Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Научные журналы / Наука и жизнь
Начало сайта / Научные журналы / Наука и жизнь

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Вода знакомая и загадочная

Загадки простой воды

Механизм ответственной власти

Парадоксы науки

Смотри в корень!

Ученые – популяризаторы науки

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Ловушка для солнечного зайчика

В. ИЛАТОВСКИЙ, кандидат физико-математических наук

Мысль о ловле солнечных зайчиков может вызвать у взрослого человека только снисходительную усмешку – прошли те счастливые времена, когда непосредственность детского восприятия мира и отсутствие излишних знаний позволяли отважно браться за столь сложные и необычные задачи. Однако за здравый смысл – гордость технократа – нередко выдаются ограниченность и нехватка фантазии. Ведь совсем не обязательно пытаться накрыть световое пятно ладонью, существуют и более «взрослые» способы захватить пучок света, заставив зайчик метаться в ограниченном пространстве, как можно дольше не позволяя ему выйти за пределы «ловушки». И, как выяснилось, пойманный световой зайчик оказался важным инструментом физико-химического анализа.

Многие фундаментальные свойства природы столь привычны и так откровенно проявляются в обыденной жизни, что мы просто не замечаем их грандиозности. Например, радужный блик на стене комнаты, отброшенный поверхностью зеркала, – уже повод для серьезных размышлений. Радующие глаз синие, зеленые, красные полоски – все это проявление волновых свойств света, преломленного ограненной поверхностью стекла. Каждому из таких цветов соответствует своя длина волны, а любой источник излучения характеризуется определенным набором волн – спектром. Для Солнца этот спектр очень широк, а, например, у гелий-неонового лазера всего одна длина волны – 632,8 нанометра (красный цвет).

Окраска предметов окружающего мира зависит от их способности избирательно поглощать излучение, отражая и рассеивая свет с «ненужными» длинами волн. Это относится и к бесцветным объектам, таким, как воздух, стекло, вода, а «бесцветны» они просто потому, что спектр их поглощения охватывает недоступные человеческому глазу инфракрасную и ультрафиолетовую области излучений. Уже этот факт наводит на мысль, что, изучая поглощение света в различных средах – твердых телах, жидкостях и газах, – можно получить детальную информацию об их свойствах. Такой метод исследования веществ стал известен еще в XIX веке и получил название «спектроскопия».

Каждый тип молекул поглощает вполне определенные участки из всего широкого спектра излучений, на чем и основано спектроскопическое изучение состава вещества. Правда, взаимодействие излучения с молекулами определяется уже не волновыми, а квантовыми свойствами света: в соответствии с квантовыми представлениями световой луч представляет собой пучок элементарных частиц – фотонов. Освещая исследуемый объект светом с различной длиной волны и регистрируя количество поглощенных фотонов, можно не только точно определить, какие именно вещества входят в его состав, но и в каких количествах. Однако здесь есть трудность: если концентрация некоторых молекул будет очень мала, то доля поглощенных фотонов может оказаться незаметной для спектроскопического прибора. Можно увеличивать толщину объекта, соответственно возрастет и вероятность взаимодействия фотонов с рассеянными молекулами, но этот путь не всегда удобен, а в некоторых случаях он вообще оказывается тупиковым.

Таким способом экологи и спектроскописты пытались контролировать чистоту воздуха, прошивая светом многокилометровые трассы и набирая информацию о мельчайших вредных примесях. А как быть при исследовании свойств разреженных газов, микроскопических количеств веществ или, скажем, процессов, протекающих в очень ограниченных объемах? Исследовать-то надо, но как получить большую протяженность пути светового пучка в небольшой кювете спектрального прибора? Иными словами, как сделать такой прибор изящным, компактным и одновременно очень чувствительным?

В 1942 году американскому физику Джону Уайту удалось создать такую конструкцию ив зеркал, в которой свет, многократно отражаясь, десятки раз проходил через изучаемый образец. Восторженная реакция спектроскопистов на это изобретение обеспечила Уайту славу и приличное состояние. Вскоре практически все спектроскопические приборы, которые должны были обладать высокой чувствительностью, стали собираться по схеме Уайта. В руках искусных экспериментаторов эта схема творила чудеса, однако при рутинных измерениях, когда очевидные недостатки такой схемы – малая светосила (то есть, грубо говоря, большие потери света), накопление угловых ошибок при отражениях и неустойчивость луча света по отношению к вибрациям – не компенсировались терпением, изобретательностью и настойчивостью исследователя, требовалась более совершенная зеркальная система. Эйфория первого успеха сменилась упорными попытками модернизировать схему Уайта, но задача оказалась весьма сложной, и многие исследовательские центры (в том числе компания, организованная самим Уайтом) за несколько десятилетий практически не продвинулись в совершенствовании первоначального варианта, многоходовой зеркальной системы – ловушки для солнечного зайчика.

