваших руках цинковый сплав. Разумеется, первая же попытка калить его в
огне с какой-либо целью обернется расплавлением. Возможно также, что это
олово (температура плавления — 232 °С), но оно заметно мягче цинка.
Также вполне реален вариант серебра, нейзильбера или мельхиора. Однако, во-
первых, эти материалы тверды, звонки и обладают специфическим оттенком,
а, во-вторых, будучи смазаны кислотой, просто светлеют. Цинк же сразу
начнет шипеть и пузыриться.
Монеты и медали
Существует изрядная когорта людей, коллекционирующих старинные (и не очень)
металлические деньги и награды. Даже если интерес чисто эпизодический, время
от времени возникает потребность придать нормальный вид невразумительному
кругляшу, хотя бы для того, чтобы прочесть выбитые когда-то цифры и надписи.
С точки зрения материала, и монеты, и медали изготавливались из золота,
серебра, меди и их сплавов в самых разных сочетаниях. Ушедшее столетие добавило
сюда никель, так что огромное число экземпляров представляют собой композиции
никель-медь или никель-медь-серебро. Имеются также случаи использования
других благородных (иридий, платина) и простых (алюминий) металлов. Но, как бы
там ни было, подход остается прежним: если предмет достался вам в приемлемом
состоянии, оставьте его в покое, ограничившись суконкой или крацеванием
латунной щеткой. И только тогда, когда диск укрыт плотной пеленой окислов,
пускайте в ход раствор трилона, коему подвластна вся номенклатура цветных
сплавов и чистых металлов. Золото, серебро и т.д. можно травить нашатырем, однако
ни при каких обстоятельствах не используйте абразивы. Даже мел (зубной
порошок) допустим, но нежелателен — к чему, собственно, полировать монету?
Еще мягче, чем трилон, работает гексаметафосфат. Я не пробовал его в деле
(случай не представился), но пишут, будто он оставляет в покое даже
благородную патину, снимая только Зловредные окисные пятна. Очень может быть. Если
сможете разжиться этим порошком, который, как и трилон, продается почему-то в
количествах от мешка и выше, попробуйте.
Специальные приемы реставрации предполагают заглаживание мелких царапин и
выбоин особыми инструментами из каленой стали, но это уже самая настоящая
ювелирная работа, выполняемая под оптикой. Вряд ли в нашем случае возникнет
необходимость в подобных операциях.
Некоторые страны (например, Германия) питают необъяснимое пристрастие к
алюминию, создавая проблемы для реставраторов уже сегодня. А что будет через
пятьдесят лет? Хотя сам по себе «небесный» металл достаточно стоек, отчего-то
именно в монетах он корродирует скоро и необратимо, становясь белым порошком
окисла А1203, и сделать с этим ничего нельзя, разве что хранить все свои
пфенниги в жидком масле. Но отчего бы не освежить потемневший алюминий (не
только, кстати, монеты), протерев его тканью, смоченной в горячем растворе
буры (15 г) и 10%-го нашатырного спирта (5 г) в полулитре воды? Соваться же с
кальцинированной содой, щелочами или кислотами категорически не
рекомендуется.
И еще. Мы говорим только о медалях, поскольку ордена самому лучше не
трогать : там обычно присутствуют всевозможные накладки из других металлов,
эмаль, порой даже драгоценные камни, а это уже компетенция узких
специалистов . И, кстати, неплохо помнить о юридической стороне возни с орденами: их
купля-продажа образует состав преступления как незаконный оборот
драгметаллов, а в случае орденов советского периода возникает еще и политический
момент. Разумеется, предметы из собственной коллекции вы вольны уродовать прямо
на кухне, сколько душе угодно.
1. Самый благоприятный случай — отличное состояние монет плюс небольшая
обработка в растворах (см. выше).
2. Изрядно потертые монеты. Утрачены все мелкие детали с обеих сторон,
имеются также вмятины, заполненные продуктами коррозии (см. выше).
3. Иногда монета 1861 года выглядит лучше, чем её сестра 1925-го, а разменная
мелочь - словно только отчеканена (ниже).
4. Знаменитые советские полтинники 20-х и 30-х годов, содержащие изрядное
количество серебра, легко отбеливаются, как все изделия из этого
благородного металла, и могут служить испытательным полигоном для начинающего
реставратора (ниже).
ХРОМ И НИКЕЛЬ
В чистом виде эти «двоюродные братья» встречаются только в качестве
покрытий, причем первые никелированные вещи датируются еще XIX столетием. Хром
стал употребляться позднее. Однако основной объем их добычи расходуется
промышленностью вовсе не на покрытия, а для производства легированной стали —
нержавеющей, жаростойкой, химически пассивной и т.д.
Свое певучее наименование никель приобрел давным-давно: в средневековой
Европе порой натыкались на руду, очень похожую на железную, за малоприятным
исключением — выплавить металл из нее не удавалось ни при каких условиях.
Разумеется, фиаско приписывали козням зловредных карликов-кобольдов (отсюда —
кобальт) и чертей (в Западной Европе одно из обиходных наименований черта —
Ник). Потом, когда выяснилось, что руда содержит вовсе не железо, а
совершенно иной металл, он был назван в память о былых заблуждениях.
Наибольшую популярность никелевое покрытие получило среди домашней утвари —
от керосиновых ламп и самоваров до кроватей и велосипедов (автомобильный мир
подключился позже) — благодаря прочности и благородству вида. Оно вполне
стойко по отношению к воде во всех ее проявлениях, но лишь при условии, что
пленка нанесена аккуратно и правильно, иначе мы увидим распространенную
картину изъязвления поверхности множественными кавернами и раковинами самых
разных форм и размеров — от микроскопических до величины рисового зерна. Такое
происходит, когда предмет долгое время хранится в сырости. Вездесущая влага,
проникая к железу через невидимые глазу поры, образует локальные очаги
коррозии. Если повреждения не катастрофичны, достаточно аккуратно прошлифовать
изделие мелкой доводочной наждачной бумагой (так называемой «микронкой» или
«нулевкой») и каким-нибудь образом законсервировать результат: время от
времени натирать поверхность машинным маслом либо покрыть ее тонким слоем
прочного бесцветного лака (лучше всего цапоновый) — все зависит от конкретной
ситуации. Незащищенный металл, сохраняемый в комнатных условиях, конечно, уже
не покроется сыпью, но обнажившееся железо потемнеет, чего не произойдет при
масле, под лаком или воском.
Менее радикальный путь — выдержать предмет в керосине. Последний, обладая
щелочной реакцией и удивительной проникающей способностью, мягко растворит
ржу по месту ее пребывания. Аналогично работает и популярное средство WD-40.
Когда пленка никеля отслоилась сплошным лоскутом, что бывает не так уж
редко из-за некачественной подготовки основы, остается нести изделие на
ближайший завод или в автомастерскую, где имеется работающий гальванический
участок.
Хорошее никелевое покрытие, хотя и сохраняет первозданную целостность, со
временем тускнеет, подергиваясь голубоватой дымкой. В таком случае оно просто
полируется, хотя былого блеска обычно уже не вернуть. Старые руководства
рекомендуют удалять синеву и тусклый налет раствором серной кислоты в спирте
(1:1), но это уж слишком. Пример восстановления никелированного предмета
(керосиновой лампы) вы можете видеть выше (керосиновая лампа).
Хром гораздо тверже никеля, а его пленки прочнее, не тускнеют, но точечная
коррозия находит пищу и тут. Методы борьбы с нею аналогичны.
ЖЕЛЕЗО И СТАЛЬ
Химически чистое железо не ржавеет, доказательством чему — пресловутая
делийская колонна то ли из космического, то ли из мистического феррума
(99,72%). Однако в остальном мире подобные феномены отсутствуют, и решительно
все изделия, необоснованно именуемые железными, на самом деле стальные. Но
это с точки зрения науки, потому что в жизни сплавы с содержанием углерода
менее 0,3% принято величать-таки железом, при большей концентрации — сталью,
отличием которой является способность принимать закалку, т.е. переходить при
нагреве в иное фазовое состояние и фиксировать его в результате быстрого
охлаждения. Что же мы имеем? Поскольку прошлые века не знали экзотических
легированных сталей, говорить о них нет смысла, и ржавую старину можно условно
поделить на железо (гвозди, подковы, цепи, замки, навесы, крепеж и т.д.) и
сталь, к каковой относится в основном оружие всех видов.
В то время как медь и бронза успешно преодолевают временные просторы,
измеряемые тысячелетиями, для железа и вдесятеро меньшие сроки оказываются порой
роковыми. Известно, что медь и ее сплавы обладают полезной особенностью
самооксидироваться с образованием тонких, прочных поверхностных пленок окислов,
успешно принимающих на себя удары судьбы и защищающих основную массу металла
от гибели. Напротив, рыхлая корка гидроокиси (ржавчины) бурого цвета не
только не укрывает железо, но предательски сорбирует на себе воду, пропуская ее
вглубь. Чем больше в железе примесей типа фосфора, серы, кремния, кислорода и
т.п., тем скорее оно исчезнет с лица земли, обратившись в прах. Напротив,
примеры замечательной стойкости некоторых кованых раритетов прошлых веков,
сохраняющих довольно крепкий вид поныне, иллюстрируют нам, как с каждым
ударом молота в металл словно бы вколачиваются дополнительные годы жизни — ковка
очищает металл.
Безусловно, даже качественная сталь с высоким содержанием углерода ржавеет,
но неохотно. Именно поэтому огромное количество предметов вооружения радует
нас сегодня пристойной внешностью, если последние триста-пятьсот лет
хранились в относительном комфорте уцелевших дворцов и замков. Традиционно неплохо
обстоят дела с экземплярами из коллекций, но так повезло не всем — большое
количество реликвий, так или иначе, извлекаются из земли, а там всегда влага.
Тем удивительнее находки стальных мечей в знаменитой усыпальнице Цинь Шихуан-
ди (III век до н.э.) , которые по сей день выглядят, как новые, и остры, как
бритва. Правда, тамошний грунт (современная провинция Шэньси) более или менее
сухой, а клинки, согласно анализу, имеют высокое содержание никеля, то есть,
изготовлены целиком или с добавлением «небесного» металла железо-никелевых
метеоритов.
Итак, общее правило гласит: чем сталь углеродистее, лучше откована, сильнее
закалена и глаже отполирована, тем успешнее она сопротивляется коррозии.
Последнее замечание не пустой звук. Качество полировки играет существенную
роль, так как разрушение поверхности начинается с образования
микроскопических очагов, всегда "привязанных" к тем или иным неоднородностям — царапинам,
сколам, вкраплениям, раковинам и т.д. Чем их меньше, тем дольше ржавчине не
за что зацепиться. Отполируйте до зеркального блеска простой гвоздь и
выставьте его на улицу по соседству с никак не обработанным собратом. Результат
опыта не заставит себя долго ждать.
В морском климате Японии самурайские мечи VIII-XV столетий, будто вчера
вышедшие из рук мастера, сохранились не только благодаря ежедневному уходу
дисциплинированных буси1. Своей неповторимой свежестью они обязаны структуре
металла, сбитого множеством проковок, а также уникальной ручной полировке.
Европейские клинки никогда не доводились до сверхъестественного блеска,
общепринятого в пределах Ямато2, да и буйные рыцари с ландскнехтами предпочитали
вино и девиц вдохновенной возне со сталью.
Любопытно взглянуть на образчик очаговой коррозии, поразившей немецкий топ-
хельм (копия XIX века). Остается неясным, была ли сымитирована натуральная
коррозия или предмет попросту держали в сыром помещении вплоть до последних
дней. К слову сказать, практика изготовления замечательно достоверных реплик
всевозможных доспехов была распространена в конце позапрошлого — начале
прошлого столетий, и качество изделий превосходное, хоть одевай это железо и
сражайся за прекрасных дам. Обычно предметы такого рода сохранялись в частных
коллекциях, в сухих и теплых особняках, поэтому сомнительно, чтобы данный
экземпляр тихо гнил в погребе, приходя в нынешнее состояние. Скорее всего,
здесь действительно имеет место умелая имитация ржавчины, поскольку
отчетливых научных методов датировки тогда не существовало, и мастерски состаренный
доспех можно было реализовать за большие деньги.
1 Воин (япон.)
2 Ямато (япон., «великая гармония, мир») — древнее самоназвание Японского
государства. Ямато — историческая провинция Японии, которой сейчас соответствует префектура
Нара.
Вот еще интересный пример того, как при равных шансах на выживание деталь,
изготовленная из бронзы, ничуть не пострадала и явилась нам в том виде, что
имела столетия назад, когда мастер водрузил ее на хвостовик клинка,
выглядевшего тогда чуточку иначе (остатки рукояти меча, XIV век). Здесь даже заметен
характерный тип разрушения всех кованых стальных клинков, которые, имея
неоднородную структуру, быстрее теряют мягкие фрагменты с низким содержанием
углерода, в то время как углеродистые участки сопротивляются дольше и,
соответственно, предстают взору в виде продолговатых волокнистых форм.
Ниже — фрагмент клинка аланской сабли, побывавшей в погребальном костре.
Окалина защитила сталь, но на отдельных участках полосу все же выело, проявив
структуру.
Даже в сравнительно благоприятных условиях сталь быстро превращается в
пласты ржавчины, пресекая любые попытки вернуть ей подобие изначального облика.
Самое большее, на что может надеяться реставратор, — более или менее успешно
законсервировать рыхлую массу, сохранив от дальнейшего распада.
Часто плотная гидроокись железа медленно замещает собой материал изделия, и
в таком случае грешно и недопустимо пытаться удалять ее травлением. Так, было
достаточно легкой шлифовки, чтобы наконечник стрелы засиял четкими гранями, а
пораженные места отличались от соседних лишь цветом. Это боевой бронебойный
наконечник, такими пронзали кольчуги (выше).
Фрагмент меча (VI-VII вв.) и англо-саксонский наконечник копья (V-VI вв.).
Аланский боевой топорик с аналогичным типом коррозии.
Расчистка
Первое, что следует проделать со всяким старым предметом, изготовленным из
не боящегося воды материала — хорошенько искупать его с хозяйственным мылом,
стиральным порошком или каким-нибудь иным чистящим средством. Порой этого
оказывается вполне достаточно. В том случае, если имеются наслоения краски,
лаков, окаменевшей смазки (например, солидол основательно подсыхает со
временем) , придется воспользоваться ацетоном или одним из тех ужасных ядовитых
составов , что продаются специально для размягчения и снятия застарелых пленок.
Далее наступает черед ржавчины. Эта злодейка предстает в разных обличиях,
от легкого поверхностного налета до почти полного замещения изначального
металла. Последний вариант нам неподвластен, ибо даже в музеях в подобной
ситуации предпочитают оставить раритет как есть, стабилизировав его печальное
состояние. Существуют изощренные методы восстановления железа из окислов
путем нагревания его в атмосфере водорода, однако мне не приходилось слышать о
получении реальных приемлемых результатов подобной алхимии, не говоря уже о
взрывоопасности и денежной стоимости таких опытов.
Коль скоро поражена одна только поверхность, есть смысл применить керосин.
Обладая щелочной реакцией, он избирательно растворит слабую ржавчину и
разрыхлит ее корки в углублениях. Аналогичным действием славится также дизельное
топливо (солярка). Разумеется, мелкие детали следует попросту утопить на
сутки- двое в какой-нибудь банке, крупные же — обмотать тряпьем и залить кероси-
ном.
Крацевание стальной щеткой эффективно, особенно если эту щетку вертит
электромотор . Но тут надо смотреть по ситуации — что хорошо для садовых ворот, то
канделябру смерть! Так как речь в нашем случае идет не о ремонте гаража, то
лучше довериться чистой мускульной силе. Предпочтительна мягкая щетка из
тонкой эластичной проволоки, чтобы не царапать предмет.
К сожалению, все вышеперечисленные способы не решают проблемы матерой
коррозии, въевшейся, точно оспа, на глубину от одного до трех-пяти миллиметров,
и удаление последней целиком и полностью во власти кислот.
Исходя из личного опыта, могу сказать, что наиболее чисто и качественно
работает H2SO4 (серная кислота), хотя соляная и азотная также хороши, но они
отчаянно дымят, особенно азотка, отравляя все вокруг. Ортофосфорная
привлекает относительной безопасностью в обращении, однако медлительна и к тому же
оставляет на поверхности металла вторичные фосфатные пленки, требующие
удаления.
Вероятно, не стоит пояснять, что концентрированная кислота любой природы
одновременно уничтожит и ржавчину, и саму сталь, поэтому травят всегда
растворами. Чем больше воды, тем нежнее процесс, но и этого мало. Существует
класс веществ, именуемых ингибиторами. Будучи добавлены в кислоту, они
препятствуют воздействию на чистый металл, нисколько не возбраняя растворять
окислы, причем настолько успешно, что ее можно перевозить в простых
железнодорожных цистернах.
Известно большое количество промышленных ингибиторов под невразумительными
коммерческими названиями, состоящими из цепочки букв и цифр, но в розничную
торговлю они практически не поступают, а потому говорить о них бессмысленно.
Гораздо полезнее помнить, что общедоступным и эффективным ингибитором служит
обычный уротропин, прессованные таблетки которого продаются как «Сухой спирт»
или «Сухое горючее» для рыбаков, охотников и туристов. Рецептуру раствора
придется подбирать опытным путем в зависимости от вида кислоты, ее
концентрации и материала очищаемого предмета, но в целом это будут цифры порядка 0,5-
2%.
Конкретное время выдержки колеблется от минут до суток, в зависимости от
состояния предмета. В любом случае его следует то и дело (минимум каждые
полчаса) тереть щетинной кистью, иначе реакция замедляется, а травление будет
неравномерным. Дело в том, что любое внешнее препятствие — пузырек газа,
чешуйка ржавчины или грязи преграждают кислоте доступ к металлу, и на этом
месте остается бугорок с отчетливым краем. Когда целью работы является чистка,
подобный недосмотр обернется браком, но в реставрационной практике сплошь и
рядом приходится имитировать старое, ноздреватое железо, имея сырьем
девственную современную Заготовку. Тогда-то упомянутые пузырьки и прочий сор
становятся лучшими помощниками. Особенно замечательно, если поверхность чуть-
чуть корродированна, имеет окалину, какую-нибудь накипь и т.д. Достаточно
погрузить такую деталь в раствор кислоты (разумеется, не ингибированной) с
концентрацией порядка 50% и забыть о ней часов на десять, причем не болтать, не
шевелить и вообще никак не тревожить. Уже через два-три часа вы увидите, что
вся железка буквально залеплена пузырьками водорода, грязными лохмотьями
отслоившихся полурастворенных окислов и тому подобными субстанциями. В итоге
назавтра вы достанете на белый свет великолепно источенное изделие, будто
пролежавшее в могильном кургане века и века. Его остается лишь промыть и
законсервировать .
И все же главное, о чем всегда следует помнить, — не удаляйте ржавчину,
когда ее можно оставить на месте. Действительно древние экземпляры,
изготовленные из хорошей стали, часто корродируют весьма своеобразно, а именно: если
они пребывают в спокойном состоянии, неважно, под чистым небом или в земле,
то металл на большую глубину (иногда — насквозь) замещается продуктами
коррозии, но не рыхлыми и гигроскопичными, а удивительно плотными, темного цвета и
твердыми, как камень. Удалите их — и вместо клинка ясных очертаний или
наконечника стрелы в руках окажется бесформенная губка белого железа.
Живой пример — показанный ранее наконечник стрелы, изящная штучка с
немыслимо правильными гранями. Едва не на треть он состоит из продуктов коррозии,
аккуратно заместивших собою кованую сталь. Если бы я вовремя не спохватился и
довел травление до конца, реликвия погибла бы. К счастью, я почти сразу
понял, к чему идет, и ограничился обыкновенной шлифовкой. Масло и керосин в
таких случаях также недопустимы, поскольку приводят к постепенному отслоению
фрагментов.
Между прочим, этот наконечник мне подарил один знакомый, подобрав его на
кавказском перевале1, где, по его словам, их валялась целая россыпь, и таких
вот бронебойных, для пронзания кольчуг, и раздвоенных охотничьих. Я бы
никогда не поверил, не продемонстрируй он полную пригоршню находок. Теперь
смертоносное жало тихо почиет за стеклом в шкафу, радуя глаз и нисколько не
меняясь вот уже пятнадцать лет.
