Физика в технике

В настоящее время особое значение приобрело производство искусственных синтетических материалов, обладающих разнообразными физическими, механическими и химическими свойствами. Например, в тех случаях, когда удается построить молекулы, состоящие из большого числа атомов, сцепленных наподобие звеньев прочной, но гибкой цепи, получается легко деформируемый, но трудно разрушаемый материал — различные виды синтетического каучука и волокна.

Современная техника еще только начинает вплотную подходить к «конструированию» и «построению» молекул по определенному, заранее заданному плану. Но уже и сейчас достигнуты исключительные успехи. Созданы заменители металлов, кожи, шерсти, природного каучука и многих материалов растительного происхождения. Во многих случаях эти заменители превосходят по качеству соответствующие материалы, не говоря уже об их дешевизне и возможности быстрого развития массового производства.

Как уже было сказано, все молекулы и молекулярные соединения обладают некоторой внутренней энергией, так называемой энергией связи. Особо следует отметить такие молекулы, которые содержат запас энергии, пригодной К практическому использованию. Это прежде всего молекулы различных веществ, называемых топливами. При соединении молекул топлива с молекулами кислорода, находящегося в атмосфере Земли, выделяется значительная энергия в виде излучения и энергии движения вновь возникших продуктов горения.

Основным топливом в наше время являются уголь и нефтепродукты.

Уголь состоит в основном из атомов углерода, соединенных друг с другом по определенной системе и образующих отдельные пластинки. Атом углерода, соединяясь с молекулой кислорода, образует молекулу углекислоты. При этом выделяется значительная тепловая энергия. Так, один килограмм угля выделяет при сгорании примерно 8000 килокалорий тепла. Это значит, что при полном сгорании 1 килограмма угля можно нагреть 8000 килограммов воды на один градус Цельсия.

Нефтепродукты состоят из сложной смеси молекул, построенных в основном из углерода и водорода. При сжигании нефти энергии выделяется больше, чем при сжигании угля. Один килограмм нефти выделяет до 11 000 килокалорий.

Для горения топлива необходим кислород. В тех случаях, когда горение должно быть очень интенсивным, возникают трудности с подачей кислорода атмосферного воздуха в камеру, где сгорает топливо.

В турбореактивных двигателях, например, на приведение во вращение турбинного компрессора, подающего воздух в камеру сгорания, приходится затрачивать значительную долю мощности двигателя.

При еще большем форсировании горения подача атмосферного кислорода в камеру сгорания становится нецелесообразной. В этом случае часто используют кислород, взятый непосредственно на борт летательного аппарата.

Проще всего в качестве окислителя можно применять жидкий кислород, а также различные кислоты.

За рубежом жидкий кислород и другие окислители широко применяют в ракетной технике для обеспечения работы жидкостных реактивных двигателей, которые способны развивать чрезвычайно высокие мощности, иногда превосходящие в десятки раз мощность гигантских гидроэлектростанций. Впрочем, это сравнение не должно приводить к неправильным обобщениям. Дело в том, что двигатель ракеты, как правило, работает не более нескольких десятков секунд. За это время он успевает совершить только сравнительно небольшую работу. Между тем электростанция работает беспрерывно в течение многих лет. Конечно, выработанная за это время электростанцией энергия во много раз превзойдет энергию двигателей ракеты.

При конструировании ракет иногда оказывается целесообразным объединять в одном веществе и окислитель и горючее, т. е. создать такие молекулы, в которых одна часть была бы окислителем, другая — горючим, а между ними должна быть «перегородка», препятствующая немедленному соединению горючего с окислителем.

Вещества, в которых молекулы построены по такому принципу, называют порохами. Порох горит очень быстро и выделяет большое количество раскаленных газов. Поэтому порох является незаменимым топливом для реактивных двигателей, которые за короткое время должны развить большую тягу.

Пороховые двигатели (пороховые ускорители) устанавливают на самолетах для увеличения скорости при взлете. Однако энергия, содержащаяся в порохе, сравнительно невелика. Она не превышает 2000 килокалорий на один килограмм пороха, т. е. значительно меньше, чем у нефтепродуктов. Поэтому пороховые ракеты, как правило, применяют тогда, когда не нужны предельно высокие мощности и скорости полета.

Особой формой молекулярных носителей энергии являются взрывчатые вещества. Их молекулы схожи с молекулами пороха. Взрывчатые вещества могут гореть подобно пороху и любому другому горючему. Однако при их взрыве происходят процессы, отличные от горения. Молекулы взрывчатого вещества под действием удара других молекул разлагаются и выделяют энергию. Такие реакции называют детонацией.

Детонация распространяется обычно со скоростью нескольких километров в секунду, поэтому энергия взрыва, выделяясь практически мгновенно, может произвести огромные разрушения. Вследствие этого взрывчатые детонирующие вещества непригодны для стрельбы. Нельзя их использовать и в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Но они незаменимы при разрушении тех или иных массивов скал или грунта, а также различных конструкций.

Разнообразные взрывчатые вещества применяют в парном и строительном деле для дробления скалистого грунта и выбрасывания раздробленного материала, что позволяет с помощью энергии взрыва возводить земляные плотины и строить котлованы для искусственных водохранилищ.

В последнее время молекулярная физика нашла применение и в радиотехнике сверхвысоких частот. Были созданы молекулярные генераторы и усилители электромагнитных волн, отличительной особенностью которых является чрезвычайно высокая стабильность (постоянство) частоты колебаний и весьма низкий уровень собственных шумов.

Благодаря этому молекулярные генераторы (рис. 11) и усилители с успехом используют, например, в радиотелескопах и в других системах, где необходимы не только большие усиления весьма слабых радиосигналов, но и возбуждение сверхвысоких частот.

Для получения высокочастотных колебаний в молекулярных генераторах электромагнитных волн используют молекулы газообразного аммиака.

В обычных условиях часть молекул газообразного аммиака (как, впрочем, и любого другого вещества) всегда находится в возбужденном состоянии, т. е. обладает повышенной по сравнению с невозбужденными молекулами внутренней энергией.

Если пучок молекул, часть которых возбуждена, пропустить через полое металлическое кольцо (объемный резонатор), предварительно «отсеяв» невозбужденные молекулы, то пролетающие через резонатор молекулы будут отдавать ему свою энергию в виде порций (или квантов) электромагнитного излучения вполне определенной и очень стабильной частоты. Энергия этого излучения будет возбуждать в резонаторе точно такие же электрические колебания высокой частоты (около 10 тысяч мегагерц), которые можно усилить и преобразовать нужным образом.

На основе использования энергии возбуждения молекул стало возможным генерировать не только радиоволны, но также и видимое световое излучение, яркость которого может в миллионы раз превышать (в том диапазоне частот, который генерируется) яркость Солнца.

Квантовая механика

Начало XX века ознаменовалось рядом выдающихся открытий, положивших начало развитию совершенно нового понимания законов, которые действуют в микромире — мире мельчайших «элементарных» частиц.

В 1900 году немецкий ученый М. Планк выдвинул гипотезу о корпускулярном (квантовом) характере процессов, связанных с излучением и поглощением света. Согласно этой гипотезе свет может излучаться или поглощаться отдельными порциями или квантами, причем энергия кванта прямо пропорциональна его частоте. Гипотеза Планка была блестяще применена А. Эйнштейном для объяснения так называемого фотоэффекта, который ранее был подробно исследован русским физиком А. Г. Столетовым.