Законы часть 45

ЗАКОНЫ ЧАСТЬ 45


эффект Зеемана
Энергетические уровни и
спектральные линии излучения атомов в магнитном поле расщепляются

1859 • ОТКРЫТИЕ
КИРХГОФА—БУНЗЕНА

1859 • СПЕКТРОСКОПИЯ

1896 • ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА

1913 • АТОМ БОРА

Долгая традиция изучения влияния магнитного поля на свет, испускаемый атомами, восходит к Майклу Фарадею. Сегодня неизбежность существования эффектов подобного влияния кажется нам очевидной, поскольку мы знаем, что электроны и другие атомы обладают спином, то есть ведут себя подобно микроскопическим электрически заряженным волчкам, образующим вокруг себя магнитное поле, и, по сути, представляют собой микроскопические магниты (см. ОПЫТ ШТЕРНА—ГЕРЛАХА). В конце XIX столетия, когда Питер Зееман решил провести серию опытов и проверить, обладают ли атомы магнитными свойствами, все было, однако, далеко не столь очевидно. Ученый поместил крошечный образец натрия между полюсами регулируемого магнита и стал изучать влияние магнитного поля на спектральные линии излучения атомов натрия (см. СПЕКТРОСКОПИЯ). Выяснилось, что при усилении магнитного поля спектральные линии в каждой группе частот размываются, то есть в них появляются новые частоты излучения. Так было впервые однозначно подтверждено существование эффекта, который впоследствии будет назван эффектом Зеемана.
Чтобы понять его природу, проще всего обратиться к модели АТОМА БОРА и задуматься о том, как именно испускается свет. Электрон совершает квантовый скачок с высшей орбиты на низшую (или, что то же самое, с высшего энергетического уровня на низший), испуская при этом фотон строго определенной частоты, соответствующей разности энергий между двумя энергетическими уровнями. Теперь, если предположить, что электрон в действительности представляет собой микроскопический магнит, а сам атом помещен во внешнее магнитное поле, энергия электрона будет зависеть от полярности его магнитного спина — если магнитное поле электрона на орбите однонаправлено внешнему магнитному полю, он обладает одной энергией, если же оно ориентировано в противоположном направлении, то другой. То есть электроны с противоположным магнитным спином, находящиеся на одной орбитали, будут обладать несколько различающимися энергиями и каждый энергетический уровень окажется расщеплен на два близких подуровня. соответственно, там, где раньше имелась единственная возможная энергия квантового перехода между двумя уровнями, теперь имеется четыре возможные энергии перехода. На спектре излучения это должно отразиться таким образом, что вместо одной четко выделенной спектральной линии (частоты излучения) в мощном магнитном поле появятся четыре близко расположенные равноудаленные спектральные линии (частоты).
В первоначальном опыте Зееману не удалось различить эти четыре спектральные линии, поскольку несовершенство спектроскопа и недостаточная мощность магнита приводили к тому, что вместо расщепления наблюдалось простое размытие спектральных линий. Однако позже ученому удалось усовершенствовать аппаратуру и выявить четыре отдельных спектральных линии на месте одной размытой, как это и предсказывала теория. Для этого

потребовалось усилить магнитное поле, и Зееману даже удалось доказать, что расстояние между расщепленными линиями спектра напрямую зависит от напряженности магнитного поля.
Эффект Зеемана впоследствии нашел очень полезное применение в астрономии, поскольку по расщеплению линий в спектре излучения небесных тел можно судить о напряженности их магнитных полей. Например, именно по эффекту Зеемана астрофизикам удалось установить, что пятна на солнце являются следствием возмущения мощных магнитных полей вблизи его поверхности — солнечных магнитных бурь.

ПИТЕР ЗЕЕМАН (Pieter Zeeman, 1865-1943) — нидерландский физик. Родился в 3oHHew^pe (Zonnemaire) в семье священника и всю жизнь провел на родине за исключением периода обучения в Лейденском университете. Завершив в Лейдене под научным руководством Хендрика Лоренца (Hendrick Lorenz, 1853-1928) работу по выявлению теоретически предсказанного Лоренцем расщепления спектров атомов в магнитном поле, в 1900 году занял кресло
профессора физики Амстердамского университета и занимал его до выхода на пенсию. Прославился как искуснейший экспериментатор и конструктор измерительных приборов, обеспечивавших революционную по тем временам точность измерений. В 1902 году разделил с Лоренцем Нобелевскую премию по физике. В 1918 году дал экспериментальное подтверждение ПРИНЦИПА ЭКВИВА -ЛЕНТНОСТИ гравитационной и инер-циальной масс.

эффект Комптона
•
1922
При рассеянии на свободных электронах фотоны теряют энергию, причем количество потерянной энергии зависит от угла рассеяния
ЭФФЕКТ КОМПТОНА

В первые десятилетия ХХ века ученые постепенно приходили к осознанию того, что объекты микромира обладают одновременно свойствами и частиц, и волн (см. ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ). Начало этому процессу положило предложенное Альбертом Эйнштейном объяснение ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, согласно которому любое электромагнитное излучение, включая свет, представляет собой пучки фотонов. Открытый же американским физиком Артуром Комптоном эффект рассеяния фотонов на свободных электронах стал еще одним подтверждением квантовой природы фотона.
Эксперимент, проделанный Комптоном, описать несложно. Пучок электромагнитных лучей (Комптон использовал рентгеновские лучи) направляется на кристалл, после чего измеряются энергии и угол отклонения рассеянных лучей. В рамках классической теории взаимодействия лучей с веществом (до постулирования принципов КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ) энергия отраженного излучения не должна отличаться от энергии исходного излучения. Комптон же получил принципиально иную картину: энергия рассеянной волны отличалась от энергии исходной волны, и эта разница зависела от угла рассеяния, достигая максимума при угле 90°. Единственным способом дать разумную интерпретацию полученным Комптоном результатам было рассматривать взаимодействие лучей с атомами как столкновение исходящей частицы (фотона) с электроном. Как и два бильярдных шара, эти две частицы, взаимодействуя, отскакивают друг от друга. А поскольку электрон движется медленно, он в общем случае должен приобретать энергию при этом столкновении, в то время как фотон эту же энергию теряет.
После публикации Комптоном в начале 1923 года полученных результатов среди физиков осталось мало сомневающихся в реальности фотонов. Сегодня эффект Комптона находит применение в астрофизике: гамма-лучи от космических объектов подвергаются многократному рассеянию, пока их энергия не падает до длин волн рентгеновской части спектра, после чего их можно анализировать на стандартных рентгенографических установках. Подобный детектор был в 1991 году выведен НАСА на орбиту в составе Гамма-лучевой обсерватории имени Комптона.

АРТУР ХОЛЛИ КОМПТОН (Arthur Holly Compton, 1892-1962) — американский физик. Родился в Вустере, штат Огайо (Wooster, Ohio), в семье профессора философии. В 1916 году окончил Принстонский университет. В первые годы после окончания университета работал в частной промышленной лаборатории, где участвовал в создании первых ламп дневного света. Вернувшись к академическим исследованиям, большую часть времени проработал в Чикагском университете, где в 1923 году стал профессором физики. За открытие и объяснение
эффекта Комптона он был удостоен Нобелевской премии по физике за 1927 год. Во время Второй мировой войны Комптон руководил металлургической лабораторией при Чикагском университете, участвовавшей в работе по созданию «уранового котла» в рамках Манхэттенского проекта. После окончания Второй мировой войны Комптон много своего времени стал уделять общественно-политической деятельности. В частности, с 1946 по 1948 год состоял членом Комиссии по высшему образованию при президенте США.

эффект Кориолиса
1537
Во вращающейся системе отсчета (например, на поверхности Земли) наблюдателю кажется, что тела движутся по изогнутой траектории. Иногда этот эффект объясняют действием некой фиктивной силы — силы Кориолиса
•
•
1604, 1609

РАСПРЕДЕЛЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ
УРАВНЕНИЯ
РАВНОУСКОРЕННОГО
•
1659
ДВИЖЕНИЯ
1687
ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА
1835

ЗАКОНЫ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА
1905, 1916

ЭФФЕКТ КОРИОЛИСА

ТЕОРИЯ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Представьте, что кто-то, находясь на Северном полюсе, бросил мяч кому-то, кто находится на экваторе. Пока мяч летел, Земля провернулась вокруг своей оси и ловящий успел сместиться к востоку. Если бросающий, целясь мячом, не учел этого движения Земли, мяч упал западнее (или левее) ловящего. С точки зрения человека на экваторе, получается, что мяч летел левее, чем надо, с самого начала — как только его выпустил из рук бросающий — и до тех пор, пока не приземлился.
Согласно ЗАКОНАМ МЕХАНИКИ НЬЮТОНА, чтобы движущееся прямолинейно тело отклонилось от изначально заданной траектории, на него должна действовать какая-то внешняя сила. Значит, ловящий на экваторе должен сделать вывод, что брошенный мяч отклонился от прямолинейной траектории под действием некоей силы. Если бы мы смогли посмотреть на летящий мяч из космоса, мы бы увидели, что на самом деле никакая сила на мяч не действовала. Отклонение же траектории было вызвано тем, что Земля успела повернуться под мячом, пока он летел по прямой. Таким образом, действует в подобной ситуации какая-то сила или нет, — это целиком зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель.
И подобное явление неизбежно возникает, когда есть какая-нибудь вращающаяся система координат — например, Земля. Для описания этого явления физики часто используют выражение фиктивная сила, имея в виду, что сила реально отсутствует, просто наблюдателю во вращающейся системе отсчета кажется, что она действует (другой пример фиктивной силы — это ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА). И противоречий здесь нет никаких, поскольку оба наблюдателя единодушны относительно реальной траектории полета мяча и уравнений, ее описывающих. Расходятся они лишь в терминах, которые они используют для описания этого движение.
Фиктивная сила, которая действует в приведенном выше примере, называется силой Кориолиса — в честь французского физика Гаспара Кориолиса, впервые описавшего этот эффект. Интересно, что именно сила Кориолиса определяет направление вращения вихрей циклонов, которые мы наблюдаем на снимках, полученных с метеоспутников. Изначально воздушные массы начинают прямолинейно устремляться из областей высокого атмосферного давления в области пониженного атмосферного давления, однако сила Кориолиса заставляет их закручиваться по спирали. (С тем же успехом можно утверждать, что воздушные потоки продолжают двигаться прямолинейно, но, поскольку Земля под ними поворачивается, нам, находящимся на поверхности планеты, кажется, что они движутся по спирали.) Вернемся к примеру с бросанием мяча с полюса к экватору. Нетрудно понять, что в Северном и Южном полушариях сила Кориолиса действует на движущееся тело в прямо противоположных направлениях. Именно поэтому в Северном полушарии вихри циклонов закручены против часовой стрелки, а в Южном — по часовой стрелке.

Отсюда же происходит и неистребимая фольклорная премудрость, согласно которой вода в канализационных отверстиях ванн и раковин в двух полушариях вращается в противоположных направлениях, — якобы это обусловлено эффектом Кориолиса. (Помню, когда я сам был студентом, мы всей группой, включая одного аргентинца, не один час провели в мужском туалете физического факультета Стэнфордского университета, наблюдая за потоками воды в раковине в надежде подтвердить или опровергнуть эту гипотезу.) На самом же деле, хотя и верно, что сила Кори-олиса действует противоположно в двух полушариях, направление закручивания воды в сливной воронке лишь отчасти определяется этим эффектом. Дело в том, что вода долгое время течет по водопроводным трубам, при этом в потоке воды образуются течения, которые хоть и трудно увидеть простым глазом, продолжают закручивать струю воды и тогда, когда она льется в раковину. Кроме того, когда вода уходит в сливное отверстие, могут создаваться похожие течения. Именно они определяют направление движения воды в воронке, поскольку силы Кориолиса оказываются гораздо слабее этих течений. В обычной жизни направление закручивания воды в сливной воронке в Северном и Южном полушариях больше зависит от конфигурации канализационной системы, чем от действия природных сил.
Однако все-таки нашлась группа экспериментаторов, которой хватило терпения повторить этот опыт в «чистых» условиях. Они взяли идеально симметричную раковину сферической формы, устранили канализационные трубы, позволив воде проходить сквозь сливное отверстие свободно, оборудовали сливное отверстие автоматической заслонкой, которая открывалась лишь после того, как в воде успокаивались любые остаточные токи, — и увидели-таки эффект Кориолиса в действии! Несколько раз им даже удалось увидеть, как вода сначала под слабым внешним воздействием закручивалась в одну сторону, а затем силы Кориолиса брали верх, и направление спирали менялось на противоположное!


ГюстЛБ ГАсПАр КОриОлис «кориолями».) Основной научный (Gaspard Gustave de Coriolis, интерес ученого лежал в области 1792-1843) — французский физик и разработки движущихся частей разинженер. Родился в Париже. Окончил личных механизмов. В частности, престижную Политехническую школу, Кориолис — один из изобретателей которую со временем возглавил в подшипников. Однако его интересы не качестве директора. (Он оснастил носили чисто прикладного характера: аудитории «водяными холодильни- занимаясь, в общем-то, практической ками» — прообразами кондицио- механикой, он дал современные неров, — которые работают до сих определения работы и кинетической пор, и студенты так и называют их энергии.

эффект Тиндаля
•
1859
В замутненных средах фиолетовый и синий свет рассеиваются сильнее всего, а оранжевый и красный — слабее всего

ЭФФЕКТ ТИНДАЛЯ

Эффект Тиндаля был открыт в результате исследования ученым взаимодействия световых лучей с различными средами. Он выяснил, что при прохождении лучей света через среду, содержащую взвесь мельчайших твердых частиц — например, пыльный или задымленный воздух, коллоидные растворы, мутное стекло, — эффект рассеяния уменьшается по мере изменения спектральной окраски луча от фиолетово-синей к желто-красной части спектра. Если же пропустить через мутную среду белый, например солнечный, свет, который содержит полный цветовой спектр, то свет в синей части спектра частично рассеется, в то время как интенсивность зелено-желто-красной части света останется практически прежней. Поэтому, если смотреть на рассеянный свет после прохождения им замутненной среды в стороне от источника света, он покажется нам синее, чем исходный свет. Если же смотреть на источник света вдоль линии рассеяния, то есть через замутненную среду, источник покажется нам краснее, чем он есть на самом деле. Именно поэтому дымка от лесных пожаров, например, кажется нам голубовато-фиолетовой.
Эффект Тиндаля возникает при рассеянии на взвешенных частицах, размеры которых превышают размеры атомов в десятки раз. При укрупнении частиц взвеси до размеров порядка 1/20 длины световых волн (примерно от 25 нм и выше) рассеяние становится полихромным, то есть свет начинает рассеиваться равномерно во всем видимом диапазоне цветов от фиолетового до красного. В результате эффект Тиндаля пропадает. Вот почему густой туман или кучевые облака кажутся нам белыми — они состоят из плотной взвеси водяной пыли с диаметром частиц от микронов до миллиметров, что значительно выше порога рассеяния по Тиндалю.
можно подумать, что небо кажется нам сине-голубым благодаря эффекту Тиндаля, но это не так. В отсутствие облачности или задымления небо окрашивается в сине-голубой цвет благодаря рассеянию дневного света на молекулах воздуха. Такой тип рассеяния называется рассеянием Рэлея (в честь сэра Рэлея; см. КРИТЕРИЙ РЭЛЕЯ). При рассеянии Рэлея синий и голубой свет рассеивается даже сильнее, чем при эффекте Тиндаля: например, синий свет с длиной волны 400 нм рассеивается в чистом воздухе в девять раз сильнее красного света с длиной волны 700 нм. Вот почему небо кажется нам синим — солнечный свет рассеивается во всем спектральном диапазоне, но в синей части спектра почти на порядок сильнее, чем в красной. Еще сильнее рассеиваются ультрафиолетовые лучи, обусловливающие солнечный загар. Именно поэтому загар распределяется по телу достаточно равномерно, охватывая даже те участки кожи, на которые не попадают прямые солнечные лучи.

дЖОН тиидлль (John Tyndall, 1820-1893) — ирландский физик и инженер. Родился в Лайлин-Бридж, графство Карлоу (Leighlin Bridge, County Carlow). По окончании средней школы работал топографом-геодезистом в военных организациях и на строительстве железных дорог. Одновременно окончил механический институт в Престоне. Уволен с военно-геодезической службы за протесты против плохих условий труда. Преподавал в Куинвуд-колледже (Хэмпшир), одновременно продолжал самообразование. В 184851 гг. слушал лекции в Марбургском и Берлинском университетах. Вернувшись в Англию, стал преподавателем, а затем и профессором Королевского института (Royal Institution) в Лондоне. Основные труды ученого посвящены магнетизму, акустике, поглощению теплового излучения газами и парами,
рассеянию света в мутных средах. Изучал строение и движение ледников в Альпах.
Тиндаль был крайне увлечен идеей популяризации науки. Регулярно читал публичные лекции, часто в форме бесплатных лекций для всех желающих: для рабочих на заводских дворах в обеденные перерывы, рождественские лекции для детей в Королевском институте. Слава Тиндаля как популяризатора достигла и другого берега Атлантики — весь тираж американского издания его книги «Фрагменты науки» (Fragments of Science, 1871) был раскуплен за один день. Погиб в 1893 году нелепой смертью: готовя обед, жена ученого (пережившая его на 47 лет) по ошибке использовала вместо поваренной соли один из хранившихся на кухне химических реактивов.

Эффект Холла
Электрический ток при его протекании через металл в присутствии магнитного поля производит электрическое напряжение, перпендикулярное направлению и самого тока, и силовых линий магнитного поля

1785 • ЗАКОН КУЛОНА

1820 • ОТКРЫТИЕ ЭРСТЕДА

1820 • ЗАКОН БИО—САВАРА

1831 • ЗАКОНЫ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ

1833 • ПРАВИЛО ЛЕНЦА

1879 • ЭФФЕКт ХОллА

При движении электрического заряда в магнитном поле на него воздействует отклоняющая сила. Именно на этом принципе основана работа таких экспериментальньгх установок, как синхрофазотрон, широко использующихся в исследованиях в области физики элементарных частиц: в них заряженные частицы оказываются пойманными в тороидальную (в форме бублика) магнитную ловушку и летают по кругу внутри нее. В малых масштабах этот эффект используется в устройстве микроволновой печи—в ней электроны, циркулируя в магнитном поле, производят сверхвысокочастотное излучение, разогревающее пищу.
Представьте, что на столе перед вами лежит кусок проводящей проволоки, а магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости крышки стола. Если по проволоке пропустить ток, магнитное поле заставит заряды внутри провода отклоняться в одну сторону (вправо или влево от направления тока, в зависимости от ориентации магнитного поля и полярности зарядов). Смещаясь от направления прямолинейного движения внутри проводника, заряды будут скапливаться в приграничной зоне, пока силы взаимного электростатического отталкивания между ними, возникающие в силу ЗАКОНА КУЛОНА, не уравновесят отклоняющую силу воздействия магнитного поля на ток. После этого ток снова потечет прямолинейно, однако на проводнике возникнет разность электрических потенциалов в плоскости, перпендикулярной как направлению тока, так и направлению силовых линий магнитного поля, вызванная перераспределением электрических зарядов в плоскости сечения проводника, а величина этой разности потенциалов будет пропорциональна силе тока и напряженности магнитного поля.
Первым поперечное электрическое напряжение, возникающее под воздействием внешнего магнитного поля, по вышеописанной схеме измерил в 1879 году Эдвин Холл. Он осознал, что направление вектора напряжения будет зависеть от того, какие заряды — отрицательные или положительные — являются носителем тока. И в результате проведенных опытов Холл первым в мире наглядно продемонстрировал, что электрический ток в металлах создается направленным движением отрицательно заряженных электронов. А до этого опыта ученые сомневались и относительно полярности зарядов — носителей тока, и относительно того, воздействует ли магнитное поле на заряженные частицы внутри проводника или на саму неподвижную структуру проводника.
Прошло более столетия после экспериментов Холла, и германский физик Клаус фон Клитцинг (Klaus von Klitzing, р. 1943) открыл квантово-механический аналог эффекта Холла, за что и был в 1985 году удостоен Нобелевской премии по физике.

ЭдвиН ГЕРБЕРТ ХОлл (Edwin Herbert Hall, 1855-1938) — американский физик. Родился в г. Грейт-Фолз (ныне Горем), штат Мэн, США. Поступил в первый набор на физический факультет только что открытого университета Джонса Хопкинса в Балтиморе — первого американского научно-исследовательского и учебно-образовательного учреждения, смоделированного по
образцу немецких научно-исследовательских заведений. Эффект, названный впоследствии его именем, Холл открыл при подготовке докторской диссертации по электричеству и магнетизму. Защитив ее, ученый перешел в Гарвардский университет, где затем прославился инновациями в области преподавания физики в высшей и особенно средней школе.

Ядерный распад и синтез
Можно получать энергию как за счет управляемого распада ядер некоторых элементов, так и за счет слияния мелких ядер в более крупные в процессе так называемой реакции термоядерного синтеза

1900 ^ РАДИОАКТИВНЫЙ
1905, 1916
РАСПАД

ТЕОРИЯ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
И СИНТЕЗ
1917, ^ ЯДЕрНЫй РАСПАД 1934 И СИНТЕЗ

ок. 1930 ^ АНТИЧАСТИЦЫ

1957 ^ КРИТЕРИЙ ЛОУСОНА

Согласно ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, масса представляет собой особую форму энергии, о чем и свидетельствует известная формула Эйнштейна Е = ше2. Из нее следует возможность преобразования массы в энергию и энергии в массу. И такие реакции на внутриатомном уровне вещества реально имеют место. В частности, часть массы атомного ядра может превращаться в энергию, и происходит это двумя путями. Во-первых, крупное ядро может распасться на несколько мелких — такой процесс называется реакцией распада. Во-вторых, несколько более мелких ядер могут объединиться в одно более крупное — это так называемая реакция синтеза. Реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко — достаточно упомянуть, что именно из них черпают энергию звезды. Ядерный распад сегодня служит одним из основных источников энергии для человечества — он используется на атомных электростанциях. И при реакции распада, и при реакции синтеза совокупная масса продуктов реакции меньше совокупной массы реагентов. Эта-то разница в массе и преобразуется в энергию по формуле Е = ше2.

Распад
В природе уран встречается в форме нескольких изотопов, один из которых — уран-235 (235и) — самопроизвольно распадается с выделением энергии. В частности, при попадании достаточно быстрого нейтрона в ядро атома 235и последнее распадается на два крупных куска и ряд мелких частиц, включая обычно два или три нейтрона. Однако, сложив массы крупных фрагментов и элементарных частиц, мы недосчитаемся определенной массы по сравнению с массой исходного ядра до его распада под воздействием удара нейтрона. Эта-то недостающая масса и выделяется в виде энергии, распределенной среди получившихся продуктов распада — прежде всего кинетической энергии (энергии движения). Стремительно движущиеся частицы разлетаются от места распада и сталкиваются с другими частицами вещества, разогревая их.
Они представляют собой стремительно разлетающиеся от места распада частицы, при этом далеко они не улетают, врезаясь в соседние атомы вещества и разогревая их. Таким образом, энергия, порождаемая ядерным распадом, преобразуется в теплоту окружающего вещества.
В уране, добываемом из природной урановой руды, изотопа урана-235 содержится всего 0,7% от общей массы урана — остальные 99,3% приходятся на долю относительно устойчивого (слаборадиоактивного) изотопа 238и, который просто поглощает свободные нейтроны, не распадаясь под их воздействием. Поэтому для использования урана в качестве топлива в ядерных реакторах его нужно предварительно обогатить — то есть довести содержание радиоактивного изотопа 235и до уровня не менее 5%.

После этого уран-235 в составе обогащенного природного урана в атомном реакторе распадается под воздействием бомбардировки нейтронами. В результате из одного ядра 235и выделяется в среднем 2,5 нового нейтрона, каждый из которых вызывает распад еще 2,5 ядра, и запускается так называемая цепная реакция. Условием для продолжения незатухающей реакции распада ура-на-235 является превышение числа выделяемых распадающимися ядрами нейтронов числа нейтронов, покидающих урановый конгломерат; в этом случае реакция продолжается с выделением энергии.
В атомной бомбе реакция носит умышленно неконтролируемый характер, в результате чего за доли секунды распадается огромное число ядер 235и и выделяется колоссальная по своей разрушительности взрывная энергия. В атомных реакторах, используемых в энергетике, реакцию распада необходимо строго контролировать с целью дозирования выделяемой энергии. Хорошим поглотителем нейтронов является кадмий — его-то обычно и используют для управления интенсивностью распада в реакторах АЭС. Кадмиевые стержни погружают в активную зону реактора до уровня, необходимого для снижения скорости выделения свободной энергии до технологически разумных пределов, а в случае падения энерговыделения ниже необходимого уровня частично выводят стержни из активной зоны реакции, после чего реакция распада интенсифицируется до необходимого уровня. Выделившаяся тепловая энергия затем в обычном порядке (посредством турбогенераторов) преобразуется в электрическую.

Синтез
Термоядерный синтез — реакция прямо противоположная реакции распада по своей сути: более мелкие ядра объединяются в более крупные. Самая распространенная во Вселенной реакция вообще — это реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода: она непрерывно протекает в недрах практически всех видимых звезд. В чистом виде она выглядит так: четыре ядра водорода (протона) образуют атом гелия (2 протона + 2 нейтрона) с выделением ряда других частиц. Как и в случае реакции распада атомного ядра, совокупная масса образовавшихся частиц оказывается меньше массы исходного продукта (водорода) — она и выделяется в виде кинетической энергии частиц — продуктов реакции, за счет чего звезды и разогреваются.
В недрах звезд реакция термоядерного синтеза происходит не единовременно (когда сталкиваются 4 протона), а в три этапа. Сначала из двух протонов образуется ядро дейтерия (один протон и один нейтрон). Затем, после попадания в ядро дейтерия еще одного протона, образуется гелий-3 (два протона и один нейтрон) плюс другие частицы. И, наконец, два ядра гелия-3 сталкиваются, образуя гелий-4, два протона, а также другие частицы. Однако по

совокупности эта трехэтапная реакция дает чистый эффект образования из четырех протонов ядра гелия-4 с выделением энергии, уносимой быстрыми частицами, прежде всего фотонами (см. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД).
Естественная реакция термоядерного синтеза происходит в звездах; искусственная — в водородной бомбе. Увы, человек до сих пор не сумел найти средств для того, чтобы направить термоядерный синтез в управляемое русло и научиться получать за счет него энергию для использования в мирных целях. Однако ученые не теряют надежды на достижение положительных результатов в области получения «мирной и дешевой» термоядерной энергии уже в обозримом будущем, для этого главное — научиться удерживать высокотемпературную плазму либо посредством лазерных лучей, либо посредством сверхмощных тороидальных электромагнитных полей (см. КРИТЕРИЙ ЛОУСОНА).