Консервация
Оголившуюся после чистки, а потому беззащитную поверхность железа следует
немедленно, тотчас же прикрыть какой-нибудь стойкой, плотной и обязательно
нейтральной пленкой, иначе ржавчина набросится на него с утроенной энергией.
В роли таких пленок традиционно выступают различные краски на основе
высыхающих растительных масел (сегодня — синтетических смол), всевозможные лаки и
прочая москательная продукция. Увы, подобные покрытия хороши на улице, но
совершенно не годятся для комнатных «жильцов» — художественного металла и
оружейной стали. Любой лак, даже такой прочный, тонкий и абсолютно прозрачный,
как, например, цапоновый, портит облик изделия — оно приобретает вульгарный
вид. Железо должно выглядеть железом.
Хорошей защитой является воск. Однако натуральный пчелиный при всех его
испытанных достоинствах липнет к рукам, поэтому удобнее использовать готовые
автоконсерванты на основе тугоплавких искусственных восков. Методика
элементарна: предмет следует хорошенько прогреть до температуры порядка 60 °С, а
затем кистью или тампоном нанести консервант. Если упаковка последний
представляет собой аэрозольный баллон, то это вообще подарок. В контакте с
горячим железом состав задымит и затечет во все закоулки. Излишки и потеки
удаляются тряпкой, а остывшая поверхность ею же располировывается. В итоге мы
получаем нечто бесспорно благородное и «настоящее».
Следует предостеречь от распространенной ошибки: не покрывайте сталь
парафином! Кажущаяся эффективность такой изоляции обернется бедой, так как
парафин и его аналоги отнюдь не нейтральны, а являются жирными органическими
кислотами .
Битумные мастики и вообще битум в любой ипостаси хороши, но область их
применения ограничена садово-парковыми или каминными принадлежностями. Мне
встречались рыцарские доспехи, мазанные изнутри битумным лаком, что, кстати,
их отнюдь не спасло, а смотрелось гадко. Утешает одно — бензином или
керосином такое покрытие смывается моментально.
Интересно: как на перевале могли оказаться залежи наконечников? Это же не гильзы
от MG-34 в старой стрелковой ячейке где-нибудь на Клухоре! И потом: их не носили в
сумке, как пули к кремневому ружью, и, соответственно, их нельзя было потерять,
рассыпать и т.п. Любой наконечник был при своей стреле. Так всегда: стоит задуматься —
и мозги набекрень!
Зачастую, хотя и не всегда, требуется дополнительный рубеж обороны в виде
оксидных пленок. Диапазон технологий их получения широк — от простейших до
хитроумных, связанных с кипячением в растворах химикатов. В зависимости от
рецептуры получаются покрытия разного цвета и разной степени стойкости.
Наиболее доступный, понятный и легко воспроизводимый путь таков: сталь
нагревается до возникновения цветов побежалости, каждый из которых соответствует
пленке окисла той или иной толщины. Обычно дело доводят до лазурного оттенка,
каковой появляется по прохождении рубежа 270 °С. Испанские мастера владели
секретом синения таким образом цельных доспехов. Делалось это в особых печах
над древесным углем, но каким образом достигалась потрясающая равномерность
окраски, история умалчивает.
После 350 °С радуга блекнет, сменяясь тусклой серой окалиной, а это
нежелательно — последняя отслаивается тем скорее, чем толще. Во избежание перегрева
выдерживают предметы (к сожалению, этот способ применим только к мелким
деталям) в расплавленной кипящей селитре до тех пор, пока они не приобретут
густого синего цвета. Так оксидировали револьверы еще в конце XIX столетия.
Пленка получается равномерной и прочной настолько, что сохранившиеся до наших
дней образцы не потеряли первоначального вида. В любом варианте после
оксидирования еще горячую поверхность следует протереть каким-либо минеральным
маслом. Против дождя и тумана такая защита слабовата, но в нормальных комнатных
условиях продержится сколь угодно долго.
Так называемое «воронение» железа и стали, придающее глубокий черный цвет и
приличные антикоррозионные свойства, может быть произведено различными
способами. Самым древним и проверенным является такой: изделие смазывают льняным
или оливковым маслом и нагревают до тех пор, пока масло, дымя, не выгорит
полностью — и так несколько раз. В итоге образуется стойкая черная пленка,
частично диффундирующая в металл. Но, безусловно, самым лучшим и долговечным
будет химическое оксидирование, рецептов коего предостаточно, причем в
большинстве случаев нужны агрессивные вещества, а весь процесс протекает под
вытяжкой . Приведу наименее проблематичный рецепт:
• обезжиривание в бурно кипящем растворе (100 г кальцинированной соды на 1
л воды) в течение 30 минут;
• промывка проточной водой. Если вода смачивает поверхность равномерно и
полностью, то обезжиривание удалось, а если собирается каплями, его
следует повторить;
• кипячение в растворе следующего состава:
каустическая сода 700 г
нитрат натрия 100 г
нитрит натрия 100 г
вода 1 л
Подготовленное изделие погружается в бурно кипящий раствор при начальной
температуре последнего 136-138 °С. Конечная температура (перед
завершением оксидирования) составляет 142-145 °С. Для закаленных деталей начальная
и конечная температуры повышаются на 2-3 °С;
• периодическое ополаскивание: каждые 20-30 минут детали извлекаются из
ванны и 2-3 раза погружаются в воду комнатной температуры (смысл данной
операции неясен, однако из песни слов не выкинешь).
Качество окрашивания определяется визуально. По завершении процесса изделие
следует тщательно промыть и выдержать 3-5 минут в кипящем мыльном растворе
(30 г твердого хозяйственного мыла на 1 л воды). После окончательной промывки
и сушки поверхность промасливается в любом жидком минеральном масле при
температуре 105-115 °С в течение 2-3 минут и протирается насухо.
Результатом этого алхимического колдовства будет то самое неизносимое воро-
нение, что радует глаз при взгляде на старое огнестрельное оружие. Старое
потому, что сегодня сплошь и рядом благородная «воронь» подменяется разными
современными методами нанесения тефлоновых, карбидных, эпоксидных и прочих
пленок, очень технологичных, дешевых, прочных, антибликовых и т.д., за одним
досадным исключением — оружие выглядят не вполне настоящим. Как было сказано в
превосходном британском научно-популярном фильме «The Gun», классика жанра в
данном случае неизменна вот уже триста лет: вороненая сталь и ореховое
дерево.
Если нет возможности или необходимости воспроизводить столь долгий и
малоприятный процесс, вполне можно обойтись таннатированием. Порошок танина
следует развести водой с добавлением нескольких капель спирта, без которого он и
растворяется хуже, и работает слабее. Тщательно обезжиренная поверхность
протирается полученным раствором, по высыхании коего образуется черно-лиловая
пленка танната железа. Чем раствор концентрированнее, тем плотнее тон. После
промасливания поверхность теряет синий оттенок и становится серо-черной.
Тщательно промасленная таннатная пленка сравнительно неплохо предохраняет
металл от ржавчины, а простота ее нанесения выдвигает данный способ в ряды
наиболее популярных и общедоступных. В самом деле — не разводить же у себя на
кухне адское варево! И еще: варьируя плотность раствора, легко получить
обширную гамму цветов от чуть голубоватого до почти непроницаемого.
Существует также замечательный старинный способ покрытия стали так
называемым «ржавым лаком», иначе именуемым «английским». Первое название пошло от
его рыжего или, скорее, кирпичного цвета, а второе — оттого, что так
защищались знаменитые английские ружья с ударно-кремневыми замками, старейший
образец пехотного оружия, принятые на вооружение британской армией в начале XVIII
века (точнее, в 1730 году) и продержавшиеся едва ли не до середины XIX
столетия. Благодаря непривычной масти они получили прозвище «Brown Bess».
Технология достаточно элементарна и не содержит каких-либо тайных капризов:
в смеси из равных по объему долей концентрированных соляной и азотной кислот
растворяют железные опилки с железной же окалиной (50+50%), пока реакция не
прекратится сама собой. Образовавшийся состав наносится на сталь тонкими
слоями с промежуточной сушкой. Процесс может длиться несколько суток, зато
покрытие получается настолько прочным, что предмет может неделю пролежать в
воде или под дождем без признаков коррозии.
И последняя тонкость. Даже умело расчищенное и грамотно законсервированное
железо может снова ржаветь из-за неощутимо малой толики влаги, затаившейся в
невидимых межкристаллических трещинах и порах. То, что даже отменно кованная
сталь выглядит монолитом, — иллюзия. Это ясно видно на примере ружейных
стволов, скрупулезно обихоженных после стрельбы. Агрессивные продукты сгорания
капсюльного состава и пороха в действительности глубоко проникают в металл.
Если несколько дней спустя протереть канал белой тряпочкой, мы обнаружим на
ней изрядное количество «отпотевшей» грязи, которой не было в помине.
Поэтому непосредственно (а никак не загодя) перед вощением, окраской или
промасливанием — то есть финальными этапами консервации — предмет следует
хорошенько прогревать, притом достаточно долго. Идеальна суточная выдержка в
сушильном шкафу с температурой порядка 100-150°С (разумеется, если вещь туда
поместится). Через мои руки прошло несколько рыцарских шлемов, имевших очаги
вторичной коррозии под толстым слоем воска снаружи и не менее толстым слоем
битумного лака изнутри, хотя предшествующая расчистка была выполнена когда-то
на славу.
ЧУГУН
Это последнее, о чем следует рассказать, так как по сей день в нашем быту
обретается изрядное число вещей такого рода. Самые распространенные из них —
утюги, ступки, всевозможные фигурки, чернильные приборы, печные и каминные
принадлежности (которые бывают весьма декоративными) и т.д.
К великой радости собирателей старины, чугун практически неподвластен
коррозии в обыкновенных уличных, а тем более домашних условиях. Каждый может
убедиться в этом, отыскав в городе какой-нибудь ветхозаветный люк, прикрытый
потертой литой крышкой с надписью типа «Сукинъ и сыновья. Телефонъ. 1903
годгь». Мне, по крайней мере, такие попадаются на глаза часто, и почему-то
именно телефонные. Аналогичным образом чугунные ограды, пушки, ажурные
ступени и козырьки у подъездов домов демонстрируют, во-первых, четкие цифры дат
своего рождения, во-вторых — полнейшее пренебрежение к ржавчине, притом в
крайне агрессивной городской атмосфере. Относительно последней стоит
заметить , что неверно считать ядовитым лишь воздух современных мегаполисов. И
сто, и двести лет назад печной дым из тысяч труб насыщал поднебесье теми
самыми окислами серы (а ее в угле много), которые порождают пресловутые кислот-
ные дожди и легендарный лондонский смог.
Поэтому странно, но приятно видеть вышеперечисленный чугунный ассортимент
нисколько не пострадавшим, покрытым легкой пленкой черно-коричневого цвета,
отнюдь не напоминающей зловредную ржавчину. А все просто: содержание углерода
в чугуне колеблется в пределах 2,5-4,5%, не считая изрядного количества иных
элементов — серы, кремния, марганца и фосфора. Иными словами, железа слишком
мало для поддержания непрерывной глубокой коррозии.
Популярность чугуна как литейного материала обусловлена не столько его
дешевизной, сколько способностью великолепно заполнять форму без недолива,
раковин , пузырей и прочего брака. На протяжении тысячелетий он и использовался
в декоративных целях для отливки всевозможных, обычно крупных, предметов.
Корни технологии простираются в Индию — известны находки литых чугунных
гробов, датированных концом XIII века до н.э. (т.е. их возраст — 3300 лет).
Заметно моложе, но куда грандиознее китайские пагоды, именуемые населением
Поднебесной просто железными. Например, в городе Даняне (провинция Хэбэй) стоит
и не думает рушиться знаменитая пагода Юцюань из чистого чугуна, возведенная
в 1061 году. Так что парковые ограды, крышки телефонных люков, утюги и
каслинские статуэтки обязательно порадуют наших отдаленных потомков из какого-
нибудь XXXV-го века — если прежде человечество не похоронит само себя, или в
Землю не ударит ожидаемый всеми астероид, или нас не поработят жукоглазые
пришельцы с Антареса, и т.п.
Реставрация чугуна проста, как он сам: старательная зачистка железной щет-
кой и консервация. Будучи хрупким, но достаточно твердым, чугун не
пострадает , если вы вооружитесь вращающейся крацовкой и пройдетесь по его поверхности
основательно, от души. После такой экзекуции оголившийся темно-серебристый
металл можно промаслить, таннатировать или выкрасить любым составом — в
зависимости от предполагаемого места его дальнейшего нахождения. Традиционно
предметы для улицы кроют черным битумным или пековым лаком, хотя то же самое
проделывают и с художественным литьем для комнатного использования. Вообще,
черный цвет является для чугуна классическим, но если вы хотите наслаждаться
истинно металлическим блеском, то призовите на помощь восковую мастику.
Прозрачный лак, как уже отмечалось, придает вещам вульгарный вид. Впрочем, кому
что нравится (к слову, было бы интересно попробовать на чугуне упомянутый
«ржавый» лак).
Абсолютное большинство бытовой утвари из чугуна, датируемой XVIII-XIX
веками , демонстрирует вполне приемлемую внешность, и может быть использовано по
прямому назначению. Процесс ржавления затрагивает лишь поверхностные слои, и
легкая изгьязвленность лишь ненавязчиво подчеркивает возраст предмета.
