Линии Фраунгофера
В непрерывном солнечном спектре, который исследовал ещё Ньютон, английский физик У. Волластон в 1802 году впервые заметил одиночные чёрные линии. В 1814 году их заново обнаружил и описал немецкий физик Й. Фраунгофер, а Р. Кирхгоф в 1859-м объяснил причину их появления. Атомы нагретого до высокой температуры вещества испускают излучения, длины волн которых характерны для каждого атома (именно на этом их свойстве основан метод спектрального анализа). А те же атомы, но холодного вещества эти излучения поглощают. И в спектре проходящего сквозь вещество излучения появляются чёрные линии.
Недра Солнца представляют собой горячую плазму с температурой порядка 5·106 К. Ионы элементов, из которых она состоит, — водород, кислород, натрий, железо, кальций и др. — излучают в широком диапазоне длин волн; мы их спектр воспринимаем как белый свет. Но на пути этого излучения лежит солнечная корона — окружающий светило плазменный слой из тех же элементов. Температура его внутренней области около 5·103 К, а периферия постепенно остывает почти до 3 К.
В «холодной» короне излучение ионов поглощается, и в спектре Солнца возникают чёрные линии Фраунгофера. Йозеф Фраунгофер отметил в видимой части солнечного спектра 570 линий и обозначил самые яркие латинскими буквами от А до К. Сегодня известно более 20 тысяч линий в диапазоне от далёкого ультрафиолета до ближнего инфракрасного. Наиболее яркие в видимой части линии К и Н кальция — 393,4 нм и 396,8 нм соответственно; G-линии железа и кальция практически одинаковы: 430,8 нм, а в Е-области линия излучения железа равна 527,0 нм. Водород излучает в F- и С-областях на длинах волн 486,1 и 656,3 нм, кислород — в В- и А-областях на линиях 686,7 и 759,3 нм.
Хорошо заметна также D-линия натрия — жёлтый дублет из очень близких линий 0,5890 и 0,5896 мкм. А поскольку натрий — чрезвычайно широко распространённый элемент, его яркие жёлтые линии (при слабом разрешении прибора они сливаются) видны практически на всех спектрограммах. Их свечение можно увидеть и невооружённым глазом. Бросьте щепотку поваренной соли (NaCl) в голубоватое пламя газовой горелки кухонной плиты, и оно мгновенно пожелтеет.
Эшелле
Эшелле (от фр. echelle — лестница) — отражательная дифракционная решётка в виде зеркальных ступенек, вырезанных на поверхности металлической пластины. Отражённые от них лучи интерферируют, осуществляя разделение излучения по частотам (дисперсию) — их разрешение. При небольшом числе штрихов — от 10 до 100 на миллиметр — эшелле имеет высокую разрешающую способность и концентрирует энергию излучения в спектрах высоких порядков дифракции.
Отражательная дифракционная решётка — эшелле имеет асимметричный треугольный профиль штриха, позволяющий получать высокий порядок дифракции.
Порядок диффракции
Порядок дифракции (точнее — интерференции) — в данном случае величина, равная разности хода лучей, отражённых от дифракционной решётки. Её выражают в длинах световых волн. Целые значения порядка соответствуют максимумам, полуцелые — минимумам картины интерференции. Эталон Фабри — Перо даёт величину порядка дифракции до 106 и выше. А чем он больше, тем yже дифракционный максимум, тем лучше разрешение.
Моды
Моды (от лат. мodus — мера, вид) — так называемые нормальные колебания в оптических резонаторах лазера, эталона Фабри — Перо и пр., то есть колебания электромагнитной волны на их резонансной частоте. Величину моды определяет размер резонатора, расстояние между его зеркалами. Волоконно-оптические линии связи конструктивно рассчитаны на пропускание либо одной частоты (одномодовые), либо широкого спектра частот (многомодовые).
Постоянная тонкой структуры
Постоянная тонкой структуры — безразмерная величина ? = е2/ћс ? 1/137, где е — заряд электрона; ћ — постоянная Планка; с — скорость света. Она определяет размер очень малого изменения величины (расщепления) энергетических уровней атома и, следовательно, образования тонкой структуры — набора узких и близких частот в его спектральных линиях, пропорционального ?2. Расщепление происходит за счёт квантового эффекта — взаимодействия двух электронов атома в результате обмена между ними виртуальными (ненаблюдаемыми) фотонами, которое проходит с изменением энергии.
Временная когерентность
Временнaя когерентность — свойство лазерного излучения сохранять постоянными длину волны (частоту) и фазу в течение определённого времени ?. По его истечении фаза излучения меняется и оно считается уже другой последовательностью электромагнитных волн.
Добротность резонатора D
Добротность резонатора D — отношение энергии Е, запасённой в нём, к величине потерь ?Е. Чем меньше потери (рассеяние, поглощение и пр.), тем выше добротность. Когда оптический затвор не пропускает излучение, добротность D = 0, потери энергии максимальны, лазер не излучает. Когда затвор (пассивный или активный за счёт внешнего воздействия) меняет пропускание, происходит модуляция добротности резонатора лазера и соответственно меняется режим его работы.
Эффект самофокусировки подобен действию просветляющегося поглотителя — интенсивное излучение диафрагма свободно пропускает, а слабое частично срезает.
Самофокусировка
Самофокусировка — явление нелинейной оптики, заключающееся в увеличении показателя преломления прозрачного вещества при увеличении интенсивности лазерного излучения, проходящего через него. В результате происходит такое же искривление волнового фронта, как и в случае собирающей линзы. Прозрачное вещество превращается в положительную линзу под действием самого лазерного излучения. Отсюда и название — самофокусировка.
Автор статьи: Сергей Транковский
Таким вопросом учёные задавались и в прошлые века. Среди отечественных корифеев науки на эту тему высказались Д. И. Менделеев и К. Э. Циолковский. За свою жизнь Д. И. Менделеев занимался далеко не только химией. Его интересы простирались от метеорологии до метрологии, от экономики до демографии.
В книге «Заветные мысли» (1905) учёный попытался рассчитать возможную численность населения Земли. В то время она составляла около 1,6 миллиарда человек. Исходя из площади плодородных земель на планете и продуктивности основных пищевых культур, Менделеев пришёл к выводу, что Земля прокормит не менее восьми миллиардов человек.
А по скорости прироста населения в тех странах, по которым тогда имелась статистика, он рассчитал, что к 2000 году численность человечества составит более четырёх миллиардов человек. Циолковский в одной из своих работ голодного 1918 года взял за основу площадь суши в тропическом поясе Земли и урожайность таких тропических культур, как таро (корнеплод колоказия съедобная) и бананы.
По его расчёту вышло, что для прокорма одного человека в течение года достаточно будет делянки площадью четыре квадратных метра при хорошем орошении и удобрении (он исходил из того, что за год человек прокормится тонной бананов). А следовательно, численность человечества теоретически могла бы вырасти как минимум в две тысячи раз. Правда, пишет учёный, на Земле станет тесновато, но «хорошо человеку в многочисленном обществе и будет ещё лучше, когда население вырастет раз в тысячу».
Видимо, Константин Эдуардович был очень общительным человеком.
Грудное молоко защищает младенца от болезней и улучшает деятельность его организма. Но как конкретно, за счёт чего оно действует? Понятно, что малыш получает с молоком жиры, углеводы, микроэлементы, витамины, ферменты, гормоны и иммунные антитела. Новые исследования добавляют другие интересные факты.
Спасение недоношенных детей, как считает неонатолог Марк Ундервуд (Калифорнийский университет, США), — не в лекарствах, а в правильном выкармливании. Он предлагает во избежание некроза кишечника (одной из главных причин гибели новорождённых с малым весом) давать крохам коктейль из пробиотиков (полезных бактерий кишечника) и пребиотиков (пищи для этих бактерий). К такому рецепту его подтолкнуло изучение грудного молока.
Оно поддерживает баланс микробов в кишечнике и в других органах, то есть тот тип внутренней экосистемы, которой обладаем мы все и за которой в науке утвердилось название «микробиом». В июне 2012 года закончился пятилетний международный проект «Микробиом человека», целью которого было описание всех микробов, существующих в организме человека.
Опубликованные данные показывают, что на каждую клетку нашего организма приходится десяток клеток бактерий — как полезных, так и условноопасных (которые начинают вредить только при определённых условиях). Мужчина весом 90 кг носит 2,7 кг бактерий на коже, во рту и носоглотке, в желудке, кишечнике и других органах. Эти бактерии не просто соседствуют с нами, они активно участвуют в обмене веществ. Проект позволил составить перечень полезных и условно-опасных бактерий у здорового человека и расшифровать их ДНК.
Когда мы заболеваем, принимаем лекарства, спектр бактерий меняется — равновесие нарушается. Оказалось, что для новорождённых главный восстановитель и защитник бактериального баланса — грудное молоко, Плод в утробе не соприкасается с бактериями. Первое знакомство с ними — прохождение через родовые пути, прикосновение к матери, первое кормление.
Бактерии, как полезные, так и способные навредить, «заселяют» организм ребёнка, и через несколько дней начинается обучение иммунной системы — как с ними сосуществовать. Но вернёмся к профессору Ундервуду из Калифорнии. Он рассказывает о своей пациентке Селии — по медицинским показаниям она появилась на свет в результате кесарева сечения на 13 недель раньше времени и была помещена в кювёз (аппарат вроде инкубатора для недоношенных младенцев). Так что организм Селии познакомился только с больничными бактериями.
Кормить грудью её было невозможно — у малышки не было сил сосать молоко. Через катетер кроха получала витаминную смесь с несколькими каплями молока своей матери. В результате девочка избежала некроза кишечника и других бактериальных заболеваний, нередких у недоношенных, а через пару месяцев её смогли выписать из больницы. Доктор Ундервуд убедился, что дети на грудном молоке страдают от кишечных заболеваний в два раза реже, чем дети на молочных смесях.
Общество начинает признавать тот факт, что для здоровья малыша правильное питание — самое главное. Но что же делать с индустрией производства детских смесей для замены грудного молока? Только в США оборот этого бизнеса составляет 3,5 миллиарда долларов в год. Брюс Джерман, тоже работающий в Калифорнийском университете, много лет занимался биохимическим исследованием пищи. Он считает, что средства на науку распределяются неразумно.
Если бы все гранты, выданные на изучение, например, красного вина, потратили на изучение биоактивных составляющих материнского молока, то человечество уже нашло бы новые схемы лечения многих недугов. Эти мысли и подвигли Джермана в 1994 году отправиться в Швейцарию на год, поработать на фирме «Нестле», крупнейшем производителе заменителей грудного молока. Именно там тратятся большие средства на анализ состава грудного молока.
Для изготовления убедительной подделки надо хорошо знать оригинал. Но и специалисты «Нестле» в те годы не понимали, как влияет грудное молоко на патогенные микробы. Джермана заинтересовал один из классов веществ, содержащихся в молоке, — олигосахариды. Эти простые сахарa с короткой молекулой, входящие в состав молока, не перевариваются.
Учёный задумался: зачем же их, не усваиваемых человеческим организмом, так много в молоке?
Вместе с микробиологами он начал выделять олигосахариды и исследовать их действие на бактерии. Процесс анализа этих соединений довольно сложен. Коллеги Джермана начали изучать их строение на новом жидкостном нанохроматографе, который разделяет смесь молекул. Другой полезной технологией стал циклотрон на сверхпроводящем магните. Молекулы сложных соединений разбивают на фрагменты ударом лазерного луча, затем эти фрагменты разгоняются в вакууме с разной скоростью, которая зависит от массы молекулярного фрагмента.
В результате в грудном молоке нашли 150 видов олигосахаридов (существует мнение, что их около 200). Из них несколько десятков ранее не были известны науке. Предполагают, что многие олигосахариды играют ключевую роль в создании иммунитета новорождённого. В другой лаборатории того же института стали изучать, как работают эти сахара. Кишечные бактерии выращивали в пробирках с олигосахаридами без доступа кислорода, имитируя жизнь микробов в кишечнике.
Изучая детские фекалии, микробиолог Дэвид Миллз обнаружил, что бифидобактерия младенческая, главная у младенцев, вскормленных грудным молоком, прекрасно питается олигосахаридами. Ребёнок переварить их не может, а бактерия — с удовольствием. Причём бифидобактерия поглощает олигосахариды с такой скоростью, что вредным микробам ничего не достаётся, и они гибнут. Уже умеют выращивать младенческую бифидобактерию и превращать её культуру в порошок, хорошо растворимый в воде. Но ещё нужно научиться дёшево производить в большом количестве олигосахариды, содержащиеся в грудном молоке.
В коровьем молоке они имеются, но их мало. Есть надежда, что в промышленных масштабах эти сахара будут получать из молочной сыворотки — отхода от производства сыра. В лаборатории Ларса Бода в том же Калифорнийском университете обнаружили, что сахара грудного молока помогают в борьбе с патогенной кишечной амёбой, вызывающей дизентерию.
Сложные сахара оседают на стенке кишечника, а по своей конфигурации они похожи на молекулы, имеющиеся на поверхности клеток кишечной выстилки. Паразитической амёбе нужны эти молекулы, а она наталкивается на несъедобные сахара, зацепляется за них и потом выводится из кишечника. Молекулы сахаров грудного молока ещё и тормозят жизненные процессы тех стрептококков, что вызывают респираторные и ушные инфекции. Это объясняет, почему дети, вскормленные грудью, страдают ими реже.
В молоке найден и такой олигосахарид, который эффективен в борьбе и с кишечной палочкой, и с возбудителем дизентерии, и даже с холерным вибрионом. Надо сказать, что некоторые биологиэволюционисты полагают сейчас, что у млекопитающих кормление детёнышей молоком исходно появилось не столько для их питания, сколько для защиты от болезней. В Англии, Германии и США готовится выпуск питательных смесей с сахарами грудного молока — учёные надеются, что они помогут в борьбе с кишечными инфекциями, пищевыми токсинами и укрепят иммунитет младенцев.
Олигосахариды, аналогичные имеющимся в грудном молоке, полезны и взрослым, у которых по какой-то причине нарушился микробиом кишечника. Началось изучение и жиров молока — в них видят будущее в лечении СПИДа, поскольку эти жиры мешают вирусу болезни проникать внутрь иммунных клеток, которые этот вирус уничтожает.
Автор статьи: Елена Изюмова
По материалам иностранной печати
Потомки Ивана Сусанина
В 1612 году «по совету и прошению» матери своей, царицы Марфы Ивановны, Михаил Феодорович пожаловал «за службу, за кровь и за терпение» Сусанина зятю его Богдану Собинину землю и велел освободить Собинина со всем его потомством от всех податей. Ему досталась пустошь Коробово, которой потомки Собинина владеют и теперь. Не разрешено въезжать в Коробово ни воеводам, ни сыщикам, а всеми делами велено ведать Приказу большого дворца. С тех пор Коробово состоит в дворцовом управлении при Министерстве Двора. Даже костромской губернатор может въезжать в их селение только с разрешения Двора. Эти привилегии подтверждались и следующими государями. Такие исключительные льготы, казалось бы, должны были доставить потомкам Сусанина (одна их семья показана на снимке) полное благополучие. Но на самом деле вышло совсем не то, и при таких «свободах» коробовцы всегда жили бедно. Население умножилось, а земли не хватает, да и то это большей частью неудобная земля, раскиданная кусками в окрестности 30—70 вёрст. Подсобных же промыслов тут нет, и приходится привилегированным крестьянам жить Высочайшими милостями в надежде то на коронацию, то на рождение. Эти милости ещё больше испортили потомков Сусанина и ослабили их стремление собственными силами улучшить свою участь.
«Природа и люди», 1913 г.
Говорящая машина в роли учебного пособия
Московская фабрика граммофонных пластинок «Метрополь-Рекорд» записала несколько серий пластинок, воспроизводящих учебники иностранных языков. Пока записаны наиболее употребительные в наших школах учебники: французского языка — Конова, немецкого — Глезера и Петцольда и курс английского языка Скотта. Каждый учебник уместился на 20 пластинках. Они записаны очень отчётливо и выразительно. Но возникают два затруднения. Во-первых, непрерывность вращения пластинки, которая необходима при воспроизведении музыкальных номеров, не допускает неоднократного повторения одного слова или фразы. Необходимо такое устройство, которое позволило бы повторять пластинку с любого места. Второй недостаток обнаруживается при изучении урока на дому. Зычный голос граммофона не может быть признан особенно приятным для окружающих. Такое «громовое» приготовление урока рискует после первого же опыта изгнать граммофон-педагога из семьи.
