Материалы для учителя

Материалы для учителя

Звуки в космосе

Начнём с сигналов из ближнего космоса. Загадочные звуки полярных свечений... Связаны они с перемещениями областей ионизированного газа, но точный механизм их возникновения до сих пор не раскрыт. Иногда они похожи на ударные звуковые волны от сверхзвуковых самолётов. Наблюдались многократные отражения этих звуков от поверхности Земли и от неоднородностей верхних слоёв атмосферы.

Искусственные спутники и ракеты. Это уже настоящий космос. При прохождении ракеты «Аполлон» над Бермудскими островами на солидной высоте 188 километров, где, казалось бы, плотность атмосферы ничтожна (в 109 раз меньше, чем у поверхности Земли), неоднократно регистрировались на островах низкочастотные сигналы, также похожие на звуковые удары самолётов.

А что внутри ракет, космических кораблей?  Николаев при полёте на одном из «Союзов» так описывал свои «акустические» впечатления: «При спуске вначале был слышен небольшой шум, свист высокого тона. Этот тон постепенно нарастал и превратился в гул работающего реактивного двигателя, затем он перешёл как бы на форсажный режим работы двигателя самолёта с сильным рокотом».

Как видно, в космических устройствах могут встречаться вполне «земные» ощущения. Эта близость к земным ощущениям ещё усилится при длительных полётах. Будет надоедать космонавтам постоянный шум двигателей, работа которых необходима для жизнеобеспечения обитателей ракет и выполнения научных и иных операций. Потребуются разнообразные средства борьбы с шумами и вибрациями. Те же вибрация и шум, которые сейчас используются для диагностики и дефектации механизмов, определения степени их работоспособности и надёжности, будут сигнализировать о случайных неисправностях в орбитальных лабораториях, например, при стыковке космических кораблей.

На космических снарядах, в условиях невесомости, будут, как известно, получать новые диковинные сплавы и материалы. Возможно, на помощь придёт и ультразвук, смешивающий, раздробляющий малые частицы жидких материалов. Одним словом, земная акустика будет всё больше заявлять о себе космоплавателям. Как не заявить, если уже сейчас в некоторых странах разрабатываются проекты лунных городков на сотни и тысячи человек. Прибор, установленный на поверхности Луны, передаёт по радио на Землю сведения о затухании звука в лунных породах.

А что делается снаружи космического корабля, непосредственно вблизи его борта? Уже сейчас здесь действует акустика, работает структурный звук. Выставленная за борт металлическая мембрана воспринимает удары несущихся навстречу микрометеоритов, кусочков космического вещества. Каждый удар частицы о мембрану возбуждает её колебания, данные о которых с помощью индукционного или иного датчика поступают внутрь корабля на счётную электронную схему либо передаются радиоустройством на Землю. Этим способом канадские учёные оценили значения микрометеоритной активности в функции от высоты ракеты над Землёй.

Луна, планеты Солнечной системы и их естественные спутники. Здесь — раздолье для акустиков-геофизиков, а на тех планетах, где есть атмосфера, — и для атмосферных акустиков. Установленное на Луне американскими астронавтами устройство позволило сделать интереснейшее открытие: время реверберации (послезвучания) колебаний в породах лунного грунта приближается к минуте. Луна звучит, как церковный колокол! Пока ещё не дано объяснения этому явлению. Была измерена и скорость распространения звука в лунных породах.

Когда-то великий насмешник, мастер парадоксов и иронических сентенций Эразм Роттердамский писал, что «...луна состоит из заплесневелого сыра...». Два европейских геофизика не пожалели времени на то, чтобы измерить скорость продольных волн в сырах из Италии, Швейцарии, США, Норвегии. Возможно, как о курьезе, они сообщили, что скорость звуковых волн в этих сырах (от 1,6 до 2,1 километра в секунду) соответствует нижнему пределу скорости распространения звука в лунных породах.

Несомненно, уже в ближайшее время будут досконально изучены акустические свойства пород на поверхности Венеры и Марса. А в атмосфере Венеры с её чудовищной плотностью возможно существование звуков огромной интенсивности.

Плазма — одно из состояний упругого вещества. Уже производились опыты по возбуждению механических звуковых колебаний в плазменных шнурах установок, в которых имеются условия для возникновения термоядерной реакции. Поэтому, когда при исследовании пятен на Солнце были обнаружены колебания низкой частоты с длиной волны порядка 2500 километров и на основании некоторых данных было высказано предположение, что эти волны имеют звуковое, а не магнитное происхождение, эта версия не встретила у учёных особых возражений.

