Задачи физико-химической олимпиады как одно из возможных средств интеграции фундаментальных наук. Большая энциклопедия нефти и газа

Кандидат физико-математических наук Т. ШМАОНОВ.

Лазеры, которые совсем недавно казались какими-то малопонятными, но очень интересны ми лабораторными устройствами, сегодня стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они работают в оптоволоконных линиях связи и на заводах, в компьютерах и видеоаудиоплеерах. Когда верстался номер, стало известно, что Нобелевская премия по физике в этом году присуждена исследователям, работающим в области лазерной техники: Рою Глауберу (США) - "за вклад в квантовую теорию оптической когерентности", Джону Холлу (США) и Теодору Хэншу (Германия) - "за развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в частности - за методы комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне". Таким образом, число нобелевских лауреатов, работающих в областях, связанных с квантовой электроникой и лазерной техникой, возросло. Это лишний раз свидетельствует, что появление лазеров - один из крупнейших научных прорывов XX века. А началась история лазерной техники более полувека назад в нашей стране.

С появлением лазеров практически во всех областях науки, техники и экономики возникли совершенно новые технологические процессы и производства, составлявшие еще столетие назад сюжеты научно-фантастической литературы. По существу, полностью изменилось лицо нашей цивилизации. Образовалось и стало бурно развиваться информационное общество (включающее Интернет), основанное на использовании компьютеров и широкополосных сетей глобальной оптоволоконной и спутниковой связи, появившихся только благодаря возникновению квантовой электроники и связанных с ней технологий, и в первую очередь - лазеров различных частотных диапазонов, мощности и конструктивных особенностей.

Представив хронологию этого этапа в виде графика, можно заметить, что кривая до момента создания лазеров растет практически по экспоненте; продвижение в область все более высоких частот идет медленно, но тем не менее неуклонно.

К середине прошлого века был хорошо освоен диапазон от постоянного тока (0 Гц) до частот порядка нескольких гигагерц (10 12 Гц). А за истекшие полстолетия удалось продвинуться в область высоких частот еще примерно на восемь порядков (до рентгеновского диапазона).

Интересно, что на начальном этапе развития многим казалось, что появился новый источник световой энергии практически неограниченной мощности, источник разрушающих все "лучей смерти". Человечество издревле мечтало овладеть такими лучами - достаточно вспомнить легенду о том, как Архимед сжег вражеский флот, используя зеркала, фокусирующие солнечные лучи. Можно спорить о правдоподобности этой исторической легенды, но современные научные оценки показывают, что основания для нее есть.

В конце позапрошлого века вышел научно-фантастический роман Герберта Уэллса "Война миров", сюжет которого основан на использовании марсианами тепловых лучей для завоевания Земли. Вскоре после него, в 20-х годах XX века, Алексей Толстой опубликовал роман "Гиперболоид инженера Гарина". В центре повествования - прибор, создающий высоконаправленный луч света сверхбольшой интенсивности, способный разрезaть и прожигать любой материал. Научно-техническая основа этого романа, мягко говоря, хромала. Но важно другое: и в нем проявилась мечта получить интенсивное световое излучение.

С самого начала своей истории человечество знало только один источник света - тепловой. Чем сильнее нагрето тело и чем больше его масса, тем ярче оно светится. Однако по мере накопления фундаментальных научных знаний о физических процессах генерации света становилось все яснее, что при увеличении толщины раскаленного тела растет и поглощение в его массе. Попытка повысить таким образом излучаемую мощность приводит к тому, что растущие потери сводят на нет наши усилия. Поднимать температуру можно тоже только до определенного предела, зависящего от тепловой прочности материала и величины подводимой энергии. На пути повышения мощности излучения возникает и множество других препятствующих факторов, приводящих к необходимости решать все более сложные проблемы.

Как всегда, наступает момент, когда накопленный значительный багаж научных знаний требует появления новых идей, возникает необходимость найти кардинально новые и к тому же простые пути решения стоящих задач.

Такой момент наступил в середине 50-х годов прошлого века. Тогда, практически одновременно, А. М. Прохоров и Н. Г. Басов в СССР, Дж. П. Гордон, Х. Дж. Цайгер и Ч. Х. Таунс в США опубликовали работы, заложившие основы квантовых методов генерации сверхвысокочастотных колебаний. Частотных ограничений эти методы не предполагали, и распространение их на световой диапазон в принципе было вполне возможным. Поэтому 1954 год можно условно считать годом возникновения квантовой электроники.

Чтобы правильно понять историческую логику ее появления и развития, целесообразно очень кратко остановиться на предыстории. Если проанализировать методы генерации электромагнитного излучения, применявшиеся до появления квантовой электроники, то есть до 1954 года, легко заметить, что все они основаны на классической схеме. В нее входят усилитель, резонансная система, схема обратной связи, подающая часть сигнала с выхода усилителя на его вход, и, разумеется, блок питания. В такой схеме квантовые явления учитывать не имело смысла в силу их малости. Она прекрасно работала как в мощных силовых системах - установках энергопитания (частоты от 50 Гц до нескольких кГц), так и в радиотехнических устройствах, включающих связь и радиовещание, телевидение и радиолокацию (частоты от 10 кГц до 10 ГГц).

В силовых системах главным элементом, объединяющим и усилитель, и обратную связь, служит механический преобразователь (генератор), который получает энергию от двигателя. На первом этапе развития радиотехники (до начала 20-х годов) не менее успешно (особенно в СССР) применялись мощные машинные генераторы высокочастотных колебаний для питания радиопередающих станций. Однако увеличивать частоту вращения роторов и, следовательно, частоту радиосигнала свыше 100 кГц было нельзя: это приводило к разрушению роторов центробежными силами.

Принципиально важным стало появление нового усиливающего элемента. В январе 1907 года американский ученый и изобретатель Ли Де Форест заявил патент на электровакуумный прибор - триод, очень быстро ставший основой всей радиоэлектроники первой половины ХХ века. Появилась электровакуумная и радиотехническая промышленность. Были разработаны электроваку умные приборы, рассчитанные на все более высокие частоты вплоть до гигагерц. Все они продолжают успешно использоваться в мощных радиотехнических генераторах и в наше время.

Большинство функций электровакуумных приборов (радиоламп, как их именуют в технике) сегодня стали выполнять полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы и интегральные схемы, в основе работы которых лежат квантовые явления. Интегральные схемы, а без них немыслима как современная вычислительная техника, так и почти все области промышленности, появились и развивались параллельно и благодаря развитию квантовой электроники.

Дальнейший прогресс определялся потребностью продвижения в сторону все более высоких частот. Предел классической радиотехники - диапазон гигагерц был достигнут как раз к середине прошлого века. Естественным препятствием дальнейшему продвижению стали геометрические размеры электровакуумных приборов и длина пробега пучка электронов в них, определяющая длину волны генерируемого излучения. По порядку величины это миллиметровые размеры. Однако если маломощный высокочастотный прибор создать еще удается, то изготовить подобные устройства большой мощности невозможно в принципе. Не очень высокий коэффициент их полезного действия и трудности отвода больших тепловых потоков с малых площадей и объемов приводят к разрушительным последствиям. Становилось все более очевидно - необходимо отыскать новые принципы генерации мощных высокочастотных колебаний.

Именно к середине прошлого века произошло накопление необходимых для этого научных и технических знаний. В области оптики были хорошо изучены спектроскопические свойства веществ, созданы теоретические основы процессов поглощения и излучения энергии на основе квантово-механических представлений, адекватно описывающих явления в атомных масштабах, и объяснена их связь с коэффициентами поглощения и излучения. Сами методы эксперимента были чрезвычайно усовершенствованы благодаря появлению и развитию техники радиоспектроскопии, вызванному прогрессом электроники во время и после Второй мировой войны.

К началу XX века научные представления о механизмах излучения и поглощения света развивались на основе классической теории и данных спектроскопии. Атом рассматривался как осциллятор (колебательная система) с трением (лучистым), амплитуда которого убывала со временем. Все известные в те времена источники света (от костра до вольтовой дуги и лампы накаливания) излучали световую энергию благодаря спонтанному (самопроизвольному) излучению. Атом вещества получал тепловую энергию, переходил в возбужденное состояние и начинал колебаться, непрерывно излучая свет.

В 1917 году Альберт Эйнштейн опубликовал работу, посвященную изучению термодинамического равновесия между излучением и атомами и молекулами окружающих его тел. В тот период уже появились и развивались квантово-механические теории, и Эйнштейн в своей работе объединил с ними классические представления. В результате он получил формулу для спектральной плотности равновесного излучения черного тела (ее обычно именуют формулой Планка).

Для этого ему понадобилось помимо известных двух процессов - спонтанного излучения и поглощения ввести третий, ранее неизвестный, процесс вынужденного (индуцированного) излучения. Это явление заключается в том, что возбужденный атом может излучать не только спонтанно, но и под воздействием взаимодействующего с ним кванта внешнего светового поля. В результате взаимодействия возникают два кванта, имеющие одну и ту же частоту и направление, то есть абсолютно неразличимые. Это очень важное свойство атома позднее рассмотрел Поль Дирак в статье "Квантовая теория излучения и поглощения энергии", опубликованной в 1927 году. В работе Эйнштейна были также определены коэффициенты поглощения и индуцированного излучения и установлена связь между ними, что позволило вычислять эти величины исходя из экспериментальных спектроскопических данных. Спектроскописты в те времена считали вынужденное излучение необходимым теоретическим трюком, полезным для теоретических расчетов. Причина того весьма проста: чтобы наблюдать индуцированное излучение, нужно, во-первых, обеспечить наличие возбужденных атомов, а во-вторых, необходимо, чтобы вероятность индуцированного излучения была больше вероятности спонтанного. В обычных условиях плотность энергии света невелика и соответственно вероятность индуцированного излучения, величина которой пропорциональна этой плотности, также мала. Этим обстоятельством и объясняется тот факт, что даже после возникновения понимания этого явления в теории очень долго никто и не пытался поставить соответствующий эксперимент. Необходимо упомянуть также и о другом, едва замеченном, но важном результате, полученном Эйнштейном. Он установил, что при излучении светового кванта атом или молекула получают импульс в прямо противоположном направлении. Это говорит о том, что излучения сферических волн в элементарном процессе не происходит. Впоследствии Артур Комптон в экспериментах по рассеянию рентгеновского излучения подтвердил это предсказание.

Теория коэффициентов Эйнштейна позволила физикам разработать в течение нескольких последующих лет адекватную теорию преломления и рассеяния света, что облегчило объяснение экспериментальных результатов. Особый интерес всегда вызывало явление дисперсии света. Впервые его наблюдал в далеком 1648 году средневековый ученый Маркес и заново описал Францеско Гримальди в 1665 году. Вблизи резонанса дисперсия меняет знак и существенно растет поглощение. Это явление именуется аномальной дисперсией, и его исследованием, как теоретическим, так и экспериментальным, занимались в середине 20-х годов XX столетия несколько исследователей: Крамерс - теоретически, а Ладенбург - экспериментально, на опытах в газах (1928). При сильном возбуждении газ явно показал наличие "отрицательного поглощения", то есть, по существу, усиления излучения. К сожалению, твердый предрассудок, что излучение должно обязательно находиться в жестком равновесии со средой, не позволил экспериментаторам в то время более глубоко изучить это неординарное явление.

В СССР существовала и активно развивалась в Физическом институте Академии наук (ФИАН), Государственном оптическом институте и в университетах страны школа спектроскопистов, которые также исследовали эти явления. В докторской диссертации, защищенной в ФИАНe, В. А. Фабрикант явно сформулировал условие, обеспечивающее усиления света атомной системой. Он писал:

"…чтобы в атомной системе имело место усиление, необходимо, чтобы отношение населенностей уровней было больше, чем отношение соответствующих статистических весов". При этом условии интенсивность излучения на выходе системы будет больше, чем на входе. Впоследствии В. А. Фабрикант, М. М. Вудинский и Ф. А. Бутаева получили авторское свидетельство №123209 от 18 июня 1951 года с формулировкой:

"Метод усиления электромагнитного излучения, отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускается через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другими способами создается избыточная по сравнению с равновесной концентрация атомов, других частиц или систем, находящихся на верхних, возбужденных уровнях".

По существу, В. А. Фабрикант описал прибор, получивший впоследствии наименование LASER - сокращение от "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" - "усиление света с помощью вынужденного излучения". К сожалению, последующие эксперименты группы Фабриканта, выполненные в Государственном оптическом институте, были безрезультатны. Следует отметить, что это авторское свидетельство покрывает только процесс усиления света. В нем нет и намека на возможность обратной связи, необходимой для создания генераторов света. Это обстоятельство неслучайно.

Классические оптики-спектроскописты обычно имели дело с линейными преобразованиями излучения при его прохождении через призмы, линзы и прочие оптические элементы. Поэтому и усилитель представлялся им естественным элементом оптической системы.

Как было отмечено, после Второй мировой войны в науку вошли новые радиофизические методы исследования, появилась радиоспектроскопия, занимавшаяся, по существу, все той же спектроскопией, но уже в диапазоне радиоволн. Соответствующие энергетические уровни, в отличие от оптического случая, оказывались зачастую даже при нормальных лабораторных условиях в достаточной мере населенными. Кроме того, в радиоспектроскопии относительно легко было создать высокую плотность монохроматического излучения в диапазонах радиочастот. Поэтому вынужденным излучением уже нельзя было пренебрегать, как в случае оптической спектроскопии, когда населенности оптических уровней были действительно пренебрежимо малы. Радиоспектроскопы строили либо радиоинженеры, либо ученые-физики, прошедшие во время войны школу радиотехники или радиолокации. Для этих людей понятия об обратной связи, о резонансных системах, генераторах и значительных мощностях излучения были вполне естественными. Поэтому неудивительно, что в 1954 году были одновременно опубликованы две статьи - в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. "Использование молекулярных пучков для радиоспектроскопических исследований вращательного спектра молекул") и в США (Дж. П. Гордон, Х. Дж. Цайгер и Ч. Х. Таунс. "Молекулярный генератор СВЧ и сверхтонкая структура СВЧ-спектра молекулы аммиака - NH 3 "). В них предлагалось применить в квантовых генераторах резонаторы для создания обратной связи и одновременного отбора колебаний строго определенных частот.

В этих статьях была обоснована идея мазера (MASER - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление СВЧ-колебаний {микроволновых} с помощью индуцированного излучения). Мазеры были впоследствии построены для различных диапазонов частот и принесли большую пользу главным образом в научных исследованиях. Например, с помощью мазера исследователи "Bell Lab." в 1967 году уточнили значение температуры радиоизлучения от Большого взрыва - реликтового излучения (см. "Наука и жизнь" № 12, 1993 г.; № 5, 1994 г.), а также в качестве эталонов времени. Впервые такие измерения были осуществлены и опубликованы в СССР в 1957 году в одной кандидатской диссертации, выполненной в ФИАНe, но не получили в свое время достаточной известности. Впоследствии мазеры, ввиду их ограниченных возможностей, не нашли широкого применения. Тем не менее это был последний шаг на пути к лазеру, поскольку в мазерах были экспериментально проверены все идеи, существенные для реализации квантового генератора.

Чтобы обеспечить самовозбуждение любого генератора, нужно выполнить два известных из классической радиотехники условия. Первое - необходимо иметь усиливающий элемент, или, иными словами, элемент с отрицательными потерями. В случае квантового генератора таким элементом служит среда с отрицательным коэффициентом поглощения. Второе - требуется обеспечить обратную связь, то есть подать на вход усилителя часть выходного сигнала с тем, чтобы в образовавшейся таким образом петле происходило непрерывное нарастание сигнала вплоть до насыщения системы. Понятие "насыщение" оптикам также не было знакомо, поскольку необходимыми для достижения насыщения интенсивностями света экспериментаторы еще не располагали. Однако все это и было реализовано в мазерах. Оставался последний шаг, но сделать его было непросто, и сделан он был только через 6 лет.

Сначала постараемся ответить на вопрос: почему сразу вслед за мазерами не появились лазеры? Чем это объясняется? Ведь практически все было готово! Однако пришлось преодолевать две не вполне очевидные трудности.

Первая трудность состояла в том, что в оптическом диапазоне не существовало резонаторов в классическом понимании. Оптики вполне довольствовались хорошо известными методами селекции излучения по длине волны с использованием призм, дифракционных решеток и эталона Фабри-Перо (интерферометра). Оптики и не догадывались, что всем известный оптический интерферометр при определенных условиях может служить в качестве высокодобротного резонатора. Немного остановимся на этом вопросе.

Известно, что развитие радиотехники началось с освоения диапазонов достаточно длинных волн (порядка сотен и тысяч метров), использовались резонаторы в виде комбинации катушек индуктивности и емкостей, то есть, как говорят, элементов с сосредоточенными постоянными, размеры которых значительно меньше длины волны. При продвижении в сторону все более коротких волн наступает момент, когда размеры резонатора становятся сначала сравнимыми с длиной волны, а потом и меньше ее. Тогда стали применять объемные резонаторы в виде замкнутых полостей. Но и этот путь доступен для не слишком коротких длин волн. Ясно, что в оптическом диапазоне (длина волны порядка микрометра) такой резонатор технически реализовать не удастся. Решение пришло неожиданно. В 1958 году опять практически одновременно в СССР (А. М. Прохоров в статье "О молекулярном усилителе и генераторе на субмиллиметровых волнах") и в США (А. Л. Шавлов и Ч. Х. Таунс) предложили для создания квантовых генераторов в области очень коротких длин волн так называемый открытый резонатор. В простейшем случае это два плоских и размещенных на одной оси параллельных зеркала (впоследствии стали использовать и сферические зеркала, позволившие реализовать некоторые очень полезные режимы работы лазеров). Существенно, что размеры таких резонаторов оптического диапазона всегда оказываются много больше длины волны. Важно, что даже при не очень высоком коэффициенте отражения зеркал добротность резонатора, то есть отношение запасенной в резонаторе энергии (которая пропорциональна его объему) к энергии, теряемой за один период колебания, оказывается весьма высокой.

Вторая трудность состояла в подборе подходящей усиливающей среды и создании в ней условий для образования отрицательного поглощения, то есть "инверсной населенности" - когда населенность верхних уровней превышает населенность нижних. Решение этой задачи лежало на пути исследования спектроскопических свойств различных материалов. Наиболее изученными к тому времени были различные кристаллы и газы. Первым для создания лазера был использован кристалл рубина (двуокись алюминия с примесью ионов хрома). В США его построил в 1960 году Теодор Мэйман - сотрудник лабораторий известной фирмы "Хьюз". Основываясь на опубликованных работах и своих исследованиях спектроскопических свойств и люминесценции рубина, он разработал конструкцию лазера. С первого включения получил генерацию на длине волны 0,6943 мкм. В его конструкции резонатором служили плоскопараллельные, полированные и посеребренные торцы кристалла, расстояние между которыми составляло один сантиметр. Инверсная населенность создавалась обычной спиральной импульсной лампой, применяемой в фотографии в качестве вспышки.

Вспоминается курьезный факт: когда Мэйман весной 1960 года прислал свою статью в солидный физический журнал "Physical Review Letters", редакция ответила, что статья не может быть напечатана, поскольку работ по мазерам публиковалось много и они уже не представляют интереса для научной общественности. Несомненна ошибка редактора: эта пионерская работа имела большое значение, поскольку ее появление говорило о том, что квантовая электроника вышла из стадии теоретических поисков и перешла к практике. Обидевшись (и вполне обоснованно), автор объявил о своей работе в газете "Нью-Йорк Таймс" от 7 июля 1960 года, что, конечно, не соответствовало неписаной этике ученых - публиковать серьезные работы только в серьезных журналах. Вскоре Мэйман послал свою работу в несколько английских журналов, где она и была наконец опубликована. Т. Мэйман работал в производственной фирме военно-промышленного комплекса, и в его обязанности входила разработка новых, применимых на практике приборов. Он подошел к созданию лазера с позиций разработчика, и его успех как раз говорил о том, что наступил новый этап развития квантовой электроники.

Прошло совсем немного времени, и в том же, 1960 году Али Джаван, В. Р. Беннет (мл.) и Д. Р. Херриот (все - сотрудники "Bell Lab.") запустили гелий-неоновый лазер, где инверсную населенность создавал электрический разряд в смеси газов низкого давления. Статья на эту тему была получена "Physical Review Letters" 30 декабря 1960 года и на этот раз без сомнений и задержек опубликована в феврале 1961 года. Попутно отметим, что использовать разряд в газах для создания инверсной населенности предложил еще в 1939 году В. А. Фабрикант.

Подводя итог этого важнейшего этапа развития, можно сказать, что квантовая электроника получила солидную научную основу. С этого момента многие исследователи в разных странах (а не только в СССР и США) осознали потенциал квантовой электроники и новые работы стали появляться как грибы в осеннем лесу. Тогда же оформились важнейшие направления исследований:

1. Поиски разнообразных новых активных сред - твердотельных, жидких (в том числе растворов красителей), газообразных и изучение их свойств.

2. Создание новых лазеров на их основе и исследование свойств этих лазеров.

3. Изучение свойств лазерного излучения и возможностей его применения для исследования свойств вещества.

4. Поиски новых применений лазеров и лазерного излучения, создание новых приборов и систем для различных областей науки и техники.

Необходимо отметить, что фундаментальные исследования, давшие направление дальнейшему развитию работ, были выполнены в СССР под руководством академика А. М. Прохорова в Физическом институте Академии наук группой научных сотрудников (в их числе Н. Г. Басов, А. А. Маненков, А. И. Барчуков и др.). В США в то же время несколько групп вели аналогичные работы, среди которых, как было уже указано, выделялись работы Ч. Х. Таунса.

В 1964 году Нобелевский комитет присудил А. М. Прохорову, Н. Г. Басову и Ч. Х. Таунсу премию по физике за выдающийся вклад в создание и развитие квантовой электроники.

В период с 1961 по 1964 год стали появляться работы в новом многообещающем направлении - полупроводниковой квантовой электронике. Многие исследователи и ранее рассматривали возможность использования полупроводников в качестве активной усиливающей среды. Известен патент японских ученых Й. Ватанабе и Дж. Нишизава от апреля 1957 года, в котором предлагалось применить инжекцию (вброс) свободных носителей в полупроводник с целью получить излучение. Патент имел название "полупроводниковый мазер", говорящее о правильном понимании цели работы. Наиболее интересным, получившим впоследствии развитие, стало предложение группы сотрудников ФИАНа под руководством Н. Г. Басова, которые предлагали использовать p -n -переход в полупроводнике для возбуждения излучения.

Изучение электролюминесценции началось в далеком 1907 году, когда английский ученый Т. Раунд наблюдал ее в детекторе на основе карбида кремния (T. Round, Electrical world, 309, 1907). Впоследствии О. В. Лосев из Нижнего Новгорода опубликовал в 1923 и 1928 годах описания экспериментальных работ на эту тему.

Область полупроводниковых лазеров развивалась очень интенсивно. Были преодолены все возможные препятствия на пути создания надежных малогабаритных приборов с широким спектром параметров как по частотам излучения, так и по энергетическим и временны, м характеристикам. Особая роль в решении этих вопросов выпала на долю Жореса Ивановича Алферова с сотрудниками ленинградского Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе Академии наук (Ж. И. Алферов, В. М. Андреев, Е. М. Портной, М. К. Трухан), которые разработали многослойные гетероструктуры, ставшие основой современных полупроводниковых лазеров. За эти работы в 2000 году Ж. И. Алферову была присуждена Нобелевская премия. В настоящее время полупроводниковые лазеры лежат в основе устройств записи, хранения и передачи информации по оптоволоконным линиям связи, находят применение в различных областях науки и техники, в частности в качестве мощных малогабаритных элементов накачки твердотельных лазеров.

Лазерное излучение имеет ряд свойств, которые кардинально отличают его от многих других видов излучений, в частности обычных, тепловых. Перечислим эти свойства:

1. Монохроматичность, то есть способность генерировать излучение в очень узком спектральном диапазоне.

2. Когерентность (пространственная и временнaя) - свойство, тесно связанное с монохроматичностью. Когерентность можно с некоторым приближением определить как согласованное (во времени и в пространстве) протекание колебательных процессов, вызывающих излучение. Это свойство определяется тем обстоятельством, что в лазере усиливается только волна, частота которой одновременно равна и частоте лазерного перехода, и собственной частоте резонатора лазера. Последнее обстоятельство приводит к тому, что ширина линии излучения лазера может оказаться в миллион раз y, же ширины линии того же перехода, но при спонтанном излучении. Именно это обстоятельство позволяет использовать лазеры в качестве высокостабильных эталонов частоты и времени.

3. Направленность. Это свойство является простым следствием того обстоятельства, что активное вещество лазера всегда помещено в открытый резонатор, в котором могут существовать только волны, распространяющиеся весьма близко к его оси.

4. Яркость, то есть мощность, излучаемая в единичный телесный угол, также, по существу, представляет собой следствие высокой направленности лазерного пучка. Достаточно сказать, что яркость лазера мощностью порядка милливатта в тысячи раз превосходит яркость практически любого обычного источника света. Эффективная температура лазерного луча, то есть температура, до которой нагревается поглощающее тело, помещенное на пути луча, может иметь невообразимую величину в тысячи миллиардов градусов. Это значит, что понятие тугоплавкости тел по отношению к лазерному излучению смысла не имеет. Любое тело может быть превращено непосредственно в пар, минуя жидкую стадию. На этом свойстве и основаны промышленные методы обработки изделий.

Внушительное впечатление производит даже только перечисление некоторых уже реализованных применений лазерного излучения.

Высочайшая монохроматичность лазерного излучения дает возможность измерять расстояния с погрешностью, равной размерам ядер атомов и даже меньшей.

Генерация коротких лазерных импульсов излучения вплоть до фемтосекунд, то есть длительностей порядка периода световой волны, открыла новые экспериментальные методы исследования вещества. В спектроскопии оказалось возможным резко повысить разрешение и точность приборов.

Фокусировка лазерного излучения позволяет получать напряженность электромагнитных полей, превышающую внутриатомные поля, что используется для инициирования ядерных и контролируемой термоядерной реакции (см. Наука и жизнь" № 2, 2003 г.).

Осуществлены многочисленные применения лазеров в медицине. Производят большое впечатление бескровная лазерная хирургия, операции внутри глаза и на сетчатке для изменения оптической силы хрусталика.

Благодаря появлению лазеров возникла совершенно новая область научных исследований - нелинейная оптика, изучающая взаимодействие интенсивного лазерного излучения с веществом.

Промышленное применение лазеров привело к революционным изменениям в технологии и станкостроении.