«Машинный мир», 1913 г.
Атом, человек, Солнце
Французский учёный Ж. Перрен путём весьма сложных и остроумных опытов установил вес атома водорода, найдя его равным 4.10-24 грамма. Можно вообразить себе всю незначительность веса атома благодаря интересному совпадению отношений. Вес атома во столько же раз меньше веса человека, во сколько раз вес человека меньше веса Солнца.
«Электричество и жизнь», 1913 г.
Новые документы времён Древней Руси принёс археологический сезон 2012 года. Об этом рассказал в своей публичной лекции академик Андрей Анатольевич Зализняк. К началу 61-го археологического сезона в Великом Новгороде было найдено 1018 берестяных грамот. Расшифровка каждой из них — новый шаг, приближающий нас к пониманию древнерусского языка. Любопытно распределение грамот по векам.
Хотите, чтобы ваш ребёнок стал видным политиком, успешным деловым человеком или известным учёным? Тогда отдавайте его в Ломоносовскую школу.
Когерентностью в общем случае называется согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. Термин происходит от латинского слова cohaerens — находиться в связи, быть сцепленным (именно поэтому чувствительный элемент первого радиоприёмника — «грозоотметчика» — назывался когерером: под действием электромагнитного импульса от молнии или сигнала передатчика железные опилки в его стеклянной трубке сцеплялись, становясь хорошим проводником).
Монохроматические волны когерентны, если разность фаз остаётся постоянной во времени (временнaя когерентность) или по мере распространения (пространственная когерентность). При сложении когерентных волн их амплитуды суммируются. Вспомним, как происходит излучение на атомном уровне. Получая энергию за счёт нагрева вещества, пропускания электрического тока или других источников, электроны атома переходят на более высокий энергетический уровень. Опускаясь на нижний, основной, уровень, они излучают фотоны.
Энергию фотонов и, следовательно, их частоту ? определяет разность уровней энергии: ?E = h?, где h — постоянная Планка. На нижний уровень электрон может опуститься по одному из двух сценариев: либо самопроизвольно (спонтанно), либо за счёт взаимодействия с посторонним фотоном, имеющим ту же энергию ?E. Во втором случае излучение атома называется вынужденным, или индуцированным. Излучение обычных источников (тепловых, вроде лампочек накаливания, плазменных, типа люминесцентных ламп) происходит по первому сценарию.
Атомы вещества излучают несогласованно, поэтому их излучение некогерентно, и с разных энергетических уровней, то есть оно немонохроматично. А когерентное излучение способен генерировать только лазер. В классическом лазере (в том числе рентгеновском — разере) создаётся инверсия электронной населённости — в результате поглощения энергии (накачки) в атомах рабочего тела на высоком уровне электронов больше, чем на низком (в обычных условиях наоборот).
Причём на этом уровне электроны остаются достаточно долго, чтобы дождаться постороннего фотона (это состояние называется метастабильным). Излучённый индуцированный фотон имеет те же фазу и частоту, что и вынуждающий, — по веществу движутся уже два когерентных фотона. Дальше происходит лавинообразное нарастание интенсивности когерентного и монохроматичного лазерного излучения. Когерентность излучения лазера на свободных электронах достигается другим путём — выбором геометрии ондулятора, при которой электроны собираются в сгустки, излучающие синхронно.
Так возникает лазерное излучение. Энергия накачки (скажем, мощная световая вспышка) переводит электрон атома с основного энергетического уровня на более высокий (а). Пролетающий фотон вынуждает электрон опуститься на нижний уровень, излучив фотон той же частоты и в фазе с пролетевшим. По веществу движутся два когерентных фотона (б). Следующее взаимодействие со встречными атомами порождает уже четыре фотона (в), затем восемь и т. д. Их число стремительно нарастает, и лазер генерирует когерентное монохроматическое излучение.
всего статей: 69