Угольные утюги XIX - начала XX вв. - популярный объект
коллекционирования, притом почти все они доныне сохранили "боевой
дух". А что им сделается?
(ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ)
Разное
КАКОГО ЦВЕТА ЗЕЛЕНКА?
Пальчиков Е.И.
Та самая зеленка, которой смазывают мелкие раны и царапины? Многие,
наверное, скажут, что зеленого (и будут правы!).
Но посмотрите сквозь пузырек с зеленкой на какой-нибудь яркий источник
света, например на Солнце, нить лампочки накаливания или на дуговой разряд. Вы
увидите, что зеленка пропускает только красный свет. Получается, что зеленка
красного цвета?
Возьмите несколько кювет разной толщины или тонкостенные стеклянные
стаканчики , налейте в них раствор зеленки1 и посмотрите на просвет. Тонкие слои
раствора имеют, действительно, зеленый цвет, более толстые приобретают
неопределенную серую окраску (с пурпурным оттенком), а еще более толстые кажутся
красными. Иными словами, цвет зависит от толщины слоя раствора. Как это можно
объяснить?
Оказывается, спектр пропускания тонкого слоя зеленки имеет в видимой
области две полосы прозрачности: широкую сине-зеленую и узкую красную (рис. 1). На
самом деле красная полоса не узкая, а простирается дальше в инфракрасную
область, но глаз человека из этой широкой полосы видит только маленький
кусочек , попадающий в область видимого света. В красном участке поглощение мало
по сравнению с сине-зеленым (коэффициент пропускания для красного света
существенно больше, чем для сине-зеленого). Но сине-зеленая полоса шире красной и
расположена в том участке спектра, где глаз имеет высокую чувствительность.
Поэтому раствор зеленки в тонком слое будет казаться зеленым.
Зеленку желательно разбавить, иначе придется брать очень тонкие кюветы.
I"
i 50
I
Snexfflp ярдпувхвтя
—Л .
^
Кривая
чувствительности
слеш
Ц1
Уяьтрвфиаяяжьт
Cffgff?
ОЛ
0,6
_|_
Дли*'
*ч
£
1
fa
*i
"3
%
4
1
к
Видимый свет
%
IS
I
Рис. 1.
Увеличим толщину слоя зеленки в два раза или, что то же самое, расположим
последовательно друг за другом два одинаковых слоя. Как изменится коэффициент
пропускания света? Очевидно, уменьшится. Чтобы получить его новое значение,
надо перемножить коэффициенты пропускания первого слоя и второго такого же
слоя. Другими словами, коэффициент пропускания для одного слоя надо возвести
в квадрат. При этом для сине-зеленой полосы коэффициент пропускания
уменьшится очень сильно, а для красной полосы останется почти неизменным.
На рис. 71 показано, как изменяются коэффициенты пропускания красной и
сине-зеленой полос при последовательном увеличении толщины слоя зеленки. Ясно,
что доля сине-зеленого света становится все меньшей и меньшей по сравнению с
долей красного света. Начиная с некоторой определенной толщины, раствор
зеленки на просвет будет не зеленым, а красным. Так какого же цвета зеленка на
самом деле?
%190
%
|
t
<%,MffAf
Рис. 2.
Разное
ФРАНЦИИ - ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
Однажды путём реакции
В далёкой столице Франции
Был редкий открыт элемент,
Его полсотни знают лет.
Предсказан был Менделеевым
(учёным полным идеями)
И в первую группу попал,
Тот щелочной металл
Стоит под номером 87.
Франций на цезий похож совсем,
Является щелочным активным,
Редким, не агрессивным.
Выделяют химически из урана и тория,
Имеет два изотопа. Вот так теория!
Но в силу своей радиоактивности
Он не имеет практичности.
Дарья Никулина
Среди элементов, стоящих в конце периодической системы Д. И. Менделеева,
есть такие, о которых многое слышали и знают неспециалисты, но есть и такие,
о которых мало что сможет рассказать даже химик. К числу первых относятся,
например, радон (№86) и радий (№88). К числу вторых - их сосед по периодиче-
ской системе элемент №87 - франций. Франций интересен по двум причинам: во-
первых, это самый тяжелый и самый активный щелочной металл; во-вторых,
франций можно считать самым неустойчивым из первых ста элементов периодической
системы. У самого долгоживущего изотопа франция - 223Fr - период полураспада
составляет всего 22 минуты. Такое редкое сочетание в одном элементе высокой
химической активности с низкой ядерной устойчивостью определило трудности в
открытии и изучении этого элемента.
Как искали франций
На долю женщин-ученых не так уж часто выпадает счастье открытия новых
элементов. Всем известно имя Марии Склодовской-Кюри, которая открыла радий и
полоний. Менее известна Ида Ноддак (Такке), обнаружившая рений. Открытие
элемента №87 связано с именем еще одной женщины - француженки Маргариты Пере,
кстати, ученицы Марии Склодовской-Кюри. 9 января 1939 г. она заявила об
открытии элемента №87. Вернемся, однако, назад почти на 70 лет и рассмотрим
историю открытия этого элемента более подробно.
Возможность существования и основные свойства элемента №87 были предсказаны
Д.И. Менделеевым. В 1871 г. в статье «Естественная система элементов и
применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов», опубликованной в журнале
Русского физико-химического общества, он писал: «Затем в десятом ряду можно
ждать еще основных элементов, принадлежащих к I, II и III группам. Первый из
них должен образовывать окисел R2O, второй - RO, а третий - R2O3; первый будет
сходен с цезием, второй - с барием, а все их окиси должны обладать, конечно,
характером самых энергичных оснований».
Исходя из местоположения экацезия в периодической системе, следовало
ожидать , что сам металл будет жидким при комнатной температуре, так как цезий
плавится при 28°С. Из-за высокой реакционной способности весь земной экацезий
должен бы встречаться только в виде солей, которые по своей растворимости
должны превосходить соли остальных щелочных металлов, поскольку при переходе
от лития к цезию растворимость солей возрастает.
Однако открыть этот интересный элемент ученым XIX столетия не удалось.
После открытия радиоактивных соседей элемента №87 стало очевидно, что он
тоже должен быть радиоактивным. Но и это не прояснило ситуацию.
Ученых, занимавшихся поисками 87-го элемента, условно можно разделить на
две большие группы. Первая предполагала существование в природе стабильных
или долгоживущих изотопов этого элемента и потому вела поиски его в минералах
и концентратах щелочных металлов, в воде морей и океанов, в золе сена и
грибов, в патоке и пепле сигар. Вторая группа ученых, ориентируясь на
радиоактивность элемента №87, искала его среди продуктов распада соседних с ним
элементов .