Древний мир-1599 1600-1649 1650-1699
Астрономия XVI Принцип Коперника 1609, 1619 Законы Кеплера
взгляд в прошлое Древний мир Самозарождение жизни 1683 Флогистон
Математика V до н.э. Парадокс
Зенона 1202 Числа
Фибоначчи 1630 Великая теорема Ферма
Науки о жизни 1624 Эксперимент Ван Гельмонта 1663, 1839 Клеточная теория
Науки о Земле 1666 Закон последовательности напластования горных пород
разное ок. XIV Бритва Оккама
Физика Античность Агрегатные состояния вещества
III до н.э. Закон Архимеда
ок. 420 до н.э. Атомная теория строения вещества
ок. 100 н.э. Закон отражения света
1537 Распределенное движение 1600 Магнетизм 1604, 1609 Уравнения равноускоренного движения 1621 Закон Снеллиуса 1650 Принцип Ферма 1659 Центробежная сила 1662 Закон
Бойля—Мариотта 1668 Закон сохранения
линейного импульса 1678 Закон Гука 1687 Закон всемирного
тяготения Ньютона;
Законы механики
Ньютона 1690 Принцип Гюйгенса

Химия

1700-1749 1750-1799 1800-1819 1820-1839 1840-1859
1742, 1823 Парадокс Ольберса 1755 Гипотеза
газопылевого
облака 1766 Правило
Тициуса—Боде 1783 Черные
дыры
нач. XVIII Равновесие в природе 1809 Ламаркизм ок. 1850 Социальный дарвинизм
1742 Проблема Гольдбаха 1822 Анализ Фурье
1729, сер. XX
Суточные ритмы ок. 1730 Система
классификации
Линнея 1779, 1905 Фотосинтез
1798 Экспоненциальный рост 1852, 1878 Мимикрия 1859 Теория эволюции
1783 Круговорот углерода в природе 1788 Униформизм кон. XVIII Цикл преобразования горной породы 1852 Кислотный
дождь

1736 Закон сохранения момента импульса
1738 Уравнение Бернулли
1747 Закон сохранения электрического заряда 1761 Фазовые переходы
1785 Закон Кулона
1787 Закон Шарля
1798 Механическая теория теплоты XIX Электрические свойства вещества
ок. 1800 Тепловое расширение
1801 Закон Генри
1807 Интерференция
1813 Теорема Гаусса
1815 Закон Брюстера
1818 Дифракция 1820 Закон Ампера; Закон Био—Савара; Открытие Эрстеда
1824 Цикл и теорема Карно
1826 Закон Ома
1827 Броуновское движение
1831 Законы электромагнитной индукции Фарадея
1833 Правило Ленца
1834 Уравнение Клапейрона— Клаузиуса; Уравнение состояния идеального газа
1835 Эффект Кориолиса 1842 Термодинамика,
первое начало;
Эффект Доплера 1845 Законы Кирхгофа
1849 Молекулярнокинетическая теория
1850 Термодинамика, второе начало
1851 Предельная скорость падения
1859 Открытие Кирхгофа—Бунзена; Спектроскопия; Эффект Тиндаля
кон. XVIII Проба на окрашивание пламени 1801 Закон Дальтона
1811 Закон Авогадро 1828 Синтез мочевины
1829 Закон Грэма 1834 Законы электролиза Фарадея 1854 Катализаторы и ферменты
1860-1879 1880-1899 1900-1919
Астрономия 1887 Опыт Майкельсона—Морли XX Эволюция звезд 1905-1913 Диаграмма
Герцшпрунга—Рассела 1912 Зависимость
период—светимость 1917 Космологическая
постоянная
взгляд в прошлое ^^^^^^^^^^^^^^^^^ 1896 Закон Копа 1899 Онтогенез повторяет филогенез XIX — нач. XX Витализм
Математика
Науки о жизни 1865 Законы Менделя
1873 Принцип мутуализма
1877 Микробная теория инфекционных заболеваний; Правило Алена; Симбиоз ок. 1895 Теория сцепления-натяжения
Х1Х-ХХ Биологические молекулы; Распространение нервных импульсов ок. 1900 Территориальность у животных; Экологическая сукцессия
1908 Закон Харди—Вайнберга
Науки о Земле 1863 Парниковый эффект 1886 Круговорот азота в природе
кон. XIX Круговорот воды в природе
1890, 1940-е Радиометрическое датирование 1910-е Циклы Миланковича
разное 1913 Объяснение Бора
Физика 1864 Спектр электромагнитного излучения; Уравнения Максвелла
1867 Демон Максвелла
1872 Постоянная Больцмана
1879 Закон Стефана— Больцмана; Эффект Холла 1883-84 Число
Рейнольдса 1887 Ударные волны
1890 Постоянная Ридберга
1891 Принцип эквивалентности
1895 Закон Кюри; Точка Кюри
1896 Критерий Рэлея; Эффект Зеемана
1897 Открытие электрона; Элементарные частицы
1899 Фотоэлектрический эффект 1900 Излучение черного тела; Постоянная Планка; Радиоактивный распад; Электронная теория проводимости
1905 Термодинамика, третье начало
1905, 1916 Теория относительности
1911 Опыт Резерфорда
1912 Закон Брэгга
1913 Атом Бора; Опыт Милликена
1917, 1934 Ядерный распад и синтез
Химия 1860-е Периодическая система Менделеева
1868, 1895 Открытие гелия 1887 Кислоты и основания
1888 Принцип Ле Шателье
1892 Открытие аргона 1919 Правило октета
1920-1939 1940-1959 1960-1969 1970-1999 2000-
1929 Закон Хаббла 1940 Гипотеза гига- 1961 Антропный при- 1980-е Ранняя
1931 Предел нтского столкновения нцип; Формула Дрейка Вселенная
Чандрасекара 1948 Большой взрыв 1981 Инфляционная
1933 Темная материя 1950 Парадокс Ферми стадия расширения
Вселенной
1990-е Космический
треугольник
1948 Теория стацио-
нарной вселенной
сер. ХХ Триединый мозг
1931 Теорема Гёделя 1965 Закон Мура 1980-е Детерминисти-
о неполноте ческий хаос
1920-е Дрейф генов 1947 Устойчивость мик- 1960-е Стволовые 1970-е Дифферен- 2000 Проект
1926 Отношения робов к антибиотикам клетки циальное исполь- «Геном
хищник—жертва нач. 1950-х Белки нач. 1960-х Родс- зование ресурсов; человека»
1928 Открытие 1950-е Зеленая твенный отбор Молекулярные часы
пенициллина революция 1961 Генетический код 1976 Теорема о мар-
1934 Принцип конку- 1952 Эксперимент 1964 Коэволюция гинальных значениях
рентного исключения Херши—Чейз сер. 1960-х Иммунная 1995 Клонирование
1937 Гликолиз и дыхание 1953 ДНК система
1954 Максимальная
устойчивая добыча 1966 Теория оптималь-
ного фуражирования