Наконец, достигнуты совершенно фантастические скорости передачи данных путем модуляции (с полосой до 20 ГГц) лазерного излучения и транспортировки его по световодам на практически неограниченные расстояния на земном шаре.

Весь этот прогресс вызван усилиями большой армии ученых и инженеров, во главе которой стоят четырнадцать лауреатов Нобелевской премии.

В последние годы появилось множество лазеров, использующих все доступные активные среды. Описать подробно всю эту картину в рамках одной статьи, естественно, невозможно. Поэтому попытаемся сгруппировать лазеры, используя общие признаки. Это могут быть схемы уровней (трехуровневые, четырехуровневые), особенности активной среды, способы накачки, генерируемые частоты, временны, е характеристики и т. п.

1. Твердотельные лазеры.

Активная среда - люминесцирующее твердое тело (матрица), активированное ионами Nd, Cr, Ti, Co, Ni, Tm, Ho, некоторыми редкоземельными и другими ионами. В качестве матрицы используются как различные кристаллы (рубин, гранаты и т. п.), так и аморфные тела (стекло). Оптическая накачка осуществляется либо импульсными лампами, либо мощными полупроводниковыми лазерами. Используются как трех-, так и четырехуровневые схемы. Диапазон энергетических характеристик чрезвычайно велик - от долей джоулей до мегаджоулей в импульсе (лазерные системы термоядерных установок). Промышленные лазеры непрерывного действия генерируют излучение мощностью до 4 кВт. Диапазон временных характеристик простирается от непрерывного излучения до фемтосекундных импульсов. Сфокусировав такой импульс в пятнышко размером порядка десяти микрон, получают плотность энергии в фокусе до 10 21 Вт/см 2 .

К этой же группе можно отнести и лазеры на оптоволоконных световодах. Активной средой в них служит сердечник волокна, активированный редкоземельными ионами. Мощность их излучения в непрерывном режиме достигает 2,5 кВт. Световодные лазеры незаменимы в системах оптоволоконной связи и в некоторых других областях техники.

В особую группу следует выделить перестраиваемые твердотельные лазеры на основе кристаллов александрита (Сr 3 +BeAl 2 O 4), сапфира (TiAl 2 O 3), (Сr 3 +LiCaAlF 6) и др. Диапазон перестройки этих лазеров простирается от 700 до 1010 нм.

2. Лазеры на красителях.

Основное свойство этих лазеров - широкий диапазон перестройки длины волны: от 320 до 1500 нм. Крайне интересна другая их особенность - способность генерировать импульсы фемтосекундной длительности.

3. Полупроводниковые лазеры.

Эта группа лазеров отличается весьма малыми габаритами, они генерируют в достаточно широком диапазоне мощностей - от микроватт до десятков ватт и покрывают диапазон длин волн от 300 до 1500 нм. Важно, что такие лазеры могут быть встроены в элементы оптических устройств световодной связи. Сегодня они составляют технологическую основу всех широкополосных линий связи со скоростью передачи информации свыше гигабайта в секунду.

4. Газовые лазеры.

В первом и до сих пор широко применяемом газовом лазере использовалась смесь гелия и неона при низком давлении, сегодня используют также смеси гелия с ксеноном и другие. Это маломощные лазеры (до 200 мВт), генерирующие ограниченный набор частот.

Особую группу составляют газовые (СО 2 , СО) лазеры высокого давления с высокой (до десятков киловатт) выходной мощностью. Они широко применяются в промышленных производственных процессах.

К газовым лазерам относятся также лазеры на парах металлов - меди, He-Cd и некоторых других, а также аргоновый и криптоновый ионные лазеры мощностью от 5 до 30 Вт. Они нашли применение для накачки лазеров на красителях, в нелинейной оптике, а также в медицине.

Эксимерные лазеры работают на смеси благородных газов с фтором, хлором или фторидами, молекулы которых существуют только в возбужденном состоянии (они называются эксимерными). Для них характерен ультрафиолетовый диапазон излучения и импульсный режим работы. Они могут отдавать значительные мощности - до киловатта. Эти лазеры широко используют в офтальмологии для исправления рефракции хрусталика.

5. В особую группу следует выделить газодинамические лазеры с тепловой накачкой , которую создает сверхзвуковой поток горячего газа. Газ нагревает сгорающее углеводородное топливо. Активная среда - смесь газов N 2 +CO 2 +He или N 2 +CO 2 +H 2 O. Для них характерна очень высокая излучаемая мощность - до 20 кДж на килограмм сгоревшего топлива.

6. Химические лазеры.

Это лазеры, в которых инверсия населенностей достигается за счет экзотермической химической реакции, например на основе цепной реакции F + H 2 = HF + H. Химические лазеры способны излучать в широком диапазоне частот и при значительных отдаваемых мощностях - до 100 кВт.

7. Параметрические лазеры - источники когерентного излучения, в которых мощная световая волна одной частоты проходит через кристалл, преобразующий ее в излучение меньшей частоты (процесс носит название "нелинейно-оптическое преобразование"). Важнейшее свойство этих лазеров - возможность плавной перестройки излучения в широком диапазоне частот - позволяет плодотворно применять их в спектроскопии.

8. В стадии разработки и исследований находятся лазеры на свободных электронах, рентгеновские и гамма-лазеры , имеющие пока только научное значение.

Таким образом, можно констатировать, что к настоящему времени появилась широкая гамма лазеров, способных генерировать когерентное излучение практически с любыми необходимыми характеристиками в широком спектральном диапазоне - от инфракрасного до рентгеновского.

В заключение необходимо упомянуть, что в последнее время (в частности, в нашей стране) поговаривают, что квантовая электроника себя якобы исчерпала. Это мнение абсолютно необоснованно. Огромный диапазон частот лазерного излучения (от рентгена до дальнего инфракрасного) обеспечивает неограниченные возможности его применения и в технике, и в фундаментальных научных исследованиях.

Реальным подтверждением этому служит появление нового поколения квантовых генераторов - волоконных лазеров с мощностью непрерывного излучения более 10 кВт, открывающих новые области применений лазерного излучения.

"НАУКА И ЖИЗНЬ" О КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Журнал "Наука и жизнь" начал публиковать материалы, посвященные лазерной тематике, практически с момента зарождения квантовой электроники. За истекшие пятьдесят лет на страницах журнала появилось несколько сотен статей и заметок, так или иначе относящихся к лазерной технике и областям ее применения. Приводим список основных публикаций журнала, позволяющих проследить полувековой путь развития этой интереснейшей области электроники.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Прохоров А. Из истории квантовых генераторов (нобелевская лекция) . - 1965, № 3.

Парад лазеров . - 1965, № 5.

Фабрикант В. Классика, кванты и квантовая электроника . - 1965, № 10.

Жидкостные лазеры . - 1967, № 3.

Лохов Ю., Сипягин В. Лазеры . - 1971, № 8.

Лохов Ю. и др. Профессии лазера . - 1972, № 3.

Сворень Р. Планируется прорыв (g-лазер) . - 1975, № 1.

Прохоров А. и др. Лазерный луч из ракетного пламени . - 1975, № 11.

Свет: когерентность, интерференция, поляризация . - 1976, № 3.

Прохоров А. Квантовая электроника двадцать лет спустя . - 1976, № 8.

Клячко Л. Транспортировка вещества по лазерному лучу . - 1980, № 9.

Сворень Р. Электрон стреляет на лету . - 1982, № 4.

Басов Н. Мощные лазеры и лазерная технология . - 1982, № 12.

Басов Н. и др. Миллион лет с точностью до секунды . - 1984, № 6.

Транковский С. Лазер излучает белый свет . - 1994, № 10.

Летохов В. Фемтофизика и фемтохимия - науки о сверхбыстрых процессах . - 1995, № 9.

Костко А. Лазер исследует атмосферу . - 2002, № 12.

Парафонова В. Ядерный синтез в лазерной искре . - 2003, № 2.

Как работает лазер . - 2003, № 9.

Парафонова В. Лазер предскажет землетрясение . - 2004, № 4.

ПОПУЛЯРНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Дунская И. М. Возникновение квантовой электроники . - М.: Наука, 1974.

Тарасов Л. В. Лазеры: действительность и надежды . - М.: Наука, 1985.

Транковский С. Д. Книга о лазерах . - М.: Детская лит., 1988.

НАУЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Einstein А. Zur quantentheorie der Strahlung, Phys . Z. 18, 121-128 (1917).

Dirac Р. Еxternal pump quanta for induced radiation (Dirac P. A. M. The quantum theory of the emission and absorption of radiation, Proc . Roy. Soc. London A 114, 243 (1927))

Фабрикант В. А. Докторская дисс. / Физический институт им. П. Н. Лебедева Академии наук СССР, 1939 .

Басов Н. Г. и Прохоров А. М. Использование молекулярных пучков для радиоспектроскопических исследований вращательного спектра молекул // ЖЭТФ, т. 27, стр. 431.

Gordon J. P., Zeiger H. J., Townes C. H. // Phys. Rev., 1954, 95, 282.

Прохоров А. М. О молекулярном усилителе и генераторе на субмиллиметровых волнах // ЖЭТФ, 1958, т. 34, стр. 1658.

Schawlow A. L. and Townes C. H. // Phys. Rev., 1958, v. 112, p. 1940.

Maiman T. H. Stimulated optical radiation in ruby // Nature, 1960, 187, 493-494.

Javan А., Bennet W. R., jr. and Herriot D. R. // Phys. Rev. Lett, 1961, 6, 106.

Басов Н. Г., Крохин О. Н. и Попов Ю. М. // ЖЭТФ, 1961, т. 10, стр. 1879.

Round Т. // Electrical world, 1907, 309.

Алферов Ж. И., Андреев В. М., Портной Е. М., Трухан М. К. // Физика полупроводников , 1970, т. 3, стр. 1107.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. Иллюстрация к роману "Гиперболоид инженера Гарина". Предполагалось, что мощное излучение можно получить даже от пламени свечи, а это абсолютно невозможно: слишком большой и "холодный" источник света. Не говоря уже о том, что фокусировать луч следовало параболическим зеркалом, а не гиперболоидом.

Илл. 2. Под действием энергии накачки (например, светового потока) атомы с основного уровня Е 0 поднимаются на верхний, неустойчивый уровень Е 2 . Оттуда они быстро опускаются на уровень Е 1 , отдавая часть своей энергии на нагрев вещества. С этого уровня атом возвращается в основное состояние Е 0 , излучая квант частоты n = (Е 1 - Е 0)/h, где h - постоянная Планка. Вернуться он может либо самопроизвольно, либо под воздействием пролетающего кванта той же частоты n. В этом случае говорят об индуцированном когерентном излучении.

Илл. 3. Первым квантовым генератором, «прародителем» всей квантовой электроники, стал мазер, работающий на молекулах аммиака NH 3 . Принцип его работы заключался в следующем. Пучок молекул в источнике проходит через высокочастотное электромагнитное поле, где часть их переходит в возбужденное состояние. Далее пучок из смеси молекул поступает в фокусирующее устройство — систему из четырех электродов, создающих четырехполярное электрическое поле. В нем на молекулы в возбужденном состоянии действуют силы, направленные к центру системы, а на молекулы в основном состоянии - силы, направленные наружу. В результате в сфокусированном пучке остаются только возбужденные молекулы, которые попадают в резонатор. В резонаторе возникают незатухающие колебания радиочастоты, которые выходят через волновод. «Лишние» молекулы аммиака из прибора откачиваются.

Илл. 4. Газовый лазер представляет собой стеклянную трубку, заполненную газовой смесью низкого давления. Перед началом работы производится поджиг - молекулы газа ионизуются высоковольтным импульсом. Ионы переводит в возбужденное состояние постоянный электрический ток. Трубка помещена между двумя зеркалами - полностью отражающим и полупрозрачным, через которое выводится лазерное излучение. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона построил в конце 1960 года американский физик А. Джаван.

Илл. 5. Газодинамический лазер - разновидность лазера газового, - напоминающий реактивный двигатель. Сгорающее в нем топливо создает поток горячих газов, ионы и молекулы которых возбуждены нагревом до тысячи с лишним градусов. Поток проходит через сопло и резонатор, где охлаждается и отдает энергию в виде непрерывного излучения мощностью до сотен киловатт.

Илл. 6. Твердотельный лазер работает на искусственно выращенных кристаллах рубина, алюмо-иттриевого граната и на стекле с примесью редкого элемента неодима. Стеклянный или кристаллический стержень вместе с импульсной лампой накачки окружен отражателем и помещен внутрь резонатора - между парой зеркал. Энергия световой вспышки превращается в лазерный импульс. Первый лазер на кристалле рубина длиной 1 сантиметр был построен в 1960 году Т. Мэйманом (США).

Илл. 7. Полупроводниковый лазер излучает за счет квантовых p-n-переходов между зоной проводимости (p) и валентной зоной (n). Излучающая область лазера исключительно мала - порядка 10 -11 сантиметра (длина около 1 мм, толщина порядка 2 мкм), но энергия излучения достигает 10 Вт. Наиболее распространенным материалом для этих лазеров служит арсенид галлия GaAs. Первый полупроводниковый лазер построил американский физик Р. Холл в 1962 году.

Илл. 8. Параметрический лазер работает за счет преобразования мощной световой волны одной частоты, проходящей через нелинейный кристалл, в излучение меньших частот. Кристалл помещен между зеркалами, играющими роль резонатора. Меняя расстояние между зеркалами, можно при постоянной длине волны накачки менять частоту лазерного излучения в широких пределах. Первые параметрические лазеры были созданы в 1965 году одновременно Дж. Джодмейкером и Р. Миллером (США), С. А. Ахмановым и Р. В. Хохловым (СССР).

Илл. 9. Жидкостные лазеры работают на растворах органических красителей и на неорганических жидкостях, налитых в кювету. Они способны перестраивать длину волны излучения в широких пределах и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Накачка производится либо мощными лампами, либо лазерным излучением. Нагревающаяся в процессе работы жидкость прокачивается через холодильник. Лазеры на неорганических жидкостях по своим параметрам сходны с твердотельными лазерами. Первый лазер на красителях был построен в 1966 году.

УСТРОЙСТВО ВЕЩЕСТВА

ИЗ ЧЕГО СДЕЛАН МИР

АТОМИСТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ Современные понятия элемента, ато­ма и простого вещества, молекулы как совокупности связанных между собой атомов…

Самая важная информация.

СТРОЕНИЕ АТОМОВ Многочисленные эксперименты, про­ведённые физиками в начале XX в.. показали,… Но если сравнивать не массы, а размеры, то окажется, что атом на­много более «пустой», чем Солнечная система. Её…

Четыре первоначала Аристотеля.

Титульный лист поэмы Лукреция

О природе вещей». Издание 1563 г.

...существуют тела, которых мы видеть не можем... Ведь осязать, как и быть осязаемым,

Академия Платона. Мозаика. I в. до н. э.

Форма атомных орбиталей.

Нуклиды обозначают символом элемента и массовым числом: 12С, 14N, l6O; другая форма записи: угле­род-12, азот-14, кислород-16. Если массовое число… изотопа водорода - нуклиды 1Н, 2Н (другое обозначение D - дейтерий) и 3Н (или… Если атом нейтрален, его положи­тельно заряженное ядро удерживает столько же отрицательно заряжен­ных электронов (е),…

Изменение энергии орбиталей в зависимости

От порядкового номера элемента.

При переходе от твёрдого состояния вещества к газообразному взаимодействие между частицами ослабевает. химическая реакция). Эти свойства га­зов обусловлены тем, что молекулы в них находятся далеко друг от друга. Доля…

Старинные термометры.

Слева - термометр, показывающий минимальную и максимальную температуру, которая наблюдалась с момента его установки.

В центре - термометр, показывающий температуру по Цельсию, Реомюру и Фаренгейту.

Справа - термометр конца XIX в. со шкалами по Реомюру и Цельсию.

Большинство твёрдых веществ на­ходится в кристаллической форме: их частицы - молекулы, атомы или ионы - расположены в строгом по­рядке, образуя… Вместе с тем частицы в кристалли­ческой решётке не неподвижны, они постоянно… ТЕКУТ ЛИ ОКОННЫЕ СТЁКЛА?

Строение

Кристаллического (1) и аморфного (2) вещества.

Плазма- электрически нейтраль­ный, сильно ионизированный газ, состоящий из положительно заря­женных ионов, электронов и нейт­ральных молекул. Во… Чтобы превратить газ в плазму (ионизировать его), нужно затратить большую… Плазму можно создавать искусст­венно, подвергая нейтральный разре­женный газ действию электрическо­го поля (как в…

Плазменная горелка.

Жидкие кристаллы- вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Мо­лекулы в жидких кристаллах, с одной стороны,… правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл стано­вится… Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких…

Приглядевшись к сколу стекла, можно увидеть, что это твёрдое вещество имеет некристаллическую структуру.

ВОЛШЕБНОЕ ЧИСЛО ХИМИКОВ

Выдающийся немецкий философ Им­мануил Кант как-то заметил, что в не­которых ветвях естественных наук истинной науки столько, сколько в них… Все эти идеи, известные сейчас да­же школьнику, Рихтер изложил в 1793 г. в…

Равные объёмы газообраз­ных веществ при одинако­вом давлении и температуре содержат одно и то же число молекул, так что плотность различных газов служит ме­рой массы их молекул...

Это добавление было очень важным: оно означало, что, измеряя плот­ность разных газов, можно опреде­лять относительные массы молекул, из которых они состоят. Например, если в 1 л водорода содержится столько же молекул, сколько и в 1 л кислорода, то отношение плотно­стей этих газов равно отношению масс молекул водорода и кислорода. В 1814 г. к тем же выводам пришёл известный французский физик Анд-ре Мари Ампер (1775-1836). Однако считать Ампера соавтором закона Авогадро, как это делали многие хи­мики, вряд ли справедливо.

Во времена Авогадро его гипотезу нельзя было обосновать теоретиче­ски. Такая возможность появилась позднее, с развитием молекулярно-кинетической теории газов. Энергия удара молекул о стенки сосуда не за­висит от массы молекул, а зависит только от температуры. Это происхо­дит потому, что лёгкие молекулы дви­жутся быстро, тяжёлые - медленно, а кинетическая энергия у них (при данной температуре) одинаковая.

Следовательно, равное число молекул в данном объёме оказывает одина­ковое давление, и наоборот: равное давление двух газов свидетельствует об одинаковом числе молекул в них.

Закон Авогадро давал химикам возможность экспериментально уста­навливать состав молекул газообраз­ных соединений. Так, из найденного опытным путём соотношения объё­мов водорода, кислорода и паров во­ды (2:1:2) логически можно сделать два вывода. Первый: молекулы исход­ных газов состоят из двух атомов, а молекула воды - из трёх, и тогда вер­но уравнение 2Н 2 +О 2 =2Н 2 О. Вто­рой: молекулы водорода одноатомны, а кислорода и воды - двухатомны, и тогда верно уравнение 2Н+О 2 =2НО с тем же соотношением объёмов. (Кстати, даже через 50 лет после ра­бот Гей-Люссака некоторые учёные продолжали настаивать на том, что формула воды именно НО, а не Н 2 О.)

Разрешить дилемму удаётся лишь на основании других опытов. Из них следует, например, что равные объё­мы водорода и хлора образуют удво­енный объём хлороводорода. Этот факт сразу отвергает предположе­ние об одноатомности водорода: ре­акция Н+Cl=НСl не даёт удвоенного объёма НСl. Следовательно, молекулы водорода (а также хлора и кислоро­да) двухатомны, и верно уравнение 2Н 2 +О 2 =2Н 2 О.

Удивительно, что такие простые до­воды не могли убедить некоторых химиков в справедливости (и глу­бине) закона Авогадро. И, к сожа­лению, его теория несколько деся­тилетий оставалась практически незамеченной.

Основной причиной неприятия простой и стройной теории Авогад­ро была господствовавшая в те време­на так называемая дуалистическая теория строения химических со­единений, созданная Берцелиусом. Согласно ей, все атомы имеют элек­трические заряды, а молекулы обра­зованы атомами с противоположны­ми зарядами, которые притягиваются друг к другу. Считалось, в частности, что атомы кислорода обладают силь­ным отрицательным зарядом, а атомы

Амедео Авогадро.

Давление газа обусловлено ударами молекул о стенки сосуда.

В 30-х гг. XIX в. французский химик Жан Батист Дюма (1800- 1884) исследовал реакцию замещения водорода хлором в орга­нических соединениях. В… Это обстоятельство решил обыграть известный немецкий хи­мик Фридрих Вёлер. В… Либиху шутка понравилась, и он опубликовал сочинение Ш. Виндлера (на французском языке) всего через несколько стра­ниц…

Вильгельм Оствальд.

Так в химии появилась величина, которую называли грамм-молекулой или молем (слово «моль» придумал в начале XX в. немецкий физикохимик, лауреат… В наши дни моль определяется иначе: это количество вещества, содер­жащего… ГАЗ НА ГАЗ НЕ ПРИХОДИТСЯ...

Схема опыта Э. Резерфорда и X. Гейгера

по подсчёту числа a-частиц. Эти частицы,

попадая через малое отверстие на экран,

Покрытый фосфоресцирующим

Составом ZnS, вызывают на нём

Вспышки света, за которыми следят

Через увеличительное

Стекло.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

Фридрих Август Кекуле.

Важное открытие, касающееся хи­мической связи, принадлежит нидер­ландскому химику Якобу Вант-Гоффу. Он доказал, что четыре связи атома углерода в… Несмотря на многие гениальные догадки о строении молекул, приро­да связи между… ТЕОРИЯ ЛЬЮИСА, ИЛИ ЭЛЕКТРОННЫЙ «КОЛХОЗ»

Расположение точек на поверхности сферы, при котором они максимально удалены друг от друга.

В оптимальной конфигурации ядер два заряда находятся на концах диа­метра, три заряда образуют правильный треугольник, четыре - тетраэдр, шесть - октаэдр. Эти конфигурации можно сделать более наглядными, если представить электронные пары в виде связки воздушных шаров, как показано на рисунке.

Связки, содержащие от двух до шести шаров, максимально удалённых друг от друга.

МОЛЕКУЛЫ, КОТОРЫЕ СУЩЕСТВУЮТ ТОЛЬКО В ВОЗБУЖДЁННОМ СОСТОЯНИИ Если сближать друг с другом два атома гелия (электронная конфигурация 1s2),… Если же один из атомов возбудить и перевести 1s-электрон на 2s-ypoвень, то такой атом способен соединиться с…

Силы, действующие в молекулярном ионе H+2 при его образовании из атомов.

Следует заметить, что истинные заряды на атомах почти всегда мень­ше эффективных. Так, в молекуле НС1 эффективные заряды атомов Н и Сl равны +1 и… ПОЧЕМУ ОБРАЗУЮТСЯ ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ? Рассмотрим образование простей­шего молекулярного иона H+2; Н+Н+ ® H+2.

Поверхности равной электронной плотности молекулы этилена С2Н4: 1 - 0,002; 2 - 0,2; 3 - 0,36.

Во-вторых, карты электронной плотности отражают изменение рас­пределения электронов при образо­вании химической связи из атомов. Чтобы составить… В-третьих, распределение элек­тронной плотности показывает, к ка­кому из… Наконец, форма уровней элек­тронной плотности даёт представле­ние о геометрии молекул, которое до­полняет информацию,…

Контурная карта. Максимумы электронной плотности сосредоточены

На атомах углерода и водорода.

Поверхности равной электронной плотности молекул LiH, H2, HF.

Электронные облака молекул метана СН4 и аммиака NH3.

Для описания электронов в атоме используют понятие атомной орбитали (АО), которая характеризует веро­ятность нахождения электрона в каж­дой точке… В отличие от изолированных ато­мов, в молекулах электроны притя­гиваются сразу…

Электроны, проводящие большую часть времени между ядрами, связывают их друг с другом. Электроны, находящиеся за ядрами, стремятся их раздвинуть (этот эффект называют разрыхлением).

ЧТО ТАКОЕ ВАЛЕНТНОСТЬ

Понятие валентности в химии долго считалось одним из основных. «Ва­лентность - фундаментальное свойст­во атома, - писал более века назад знаменитый немецкий учёный, один из создателей теории химического строения Фридрих Кекуле, - свойст­во такое же постоянное и неизменяе­мое, как и самый атомный вес». Одна­ко в современной научной литературе этот термин употребляется не очень широко. Более того, даже в учебниках он трактуется по-разному.

Так, если валентность определять общим числом электронов, участвую­щих в образовании химических связей с другими атомами, то азот в HNO 3 следует считать пятивалентным, по­скольку его атом использовал все свои пять внешних электронов - два s-электрона (спаренные) и три р-электрона (неспаренные):

Если же валентность определять чис­лом электронных пар, которыми данный атом связан с другими, то максимальная валентность азота будет равна четырём.

При этом три р-электрона образуют с электронами других атомов три ковалентные связи, а ещё одна образуется за счёт двух s-электронов. Пример - реакция аммиака с кислотами.

Наконец, если определять валент­ность только числом неспаренных элек­тронов в атоме, то валентность азота не может превышать трёх, поскольку распаривание s-электронов невозмож­но - для этого у атома азота нет подходящих орбиталей. Например, в галогенидах азот образует только три ковалентные связи, и не существует та­ких соединений, как NCl 5 , или NBr 5 (в от­личие от вполне стабильных РСl 5 и РВr 5).

Если же атом азота отдаст один из своих s-электронов, то в образовавшем­ся катионе N + останется четыре неспаренных электрона и его валентность бу­дет равна четырём. Так происходит в молекуле HNO 3 , где один электрон переходит от атома азота к атому кис­лорода.

Как видим, разные определения ва­лентности приводят к разным результа­там даже в случае простых молекул.

Почему так происходит? Можно ли однозначно определить валентность? Чтобы найти ответы на эти вопросы, рассмотрим, как с развитием химии из­менялось само это понятие.

Впервые идею об определённой «ём­кости насыщения» атомов металлов и кислорода высказал в 1853 г. англий­ский химик Эдуард Франкленд (1825- 1899). К концу 50-х гг. XIX в. большинст­во химиков признавали, что валентность (тогда говорили «атомность») углерода равна четырём, кислорода и серы - двум, галогенов - единице. Сам термин «валентность», предложенный в 1868 г. берлинским профессором Карлом Вихельхаусом (1842-1927), был взят из латыни (от лат. valentia - «сила»), одна­ко длительное время почти не употреб­лялся. В классическом труде «Основы химии» Д. И. Менделеев лишь несколь­ко раз использует как синоним валент­ности понятие «атомность», не остана­вливаясь на нём детально и не давая однозначного определения.

И это не случайно. «Ни одно поня­тие в химии не получало такого количе­ства неясных и неточных определений, как понятие валентности», - писал в 1917 г. американский педагог Алек­сандр Смит. Вначале химики ошибочно полагали, что каждый элемент имеет од­ну валентность. Это неминуемо приво-

ложения ядер, т. е. от геометрии моле­кулы. При образовании молекулы из атомов электронные облака атомов перекрываются, атомные орбитали «перемешиваются», и из них получа­ются новые, молекулярные орбитали. Например, когда молекула образу­ется из двух одинаковых атомов, при перекрывании двух атомных s-opбиталей возникают две МО: одна из них имеет меньшую энергию, чем атомная, а другая - большую. Первую орбиталь называют связывающей, а вторую - разрыхляющей (её обозна­чают звёздочкой). Наличие электро­на на связывающей орбитали приво­дит к упрочению химической связи, а на разрыхляющей - к ослаблению её, вплоть до полного разрыва. На свя­зывающей орбитали электронная

дило к искажению химических формул, которые просто «подгоняли» к такому допущению. В частности, формулы двух известных хлоридов меди записывали так: Cl-Cu-Cu-Cl и Cl-Cu-Cl. По этому поводу Смит делает важный и актуальный во все времена вывод: «Вполне противно научному методу - изобретать или искажать факты в целях поддержки представления, которое, не будучи основано на опыте, являет­ся результатом простого предположе­ния. Однако история науки показыва­ет, что подобные ошибки наблюдаются часто».

Обзор представлений начала XX в. о валентности дал в 1912 г. известный русский химик Лев Александрович Чугаев (1873-1922). Он отметил, что термин потерял однозначность и перво­начальную простоту определения и фа­ктически, по мере развития химии, разделился на несколько понятий - парциальную валентность, главную и побочную и т. д.

Первые осложнения начались с при­знания, что валентность - величина переменная. Теорию немецкого хими­ка Фридриха Карла Иоганнеса Тиле (1865-1918) о парциальных, или час­тичных, валентностях (см. статью «Аро­матический - не значит ароматный») Чугаев считает одной из первых попы-

ток расширить классическое понятие валентности. Швейцарский химик Альф­ред Вернер предположил, что наряду с главными, или основными, единица­ми валентности существуют другие, побочные. Например, в соединении СоСl 3 6NH 3 атом кобальта связан од­новременно с девятью атомами хлора и азота!

Чугаев коснулся также теории не­мецкого химика Рихарда Абегга (1869- 1910) об электровалентности, которая может быть положительной (в высших кислородных соединениях) или отрица­тельной (в соединениях с водородом). Валентность при этом определяется числом отдаваемых или принимаемых в реакции электронов.

Обзор Чугаева заканчивается упо­минанием химических соединений, к которым понятие валентности вообще неприменимо. К ним относятся, на­пример, интерметаллические соедине­ния: NaCd 5 , NaZn 12 , FeZn 7 и др.

Можно привести и другие факты, которые стали известны значительно позже. Так, в озоне пара электронов удерживает не два, а три атома кисло­рода; в других же молекулах химиче­ская связь может осуществляться вообще единственным электроном. Описать подобные связи без привлечения аппа­рата квантовой химии невозможно.

И эти «неклассические» случаи вовсе не исключение. Как, например, опреде­лить валентность атомов водорода и бо­ра в пентаборане В 5 Н 9 , в котором не­которые атомы водорода связаны сразу с двумя атомами бора? Какова валент­ность железа в пентакарбониле Fe(CO) 5 (атом железа связан с пятью атома­ми углерода) или хрома - в пентакарбонилхромате натрия Na 2 Cr(CO) 5 ? Подобных «нарушителей валентности» становилось всё больше. Возникшие трудности привели к тому, что химики вместо понятия валентности всё шире стали использовать чисто формальное понятие степени окисления.

Какие же напрашиваются выводы? По-видимому, традиционное понятие валентности имеет чёткий и однознач­ный смысл только для соединений, в ко­торых все химические связи являются двухцентровыми (т. е. соединяют толь­ко два атома) и каждая связь осущест­вляется парой электронов, расположен­ной между двумя соседними атомами, проще говоря - для ковалентных со­единений типа HCl, СО 2 , С 5 Н 12 и т. п. Попытки же дать определение валент­ности «на все случаи жизни» малопро­дуктивны и вряд ли нужны. Фактически этот термин стал абстракцией. Недаром авторы многих современных учебников обходятся без него.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ В МЕТАЛЛАХ - СУММА 10 23 АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

Аля металлов характерен особый тип химической связи: валентные электроны всех атомов объединяются в так называемый электронный газ и свободно двигаются в кристаллической решётке, образованной иона­ми. Каждый электрон как бы принадлежит всем атомам одновременно, и кристалл металла можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. В таких молекулах МО имеют особые свойства.

Рассмотрим кусок лития массой 1,17 г. Он содержит 1/6 моль лития, т. е. 10 23 атомов, каждый из которых имеет наполовину заполненную ва­лентную 2s-орбиталь. Все 10 23 атомных орбиталей в молекуле превраща­ются в 10 23 молекулярных орбиталей, энергия которых изменяется в пре­делах 100 кДж/моль, а сами орбитали распределены (делокализованы) по всей молекуле. Хорошая электрическая проводимость металлов объясня­ется тем, что разница в энергии между двумя соседними МО составляет ничтожно малую величину: 100/10 23 =10 -21 кДж/моль. Поэтому электро­ны могут свободно переходить с орбитали на орбиталь при наличии внеш­него электрического поля.

В изображённых молекулах каждая связь полярна. Стрелками отмечено направление смешения электронной плотности, а штрихами на связях - точки, в которых заряд равен нулю. Молекулы BeF2 и CCl4 неполярны - в них связи (стрелки) взаимно компенсируются. В полярных молекулах Н2O и CHCl3 такой компенсации нет.

плотность сосредоточена между ато­мами, на разрыхляющей - за ними. Перекрываются s-орбитали всегда по линии, соединяющей ядра атомов. Возникающие при этом МО обозна­чают буквой s, а соответствующую химическую связь называют s-связью.

У одинаковых атомов p -орбитали могут перекрываться как по линии, соединяющей ядра, так и вне этой ли­нии. В последнем случае образующи­еся МО обозначают буквой p, а такую химическую связь называют p-связью.

Молекулярные орбитали гораздо чаще связывают разные атомы, чем одинаковые. При этом также образу­ются связывающие и разрыхляющие орбитали. Например, в молекуле HF две s-орбитали образуются при пере­крывании 1s-орбитали атома Н и од­ной из 2р-орбиталей атома F. Два электрона (по одному от каждого атома) занимают связывающую орбиталь, а разрыхляющая орбиталь остаётся свободной. Остальные во­семь электронов атома F не принима­ют участия в образовании химиче­ской связи.

Мы изобразили только несколько простейших типов МО. Современ­ные компьютеры позволяют рассчи­тывать МО и электронную плотность в сложных молекулах, содержащих десятки атомов. В них могут существовать орбитали, связывающие меж­ду собой несколько атомов. Такие орбитали называют многоцентровыми. А в металлах МО связывают сразу все атомы; химическая связь в них так и называется - металлическая.

СВЯЗИ МЕЖДУ МОЛЕКУЛАМИ

Основных типов химических связей три - ковалентная, ионная и метал­лическая. Но иногда важную роль могут играть довольно слабые силы, действующие между молекулами. Эти­ми силами в основном определяют­ся температуры плавления и кипения веществ, а также некоторые их хими­ческие свойства.

Все молекулы электрически нейт­ральны. Однако во многих из них центры отрицательных и положи­тельных зарядов находятся в разных местах. В таких случаях молекулу на­зывают диполем. Полярные молекулы легко притягиваются друг к другу.

Правда, взаимодействие диполей относительно слабое: его энергия обратно пропорциональна шестой степени расстояния между центрами молекул Е~ 1/r 6 (для сравнения: энер­гия кулоновского взаимодействия Е~1/r). Поэтому оно проявляется главным образом в твёрдом и жидком состояниях, когда расстояния между молекулами намного меньше, чем в газе. В твёрдом состоянии молекуляр­ные диполи ориентированы так, что положительные полюса одних макси­мально приближены к отрицатель­ным полюсам других.

В отличие от полярных молекул, в неполярных разделения зарядов нет, и электронная плотность распределена более или менее равномерно. Однако внутри молекулы из-за флуктуаций (колебаний) электронной плотности могут возникать и исчезать частичные заряды, которые порождают такие же заряды в соседних молекулах. Благода­ря появлению таких «мгновенных диполей» между ними возникает при­тяжение или отталкивание. Это взаи­модействие называется индукцион-

ным или дисперсионным. Оно суще­ствует между любыми молекулами. Его энергия обратно пропорцио­нальна шестой степени расстояния (Е~ 1/r 6) и увеличивается с ростом молекулярной массы. Так, дисперси­онное взаимодействие между молеку­лами галогенов быстро убывает в ря­ду I 2 - Вr 2 - Сl 2 . Молекулы иода при комнатной температуре прочно связа­ны друг с другом и образуют твёрдое вещество, в броме они взаимодейству­ют слабее, а в хлоре ещё слабее, поэ­тому бром - жидкость, а хлор - газ.

Большой вклад в создание теории диполь-дипольного и дисперсион­ного взаимодействий внёс нидер­ландский физик Йоханнес Дидерик Ван-дер-Ваальс; в честь него эти вза­имодействия были названы вандерваальсовыми.

Между некоторыми молекулами может образоваться более сильная связь. Так бывает, когда молекула со­держит атом водорода, соединённый ковалентной связью с атомом фтора, кислорода или азота. Любой из этих атомов оттягивает электронную плот­ность связи на себя и приобретает частичный отрицательный заряд, со­общая атому водорода равный по ве­личине положительный заряд.

В результате положительно заря­женный атом водорода одной моле­кулы притягивается к отрицательно заряженному атому фтора, кислоро­да или азота другой молекулы. Это притяжение имеет частично электро­статический (кулоновский), частично ковалентный характер. Такую связь называют водородной.

Водородная связь прочнее вандерваальсовой, но обычно намного слабее ковалентной связи. Она игра­ет огромную роль в природе. Именно водородная связь отвечает за структу­ру воды, льда, белков, нуклеиновых ки­слот. Благодаря водородным связям в жидкой воде и даже в парах воды су­ществуют устойчивые молекулярные ансамбли, содержащие десятки моле­кул Н 2 О. В 1991 г. в парах воды были обнаружены частицы, в которых ион Н 3 О + окружён двадцатью (!) молекула­ми Н 2 О, соединёнными между собой водородными связями.

СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ

Чтобы можно было сравнивать друг с другом химические связи, в том числе и связи разных типов, исполь­зуют единые количественные харак­теристики, среди которых главные - длина, энергия, полярность и порядок связи.

Длина связи - это равновесное расстояние между ядрами атомов, со-

Дипольные взаимодействия в молекулярном кристалле.

Сеть водородных связей в воле. Красные кружки - атомы кислорода, белые - атомы водорода, синие линии обозначают водородные связи.

ИОННАЯ СВЯЗЬ Ионная связь возникает при электростатическом притяжении положитель­но и… Этот тип связи реализуется во многих кристаллических веществах - щелочах (К+ОН-), солях

Образование водородной связи между молекулами воды.

Прочность химической связи опре­деляется энергией связи, т. е. энергией, которая необходима для того, чтобы разорвать связь и развести атомы на… Полярность связи показывает, насколько электронная плотность смещена к одному… Порядок (или, иначе, кратность) связи в различных теориях химиче­ской связи определяют по-разному. В теории…

Кристаллическая структура сфалерита ZnS.

Кристаллическая структура вюрцита ZnS.

Известна и другая модификация углерода с гомодесмической структу­рой - так называемый гексагональ­ный алмаз, или лонсдейлит. Здесь каждый атом… Полиморфизм свойствен и хими­ческим соединениям. Если в структу­рах алмаза и… Если же на серединах отрезков, изображающих ковалентные связи в кристаллах алмаза и лонсдейлита, расположить…

Кристаллические структуры различных модификаций SiO2: 1 - кристобалит 2 - тридимит, 3 - кварц.

Основные типы кристаллических решёток металлов в виде шаровых упаковок: 1 - медь, 2 - магний, 3 - железо.

Выращивают кристаллы разными способами. Например, охлаждая насы­щенный раствор. С понижением темпе­ратуры растворимость большинства веществ… Другой метод выращивания кри­сталлов - постепенное удаление воды из насыщенного раствора. И в этом слу­чае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить…

Монокристалл хромокалиевых квасцов.

Шаровая упаковка хлорида натрия NaCl.

Кристаллические структуры нафталина С10Н8 (1), серого селена (2) и нитрила бора BN (3).

Совсем иной вид имеют структуры кристаллов, построенных из молекул. К их числу относятся некоторые не- органические (Cl2,I2, P4, S8) и все ор­ганические вещества, кроме полиме­ров.… Бывает и так, что атомы, соединён­ные химическими связями, образуют бесконечную цепь, бесконечный слой или бесконечный…

МЕТАМОРФОЗЫ ВЕЩЕСТВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ

Изменения веществ и тел обычно подразделяют на два типа: физиче­ские процессы и химические превра­щения (реакции). Физический процесс не затрагивает молекул (или других мельчайших структурных… это физические процессы. При этом молекулы воды не распадаются на атомы, атомы алюминия не объединя­ются в молекулы. …

В химической реакции происходит перераспределение химических связей: старые - рвутся, новые - образуются.

Образование инея - пример физического процесса.

В ядерной реакции, в отличие от химической, происходит изменение зарядов ядер атомов: 3517Cl+10n®3516S+11p.

Выделение газа может

Сопровождать

Не только химическую

Реакцию.

При химических реакциях строе­ние атомов всегда остаётся неиз­менным. В этом главное отличие хи­мических процессов от ядерных, в ходе которых ядра… Химические превращения запи­сывают с помощью уравнений. Веще­ства,… КАК РАСПОЗНАТЬ ХИМИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ

Изменение окраски вещества возможно и при простом механическом воздействии на него. Жёлтый и красный оксид ртути HgO различается лишь размером частиц.

Существуют вещества, цвет которых зависит от температуры. К ним

относятся, например, тетраиодомеркураты меди(1) Cu 2 , используемые в качестве термокрасок.

Окраска этих веществ изменяется, если их поместить в горячую

Воду.

по цвету которых можно ориентиро­вочно определить температуру среды.

КАКИЕ БЫВАЮТ РЕАКЦИИ

Простейшие химические реакции обычно подразделяют на четыре ти­па: реакции соединения, разложе­ния, замещения и обмена. Д. И. Мен­делеев определял соединение как реакцию, «при которой из двух ве­ществ происходит одно, или, вообще, из данного числа - меньшее их чис­ло». Например, при нагревании по­рошков железа и серы образуется сульфид железа: Fe+S=FeS. К реакциям соединения относят процессы горения простых веществ (серы, фос­фора, углерода) на воздухе: С+О 2 = СО 2 . Они всегда сопровождаются выделением тепла - являются экзо­термическими (см. статью «Тепло химических реакций»).

Реакции разложения, по Менделе­еву, «составляют случаи, обратные со­единению, то есть такие, при которых одно вещество даёт два, или, вообще, данное число веществ - большее их число. Так, при накаливании дерева (без доступа воздуха. - Прим. ред.) получается горючий газ, водянистая жидкость, смола или дёготь и уголь». Более простой пример - разложение

МЕХАНОХИМИЯ

Обычно считается, что измельчение вещества - фи­зический процесс. Однако это не совсем так. При дли­тельной обработке в специальных мельницах частицы вещества за счёт поглощения энергии переходят в химически активное состояние: усиливаются колеба­тельные движения атомов, молекул и ионов в узлах кри­сталлической решётки, ослабляются связи между ними, рвутся некоторые связи, возникают свободные радика­лы.

Этот процесс учёные называют механохимической активацией, а область химии, изучающую химические и физико-химические изменения веществ под действи­ем механической энергии, - механохимией.

Активированное вещество вступает в химические реакции намного легче, чем не прошедшее механохимической обработки. Многие металлы (железо, алюми­ний) после измельчения становятся пирофорными (от греч. «пир» - «огонь» и «форос» - «несущий») - вос­пламеняются на воздухе.

Механохимической активации подвергают удобре­ния, а также некоторые лекарственные препараты (ас­пирин), ведь активированное вещество быстрее пере­ходит в раствор, полнее усваивается организмом.

Инициирование некоторых химических реакций ударом или трением применяется и в лабораториях (взрыв смеси бертолетовой соли с фосфором), и в бы­ту (бензин в зажигалке воспламеняется от искры, по­лученной трением кремня).

известняка: СаСО 3 =СаО+СО 2 . Для проведения реакции разложения, как правило, требуется нагревание. Такие процессы - эндотермические, т. е. протекают с поглощением теплоты.

В реакциях двух других типов чис­ло реагентов равно числу продуктов (Менделеев называл их реакциями перемещения). Если взаимодействуют простое вещество и сложное - это реакция замещения: Fe+CuSO 4 = FeSO 4 +Cu.

Реакции между двумя сложными веществами, при которых они обме­ниваются своими частями, относят к реакциям обмена. Большое их число протекает в водных растворах. Ти­пичный пример - нейтрализация кислоты щёлочью: NaOH+HCl=NaCl+Н 2 О.

Однако очень многие реакции не укладываются в приведённую про­стую схему. В частности, реакция между перманганатом калия и иодидом натрия не может быть отнесена ни к одному из указанных типов:

2KMnO 4 +10NaI+8H 2 SO 4 =2MnSO 4 +K 2 SO 4 +5Na 2 SO 4 +5I 2 +8H 2 O.

Такие сложные уравнения представ­ляют собой лишь суммарную запись процесса, но не отражают того, через какие стадии он проходит, какие промежуточные вещества при этом образуются.

Иногда все химические превраще­ния подразделяют на два типа - окислительно-восстановительные, при которых изменяется степень окисления атомов некоторых эле­ментов (см. статью «Окисление или восстановление?»), и реакции, про­текающие без изменения степеней окисления.

Что касается органической хи­мии, то в ней принята своя классифи­кация химических реакций.

Горение любого топлива - типичный пример окислительно-восстановительного процесса.

ОКИСЛЕНИЕ ИЛИ ВОССТАНОВЛЕНИЕ?

Первую химическую реакцию чело­век провёл тогда, когда научился до­бывать огонь. С той поры и до насто­ящего времени реакции горения играют первостепенную роль в на­шей жизни. Они приносят в дома теп­ло, двигают автомобили, самолёты и ракеты, помогают извлекать ценные вещества из природного сырья.

Флогистонная теория Шталя впер­вые выделила процессы горения и прокаливания металлов в отдельную группу реакций (см. статью «Химия в XVIII веке»). Кислородная теория го­рения, предложенная Лавуазье, обоб­щила экспериментальный материал, накопленный в «эпоху флогистона». А кроме того, Лавуазье выдвинул ки­слородную теорию кислот: он пола­гал, что своими свойствами кислоты обязаны присутствию в них кисло­рода (отсюда и название элемента oxygenium - «рождающий кислоты»). Поэтому реакции горения веществ на воздухе стали называть окислением, а

процессы, обратные окислению, т. е. связанные с уменьшением количест­ва кислорода в веществе, - раскисле­нием или восстановлением. Посколь­ку в ходе окислительных реакций вещество нередко разрушается (как, например, при ржавлении), термин «восстановление» указывает на про­цесс, противоположный окислению.

В дальнейшем представления о сущности процесса окисления значи­тельно расширились. Как показали эксперименты, многие вещества (во­дород, металлы) горят не только в ки­слороде, но и в хлоре, броме. А значит, окисление - это не только присоеди­нение кислорода. В 1914 г. русский учёный Лев Владимирович Писаржевский (1874-1938) предложил электронно-ионную теорию окисли­тельно-восстановительных реакций.

В наши дни химикам известны ты­сячи самых разных окислительно-восстановительных реакций, в том числе и протекающих в живых орга-

КАКИЕ БЫВАЮТ ОКИСЛИТЕЛИ И ВОССТАНОВИТЕЛИ

Самый распространённый на Земле окислитель - кис­лород. Намного более сильным окислителем является озон О 3 - аллотропная модификация кислорода. Он способен окислять многие вещества, которые с кисло­родом при обычных условиях не реагируют, например оксид азота(1/): 2NO 2 +О 3 = N 2 O 5 +O 2 и серебро: 2Ag+2О 3 =Ag 2 O 2 +2О 2 .

Наиболее сильный окислитель из числа простых ве­ществ - фтор. Но он слишком активен, и его трудно получить в свободном виде. Поэтому в лабораториях в качестве окислителя используют перманганат калия KMnO 4 . Его окислительная способность зависит от концентрации раствора, температуры и характера среды. Кроме него применяют также дихромат калия К 2 Сг 2 О 7 , азотную кислоту HNO 3 , пероксид водорода Н 2 О 2 , хлор С1 2 , гипохлорит натрия NaClO. Очень сильные окислители - фториды благородных газов. Самый сильный из известных окислителей - фторид кисло­рода OF 2 .

Из восстановителей наиболее распространённый в природе - углерод. Его широко используют в промыш­ленности для получения металлов из оксидов: Fe 2 O 3 +3С=2Fe+3СО; ZnO+С=Zn+CO.

Другой широко распространённый восстанови­тель - водород. Как и углерод, при нагревании он лег-

ко отнимает атомы кислорода у многих оксидов, пре­вращаясь при этом в воду: СuО+Н 2 =Сu+Н 2 О; WO 3 +ЗН 2 =W+ЗН 2 О.

Очень сильными восстановителями являются щелоч­ные и щёлочно-земельные металлы, алюминий. Они восстанавливают даже воду, вытесняя из неё водород: 2Na+2Н 2 О=2NaOH+Н 2 .

На практике восстановительными свойствами ме­таллов пользуются для получения некоторых активных металлов из их оксидов и хлоридов. Так получают ба­рий: ЗВаО+2Al=ЗВа+Аl 2 О 3 , стронций: 3SrO+2Al=3Sr + Al 2 O 3 , титан: TiCl 4 +2Mg=Ti+2MgCl 2 .

В лабораторных условиях восстановителями служат соединения, содержащие элементы в низких степенях окисления: сероводород H 2 S (S -2), иодоводородная кис­лота HI (I -), хлорид олова(II) SnCl 2 (Sn +2). В органическом синтезе для восстановления обычно используют комп­лексные гидриды металлов: алюмогидрид лития LiAlH 4 и борогидрид натрия NaBH 4 ; они содержат водород в степени окисления -1.

Самый слабый восстанови­тель- фторид-ион F - . Окислить его до свободного фтора мож­но только с помощью электроли­за или экзотических окислите­лей. Это объясняется с помощью теории сопряжённых окислите­лей и восстановителей.

При горении магниевой ленты на воздухе электроны от атомов магния переходят к атомам кислорода: 2Mg+О2=2MgO.

низмах. Можно с уверенностью гово­рить: химия жизни - это процессы окисления-восстановления. ЧТО ЖЕ ТАМ ПРОИСХОДИТ? В ходе химических превращений од­ни химические связи разрываются, а другие образуются, при этом во мно­гих случаях…

Горение красного фосфора в кислороде протекает очень интенсивно. За несколько секунд белый дым заполняет всю колбу. После окончания реакции на дне и стенках сосуда оседают мельчайшие кристаллики оксида фосфора(/).

В процессе окислительно-восстановительной ре­акции окислитель восстана­вливается, а восстановитель окисляется.

Окисление - это процесс потери атомом или ионом электронов. Об­ратный процесс присоединения элек­тронов называется восстановлением. Элемент, который… Любая окислительно-восстанови­тельная реакция состоит из двух процессов, или… Окислитель и восстановитель, уча­ствующие в одной полуреакции, на­зывают сопряжёнными. Например, реакция замещения…

До проведения реакции о составе её продуктов часто остаётся только гадать...

Растворы ферроина и бромата калия до (слева) и после (справа) прибавления серной кислоты.

Наконец, определяют, в виде каких соединений продукты реакции су­ществуют в данных условиях - в кис­лой, щелочной или нейтральной среде (см. статью… Пользуясь этими рецептами, со­ставим уравнение реакции между сульфатом… FeSO4+H ®?

ЕГО ВЕЛИЧЕСТВО РАСТВОР

Можно привести ещё множество подобных примеров, подтверждаю­щих справедливость старинного изре­чения. Подсчитано, что современные химики более 99 %…

Всем, кто пьёт сладкий чай, известно, какой замечательной растворимостью в горячей воде обладает сахар.

Химикам-аналитикам хорошо из­вестно, что вода немного растворяет даже стекло. Если растирать в ступке порошок стекла с водой, то в присут­ствии… Вот почему так трудно получить абсолютно чистую воду, которая не­обходима для… НАБЛЮДАЮ ХОЛОД И КИПЕНИЕ

Растворимость солей и щелочей в воде в зависимости от температуры.

Растворимость газов в воде при атмосферном давлении в зависимости от температуры.

понижение температуры замерзания DТз раствора не зависит от химиче­ской природы растворённого вещест­ва, а зависит только от его концент­рации:… Метод криоскопии очень помог учёным в распознавании структуры новых… (1859-1927), в которой проводили тысячи криоскопических определе­ний, бытовала шутка: «В Европе снова наступил…

Растворённые в океанской воде соли понижают температуру плавления льда.

В популярных книгах по ботанике описывается такой эксперимент. В ши­рокой части моркови нужно высвер­лить отверстие вдоль её оси, вставить туда… Впервые явление осмоса наблюдал французский естествоиспытатель аб­бат Жан… создала в нём такое давление, что пузырь раздулся и лопнул. После Нолле проводилось много подобных экс­периментов. Они…

Сванте Август Аррениус.

Спор между сторонниками и про­тивниками Аррениуса продолжался не один год. И, как это часто бывает в науке, в ожесточённом споре между приверженцами…

Растворение нитрата аммония сопровождается заметным поглощением

Тепла. Смоченный водой стаканчик с раствором примерзает к деревянной скамейке так прочно, что её можно оторвать от стола.

РАСТВОР - НЕ МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ!

То, что при образовании растворов молекулы растворителя и рас­творённого вещества не просто перемешиваются, можно проде­монстрировать многими опытами. Например, раствор иода в бен­зине, ССl 4 и других так называемых инертных растворителях имеет фиолетовый цвет - точно такой же, как у паров иода. Раствор же в бензоле, спирте и ряде других растворителей - коричнево­го цвета (как иодная настойка), в водном растворе поливинило­вого спирта [-СН 2 -СН(ОН)-] n - ярко-синего (этот раствор при­меняют в медицине в качестве дезинфицирующего средства под названием «иодинол»). И вот что любопытно: реакционная спо­собность иода в «разноцветных» растворах неодинакова. Так, в коричневых растворах иод намного активнее, чем в фиолетовых, например быстрее реагирует с медью. Это объясняется тем, что молекулы иода могут взаимодействовать с молекулами раствори­теля, образуя комплексы, в которых иод более активен.

Иод - далеко не единственное вещество, меняющее свою ре­акционную способность под влиянием растворителя. Так, раство­ры серы в сероуглероде CS 2 , бензоле С 6 Н 6 и пиридине C 5 H 5 N с различной скоростью взаимодействуют с ртутью и серебром (в ходе реакции образуются сульфиды Ag 2 S и HgS). To есть растворитель не про­сто инертная среда, позволяющая молеку­лам (и, как потом оказалось, ионам тоже) свободно двигаться и сталкиваться между собой: порой он может активно вмеши­ваться в ход химической реакции.

для LiF, 2240 кДж/моль для СаСl 2 и т. д. Если суммарная энергия гидратации катионов и анионов при образовании раствора больше энергии кристалли­ческой решётки, то растворение будет сопровождаться нагреванием, а если меньше - охлаждением раствора. Именно поэтому при растворении в воде таких веществ, как LiCl, безвод­ный СаСl 2 ,и многих других раствор нагревается, а при растворении КСl,

Растворы иода в воде, этаноле, бензоле и четырёххлористом углероде.

В разбавленных растворах плохо рас­творимых солей устанавливается рав­новесие между твёрдым кристалличе­ским осадком и ионами в растворе: часть… Если резко уменьшить концентра­цию катионов или анионов над осадком, то он…

Осадки хлорида, бромида и иодида серебра.

Эти рассуждения можно проиллю­стрировать эффектной цепочкой пре­вращений, в которых участвуют ионы серебра. Выпишем значения ПР типич­ных… Уже первое вещество - Ag2CO3 в воде практически не растворяется. Но если добавить к бесцветному раствору над…

Каждый ион в водном растворе окружён плотной «гидратной шубой». Cuльнее всего из неорганических ионов гидратируется Н+, образуя ионы Н3О+, Н5О+2, Н9О4+ и т. д.

*Растворимости солей в воде и в жидком аммиаке сильно различаются. В 100 г жидкого NH 3 при 25 °С мо­жет быть растворено:

NH 4 NO 3 389,6 г.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Первые фотохимические закономерности были установлены в 19 в. (см. Гротгуса закон , Бунзена – Роско закон ). Как самостоятельная область науки Ф. оформилась в 1-й трети 20 в., после открытия Эйнштейна закона , ставшего основным в Ф. Молекула вещества при поглощении кванта света переходит из основного в возбуждённое состояние, в котором она и вступает в химическую реакцию. Продукты этой первичной реакции (собственно фотохимической) часто участвуют в различных вторичных реакциях (т. н. темновые реакции), приводящих к образованию конечных продуктов. С этой точки зрения Ф. можно определить как химию возбуждённых молекул, образовавшихся при поглощении квантов света. Часто более или менее значительная часть возбуждённых молекул не вступает в фотохимическую реакцию, а возвращается в основное состояние в результате различного рода фотофизических процессов дезактивации. В ряде случаев эти процессы могут сопровождаться испусканием кванта света (флуоресценция или фосфоресценция). Отношение числа молекул, вступивших в фотохимическую реакцию, к числу поглощённых квантов света называются квантовым выходом фотохимической реакции. Квантовый выход первичной реакции не может быть больше единицы; обычно эта величина значительно меньше единицы из-за эффективной дезактивации. Вследствие же темновых реакций общий квантовый выход может быть значительно больше единицы.

Наиболее типичная фотохимическая реакция в газовой фазе – диссоциация молекул с образованием атомов и радикалов. Так, при действии коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения, которому подвергается, например, кислород, образующиеся возбуждённые молекулы O 2 * диссоциируют на атомы:

O 2 + h n , ® O + O.

Эти атомы вступают во вторичную реакцию с O 2 , образуя озон: O + O 2 ® O 3 .

Такие процессы происходят, например, в верхних слоях атмосферы под действием излучения Солнца (см. Озон в атмосфере ).

При освещении смеси хлора с насыщенными углеводородами (RH, где R – алкил) происходит хлорирование последних. Первичная реакция – диссоциация молекулы хлора на атомы, за ней следует цепная реакция образования хлор углеводородов:

Cl 2 + h n ® ® Cl + Cl

Cl + RH ® HCl + R

R + Cl 2 ® RCl + Cl и т.д.

Общий квантовый выход этой цепной реакции значительно больше единицы.

При освещении ртутной лампой смеси паров ртути с водородом свет поглощается только атомами ртути. Последние, переходя в возбуждённое состояние, вызывают диссоциацию молекул водорода:

Hg* + H 2 ® Hg + H + H.

Это пример сенсибилизированной фотохимической реакции. Под действием кванта света, обладающего достаточно высокой энергией, молекулы превращаются в ионы. Этот процесс, называемый фотоионизацией, удобно наблюдать с помощью масс-спектрометра.

Простейший фотохимический процесс в жидкой фазе – перенос электрона, т. е. вызванная светом окислительно-восстановительная реакция. Например, при действии УФ света на водный раствор, содержащий ионы Fe 2 + , Cr 2 + , V 2 + и др., электрон переходит от возбуждённого иона к молекуле воды, например:

(Fe 2 +)* + H 2 O ® Fe 3 + + OH - + Н + .

Вторичные реакции приводят к образованию молекулы водорода. Перенос электрона, который может происходить при поглощении видимого света, характерен для многих красителей. Фотоперенос электрона с участием молекулы хлорофилла представляет собой первичный акт фотосинтеза – сложного фотобиологического процесса, происходящего в зелёном листе под действием солнечного света.

В жидкой фазе молекулы органических соединений с кратными связями и ароматическими кольцами могут участвовать в разнообразных темновых реакциях. Кроме разрыва связей, приводящего к образованию радикалов и бирадикалов (например, карбенов ), а также гетеролитических реакций замещения, известны многочисленные фотохимические процессы изомеризации , перегруппировок, образования циклов и др. Существуют органические соединения, которые под действием УФ света изомеризуются и приобретают окраску, а при освещении видимым светом снова превращаются в исходные бесцветные соединения. Это явление, получившее название фотохромии, – частный случай обратимых фотохимических превращений.

Задача изучения механизма фотохимических реакций весьма сложна. Поглощение кванта света и образование возбуждённой молекулы происходят за время порядка 10 -15 сек. Для органических молекул с кратными связями и ароматическими кольцами, представляющих для Ф. наибольший интерес, существуют два типа возбуждённых состояний, которые различаются величиной суммарного спина молекулы. Последний может быть равен нулю (в основном состоянии) или единице. Эти состояния называются соответственно синглетными и триплетными. В синглетное возбуждённое состояние молекула переходит непосредственно при поглощении кванта света. Переход из синглетного в триплетное состояние происходит в результате фотофизического процесса. Время жизни молекулы в возбуждённом синглетном состоянии составляет ~ 10 -8 сек; в триплетном состоянии – от 10 -5 –10 -4 сек (жидкие среды) до 20 сек (жёсткие среды, например твёрдые полимеры). Поэтому многие органические молекулы вступают в химические реакции именно в триплетном состоянии. По этой же причине концентрация молекул в этом состоянии может стать столь значительной, что молекулы начинают поглощать свет, переходя в высоковозбуждённое состояние, в котором они вступают в т. н. двухквантовые реакции. Возбуждённая молекула А* часто образует комплекс с невозбуждённой молекулой А или с молекулой В. Такие комплексы, существующие только в возбуждённом состоянии, называются соответственно эксимерами (AA)* или эксиплексами (AB)*. Эксиплексы часто являются предшественниками первичной химической реакции. Первичные продукты фотохимической реакции – радикалы, ионы, ион-радикалы и электроны – быстро вступают в дальнейшие темновые реакции за время, не превышающее обычно 10 -3 сек.

Один из наиболее эффективных методов исследования механизма фотохимических реакций – импульсный фотолиз , сущность которого заключается в создании высокой концентрации возбуждённых молекул путём освещения реакционной смеси кратковременной, но мощной вспышкой света. Возникающие при этом короткоживущие частицы (точнее – возбуждённые состояния и названные выше первичные продукты фотохимической реакции) обнаруживаются по поглощению ими «зондирующего» луча. Это поглощение и его изменение во времени регистрируется при помощи фотоумножителя и осциллографа. Таким методом можно определить как спектр поглощения промежуточной частицы (и тем самым идентифицировать эту частицу), так и кинетику её образования и исчезновения. При этом применяются лазерные импульсы продолжительностью 10 -8 сек и даже 10 -11 –10 -12 сек, что позволяет исследовать самые ранние стадии фотохимического процесса.

Область практического приложения Ф. обширна. Разрабатываются способы химического синтеза на основе фотохимических реакций (см. Фотохимический реактор , Солнечная фотосинтетическая установка ). Нашли применение, в частности для записи информации, фотохромные соединения. С применением фотохимических процессов получают рельефные изображения для микроэлектроники , печатные формы для полиграфии (см. также Фотолитография ). Практическое значение имеет фотохимическое хлорирование (главным образом насыщенных углеводородов). Важнейшая область практического применения Ф. – фотография . Помимо фотографического процесса, основанного на фотохимическом разложении галогенидов серебра (главным образом AgBr), всё большее значение приобретают различные методы несеребряной фотографии; например, фотохимическое разложение диазосоединений лежит в основе диазотипии .

Лит.: Турро Н. Д., Молекулярная фотохимия, пер. с англ., М., 1967; Теренин А. Н., Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений, Л., 1967; Калверт Д. Д., Питтс Д. Н., Фотохимия, пер. с англ., М., 1968; Багдасарьян Х. С., Двухквантовая фотохимия, М., 1976.

Х. С. Багдасарьян.

Если оно зеленое или дергается – это биология.
Если воняет – это химия.
Если не работает – это физика.

Сборник афоризмов
БОЛЬШОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИИ КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ 2003.

9-й класс.

1. . Подъемная сила какого газа, в 2, 25 раза меньше подъемной силы водорода (на воздухе). Ответ подтвердите расчетом.

2. . Для оценки среднего расстояния d между молекулами или атомами в веществе можно использовать простую модель, согласно которой каждая молекула (атом) движется внутри куба с ребром d . Найдите значение d при нормальных условиях для:

а) молекул идеального газа;
б) молекул воды;
в) атомов титана.

Необходимые для расчетов значения плотности веществ возьмите из справочной литературы.

3. . В одном из учебников написано: “Если известны округленная до целого числа относительная атомная масса элемента (Ar) и его порядковый номер (Z) , то можно найти число нейтронов (N) по разности N = Ar – Z ”.

Приведите по два примера элементов, подтверждающих и опровергающих это утверждение. В решении учитывайте только те изотопы, которые входят в состав земной коры.

4.. Содержание основных элементов в человеческом организме примерно равно (в масс. % ):

Рассчитайте:

а) суммарную массу (в г) ,
б) суммарный заряд (в Кл)

электронов, находящихся в организме взрослого мужчины массой в 70 кг .

5. . Из окна “Жигулей” на обочину дороги водитель выбросил пустую алюминиевую банку из-под “Пепси”. Производство алюминия требует затрат энергии. Представьте себе, что водитель не выбросил банку, а сдал ее на переработку; сэкономленную энергию ему отдали в виде бесплатного бензина. Какое расстояние сможет проехать его автомобиль на этом бензине (за одну банку), если известно:

– масса банки – 15, 0 г ;

– теплота образования оксида алюминия (руда) – 1676 кДж/моль ;

– коэффициент использования электрической энергии при получении алюминия из оксида с учетом подготовки сырья – 45 % ;

– коэффициент использования энергии топлива для получения электроэнергии на тепловой электростанции – 35 % ;

– при сгорании 1 л бензина выделяется энергия 34000 кДж ;

– расход бензина автомобилем – 6 л на 100 км ?

6. . Плотность газообразного гелия равна 0, 17847 г/л при нормальных условиях (температура 273, 15 К , давление 101, 33 кПа ).

1) Вычислите молярные объемы гелия и идеального газа при нормальных условиях. (Универсальная газовая постоянная R = 8, 3144 Дж/(моль. К) ).

2) Различие между реальным и идеальным молярными объемами гелия вызвано тем, что в модели идеального газа частицы считаются точками, а атомы гелия имеют конечный размер (межатомным взаимодействием в гелии можно пренебречь). Исходя из этого различия, оцените объем и радиус атомов гелия, считая, что они имеют шарообразную форму (постоянная Авогадро N A = 6, 0221 . 10 23 моль -1 ).

7. . Самый легкий инертный газ – гелий – был открыт на Солнце методом спектрального анализа в 1868 г. На земле его впервые обнаружили лишь спустя 27 лет при растворении в кислотах минерала клевеита.

1. Откуда в клевеите взялся инертный газ?

2. Напишите уравнение растворения клевеита в концентрированной азотной кислоте.

8. . Полиэтиленовый пакет, содержащий 5, 6 л метана (при н. у.), свободно парит в воздухе (не поднимается и не опускается). Формула метана – СН 4 , полиэтилена – (С 2 Н 4) n . Определите, сколько граммов воды получится при сгорании пакета вместе с содержимым в избытке воздуха. Объемом полиэтилена при расчетах можно пренебречь.

10-й класс.

1. . Даны результаты двух опытов по определению молярных масс газов:

1) 0, 25 г оксида азота, содержащего 30, 4 % азота по массе, занимают объем 80, 3 мл при температуре 25 ? С и давлении 740 мм ртутного столба ;

2) 1, 00 оксида серы, содержащего 40 % серы по массе, при нагревании в кварцевой ампуле объемом 20 мл создает давление 37, 9 атм при температуре 400 ? С .

Найдите молярные массы обоих газов при описанных условиях. Из каких молекул состоят эти газы в условиях экспериментов?

2. . В некоторых вариантах Периодической системы имеется нулевой период, в который помещен один-единственный элемент, обозначенный символом Nn .

Попытайтесь расшифровать, что может обозначать этот символ, и какие доводы могут приводить авторы таких вариантов Периодической системы в обоснование существования нулевого периода.

3. . Непредельный углеводород норборнадиен при освещении изомеризуется в предельный углеводород квадрициклан, а при действии катализатора протекает обратная реакция:

Эта реакция может быть использована в фотохимических аккумуляторах солнечной энергии.

При полном сгорании 1, 00 г норборнадиена и квадрициклана выделяется соответственно 39, 8 и 41, 9 кДж теплоты.

1) Напишите уравнения реакций сгорания.

2) Определите мольные теплоты образования данных углеводородов, если теплоты образования углекислого газа и воды равны 393, 5 и 285 кДж/моль соответственно.

3) Какова минимальная длина волны света, который может вызвать превращение норборнадиена в квадрициклан? Постоянная Планка h = 6, 62 . 10 -34 Дж. с , скорость света с = 3 . 10 8 м/с .

4. . Важнейшим свойством растворов является наличие внутреннего (осмотического) давления р , которое может быть вычислено по формуле

р = сRТ, где с – молярная концентрация растворенного вещества, R – газовая постоянная, Т – температура раствора.

Измерение величины осмотического давления широко используется для определения молярных масс растворенных веществ.

1) Выведите формулу для вычисления молярной массы вещества, если известно, что раствор объемом V мл , содержащий m г вещества, развивает осмотическое давление р атм .

2) В первой четверти XIX века были получены два изомерных соединения, содержащие 20, 0 % углерода, 46, 7 % азота, 6, 7 % водорода (по массе) и кислород. Определите молекулярную формулу этих веществ.

3) Растворы объемом 250 мл , содержащие по 0, 30 г каждого из этих веществ, развивают осмотическое давление 0, 49 и 0, 84 атм при температуре 25 ? С . Объясните, почему значение молярной массы второго соединения отличается от молярной массы первого не в целое число раз.

4) Объясните, почему растение на засоленных почвах засыхает, а руки при длительном пребывании в воде разбухают.

5. . Период полураспада радиоактивного изотопа 14 С – 5730 лет . При археологических раскопках было найдено дерево, содержание 14 С в котором составляет 56 % от нормального. Каков возраст дерева?

11-й класс.

1. . Источником солнечной энергии служит следующая последовательность реакций ядерного синтеза:

1 H + 1 H > 2 H + + + ,

2 H + 1 H > 3 He + ,

3 He + 3 He > 4 He +2 1 H,

где + означает позитрон (антиэлектрон), – нейтрино, – гамма-излучение.

1) Напишите суммарное уравнение процесса “горения” водорода на Солнце.

2) Рассчитайте, какая масса (в а. е. м.) теряется при образовании одного ядра атома гелия в этом процессе.

3) Используя формулу Эйнштейна E = mc 2 , найдите, сколько энергии выделяется в данном процессе ядерного синтеза из 1 г водорода.

4) Во сколько раз эта энергия больше, чем энергия, выделяющаяся при сгорании 1 г водорода в атмосфере кислорода?

При расчетах используйте следующие данные: m(1 H) = 1, 00727, m( +) = 0, 0005486, m(4 He) = 4, 00273 (массы выражены в а. е. м. ), теплота образования жидкой воды 286 кДж/моль.

2. . Все свои энергетические затраты человек покрывает за счет питания и дыхания. Пища – сложная смесь химических соединений, состоящая из белков, жиров, углеводов и многих других компонентов. Известно, что показателем энергетических затрат человека может служить скорость потребления им кислорода. Измерения показали, что 1 л израсходованного кислорода соответствует энергии, равной 20, 1 кДж . Исходя из этих данных, попробуйте найти такое химическое соединение из приведенного ниже списка, которое лучше всего “ моделирует” пищу человека с точки зрения выделения энергии при полном окислении этого соединения одним литром кислорода в тех же условиях. Для каждого соединения указана стандартная теплота его образования (в кДж/моль ) при температуре человеческого тела, а при необходимости – агрегатное состояние.

Указание. Считайте, что реакция сгорания протекает при температуре человеческого тела.

3. . При сжигании 1 моля вещества Х образуется только газ Y объемом

1, 344 л при н. у. ( = 1, 96 г/л) . Определите вещество Х . Что вы знаете об этом веществе?

4. . В межзвездном пространстве при определенных условиях может происходить рекомбинация протонов и электронов, в результате которой образуются сильно возбужденные атомы водорода, имеющие гигантские размеры (вплоть до нескольких миллиметров).

Для описания атома водорода удобно использовать теорию Н. Бора, в которой предполагается, что электрон движется со скоростью v вокруг ядра с зарядом +1 (в единицах заряда электрона) по окружности радиуса r . Скорость электрона v и радиус орбиты r связаны законом Ньютона, согласно которому сила притяжения электрона к ядру равна центробежной силе:

(m – масса электрона), и соотношением Бора, утверждающим, что момент импульса электрона может принимать только дискретные значения:

(h – постоянная Планка, n – главное квантовое число).

1) Найдите зависимость радиуса орбиты электрона от главного квантового числа.

2) При каком значении n радиус орбиты электрона превысит 0, 1 мм , если радиус первой орбиты (называемый “Боровским радиусом”) равен 0, 0529 нм ? С помощью каких методов можно обнаружить такие атомы водорода?

5. . Известно, что инертные газы гелий, неон и аргон не образуют устойчивых ковалентных соединений. Тем не менее, молекулы, содержащие атомы этих элементов, можно зарегистрировать в газовой фазе спектроскопическими методами.

Молекула Не 2 может образоваться в возбужденном электронном состоянии при столкновении атомов гелия, хотя бы один из которых возбужден. Эта молекула довольно быстро (за время порядка 10 -8 с ) испускает квант света и переходит в неустойчивое основное состояние, которое распадается на атомы. Молекулы такого типа, которые существуют только в возбужденном состоянии, называются эксимерами. Некоторые из них служат основой для создания мощных ультрафиолетовых лазеров.

1) Напишите электронную конфигурацию первого возбужденного состояния атома гелия.

2) Найдите длину волны излучения, испускаемого молекулой Не 2 , находящейся в первом возбужденном состоянии, если известно, что минимальная энергия, необходимая для возбуждения атома гелия, равна 2400 кДж/моль , а энергия связи ядер в молекуле Не 2 равна 650 кДж/моль . Постоянная Планка h = 6, 62 . 10 -34 Дж. с , скорость света с = 3 . 10 8 м/с.

6. . Примерно через 5 млрд. лет на Солнце закончиться водород, который в результате реакции ядерного синтеза полностью перейдет в гелий. Под действием гравитационных сил звезда сожмется, температура возрастет, и начнется реакция “горения” гелия, которая описывается схемой:

4 He + 4 He > 8 Be + ,

8 Be + 4 He > 12 C +

( – электромагнитное излучение).

Напишите суммарное уравнение процесса “горения” гелия на Солнце.

Рассчитайте, какая масса (в а. е. м. ) теряется при образовании одного ядра атома углерода в этом процессе.

Используя формулу Эйнштейна E = mc 2 , найдите, сколько энергии выделяется при образовании 1 г углерода из гелия.

При расчетах используйте значение

m(4 He) = 4, 00273 а. е. м.

7. . В некоторой вселенной местные химики и физики изучали строение атома и установили следующее: а) состояние электрона в атоме описывается пятью квантовыми числами n, l, m l , s, m s : б) s – орбиталей не существует, а f – орбитали появляются на третьем энергетическом уровне; в) число орбиталей на n -м энергетическом уровне равно n 2 ; г) число электронов на n -м энергетическом уровне равно 3n 2 .

1. Установите правила отбора для квантовых чисел n, l, m l , m s .

2. Чему равен спин электрона в этой вселенной?

3. Как местные ученые называют атом и электрон, если первое название происходит от слова “сложный”, а второе – от слова “двусмысленный”?

8. . Ядерный заряд, хранящийся в боевой ракете, содержит два куска 239 Pu массой 8, 0 кг и 7, 5 кг . Период полураспада этого нуклида – 24100 лет , критическая масса – 11 кг .

1. Какое время должно пройти, чтобы запуск ракеты не привел к ядерному взрыву?

2. Плутоний – 239 накапливают в ядерных реакторах при длительном облучении нейтронами природного урана, содержащего в основном нуклид 238 U . Напишите уравнения происходящих при этом ядерных реакций.

Ответы и решения.

Литература.

1. Сборник задач по физике: Уч. пособие / Л. П. Баканина, В. Е. Белонучкин, С. М. Козел, И. П. Мазанько; Под ред. С. М. Козелла. – М.: Наука. Гл. ред. физ. – мат. лит., 1990.

2. Третья Соросовская олимпиада школьников 1996 – 1997. М.: МЦНМО, 1997.

3. Четвертая Соросовская олимпиада школьников 1997 – 1998. М.: МЦНМО, 1998.

ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА И МОЛЕКУЛЫ - квантовый переход атома или молекулы с более низкого (напр., основного) уровня энергии на более высокий при поглощении ими фотонов (фотовозбуждение) или при столкновениях с электронами и др. частицами (возбуждение ударом).

Под действием света относительно слабой интенсивности В. а. и м. происходит в результате поглощения одного фотона частоты и энергии , где - энергии нач. и конечных уровней энергии атомной системы (с учётом ширины уровней). Сечение фотопоглощения равно:

где - длина волны света, - статистич. веса начальных и конечных уровней энергии; безразмерная величина - вероятность спонтанного испускания, приходящаяся на единичный интервал частот, зависящая от сорта атомов и характеристик уровней энергии

При столкновениях с электронами и др. атомными акт В. а. им. характеризуется сечением возбуждения , зависящим от строения сталкивающихся частиц и скорости их относит. движения v (см. Столкновения атомные ).Для анализа кинетики возбуждения используется величина, наз. скоростью возбуждения:

где - ф-ция распределения по скоростям возбуждающих частиц. Кинетич. энергия частиц, равная энергии перехода в атоме (молекуле), наз. пороговой. При возбуждении нейтральных атомов (кроме водорода) электронами пороговой энергии равно нулю. С ростом энергии электронов вплоть до значений порядка 2-5 пороговых (в зависимости от строения электронных оболочек) возрастает, а при больших энергиях начинает убывать. На возрастающей части кривой зависимости от энергии электронов возможно наличие неск. максимумов, связанных с разл. квантовых состояний атома (см. Интерференция состояний ).

Для атома водорода сечения возбуждения конечны и при пороговых значениях энергии электронов, что связано с наличием вырождения уровней с разл. значениями орбитального квантового числа (рис. 1). Для всех положит. ионов сечения а возбуждения также конечны при пороговых значениях энергии электронов вследствие дальнодействующего взаимодействия между ионом и внеш. электроном.

Возбуждение атомов в столкновениях с ионами и др. атомами эффективно при кинетич. энергии сталкивающихся частиц ~100 эВ и выше. При меньших энергиях они крайне малы и в области пороговых энергий экспериментально не наблюдались. Качеств. подобие сечений межатомных столкновений сечениям электронно-атомных столкновений реализуется в масштабе скоростей относит. движения - при скоростях порядка и больше скоростей орбитальных электронов. При меньших скоростях (т. н. медленных столкновениях) механизм возбуждения объясняется образованием квазимолекулы в процессе столкновения и переходом электронов между молекулярными уровнями энергии. На рис. 2 показано сечение возбуждения перехода 1-2 в атоме водорода протонным ударом.

Рис. 1. Сечение возбуждения перехода 1-2 в атоме водорода при столкновении с электронами в зависимости от энергии электронов; точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - теоретическая.

Возбуждение молекул при атомных столкновениях характеризуется большим многообразием процессов в связи с наличием колебат. и вращат. структуры их уровней энергии. Возбуждение электронных переходов (при усреднении по колебательно-вращат. состояниям) в целом описывается теми же закономерностями, что и возбуждение атомов. Колебат. и электронно-колебат. переходы исследованы полнее, чем вращательные.

Рис. 2. Сечение возбуждения перехода 1-2 в атоме водорода при столкновении с протонами в зависимости от энергии протонов; точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - теоретическая.

В атомно-молекулярных столкновениях могут возбуждаться обе сталкивающиеся частицы. К образованию атомов (и молекул) в возбуждённом состоянии может приводить также фотодиссоциация молекул (см. -Диссоциация молекулы ),перезарядка ионов при столкновении с атомами и молекулами.

Лит.: Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, M., 1977; Делоне H. Б., Крайнов В. П., Атом в сильном световом поле, M., 1978; Друкарев Г. Ф., Столкновения электронов с атомами и молекулами, M., 1978; Вайнштейн Л. А., Собельман И. И., Юков E. А., Возбуждение атомов и , M., 1979.

Л. П. Пресняков .