 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
50
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие
современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и
эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое
обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие
эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли
естествознания.
Современные методы и технические средства эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства современных естественно-научных
исследований достигли высокой степени совершенства. Многие технические устройства
эксперимента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит
далеко за рамки физики – одной из отраслей естествознания. Они широко применяются в химии,
биологии и других смежных естественных науках. С появлением лазерной техники, компьютеров,
спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального
исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал
возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов.
Лазерная техника. Для экспериментальных исследований многих физических, химических и
биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники:
· разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения;
· создание ультрафиолетовых лазеров;
· сокращение длительности импульса лазерного излучения до 1 ас (10
-18
с) и меньше:
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может перестраиваться, тем ценнее такой
лазер для исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применяются
лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазеров охватывает спектр от ближней
ультрафиолетовой области до ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко
перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разработаны лазеры, длина волны
которых составляет менее 300 нм, т. е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам
относится, например, криптон-фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых приближается к 1 ас.
Такие лазеры, несомненно, позволят определить механизм физических, химических и
биологических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Трудно перечислить все области применения лазеров для исследования многообразных
химических процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить
процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффективно использовать солнечную
энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов
урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в
биологии лазеры дают возможность изучить живые организмы на клеточном уровне. Весьма
многообразно применение лазеров в химической кинетике при исследовании различных
процессов, длительность которых составляет от 10
-12
до 10
-18
и менее секунд.
Возможности естественно-научных исследований расширяются с применением лазеров на
свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов,
движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в периодически изменяющемся магнитном
поле в направлении движения электронов возникает излучение света. Эксперимент показывает,
что лазеры на свободных электронах отличаются высокой эффективностью перестройки длины
волны при большой мощности излучения в широком диапазоне – от микроволнового излучения до
вакуумного ультрафиолета.
Синхротронные источники излучения. Синхротроны применяются не только в физике
высоких энергий для исследования механизма взаимодействия элементарных частиц, но и для
генерации мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в
коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры
твердых тел, определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических
соединений – успешному решению этих и других задач способствует синхротронное излучение.
Экспериментальные методы расшифровки сложных структур. Для идентификации и
анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять
химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций.