и теории способно поднять на качественно новый
уровень все отрасли естествознания.
Современные методы и технические средства
эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства
современных естественно-научных исследований достигли
высокой степени совершенства. Многие технические
устройства эксперимента основаны на физических
принципах. Но их практическое применение выходит
далеко за рамки физики — о'дной из отраслей
естествознания. Они широко применяются в химии,
биологии и других смежных естественных науках. С
появлением лазерной техники, компьютеров,
спектрометров и другой совершенной техники стали
доступны для экспериментального исследования
неизвестные ранее явления природы и свойства
материальных объектов, стал возможен анализ
быстропроте-кающих физических и химических процессов.
Лазерная техника.
Для экспериментальных исследований многих
физических, химических и биологических процессов
весьма важны три направления развития лазерной
техники:
- разработка лазеров с перестраиваемой длиной
волны излучения;
- создание ультрафиолетовых лазеров;
- сокращение длительности импульса лазерного
излучения до 1 пс (10-12 с) и меньше.
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он
может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для
исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной
волны широко применяются лазеры на красителях. Длина
волн излучения таких лазеров охватывает спектр от
ближней ультрафиолетовой области До ближней
инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко
перестраивается в этом спектре. К настоящему времени
разработаны лазеры, длина волны которых составляет
менее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой
области. К таким лазерам относится, например, криптон-
фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса
излучения которых составляет менее 1 пс. Такие
лазеры, несомненно, позволят определить механизм
физических, химических и биологических процессов,
протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Трудно перечислить все области применения
лазеров для исследования многообразных химических
процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии
лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем
самым найти способ более эффективно использовать
солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются
изотопы, например, производится очистка изото-пов
урана и плутония; лазерные приборы служат
анализаторами химического состава воздуха; в биологии
лазеры дают возможность изучать живые организмы на
клеточном уровне. Весьма многообразны применения
лазеров в химической кинетике при исследовании
различных процессов, длительность которых составляет
от 10-6 до 10-12 и менее секунд.
Возможности естественно-научных исследований
расширяются с применением лазеров на свободных
электронах. Принцип действия таких лазеров основан на
том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью,
близкой к скорости света, в периодически изменяющемся
магнитном поле в направлении движения электронов
возникает излучение света. Эксперимент показывает,
что лазеры на свободных электронах отличаются высокой
эффективностью перестройки длины волны при большой
мощности излучения в широком диапазоне — от
микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.
Синхротронные источники излучения.
Синхротроны применяются не только в физике
высоких энергий для исследования механизма
взаимодействия элементарных частиц, но и для
генерации мощного синхротронного излучения с
перестраиваемом длиной волны в коротковолновой
ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.
Исследование структуры твердых тел определение
расстояния между атомами, изучение строения молекул
органических соединений — успешному решению этих^и
других задач способствует синхротронное излучение.
Экспериментальные методы расшифровки сложных
структур.
Для идентификации и анализа сложных структур,
в частности для анализа сложных молекул, необходимо
управлять химическими процессами и затем определять
состав и структуру продуктов реакций. Предложенные
физиками эффективные методы экспериментальных
исследований макрообъектов на молекулярн дом уровне —
ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия,
масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ,
нейтронография и т.п. — позволяют исследовать состав
и структуру необычайно сложных молекул, что
способствует изучению, например, химической природы
жизненно важных биологических процессов.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
основан на анализе взаимодействия магнитного момента
атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из
важнейших методов в разных отраслях естествознания, в
особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров,
биохимии, медицинской химии и т.п. С помощью метода
ЯМР можно определить, например, химическое окружение
атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как
сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР
зависит от возможности создания сильного магнитного
поля, которое можно получить с помощью компактных
сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г.
томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать
картину распределения химических отклонений и
концентрации ядер таких крупных объектов, как тело
человека, что весьма важно при диагностике ряда
заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия позволяет
анализировать спектр излучения вещества, находящегося
в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком,
газообразном. Спектральный анализ - физический метод
качественного и количественного определения состава
вещества по его оптическому спектру излучения. В
качественном спектральном анализе полученный спектр
интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров
элементов и индивидуальных соединений. Содержание
исследуемого вещества при количественном спектральном
анализе определяют по относительной или абсолютной
интенсивности линий или полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и
персонального компьютера возможности оптического
спектрометра значительно расширяются: такой
спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу
или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной
флуоресценции можно регистрировать загрязнение
воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество
вначале превращается в газовую фазу, затем газ
конденсируется и ионы ускоряются до заданной
кинетической энергии электрическим полем. Масса
частиц может быть определена двумя способами:
измерением радиуса кривизны траектории иона и
измepeниeм времени пролета им заданного расстояния.
Масс-спектрометры отличаются высокой
чувствительностью и могут обнаружить, например, три
атома изотопа 14С среди 1016 атомов 12С. Такое
содержание изотопа 14С соответствует, coгласно
радиоизотопному методу определения возраста пород
возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко
применяется для анализа элементов, определения
изотопного состава 1 строения молекулы в таких
областях, как производство интеа гральных схем,
металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и
атомная промышленность.
Комбинированные приборы — хромато-масс-
спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде
галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также
определить небольшие концентрации од ного из самых
ядовитых веществ — изомеров диоксина.
Сочетание газового хроматографа с масс-
спектрометром - лучший аналитический прибор для
работы со сложными смеся ми, позволяющий решать
разнообразные задачи химии, биола гаи, геохимии,
экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть
до недавнего времени применение такого прибора
orpaничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С
разработкой способов десорбции ионов из твердых
образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или
нейтральными частицами границы применения масс-
спекгроскопии значительно pacширились. Существенно
увеличились предельные молекулярны массы соединений,
исследуемых методом масс-спектроскопив Например,
плазменная десорбция с применением бомбарди ровки
продуктами деления радиоактивного калифорния-252
позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и
про извести их масс-спектральный анализ. С помощью
полевой и лазерной десорбции можно получить масс-
спектральные харак теристики фрагментов ДНК. Для
идентификации неизвестног вещества методом масс-
спекгроскопии достаточно всего 10-10 соединения. В
плазме крови масс-спектрометр регистрирует ак тивное
вещество марихуаны в концентрации 0,1 мг на кило
грамм массы тела.
Современные электрохимические методы в
сочетании с вы сокочувствительной аппаратурой
открывают новые возможнос-п исследования структуры и
функций живой клетки: с помощы электродов, площадь
которых составляет всего лишь нескольк микрометров,
можно регистрировать процессы, происходяцпя внутри
клетки.
Для определения строения молекул необходимо
знать пространственное расположение атомов. Зная
молекулярную структуру, легче понять физические и
химические свойства соединения, механизмы химических
реакций и идентифицировать новые соединения. Один из
наиболее распространенных методов исследования
молекулярных структур — рентгеноструктурный анализ,
основанный на явлении дифракции, позволяет изучать
все те соединения, которые удается получить в
кристаллическом состоянии. Современные компьютеры
расшифровывают рентгенограмму довольно сложной
молекулярной структуры. Рентгеноструктурный анализ
способствовал получению феромонов насекомых,
применяемых для борьбы с вредителями в сельском
хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для
увеличения производства пищи и биомассы.
Рентгеноструктурный анализ дополняет