Все чаще в статьях по оптике схема Уайта называлась классическом – для науки это дурной симптом, предвещающий застой. Казалось, что ничего принципиально нового придумать уже нельзя. И действительно, зеркалами занимались еще в Древней Греции (вспомним легенду об Архимеде, сжегшем вражеские корабли), законы геометрической оптики сложились столетия назад, стереотипы мышления вбивались в головы специалистов еще в период обучения. Найти необычный подход в столь «распаханной» области необычайно трудно.

Может быть, именно в такой обстановке оригинальные решения часто появляются у непрофессионалов. Случайное стечение обстоятельств привело С.М. Чернина, специалиста по двигателям внутреннего сгорания, в спектроскопическую лабораторию МГУ. Решение сменить профессию пришло в болезненных колебаниях. В жестоком цейтноте, на ходу осваивая новую область, Чернин занялся модификацией оптических установок, недостатки которых были ему очевидны – пригодился прежний опыт машиностроителя. Почти как разминка перед стайерским забегом был сконструирован фотопистолет с объективом совершенно новой конструкции (см. «Наука и жизнь» №4, 1964 г., стр. 130...131).

Это была, пожалуй, последняя попытка изобретателя работать с обычной линзовой оптикой. Завораживали зеркала – совершенные творения современной технологии, и знаменитая система Уайта вызывала уважение, но не хотелось соглашаться с мнением специалистов, что это предел совершенства. Вскоре изобретателя пригласили на работу в Институт химической физики АН СССР, расширились возможности экспериментов и независимых конструкторских поисков. Чернин все-таки сделал то, что специалисты считали невозможным: его «ловушка для зайчика» обошла систему Уайта по ряду параметров. Ощущение настоящей победы пришло вместе с извещением Государственного комитета по делам изобретений и открытий о присвоении новой многоходовой зеркальной системе имени Чернина.

Тесный контакт с современной лазерной техникой потребовал дальнейшего совершенствования системы Чернина. Казалось бы, малая расходимость светового пучка лазера должна была предоставлять неограниченные возможности увеличивать число проходов луча через кювету спектрального прибора, однако тут же появились принципиальные трудности. При очень большом числе проходов малейшие изменения в положении зеркал приводили к такому смещению луча на выходе прибора, что свет вовсе не попадал на регистрирующее устройство. В стационарных условиях, когда нет никакой вибрации, смещение луча можно скомпенсировать дополнительной юстировкой, но где в реальном мире можно найти место, не подверженное вибрации? Даже брошенная на стол в соседнем помещении книга выводила спектрометр из строя. Стало ясно, что столь высокая чувствительность возможна только для оптической схемы, способной саморегулироваться, компенсировать вибрацию зеркал благодаря своим внутренним ресурсам, а не за счет хитроумных внешних приспособлений и массивных фундаментов для гашения колебаний.

Именно такая многоходовая матричная зеркальная система (ММС) и была недавно создана в Институте химической физики АН СССР С.М. Черниным совместно с сотрудницей Государственного оптического института Е.Г. Барской. Система состоит всего из шести зеркал – четырех сферических объективов, плоской матрицы промежуточных изображений и небольшого вспомогательного зеркала. Луч лазера более пятисот раз пронизывает пространство между отражателями, при этом вся оптическая схема сконструирована так, что даже очень сильная вибрация не меняет положения луча на выходе прибора. ММС можно использовать не только в лабораторных условиях, но и, например, на самолете или любом другом тряском транспорте. Это позволяет проводить исследования в полевых условиях, причем с недосягаемой ранее чувствительностью. Если к одному кубическому метру однородного газа добавить всего один кубический «миллиметр инородной примеси, спектрометр на базе ММС точно определит ее состав и концентрацию.

Уникальные свойства матричной многоходовой системы позволили создать гигантский 110-метровый спектрометр для исследования газов в Институте оптики атмосферы в Томске. На основе ММС Центральной аэрологической обсерваторией Госкомгидромета совместно с другими институтами разработан прецизионный прибор для определения состава воздуха на разных высотах – ведь сегодня проблема загрязненности атмосферы вблизи промышленных центров приобрела исключительную остроту. Даже криминалистам и таможенникам может оказаться необходимым прецизионный спектрометр на базе ММС, первым – для определения следов преступления, но не по отпечаткам сапог и брошенным окуркам, а по оставленным преступником молекулам, вторым – для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ.

 

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1988. №8.

Дата публикации:

4 сентября 2003 года

Электронная версия:

© НиТ. Научные журналы, 2002

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика