Главная страница

Химия и жизнь 2014 №6. 6 Химия и жизньЕжемесячный научно-популярный журнал20146


Скачать 3.75 Mb.
Название6 Химия и жизньЕжемесячный научно-популярный журнал20146
АнкорХимия и жизнь 2014 №6.pdf
Дата03.09.2017
Размер3.75 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаKhimia_i_zhizn_2014_6.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#29875
страница1 из 17
Каталогtereschenko_kity

С этим файлом связано 62 файл(ов). Среди них: 85-_Zadachi_po_organicheskoy_khimii_s_resheniami_Kurts_A_L_i_dr_, Traven_V_F_Organicheskaya_khimia_uchebnoe_posobie_dlya_vuzov_-_t, Khimia_i_zhizn_1_2014.pdf, Traven_V_F__Schekotikhin_A_E_Praktikum_po_organicheskoy_khimii_-, Khimia_i_zhizn_2014_7.pdf, Traven_V_F__Sukhorukov_A_Yu__Pozharskaya_N_A_Zadachi_po_organich, Khimia_i_zhizn_2014_6.pdf и ещё 52 файл(а).
Показать все связанные файлы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

2014
6

Химия и жизнь
Ежемесячный научно-популярный журнал
2014
6
Проблемы и методы науки
космичЕский магнит в нашЕй лаборатории
Д.Д.соколов, р.а.степанов, П.г.Фрик ....................................................................... 2
Книги
история Прорыва. л.а.ашкинази ......................................................................... 7
Проблемы и методы науки
новая вЕтвь на ДрЕвЕ органичЕской химии. м.м.левицкий .........................10
Книги
соЕДиняющиЕ и развоДныЕ мостики. м.м.левицкий ...................................12
Вещи и вещества
химичЕская грЕлка. и.а.леенсон .......................................................................14
Элемент №...
иоД: Факты и Фактики. с.м.шихман ..................................................................16
Живые лаборатории
слЕДы былой жизни. л.я.кизильштейн ............................................................ 18
Расследование
суДьба «золотого чЕловЕка». с.м.комаров ................................................... 20
Фотоинформация
ПрЕвращЕниЕ начинаЕтся... с.анофелес ......................................................... 22
Земля и ее обитатели
ласточки в люстрЕ. л.в.каабак ......................................................................... 23
Расследование
миФ о самовозгорании болота. м.в.глаголев ............................................... 24
Проблемы и методы науки
антиПоДы: Другая зЕмля. г.ю.любарский ......................................................... 30
Дискуссии
о ПользЕ сЕксизма. Д.а.жуков .......................................................................... 36
Расследование
«Павлина вЕЕрноЕ Диво». н.л.резник ............................................................... 40
Нанофантастика
старт имПЕратора. владимир аникин ................................................................. 43
История современности
трижДы настоящий гЕрой. а.сляднева ........................................................... 44
Поиск ПроДолжаЕтся. в.и.тумаркин ................................................................ 46
Что мы едим
ПЕтрушка. н.ручкина. ........................................................................................... 52
Фантастика
контакт. ина голдин ............................................................................................. 56
Прогулки по истории химии
уилларД либби и Его раДиоуглЕроД. и.а.леенсон .......................................... 64
содержание
На обложке
— рисунок а.кукушкина
На второй страНице обложки

картина андре Массона «Масштаб
бытия». «цивилизация» муравьев — она
такая же, как наша, только малень-
кая, или совсем иная, хотя и похожа?
Читайте об этом в статье «антиподы:
другая Земля» Г.Ю.любарского.
Знаю, знаю,
но хочу почувствовать!
Пишут, что...
62
ПЕрЕПиска
64
Михаил Диев
инФормация
17
короткиЕ замЕтки
62
в зарубЕжных лабораториях
8
книги
51
Зарегистрирован в Комитете РФ по печати
19 ноября 2003 г., рег.№ 014823
НОМЕР ПОДГОТОВИЛИ:
Главный редактор
Л.Н.Стрельникова
Заместитель главного редактора
Е.В.Клещенко
Главный художник
А.В.Астрин
Редакторы и обозреватели
б.а.альтшулер, л.а.ашкинази, в.в.благутина, ю.и.зварич, с.м.комаров, н.л.резник, о.в.рындина
Адрес редакции
19991, Москва, Ленинский просп., 29, стр. 8
Телефон для справок:
8 (495) 722-09-46
e-mail: redaktor@hij.ru http://www.hij.ru
При перепечатке материалов ссылка на «Химию и жизнь — XXI век» обязательна.
Подписано в печать 26.05.2014
Технические рисунки
Р.Г.Бикмухаметова
© ано центр
«НаукаПресс
»

2
Космический магнит
в нашей
лаборатории
Д.Д.Соколов,
доктор физико-математических наук
Р.А.Степанов,
доктор физико-математических наук
П.Г.Фрик,
Институт механики сплошных сред УрО РАН,
Физический факультет МГУ им М.В.Ломоносова происходят главным образом в маленьких, но важных деталях всяких технических устройств и связаны с тонкими квантово- механическими явлениями, а в статьях о них, прикидываю- щихся популярными, то и дело повторяется таинственное и малопонятное слово «спин». Но магнетизм бывает и в космосе, и там он выглядит совсем по-другому. Астрономы установили, что очень многие небесные тела, например Солнце или наша галактика — Млечный Путь, являются гигантскими магнитами, причем размеры магнитного поля сравнимы с размерами са- мого небесного тела. Вещество, из которого состоит Солнце
— солнечная плазма, — очень горячее, а межзвездный газ в
Млечном Пути очень разреженный. Поэтому магнитное поле в них связано не с упорядочиванием спинов, как в ферромагне- тиках, а с какими-то процессами, принадлежащими к области классической физики, которую, надеемся, еще проходят в средней школе.
Космические магнитные поля существенно сильнее привыч- ных нам полей. Не стоит сравнивать непосредственно напря- женности магнитного поля в DVD-плеере, сотовом телефоне и часах с полем Солнца или галактики. Для тел очень разного размера приходится выбирать соразмерные им масштабы. Не- радивый школьник прогулял занятия и, оправдываясь, говорит, что не смог дойти до школы потому, что магнитное поле около школы было слишком велико. Нетрудно предвидеть реакцию родителей... Однако для объяснения движений космических сред это объяснение вполне естественно — именно магнитное поле Земли мешает выброшенному Солнцем облаку плазмы достичь поверхности Земли.
Магнитное поле Земли — единственный пример космиче- ского магнетизма, который можно наблюдать невооружен- ным глазом (рис. 1). Полярное сияние — это визуализация магнитного поля Земли заряженными частицами, подобная визуализации лазерного луча пылью в воздухе. Стрелка ком- паса показывает на север, потому что она сама — маленький ферромагнетик, ее свойства определяются теми самыми спинами. Но почему магнитом является сама Земля и почему ее магнитный полюс примерно совпадает с географическим?
На Земле есть месторождения железных руд, намагничен- ность которых кое-что вносит в геомагнитное поле, создает магнитные аномалии, например Курскую магнитную анома- лию. Но они вносят небольшие искажения в общее (как говорят, главное) геомагнитное поле. Это поле формируется где-то в глубине Земли, а температура там достаточно высока для того, чтобы о ферромагнетиках не заходила и речь.
Какие процессы приводят к образованию магнитных полей небесных тел — планет, звезд и галактик? Выбор невелик: мы в области классической физики, а она знает только один процесс, который в принципе может приводить к росту маг- нитного поля. Это — явление электромагнитной индукции. В школе рассказывают (а иногда и показывают), что при движе- нии проводящей рамки в магнитном поле в ней начинает течь ток. Этот наведенный или индуцированный ток тоже создает магнитное поле. Может ли случиться так, что это наведенное поле сложится с исходным так, чтобы общее магнитное поле увеличилось? Почти век назад, в 1919 году, физик Джозеф
Лармор понял, что именно индуцированный ток в глубинах
Солнца — единственный шанс объяснить магнитное поле на- шей звезды, не прибегая к фантастическим гипотезам о каких- то новых взаимодействиях (за такими гипотезами дело не стало, но все они не выдержали сопоставления с реальностью).
Короткая заметка Лармора (в ней была всего одна страница) оказалась первым шагом в изучении процесса самовозбуж- дения магнитного поля в движущихся проводящих средах.
Начало XX века — время развития электричества, язык отклик- нулся популярностью новых слов, в том числе слова «динамо».
Устройство, которое преобразует механическую работу в электрическую, назвали «динамо-машиной», а новый раз- дел физики — «теорией динамо». Именно так и принято было говорить долгие годы, так говорят и ныне — теория динамо.
Физика — наука экспериментальная: можно долго обсуждать модели физических процессов, которыми оперируют теоре- тики, но физики скоро начали говорить, что неплохо было бы подтвердить все эти домыслы экспериментально. А именно: надо подтвердить, что наведенное поле может сложиться с исходным. Этого подтверждения пришлось ждать почти век.
В чем проблема?
Трудность в экспериментальной проверке идеи динамо со- стоит вот в чем. Если нажать на выключатель и разорвать проводящий контур, по которому идет ток, свет погаснет, а
1
Полярные сияния на Земле, на снимке, сделанном с МКС (а), и на Юпитере —
северное (б) и южное (в) www.ridus.ru/news/3781,
ы привыкли к тому, что магнитные процессы
а
М