При поисках экацезия в воде морей и океанов особый интерес представляла
вода Мертвого моря, омывающего земли Палестины. В результате экспедиций было
установлено, что в воде этого моря в значительных количествах содержатся ионы
щелочных металлов, галогенов и других элементов. «В воде Мертвого моря
невозможно утонуть», - сообщали популярные журналы. Английского ученого И. Фриен-
да, который в июле 1925 г. отправился в эти края, интересовало нечто иное.
«Уже несколько лет назад, - писал он, - мне пришло в голову, что если экаце-
зий способен к постоянному существованию, то его можно будет найти в Мертвом
море».
Из проб воды удаляли все элементы, кроме щелочных. Хлориды же щелочных
металлов разделяли путем дробного осаждения. Хлорид экацезия должен был быть
самым растворимым. Однако и проводимый на последнем этапе рентгеноспектраль-
ный анализ не позволил обнаружить экацезии.
Тем не менее, в литературе вскоре появилось несколько сообщений об открытии
87-го элемента, но все они впоследствии не подтвердились. В 1926 г.
английские химики Дж. Дрюс и Ф. Лоринг сообщили, что наблюдали линии экацезия на
рентгенограммах сульфата марганца, и предложили для вновь открытого элемента
название «алкалиний». В 1929 г. американский физик Ф. Аллисон с помощью в
основе своей ошибочного метода магнитооптического анализа обнаружил следы 87-го
элемента в редких минералах щелочных металлов - поллуците и лепидолите. Он
назвал «свой» элемент виргинием. В 1931 г. американские ученые Дж. Пэпиш и Э.
Вайнер вроде бы даже выделили экацезии из минерала самарскита, а в 1937 г.
румынский химик Г. Хулубей обнаружил экацезии в минерале поллуците и назвал
его молдавием. Но все эти открытия не удалось подтвердить, ибо открыватели
алкалиния, Виргиния и Молдавия ни в малой степени не учитывали важнейшего
свойства экацезия - его радиоактивности.
Однако неудачи преследовали и вторую группу ученых, занимавшихся поисками
87-го элемента среди продуктов распада радиоактивных семейств. Ни в одном из
известных в то время радиоактивных семейств - урана 238 (4п + 2) , урана-235
(4п + 3) и тория-232 (4п) - линии радиоактивных превращений не проходили
через изотопы 87-го элемента. Это могло быть до двум причинам: либо элемент №87
- член отсутствующего ряда (4п + 1), либо недостаточно тщательно изучен
процесс радиоактивного распада урана-238 или урана-235 на участке радий -
полоний. Действительно, уже в самом начале более тщательного изучения ряда урана-
238 было обнаружено, что изотоп 214Bi может распадаться двумя путями:
испытывать альфа-распад, превращаясь в 210Т1, или бета-распад, переходя в изотоп
214Ро. Это явление получило название разветвленного распада, или радиоактивной
вилки. Можно было ожидать подобных вилок и на участке радий - полоний.
Первое сообщение об открытии 87-го элемента как продукта радиоактивного
распада появилось еще в 1913 г. и принадлежало английскому химику Дж. Крэн-
стону. Работая с препаратом 228Ас, он обнаружил наличие у этого изотопа
слабого альфа-излучения (помимо известного и ранее бета-излучения). В результате
альфа-распада 228Ас превращается в изотоп 87-го элемента - 22487. К сожалению,
сообщение Крэнстона осталось незамеченным.
Через год сразу три австрийских радиохимика - Мейер, Гесс и Панет - наблю-
227
дали явление разветвленного распада изотопа Ас, принадлежащего к ряду
урана-235 (4п + 3). Они обнаружили альфа-частицы с длиной пробега в воздухе 3,5
см. «Эти частицы образуются при альфа-распаде обычно бета-активного 227Ас, -
рассуждали они, - ...продуктом распада должен быть изотоп элемента 87».
Однако к выводам этих ученых многие отнеслись с недоверием. Оно было
вызвано в основном тем, что наблюдаемая альфа-активность была очень слабой, а это
таило в себе возможность ошибки, тем более что препарат актиния-227 мог
содержать примесь протактиния, а протактиний способен испускать подобные альфа-
частицы.
Наряду с этими экспериментальными работами представляет интерес
теоретическое исследование одесского химика Д. Добросердова. В 1925 г. в «Украинском
химическом журнале» он опубликовал сообщение, в котором высказал интересные
соображения о величине атомного веса, физических и химических свойствах 87-го
элемента и о том, где и какими методами следует его искать. В частности, он
подчеркнул, что экацезий «непременно должен быть весьма радиоактивным
элементом» . Однако Добросердов допустил досадную ошибку, предполагая, что известная
радиоактивность калия и рубидия объясняется присутствием в них экацезия.
В случае открытия элемента со столь интересными свойствами русскими учеными
Добросердов предлагал назвать его руссием.
В следующем году появились сразу две работы: выдающиеся радиохимики О. Ган
(Германия) и Д. Хевеши (Венгрия) предприняли попытки доказать присутствие
экацезия в радиоактивных рядах. Хевеши изучил альфа-распад 228Ас и 227Ас, а
также бета-распад эманации - изотопов радона и показал, что при бета-распаде
эманации изотопы 87-го элемента не образуются, а при распаде актиния-228 если
и образуется изотоп 22487, то его количество должно составлять менее 1/200 000
228
доли исходного количества ядер Ас.
Прошло 12 лет, и в конце 1938 г. к поискам 87-го элемента приступила
французский химик Маргарита Пере, сотрудница парижского Института радия. Повторив
опыты Мейера, Гесса и Пакета, она, естественно, также обнаружила альфа-
частицы с пробегом 3,5 см. Чтобы доказать, что эти загадочные частицы
испускаются актинием, а не протактинием, Пере очень тщательно очистила актиний от
примесей и дочерних продуктов. Соосаждением с гидроокисью четырехвалентного
церия она удалила из раствора радиоактиний - изотоп тория; с карбонатом бария
были выведены изотопы радия, а с гидроокисью лантана - актиний.
Оставшийся после такой обработки маточный раствор мог содержать только
щелочные и аммонийные соли и, как казалось, не должен был быть радиоактивным.
Однако в остатке после выпаривания отчетливо регистрировалась бета-активность
с периодом полураспада 22 минуты. Стало ясно, что эта активность связана с
каким-то щелочным элементом. Можно было предположить, что она возникает в
результате альфа-распада актиния и, согласно правилу смещения, принадлежит ядру
элемента №87. Чтобы доказать это, Пере перевела активность в осадок вместе с
перхлоратом цезия. Активность полученных кристаллов перхлората цезия также
убывала с периодом полураспада 22 минуты.
Таким образом, Пере обнаружила, что в 227Ас существует радиоактивная вилка:
в 1,2% случаев распада при вылете альфа-частиц образуется бета-излучатель со
свойствами тяжелого щелочного металла и периодом полураспада 22 минуты:
227Ас 90% "* RdAc(227Th)
2L6r
1,2%
а а
18,7 дня
АсК рчт) 7p^Fo - АсХ p*Ra).