1958 Центральная
догма молекулярной
биологии 1967 Теория равновесия
Макартура—Уилсона


ок. 1930, 1980 Массовые
вымирания 1953 Эксперимент
Миллера—Юри 1960-е Тектоника плит 1979 Гипотеза Геи
1985 Озоновая дыра
1942 Три закона
робототехники

сер. 1940-х Закон Мёрфи
1950 Тест Тьюринга
1921 Опыт
Штерна—Герлаха 1957 Критерий
Лоусона; Теория
сверхпроводимости 1961 Кварки и восьме-
ричный путь; Стандар-
тная модель 1972 Квантовая
хромодинамика XXI (?)
Универ-
сальные
теории
1922 Эффект Комптона 1980-е Скрытый принцип необратимости
времени
1923 Принцип соответствия 1962 Эффект
Джозефсона
1924 Квантовый тун-
нельный эффект; При-
нцип запрета Паули; Соот ношение де Бройля

-
1964 Теорема Белла
1968 Теория струн
1925 Квантовая механика
ок. 1930 Античастицы ок. 1920 Принцип Aufbau 1930-е Химические связи

1926 Полосная теория твердотельной проводимости; Уравнение Шрёдингера Магнитные монополи 1934 Излучение Черенкова кон. 1920-х Теория молекулярных орбиталей
1926 Опыт Дэвиссона— Джермера; Принцип дополнительности; Принцип неопределенности Гейзенберга