3
«Химия и жизнь», 20 14, № 6, www
.hij.ru заодно исчезнет магнитное поле, порожденное током. Энергия магнитного поля перейдет в тепло из-за омических потерь (и отчасти из-за излучения). Для того чтобы работало динамо, индукционный эффект должен побороть омические потери.
Чтобы оценить относительную величину индукционных эффек- тов и омические потери, вводят так называемое безразмерное магнитное число Рейнольдса Rm = vL/νm. Числитель этой дроби содержит величины, с которыми связаны индукционные эффек- ты, — скорость движения рамки и ее размер, а знаменатель — коэффициент магнитной диффузии, который пропорционален удельной электрическому сопротивлению среды. Для того чтобы индукция победила омические потери, магнитное число
Рейнольдса должно быть достаточно велико — расчеты пока- зывают, что нужно достичь значения около 17.
Поиск возможной схемы динамо-эксперимента — прежде всего борьба за высокое магнитное число Рейнольдса. Воз- можности лабораторной физики здесь не слишком велики — движущихся хорошо проводящих сред не так много. Если мы хотим моделировать планетарные и космические эффекты, то речь не идет о твердых проводниках. В космосе твердые тела редкость, а те, что есть — твердые оболочки Земли, на- пример, — заведомо не создают интересных индукционных эффектов. Проводящие газы — это плазма. Из нее в огромном большинстве состоят небесные тела. Не исключено, что в буду- щем нас ждут и лабораторные динамо-эксперименты с плаз- мой, но сейчас эти возможности еще в стадии обсуждения.
Среди жидкостей выбор тоже невелик. У электролитов про- водимость плохая, остаются жидкие металлы. Ртуть дорогая, опасная, очень тяжелая и плохой проводник. Чтобы разогнать большое количество ртути до необходимых скоростей, нужна огромная энергия. В лабораторных экспериментах по изучению течений жидких металлов широко используется галлий — он вдвое легче ртути и плавится при 29
о
С (а его сплавы даже при
17
о
С), но галлий тоже дорогой и не так хорошо, как хотелось бы, проводит электрический ток. Большая плотность и слабая про- водимость — недостатки и других низкотемпературных сплавов
(например, широко известного сплава Вуда). Следующий кан- дидат, натрий, взрывоопасен, и его придется нагревать до сотни градусов. Но он дешевый, проводит ток лучше галлия и очень легкий. Есть еще эвтектический сплав натрия с галлием, который плавится при 12
о
С, правда, он очень агрессивен, как и литий.
Итак, мы определились с возможным веществом для ди- намо-экспериментов: это натрий, разумный компромисс требуемых физических свойств и опасности. Выбор был ясен уже в самом начале пути, полвека назад.
Что касается скорости движений, то возможности лабора- торной физики явно проигрывают возможностям космической среды. Однако главное преимущество космосу дают огромные размеры. Лабораторная установка размером в 10 метров, в которой среда движется со скоростью 10 м/сек, — зрелище циклопическое, а для космоса это очень скромные цифры.
В итоге для Солнца магнитное число Рейнольдса достигает миллионов, а для современной лаборатории сотня — предел мечтаний, результат многолетнего упорного труда. Тем не менее это уже больше заветных 17, так что шансы есть.
Однако не все так просто с самим механизмом динамо. На
Солнце, да и в Земле нет металлических рамок с током — их работу должны воспроизводить потоки среды. Организовать нужное движение потока жидкости значительно сложнее, чем двигать нужным образом провод. Однако гораздо хуже то, что простые течения заведомо не могут работать как динамо. Про это тоже рассказывают в школе: согласно правилу Ленца, маг- нитное поле, возникшее в проводящей рамке за счет явления электромагнитной индукции, направлено противоположно исходному магнитному полю и не усиливает его, а ослабляет.
Поэтому движение одной рамки не может привести к само- возбуждению в ней магнитного поля.
Умный Ленца обойдет
И все же физики нашли лазейку в правиле Ленца. Рассмотрим две рамки, движущиеся в магнитном поле. Индукционный эффект в первой рамке ослабляет магнитное поле в этой же самой рамке, но может усиливать его во второй, если она подходящим образом расположена. Это правилу Ленца не противоречит. Теперь можно добиться того, чтобы индукци- онный эффект во второй рамке усиливал магнитное поле в первой, но, конечно, ослаблял его во второй. Можно надеять- ся, что совместная работа двух рамок приведет к тому, что в каждой из них индукция станет больше потерь и магнитное поле начнет лавинообразно нарастать.
Конечно, в принципе можно надеяться на все, что прямо не запрещено законами природы, но от надежды до уверен- ности расстояние заметное. Его удалось преодолеть в 60-е годы прошлого века, и сделал это Ю.Б.Пономаренко. Он придумал такое конкретное течение проводящей жидкости, которое оказалось достаточно сложным для того, чтобы в нем генерировалось магнитное поле, но достаточно простым, чтобы уравнение индукции, которое описывает поведение магнитного поля, можно было решить точно.
Судьба первопроходцев в науке часто бывает трудной.
Работа Пономаренко — одна из наиболее известных работ, посвященных динамо. Этого совсем нельзя сказать о самом
Пономаренко — его биография совершенно исчезла из памя- ти научного сообщества. Честно говоря, мы могли бы лучше помнить своих героев.
Течение, придуманное Пономаренко, — это бесконечная вращающаяся струя проводящей жидкости, окруженная проводящей средой (рис. 2). Такое течение удобно воспро- изводить в лаборатории, и у него самое низкое из известных
б
в
www
.biguniver
se.ru/posts/r
eviews/astr
onomiya-za-nedelyu-6-1
2-fevr
alya-20
12/
ПРобЛемы и метоДы нАУКи