22 мин.
Долгая и кропотливая работа завершилась успехом, и 9 сентября 1939 г. Пере
заявила об открытии элемента №87. В соответствии с номенклатурой, используе-
мой для естественных радиоэлементов, она выбрала для него название «актиний-
К». Позднее, в 194 6 г., Пере назвала открытый ею элемент францием в честь
своей родины, а в 194 9 г. Международный союз теоретической и прикладной химии
(ИЮПАК) утвердил это название и символ Fr.
Как его исследовали
Помимо 223Fr, сейчас известно несколько изотопов элемента №87. Но только
223Fr имеется в природе в сколько-нибудь заметных количествах. Пользуясь
законом радиоактивного распада, можно подсчитать, что в грамме природного урана
содержится 4 • Ю-18 г 223Fr. А это значит, что в радиоактивном равновесии со
всей массой земного урана находится около 500 г франция-223. В исчезающе
малых количествах на Земле есть еще два изотопа элемента №87 - 224Fr (член
радиоактивного семейства тория) и 221Fr. Естественно, что найти на Земле
элемент, мировые запасы которого не достигают килограмма, практически
невозможно . Поэтому все исследования франция и его немногих соединений были выполнены
на искусственных продуктах.
Франций-223 долгое время был единственным изотопом, который применяли в
опытах по изучению химических свойств элемента №87. Поэтому, естественно,
химики искали методы ускоренного выделения его из 227Ас. В 1953 г. М. Пере и
известный ныне французский радиохимик Ж. Адлов разработали экспресс-метод
выделения этого изотопа с помощью бумажной хроматографии. По этому методу раствор
227Ас, содержащий 223Fr, наносится на конец бумажной ленты, которая погружается
в элюирующий раствор. При движении раствора по бумажной ленте происходит
распределение по ней радиоэлементов. 223Fr, будучи щелочным металлом, движется с
фронтом растворителя и откладывается позже других элементов. Позднее Адлов
223
предложил использовать для выделения Fr сложное органическое соединение а-
теноилтрифторацетон (ТТА). Описанным методом за 10...40 минут удается
выделить чистый препарат франция-223. Из-за малого периода полураспада работать с
этим препаратом можно не более двух часов, после чего образуется уже заметное
количество дочерних продуктов и нужно или очищать франций от них, или
выделять его заново.
С развитием техники ускорения ионов были разработаны новые методы получения
франция. При облучении ториевых или урановых мишеней протонами высоких
энергий образуются и изотопы франция. Самым долгоживущим из них оказался франций-
212 с периодом полураспада 19,3 минуты. За 15 минут облучения грамма урана
пучком протонов с энергией 660 МэВ на синхроциклотроне Лаборатории ядерных
проблем Объединенного института ядерных исследований образуется 5-Ю-13 г
франция-212 с активностью 2,5-107 распадов в минуту.
Выделение франция из облученных мишеней - процесс весьма сложный. За очень
короткое время его нужно извлечь из смеси, содержащей почти все элементы
периодической системы. Несколько методик выделения франция из облученного урана
разработано советскими радиохимиками А.К. Лаврухиной, А.А. Поздняковым и С.С.
Родиным, а из облученного тория - американским радиохимиком Э. Хайдом.
Выделение франция основано на соосаждении его с нерастворимыми солями
(перхлоратом или кремневольфраматом цезия) или со свободной кремневольфрамовой
кислотой. Время выделения франция этими методами составляет 25...30 минут.
Еще один способ получения франция основан на реакциях, происходящих при
облучении мишеней из свинца, таллия или золота многозарядными ионами бора,
углерода или неона, ускоренными на циклотронах или линейных ускорителях. При-
годны такие пары мишень - снаряд: РЬ + В; Т1 + С; Au + Ne. К примеру, фран-
ций-212 образуется при облучении золотой фольги ионами неона-22 с энергией
140 МэВ:
197Аи79 + 22Neio - 212Fr87 + 4Не2 + Зхп0.
Наиболее удобная и быстрая методика выделения изотопов франция из
облученного золота разработана советскими радиохимиками Н. Мальцевой и М. Шалаев-
ским. Франций экстрагируют нитробензолом в присутствии тетрафенилбората из
колонки, заполненной силикагелем.
С помощью всех этих методов получено 18 изотопов франция с массовыми
числами от 203 до 213 и от 218 до 224.
Поскольку франций не может быть получен в весомых количествах, его физико-
химические константы чаще всего рассчитываются с учетом свойств остальных
членов группы щелочных металлов. Вычислили, что температура плавления франция
около 8°С, а температура кипения примерно 620°С.
Все опыты по изучению химических свойств франция проводились, естественно,
с ультрамалыми количествами этого элемента. В растворах было лишь Ю-13... Ю-9
г франция. При таких концентрациях могут стать важными процессы, о которых мы
обычно забываем, имея дело с макроколичествами вещества. Например, в этих
условиях радиоактивный изотоп может «потеряться» из раствора, адсорбировавшись
на стенках сосудов, на поверхности осадков, на возможных примесях... Поэтому,
казалось бы, изучая свойства франция, следует оперировать более
концентрированными растворами. Но в этом случае возникают новые трудности из-за
процессов радиолиза и ионизации.
И все же, несмотря на все трудности, получены некоторые достоверные данные
о химических свойствах франция. Наиболее полно изучено соосаждение франция с
различными нерастворимыми соединениями. Он увлекается из раствора хлороплати-
натами цезия и рубидия Cs2PtCl6 и Rb2PtCl6, хлоровисмутатом Cs2BiCls, хлоро-
станнатом Cs2SnCl6 и хлороантимонатом цезия Cs2SbCl5 *2,5Н20, а также
свободными гетерополикислотами - кремневольфрамовой и фосфорно-вольфрамовой.
Франций легко адсорбируется на ионообменных смолах (сульфокатионитах) из
нейтральных и слабокислых растворов. С помощью этих смол легко отделить
франций от большинства химических элементов. Вот, пожалуй, и все успехи.
Ожидать широкого использования элемента №87 на практике, конечно, не
приходится. И все же польза от франция есть. Во-первых, с его помощью (по его
излучению) можно быстро определять присутствие в природных объектах актиния;
во-вторых, франций надеются использовать для ранней диагностики сарком.
Проведены предварительные опыты по изучению поведения франция в организме крыс.
Было установлено, что франций избирательно накапливается в опухолях, причем и
на ранних стадиях заболевания. Эти результаты очень интересны, однако удастся
ли использовать их в онкологической практике, покажет лишь будущее.
Разное
ФОТОГАЛЕРЕЯ
'4
Разное
ЗДЕСЬ МОГЛО БЫ БЫТЬ ВАШЕ
БЕСПЛАТНОЕ ОБЪЯВЛЕНИЕ О
СИМПОЗИУМЕ, КОНФЕРЕНЦИИ, СЕМИНАРЕ