Амплитуда — максимальное отклонение волны от среднего положения — высота гребня или глубина впадины.
Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства; ядро с электронами на орбиталях вокруг него.
Бактерия — простейший одноклеточный микроорганизм.
Биосфера — тонкая оболочка Земли, поддерживающая жизнь; включает поверхность, приповерхностную почву, гидросферу и атмосферу.
Бес — см. масса
вид — совокупность организмов, способных к скрещиванию и размножению.
вирус — микроорганизм, представляющий собой фрагмент ДНК или РНК в белковой оболочке.
Галактика — скопление звёзд, космической пыли, газа и тёмной материи. Подавляющая масса материи Вселенной приходится на галактики.
Гамма-лучи — электромагнитное излучение, характеризующееся сверхмалой длиной волны и сверхвысокой энергией.
Ген — фрагмент молекулы ДНК, кодирующий белок, который ферментирует определённую биохимическую реакцию в клетке; «единица наследственности».
Горная порода — см. минерал
Двойная звезда — система двух звезд, обращающихся по орбитам вокруг общего центра масс.
Длина волны — расстояние между гребнями волны.
ДНК — важнейшая биологическая молекула, содержащая гены, который передаются из поколения в поколение.
Единицы СИ — единицы Международной системы измерений (Syst;me Internationale, SI), основанной на использовании метра в качестве единицы длины, килограмма в качестве единицы массы и секунды в качестве единицы времени.
Излучение — поток частиц или волн высоких энергий, испускаемых при радиоактивном распаде или, в обобщённом смысле, поток частиц или волн, испускаемых любым источником излучения.
Изотоп — ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов называются изотопами данного химического элемента.
Импульс — масса тела, умноженная на его векторную скорость.
Инерция — свойство материи оставаться в состоянии движения до тех пор, пока на нее не окажет воздействие внешняя сила.
Инфракрасное излучение — электромагнитные лучи с несколько большей, чем у видимого света, длиной волны.
Ион — атом или фрагмент молекулы (радикал) с положительным или отрицательным электрическим зарядом, полученным за счёт захвата или потери одного или нескольких электронов.
Ископаемое топливо — виды топлива, например уголь, нефть и природный газ, образовавшиеся в результате древних геологических процессов.
Кварк — один из видов элементарных частиц, из которых состоят другие элементарные частицы, такие как протоны и нейтроны.
Кинетическая энергия — энергия, связанная с движением.
Красное смещение — смещение наблюдаемой длины волны излучения (обычно света) в сторону длинноволновой (красной) части спектра при удалении источника излучения от наблюдателя.
Масса — мера сопротивления физического объекта ускорению, мера количества вещества в физическом объекте. Вес объекта — это сила, действующую на него в гравитационном поле.
Минерал — неорганическое вещество с упорядоченным строением кристаллической решетки. Горные породы представляют собой смесь минералов.
Молекула — не менее двух атомов, удерживаемых вместе химическими связями.
Моль — количество вещества, содержащее одно и то же число атомов, равное числу атомов в 12 г углерода.
Нейтрон — тяжелая элементарная частица с нулевым зарядом.
Оболочка — см. орбиталь
Орбиталь — область в атоме или молекуле, где могут находиться электроны. Вероятность нахождения электрона на той или иной орбитали определяется его волновой функцией. Оболочка — это совокупность электронных орбиталей.
Органическое соединение — химическое соединение, содержащее углерод, за исключением простейших соединений углерода — оксидов углерода и карбонатов; последние, наряду со всеми остальными химическими соединениями, условились относить к неорганическим соединениям.
Осмос — процесс проникновения атомов в растворе через мембрану.
Относительная атомная масса (атомный вес) — средняя масса атомов (включая все изотопы) химического элемента в том виде, в котором оно встречается в природе; измеряется в единицах 1/12 атомной массы углерода.
Пищевая цепь — цепь биологических видов, в которой каждый вид питается представителями низшего звена и служит пищей для представителей высшего по отношению к нему звена.
Плазма — агрегатное состояние вещества, в котором электроны отделены от атомного
ядра.
Потенциальная энергия — энергия, которой обладает тело, находящееся в гравитационном поле.
Пропорция — одна величина пропорциональна другой, если при ее возрастании вторая величина возрастает в то же число раз. Если же при возрастании первой величины вторая убывает в то же число раз, говорят об обратной пропорции.
Простое число — натуральное число, делящееся без остатка только на единицу и само себя
Пространство-время — четырёхмерное пространство, в котором время рассматривается в качестве дополнительного четвёртого измерения к трем пространственным измерениям.
Протон — тяжёлая элементарная частица с единичным положительным зарядом.
Протонное (атомное) число — число протонов (и, соответственно, положительных зарядов) в ядре атома.
Радиоволны — длинноволновое электромагнитное излучение.
Разложение — химическая реакция, приводящая к делению тяжелых молекул на несколько лёгких.
Реакция (химическая) — преобразование одного или нескольких химических веществ в одно или несколько других химических веществ.
Рентгеновские лучи — коротковолновое электромагнитное излучение.
Сверхновая — продукт катастрофического взрыва догоревшей звезды, при котором всё её вещество выбрасывается в межзвездное пространство в виде химических элементов.
Световой год — расстояние, которое проходит свет за один год. Это НЕ мера времени.
Сила — воздействие, приводящее к изменению состояния движения физического тела
Скорость — расстояние, покрываемое телом за единицу времени. Векторная скорость — это скорость с учетом направления движения тела.
Спектр — обычно спектр электромагнитного излучения: весь диапазон электромагнитного излучения от гамма-лучей до радиоволн.
Углеводороды — органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и водорода; например, бензин.
Ультрафиолетовое излучение — электромагнитное излучение с несколько меньшей, чем у видимого света, длиной волны.
Ускоритель — экспериментальная установка для разгона элементарных частиц до сверхвысоких, часто близких к скорости света (субсветовых) скоростей. Столкновения между частицами на субсветовых скоростях помогают раскрывать их свойства.
Фаза (волны) — мера синхронизации волны с другой волной того же типа.
Фотон — частица света или иного электромагнитного излучения.
Частота — число пиков (или впадин) волны, проходящих через фиксированную точку в единицу времени.
Экосистема — совокупность всего живого, обитающего в конкретной местности, вместе со средой обитания.
Электрон — лёгкая элементарная частица с единичным отрицательным зарядом.
В атомах электроны размещаются на орбиталях вокруг ядра.
Элемент (химический) — вещество, не поддающееся дальнейшему химическому разложению.
Элементарные частицы — фундаментальные субатомные частицы, из которых состоят все остальные частицы физического мира. Различают два класса элементарных частиц: кварки и лептоны (к которым относится, в частности, электрон).
Энергетический уровень — энергия каждого из группы электронов, находящихся на определённой орбитали атомного ядра.
Ядро (атома) — центральная часть атома, состоящая из протонов и (как правило) нейтронов.
Ядро (клетки) — элемент структуры высокоразвитых биологических клеток, содержащий ДНК клетки.

Джеймс Трефил
200 ЗАКОНОВ МИРОЗДАНИЯ
Издатель Н. Ушакова Оформление обложки А. Песнин Технический редактор В. Ерофеев Верстка С. Чорненький Корректор М. Журавлева Подписано в печать ??.??.06. Формат 70x100 716 Тираж ?000 экз. Заказ № .
Общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 2; 953000 — книги, брошюры Гигиеническое заключение № 77.99.02.953.Д.006738.10.05 от 18.10.2005 г. ЗАО «Издательский Дом ГЕЛЕОС» 115093, Москва, Партийный переулок, 1 Тел.: (495) 785-0239. Тел./факс: (495) 951-8972 www.geleos.ru Издательская лицензия № 065489 от 31 декабря 1997 г. ЗАО «Читатель» 115093, Москва, Партийный переулок, 1
Тел.: (495) 785-0239. Тел./факс: (495) 951-8972