4
критическое магнитное число Рейнольдса, так что идея По- номаренко стала одной из основных в динамо-экспериментах.
Сейчас экспериментально подтверждено, что течение, при- мерно так и устроенное, действительно генерирует магнитное поле. Однако на самом деле оно генерирует его не очень хоро- шо, и поле растет медленно. В то же время астрономические наблюдения показывают, что, скажем, на Солнце магнитные поля изменяются быстро. Каждый цикл солнечной активности, то есть каждые 11 лет, солнечный магнитный диполь меняет знак на противоположный — для звезд это очень быстрые из- менения. Ничего подобного динамо Пономаренко обеспечить не может. Причина в том, что в работе динамо Пономаренко магнитная диффузия не только вызывает омические потери, но и обеспечивает работу одного из контуров, в которых происходит индукция магнитного поля. Это еще один тонкий эффект в нашей науке: векторная величина, то есть магнитное поле, диффундирует не так, как скалярная величина, то есть температура.
Для того чтобы магнитное поле изменялось быстро, так, как это бывает в солнечном цикле, необходим более сложный ме- ханизм, чем динамо Пономаренко. Такой механизм предложил в 1955 году Юджин Паркер. Представим себе поле магнитного диполя, направленного вдоль оси вращения Солнца. Поскольку солнечная плазма — относительно хороший проводник, то магнитные линии двигаются вместе с солнечной плазмой.
Но Солнце вращается не как твердое тело — разные его слои вращаются с различной угловой скоростью, это называется дифференциальным вращением. В результате одни частицы солнечного вещества обгоняют другие, магнитные линии вы- тягиваются в азимутальном направлении, а из дипольного поля получается магнитное поле, которое наматывается на некото- рый тор внутри Солнца — его так и называют тороидальным.
Это — индукционный эффект в первом контуре. Он достаточно прост, и в нем сомнений нет.
Для того чтобы динамо заработало, нужно как-то превратить тороидальное магнитное поле в поле магнитного диполя (его называют полоидальным). Этого нельзя сделать простыми течениями. Паркер догадался, что для этого течения должны быть зеркально-асимметричными. В северном полушарии течения должны содержать больше вихрей, вращающихся в правую (по ходу общего движения вихря) сторону, а в южном полушарии — в левую. Оказывается, что именно так обстоит дело во вращающемся теле, в котором есть конвективные потоки и переменная плотность. Тогда в одном полушарии вихри действительно вращаются в основном вправо, а в другом – влево. И если эта среда проводящая, то возникает магнитное поле, направленное по электрическому току (а не перпендикулярно к нему, как обычно), а это, в свою очередь, приводит к искомому превращению тороидального поля в полоидальное (рис. 3).
На рис. 3 изображены магнитные линии магнита, находяще- гося внутри сферы, — полоидальное магнитное поле, то, кото- рое рисуют в школьных учебниках. На белом прямоугольнике показано, как по наблюдениям солнечных пятен визуализиру-
2
Так выглядит вращающаяся струя, «джет», в мире галактик
3
Полоидальное и тороидальное магнитные поля. На основном рисунке показано,
как выглядят магнитные линии магнита, находящегося внутри сферы, —
полоидальное магнитное поле. На белом поле показано, как по наблюдениям
солнечных пятен визуализируется тороидальное магнитное поле
Газовое облако
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

перейти в каталог файлов
связь с админом