Как видим, в акустических проблемах в космосе уже сегодня нет недостатка. Первую страницу космической акустики можно считать открытой. Но пытливый ум исследователей углубляется в совсем уже не изведанные просторы мироздания. Один японский журнал опубликовал цикл статей о генерации звука ни много ни мало как в первичной турбулентности расширяющейся Вселенной; едва ли кто-нибудь задумывался раньше о возможности сочетания акустики и космогонии.

Материал взят с сайта http://www. pppa. ru/additional/05zvuk/ac_yav_04.php

Спектроскопия

Каждый атом и молекула имеют уникальное строение, которому соответствует свой уникальный спектр. Структура спектра атома, молекулы или образованной ими макросистемы определяется их энергетическими уровнями. Согласно законам квантовой механики, каждый энергетический уровень соответствует определённому квантовому состоянию. Электроны и ядра в таком состоянии совершают характерные периодические движения, для которых энергия, орбитальный момент количества движения и другие физические величины строго определены и квантованы, т. е. принимают лишь разрешённые дискретные значения, соответствующие целым и полуцелым значениям квантовых чисел. Если известны силы, связывающие электроны и ядра в единую систему, то по законам квантовой механики можно рассчитать её уровни энергии и квантовые числа, а также предсказать интенсивности и частоты спектральных линий. С другой стороны, анализируя спектр конкретной системы, можно определить энергии и квантовые числа состояний, а также сделать выводы относительно действующих в ней сил. Таким образом, спектроскопия является основным источником сведений о квантово-механических величинах и о строении атомов и молекул.

В атоме наиболее сильное взаимодействие между ядром и электронами обусловлено электростатическими, или кулоновскими силами. Каждый электрон притягивается к ядру и отталкивается всеми остальными электронами. Это взаимодействие определяет структуру энергетических уровней электронов. Внешние (валентные) электроны, переходя с уровня на уровень, испускают или поглощают излучение в ближней инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях. Энергии переходов между уровнями внутренних оболочек соответствуют вакуумной ультрафиолетовой и рентгеновской областям спектра. Более слабым является воздействие электрического поля на магнитные моменты электронов. Это приводит к расщеплению электронных уровней энергии и, соответственно, каждой спектральной линии на компоненты (тонкая структура). Кроме того, ядро, обладающее ядерным моментом, может взаимодействовать с электрическим полем орбитальных электронов, вызывая дополнительное сверхтонкое расщепление уровней энергии. При сближении двух или более атомов между их электронами и ядрами начинают действовать силы взаимного притяжения и отталкивания. Итоговый баланс сил может привести к уменьшению полной энергии системы атомов — в этом случае образуется стабильная молекула. Строение молекулы в основном определяется валентными электронами атомов, а молекулярные связи подчиняются законам квантовой механики. В молекуле наиболее часто встречаются ионные и ковалентные связи. Атомы в молекуле испытывают непрерывные колебания, а сама молекула вращается как целое, поэтому у неё возникают новые энергетические уровни, отсутствующие в изолированных атомах. Энергии вращения меньше колебательных энергий, а колебательные — меньше электронных. Таким образом, в молекуле каждый электронный уровень энергии расщепляется на ряд близко расположенных колебательных уровней, а каждый колебательный уровень, в свою очередь, на тесно расположенные вращательные подуровни. В результате в молекулярных спектрах колебательные переходы имеют вращательную структуру, а электронные — колебательную и вращательную. Переходы между вращательными уровнями одного и того же колебательного состояния попадают в дальнюю инфракрасную и микроволновую области, а переходы между колебательными уровнями одного и того же электронного состояния соответствуют по частотам инфракрасной области. Благодаря расщеплению колебательных уровней на вращательные подуровни каждый переход распадается на множество колебательно-вращательных переходов, образуя полосы. Аналогично электронные спектры молекул представляют собой ряд электронных переходов, расщеплённых тесно расположенными подуровнями колебательных и вращательных переходов. Поскольку каждый атом является квантовой системой (т. е. подчиняется законам квантовой механики), его свойства, в том числе частоты и интенсивности спектральных линий, могут быть рассчитаны, если для данной конкретной системы задан её гамильтониан. Гамильтониан Н — это полная энергия атома (кинетическая плюс потенциальная), представленная в операторной форме. (Квантово-механический оператор — математическое выражение, с помощью которого вычисляются физические величины.) Кинетическая энергия частицы с массой т и моментом р равна р2/2m. Потенциальная энергия системы равна сумме энергий всех взаимодействий, связывающих систему в единое целое. Если гамильтониан задан, то энергию Е каждого квантового состояния можно найти, решив уравнение Шредингера Нy = Еy, где y — волновая функция, описывающая квантовое состояние системы.

Материал взят с сайта http:///colier/Spektroskopija-6175.html