Степан Карпенков - Концепции современного естествознания

Современные методы и технические средства эксперимента.Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных исследований достигли высокой степени совершенства. Многие из них основаны на физических принципах. Однако их практическое применение выходит далеко за рамки физики: они широко применяются в химии, биологии и многих смежных естественнонаучных отраслях. С появлением лазерной техники, компьютеров, спектрометров открылась возможность экспериментального исследования неизвестных ранее явлений природы, свойств материальных объектов, быстропротекающих физических, химических и биологических процессов.

Лазерная техника.Для экспериментального изучения многих явлений и процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:

1) разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;

2) создание ультрафиолетовых лазеров;

3) сокращение длительности импульса лазерного излучения до аттосекунд (1 ас = 10 -18с).

Современные лазеры с перестраиваемой длиной волны обеспечивают широкий спектр излучения – от ближней ультрафиолетовой области до инфракрасной, включая видимый диапазон. Например, длина волны излучения криптон-фторидного лазера, что менее 300 нм, соответствует ультрафиолетовой области.

Минимальная длительность импульсов современных лазеров равна фемтосекундам (1 фс = 10-15с). Разрабатываются лазеры с длительностью импульсов, приближающейся к аттосекундам. Такие лазеры позволяют расшифровывать механизм физических, химических и биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.

Сравнительно недавно – в конце 80-х годов XX в. – сотрудник Калифорнийского технологического института, американец египетского происхождения А. Зивэйл исследовал сверхбыструю реакцию распада молекул цианида иода, инициируемую импульсами лазерного излучения фемтосекундной длительности. За эту работу он удостоен Нобелевской премии по химии 1999 г.

Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования разных химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер позволяет изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективного использования солнечной энергии; в химической кинетике при анализе различных процессов длительностью 10 -12– 10 -18с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии они позволяют исследовать живые организмы на клеточном уровне и т. д.

Возможности естественно-научных исследований расширяют разработанные сравнительно недавно лазеры на свободных электронах. Принцип их действия основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Для них характерна важная отличительная особенность – перестройка длины волны при большой мощности в широком диапазоне излучения.

Синхротронные источники излучения.Синхротроны применяются не только в физике высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. С помощью синхротронного излучения можно исследовать структуру твердого тела, определить расстояние между атомами, изучить строение молекул органических соединений и т. п.

Методы расшифровки сложных структур.Для идентификации, анализа и синтеза сложных химических соединений необходимо определить состав и структуру их молекул. Современные экспериментальные методы ядерного магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгено-структурного анализа, нейтронографии и т. п. позволяют исследовать состав и структуру весьма сложных молекул органических и неорганических веществ.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Он применяется в разных отраслях естествознания. Например, с помощью метода ЯМР можно определить структуру сегментов ДНК. Основанный на ЯМР, современный томограф позволяет наблюдать картину распределения неоднородностей таких крупных объектов, как организм человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия обеспечивает анализ спектра излучения вещества в различных агрегатных состояниях. Спектральный анализ – это физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе для интерпретации спектра используются таблицы и атласы, составленные для различных химических элементов и соединений. Состав исследуемого вещества при количественном спектральном анализе оценивается по интенсивности линий или полос спектра. С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу или атом любого вещества. Лазерный спектроскопический метод позволяет регистрировать, например, загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

Масс-спектроскопия основана на превращении исследуемого вещества в ионизированный газ, ионы которого ускоряются электрическим полем. Масса частиц определяется по радиусу кривизны их траектории и времени пролета. Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью. С ее помощью можно обнаружить, например, три атома изотопа 14C среди 10 16атомов 12C. Они широко применяются для исследования структуры химических соединений, определения изотопного состава и строения молекул в разных областях: в производстве интегральных схем, металлургии, нефтяной, фармацевтической, атомной промышленности и т. п. Для идентификации методом масс-спектроскопии достаточно всего 10-10г вещества. Так, в плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны с концентрацией 0,1 мг на килограмм массы тела человека. В сочетании с газовым хроматографом возможности масс-спектроскопии существенно расширились.

Рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции рентгеновских лучей, позволяет определить довольно сложные молекулярные структуры неорганических и органических веществ, что способствует синтезу, например, искусственных ферментов, гормонов роста и т. д.