Фізика для допитливих by Natalie Kudlay

Зміст Новини науки ПРИРОДА ВИЯВИЛАСЯ НЕ МЕНШ ВИНАХІДЛИВОЮ ЗА ФІЗИКІВ ХХ СТОЛІТТЯ, ЯКІ ВИВІЛЬНИЛИ ЕНЕРГІЮ АТОМНОГО ЯДРА ТА СТВОРИЛИ ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР

Наукова мозаїка ТРИ ПИТАННЯ З АСТРОНОМІЇ. ВІДПОВІДІ МОЖНА ЗНАЙТИ САМИМ, А МОЖНА ЗАЗИРНУТИ НА СТОРІНКИ ЖУРНАЛУ. БЕЗ СУМНІВУ ВАМ БУДЕ ЦІКАВО І ПІЗНАВАЛЬНО

Вони створювали фізику ПЕРШИМ НОБЕЛІВСЬКИМ ЛАУРЕАТОМ У 1901 РОЦІ СТАВ ВІЛЬГЕЛЬМ КОНРАД РЕНТГЕН ЗА ВІДКРИТТЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ, НАЗВА ЯКОГО СТАЛА СИМВОЛОМ ФІЗИКИ ХХ СТОЛІТТЯ

Задачник журналу НАЙБІЛЬШ ДОПИТЛИВИМ ЧИТАЧАМ ЖУРНАЛУ ПРОПОНУЄМО КОНКУРСНІ ЗАДАЧІ. ІМЕНА ТИХ, ХТО РОЗВ'ЯЖЕ БІЛЬШІСТЬ З ЦИХ ЗАДАЧ БУДУТЬ НАДРУКОВАНІ

Фізика навколо нас ТИСЯЧІ РОКІВ ЛЮДИНА ГОТУВАЛА ЇЖУ НА ВОГНІ. ВСЕ ЗМІНИЛОСЯ ПІВСТОЛІТТЯ ТОМУ — БУЛО ВИНАЙДЕНО ДИВОВИЖНУ ПІЧ, В ЯКІЙ ЇЖУ ГОТУЮТЬ МІКРОХВИЛІ

Домашня лабораторія ДЛЯ ФІЗИЧНИХ ЕКСПЕРИМЕНТІВ НЕОБОВ’ЯЗКОВО СКЛАДНЕ ОБЛАДНАННЯ АБО ГАРНО ОСНАЩЕНІ ЛАБОРАТОРІЇ. ПРОСТІ Й НАОЧНІ ДОСЛІДИ МОЖНА ПРОВЕСТИ Й ВДОМА

Наша школа ТАКА ПРОСТА Й ЗРОЗУМІЛА СИЛА ПРУЖНОСТІ МОЖЕ ПІДГОТУВАТИ ДЕЯКІ СЮРПРИЗИ. НАПРИКЛАД ЛІНІЯ ЇЇ ДІЇ МОЖЕ НЕ СПІВПАДАТИ З ВІССЮ ДЕФОРМОВАНОГО СТРИЖНЯ

Олімпіади та турніри

СПРОБУЙТЕ СВОЇ ЗДІБНОСТІ У РОЗВ’ЯЗАННІ ОЛИМПІАДНИХ ЗАДАЧ. СЬОГОДНІ ЦЕ ВСЕУКРАЇНСЬКА ОЛІМПІАДА ЮНИХ ФІЗИКІВ 1995 РОКУ

Новини науки

ПРИРОДНІ РЕАКТОРИ БУЛИ ЗНАЙДЕНІ В СЕРЦІ АФРИКИ — У ГАБОНІ, В ОКЛО Й СУСІДНІХ УРАНОВИХ ШАХТАХ В ОКЕЛОБОНДО, А ТАКОЖ НА ДІЛЯНЦІ БАНГОМБЕ, ЩО РОЗТАШОВАНИЙ ПРИБЛИЗНО НА ВІДСТАНІ 35 КМ Під час проведення звичайного аналізу зразків уранової руди з’ясувався дуже дивний факт — процентний вміст урану-235 був нижчим за норму. У природному урані представлені три ізотопи, що відрізняються атомними масами. Найпоширеніший — уран-238. Найрідкісніший — уран-234, а той, що підтримує ланцюгову ядерну реакцію і є найбільш цікавим — уран-235.

У відкритому кар'єрі для дослідження покладів урану в Окло, у Габоні, знайдено більше дюжини зон, де колись відбувалися ядерні реакції. Скрізь: і в земній корі, і на Місяці, і навіть у метеоритах — атоми урану-235 становлять 0,720 % загальної кількості урану. Але в зразках з родовища Окло в Габоні вміст урану-235 становив всього 0,717 %.

Цієї крихітної невідповідності було достатньо, щоб насторожити французьких учених. Подальші дослідження показали, що в руді бракувало близько 200 кг, чого цілком достатньо для виготовлення з півдюжини ядерних бомб. Фахівці французької Комісії з атомної енергії були спантеличені. Відповіддю стала стаття 19‑літньої давнини, у якій Джордж Ветрилл з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі й Марко Інгрем із Чиказького університету висловили припущення про існування в давньому минулому природних ядерних реакторів. Незабаром Пол Курода, хімік з Університету Арканзасу, визначив «необхідні й достатні» умови для того, щоб у тілі уранового родовища спонтанно виник процес самопідтримуючого поділу. Згідно з його розрахунками, розмір родовища повинен перевищувати середню довжину пробігу нейтронів, що викликають поділ (близько 2 / 3 метра). Тоді нейтрони, випущені одним ядром, що розщепилося, будуть поглинені іншим ядром до того, як вони покинуть уранову жилу.

Природні реактори були знайдені не тільки в серці Африки — у Габоні, в Окло й сусідніх уранових шахтах в Окелобондо, а також на ділянці Бангомбе, що розташований приблизно на відстані 35 км. Концентрація урану-235 повинна бути досить великою. Сьогодні навіть велике родовище не може стати ядерним реактором, тому що містить менше 1 % урану-235. Цей ізотоп розпадається приблизно в шість разів швидше за уран-238, з чого випливає, що в далекому минулому, наприклад, 2 млрд. років тому, кількість урану-235 становила близько 3 % — приблизно стільки, скільки в збагаченому урані, який використовувався як паливо на більшості атомних електростанцій. Також необхідна наявність речовини, здатної сповільнювати нейтрони, випущені під час поділу ядер урану так, щоб вони викликали поділ інших ядер урану. Нарешті, у масі руди не повинна бути помітною кількість бору, літію або інших «ядерних отрут», які активно поглинають нейтрони й можуть викликати швидку зупинку будь-якої ядерної реакції.

• ТРИ ДЕСЯТИЛІТТЯ ТОМУ ФРАНЦУЗЬКІ ВЧЕНІ З’ЯСУВАЛИ, ЩО ДЕЯКІ ДІЛЯНКИ РОДОВИЩА УРАНУ В ГАБОНІ В ДАВНИНУ ФУНКЦІОНУВАЛИ ЯК ПРИРОДНІ РЕАКТОРИ • АВТОР І ДВА ЙОГО КОЛЕГИ, ПРОАНАЛІЗУВАВШИ ВМІСТ ГАЗУ КСЕНОНУ (ПРОДУКТУ РОЗПАДУ УРАНУ), ЗРОБИЛИ ВИСНОВОК, ЩО ОДИН ІЗ ЦИХ ПРАДАВНІХ РЕАКТОРІВ ПОВИНЕН БУВ ПРАЦЮВАТИ В РОБОЧОМУ ЦИКЛІ БЛИЗЬКО З ПІВГОДИНИ Й З ПЕРЕРВОЮ НЕ МЕНШЕ ДВОХ З ПОЛОВИНОЮ ГОДИН • МОЖЛИВО, ЩО ПОДАЛЬШЕ ВИВЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ КСЕНОНУ, УТРИМУВАНОГО В ЗЕРНАХ МІНЕРАЛІВ, ДОЗВОЛИТЬ ВИЯВИТИ ПРИРОДНІ ЯДЕРНІ РЕАКТОРИ В ІНШИХ МІСЦЯХ 3

Новини науки Продукти розпаду Вільний нейтрон

Уповільнювач

Нейтрон другого покоління Продукти розпаду

Ланцюгові ядерні реакції починаються з процесу потрапляння окремого вільного нейтрона в ядро атома урану-235 (угорі ліворуч). Ядро розпадається на два менших і вивільняє декілька нейтронів, які рухаються з великою швидкістю. Далі вони повинні бути вповільнені для того, щоб викликати розщеплення інших ядер. У Оклонських нашаруваннях так само, як і в сучасних ядерних реакторах на легкій воді сповільнюючим агентом була звичайна вода. Відмінність полягає в системі регулювання: на атомних електростанціях використовуються поглинаючі стрижні, а реактори в Окло просто нагрівалися до викіпання води

Перевірка легкими елементами

Невдовзі фізики підтвердили припущення, що зниження вмісту урану-235 в Окло було викликане реакціями поділу. Безперечний доказ з'явився під час вивчення елементів, що виникають, коли розщеплюється важке ядро. Концентрація продуктів розпаду виявилася настільки високою, що подібний висновок був однозначно правильним. 2 млрд. років тому тут відбувалася ланцюгова ядерна реакція, подібна до тієї, яку Энріко Ферми і його колеги блискуче продемонстрували в 1942 р.

Фізики всього світу вивчали докази існування природних ядерних реакторів. Результати своїх робіт з «феномену Окло» вчені продемонстрували на спеціальній конференції в столиці Габону Лібревіллі: деякі з нейтронів, що були випущені під час поділу урану-235, захоплюються ядрами більш розповсюдженого урану-238, який перетворюється на уран-239, і після випущення двох електронів перетворюється на плутоній-239. Так в Окло утворювалося більше двох тонн цього ізотопу. Потім частина

плутонію піддалася розщепленню, про що свідчать характерні продукти такого поділу. Це дозволило дослідникам зробити наступні висновки: реакції повинні були тривати сотні тисяч років. Враховуючи кількість використаного урану-235, вони обчислили виділену енергію — близько 15 тис. МВт·років. Середня потужність реактора виявилася меншою 100 кВт, тобто її вистачило б для роботи декількох дюжин тостерів. Як виникло більше десятка природних реакторів? За рахунок чого забезпечувалася їхня постійна потужність протягом декількох сотень тисячоліть? Чому вони не самознищилися відразу після того, як почалися ланцюгові ядерні реакції? Який механізм забезпечив необхідне саморегулювання? Чи працювали реактори безупинно або періодично? Відповіді на ці питання з'явилися не відразу. А щодо останнього питання, то зовсім нещодавно була знайдена відповідь, коли ми зайнялися дослідженням зразків загадкової африканської руди у Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі.

Що приховував інертний газ

Наша робота про один з реакторів у Окло була присвячена аналізу ксенону — важкого інертного газу, який може залишатися «ув'язненим» у мінералах протягом мільярдів років. Ксенон має дев'ять стійких ізотопів, що виникають у різних кількостях. Ксенон не вступає в хімічні реакції з іншими елементами, і тому його легко очистити для ізотопного аналізу. Ксенон надзвичайно рідкий, що дозволяє використовувати його для виявлення ядерних реакцій, навіть якщо вони відбувалися ще до «народження» Сонячної системи. Для аналізу ізотопної сполуки ксенону потрібно мас-спектрометр — прилад, який може сортувати атоми за їхньою вагою. Але спочатку потрібно було «витягти» ксенон з нашого зразка. Зазвичай мінерал, що містить ксенон, нагрівають сильніше за межу розплавлення, при цьому кристалічна структура руйнується й більше не може втримувати «ув'язнений» у ній газ.  Ізотопи ксенону 136 134 132 131

Ізотопний склад ксенону у фосфаті алюмінію з Окло

Ізотопний склад ксенону під час розпаду урану-235

Ізотопний склад ксенону в атмосфері

130 129 128

Ксенон, витягнутий із зерен фосфату алюмінію зразка з Окло, мав цікавий ізотопний склад, який не відповідав тому, що утворювався під час розпаду урану-235, і не схожий на ізотопну сполуку атмосферного ксенону. Ці спостереження спочатку дуже спантеличили автора, пізніше він зрозумів, що вони і були ключем до розуміння функціонування цього прадавнього ядерного реактора

Число зразків руди

Новини науки 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Поклади в Окло 0.717

0.718

0.719

Вміст U235 (% від загальної кількості)

0.720

Атоми урану-235 становлять близько 0,720 % природнього урану. Тому, коли робітники з’ясували, що вміст уран з кар'єру Окло становив трохи більше 0,717 %, вони були здивовані. Цей показник дійсно суттєво відрізнявся від результатів аналізу інших зразків руди урану Але ми, щоб зібрати більше інформації, застосували делікатніший метод — лазерний витяг, що дозволяє дістатися до ксенону в певних зернах й залишає недоторканними області, які до них прилягають. Тепер нас очікувало кілька сюрпризів: по‑перше, у зернах мінералів, багатих на уран, газу не виявилося. Більша його частина була «захоплена» мінералами, що містять фосфат алюмінію, — у них була виявлена найвища концентрація ксенону, будь-коли взагалі знайденого в природі. По-друге, витягнутий газ суттєво відрізнявся за ізотопним складом від того, що звичайно утворюється в ядерних реакторах. У ньому практично були відсутні ксенон-136 і ксенон-134, тоді як вміст більш легких ізотопів елементу залишився попереднім. У чому причина таких змін? Можливо, це результат ядерних реакцій? Ретельний аналіз дозволив моїм колегам і мені відхилити цю можливість. Ми розглянули також фізичне сортування різних ізотопів, яке іноді відбувається через те, що більш важкі атоми рухаються трохи повільніше, ніж їхні легші

аналоги. Ця властивість використовується на заводах, де збагачують уран, для виробництва реакторного палива. Але навіть якби природа могла реалізувати подібний процес у мікроскопічному масштабі, склад суміші ізотопів ксенону в зернах фосфату алюмінію відрізнявся б від того, що ми виявили. Наприклад, виміряне відносно кількості ксенону-132 зменшення вмісту ксенону-136 (важчого на 4 атомні одиниці маси) становило б удвічі більше, ніж для ксенону-134 (важчого на 2 атомні одиниці маси), якщо б працювало фізичне сортування. Однак нічого подібного ми не побачили. Проаналізувавши умови утворення ксенону, ми звернули увагу на те, що жоден з його ізотопів не був прямим результатом поділу урану; усі вони були продуктами розпаду радіоактивних ізотопів йоду, які, у свою чергу, утворювалися з радіоактивного телуру, згідно з особливостями відомої послідовності ядерних реакцій. При цьому різні ізотопи ксенону Оклонського зразка виникали в різні моменти часу. Чим довше живе конкретний радіоактивний попередник,

Вміст U235 (% від загальної кількості)

«Збройовий» уран

Родовище в Окло

Мільярд років тому

Коли 1,8 млрд років тому сформувалися уранові поклади в Окло, природний вміст урану-235 становив близько 3 %, подібно до палива для ядерних реакторів. Коли приблизно 4,6 млрд. років тому сформувалася Земля, співвідношення перевищувало 20 %, тобто рівень, за якого уран, на сьогодні, вважається «збройовим» тим сильніше запізнюється утворення з нього ксенону. Наприклад, утворення ксенону-136 почалося тільки за хвилину після початку самопідтримуючого поділу. За годину з'являється наступний більш легкий стійкий ізотоп, ксенон-134. Потім, за кілька днів, на сцені з'являються ксенон-132 і ксенон-131. Нарешті, за мільйони років і значно пізніше припинення ланцюгових ядерних реакцій утворюється ксенон-129. Якби поклади урану в Окло залишалися замкненою системою, ксенон, що накопичився в процесі роботи його природних реакторів, зберіг би нормальний ізотопний склад. Але система не була замкненою, підтвердженням чого можна вважати той факт, що реактори в Окло якимось чином регулювали самі себе: ґрунтові води википали після того, як температура досягала певного критичного рівня. Під час випаровування води, що діяла як сповільнювач нейтронів, ланцюгові ядерні реакції тимчасово припинялися, а після того, як усе холонуло й у зону реакції знову потрапляла достатня кількість ґрунтових вод, поділ міг відновитися.

Ця картина пояснює два важливі моменти: реактори могли працювати періодами; через цю гірську породу повинна була проходити велика кількість води, достатня, щоб вимилися деякі попередники ксенону, а саме телур і йод. Наявність води допомагає також пояснити, чому більша частина ксенону тепер утримується в зернах фосфату алюмінію, а не в багатих на уран породах. Зерна фосфату алюмінію, імовірно, сформувалися під дією нагрітої ядерним реактором води, після того, як вона охолола приблизно до 300°С.  Алекс Мешик, «У світі науки», № 2, 2006 р Друкується з дозволу редакції

Продовження читайте в наступному випуску журналу Моделювання процесу роботи прадавнього ядерного реактору

Фізика навколо нас

НЕЩОДАВНО МЕНІ ДО РУК ПОТРАПИВ ДУЖЕ ДАВНІЙ НОМЕР ЖУРНАЛУ «КВАНТ», У ЯКОМУ Я ПРОЧИТАВ СТАТТЮ А. ВАРЛАМОВА «ЧИ МОЖЛИВО ЗАСМАЖИТИ МАМОНТА В МІКРОХВИЛЬОВІЙ ПЕЧІ?». НА ЖАЛЬ, СТАТТЯ ПЕРЕПОВНЕНА ХИБНИМИ ДУМКАМИ. АВТОР РОЗПОВІДАВ ПРО НЕБЕЗПЕКУ ВИКОРИСТАННЯ МІКРОХВИЛЬОВКИ (ТАК У ПОБУТІ НАЗИВАЮТЬ МІКРОХВИЛЬОВУ ПІЧ). І АБСОЛЮТНО НЕПРАВИЛЬНО ОПИСАВ МЕХАНІЗМ НАГРІВАННЯ ЇЖІ В ЦІЙ ПЕЧІ. ВІН ОБМЕЖИВ МОЖЛИВОСТІ МІКРОХВИЛЬОВОЇ ПЕЧІ ПРИГОТУВАННЯМ ТОНКОЇ ВІДБИВНОЇ КОТЛЕТИ ДАВАЙТЕ РАЗОМ ЗАНУРИМОСЯ В ІСТОРІЮ СТВОРЕННЯ МІКРОХВИЛЬОВОК, РОЗГЛЯНЕМО ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ, ЯКІ ВІДБУВАЮТЬСЯ З ЇЖЕЮ ВСЕРЕДИНІ ВВІМКНУТОЇ МІКРОХВИЛЬОВОЇ ПЕЧІ ТА СПРОБУЄМО ДАТИ ВІДПОВІДЬ НА ПИТАННЯ: «ЧИ МОЖЛИВО ЗАСМАЖИТИ МАМОНТА В МІКРОХВИЛЬОВІЙ ПЕЧІ?» 8

Трохи історії

Майже як і всі винаходи, що суттєво вплинули на повсякденне життя, відкриття теплового впливу мікрохвиль було випадковим. У 1942 році американський фізик Персі Спенсер працював у лабораторії компанії Raytheon з магнетроном — пристроєм, що випромінював надчастотні хвилі. За однією з версій, Спенсер поклав на обладнання свій бутерброд, а коли зняв його за декілька хвилин, то виявив, що бутерброд прогрівся аж до середини. За іншою версією, розігрівся й розтанув шоколад, який був у Спенсера в кишені, коли той працював біля свого обладнання, і осяяний щасливою догадкою винахідник кинувся до буфету по сирі кукурудзяні зерна. Піднесений до обладнання попкорн невдовзі з тріском почав лопатися… А яйце, яке піддавалося опроміненню потужністю 10 кВт, взагалі вибухнуло. Щоправда, його вміст не забруднив Спенсера, оскільки він миттю сховався за спини колег, яких запросив до лабораторії.

Перси Спенсер у 1950 році

Звичайно, ці історії можна віднести до розряду наукових міфів, таких, як, наприклад, міф про яблуко й Ньютона або Періодичну систему та Менделєєва. Насправді всі ці історії були вигадані газетниками з рекламних міркувань. Дійсно, зіпсовані брюки й заляпані яєчним жовтком інженери — хіба це не зацікавить потенційного споживача нової продукції? Роль осяяння зіграла непроста для компанії ситуація, з якої необхідно було знайти оптимальний вихід. Германія була повалена, теж саме чекало в найближчому майбутньому й на Японію. Переможне закінчення війни — це, звичайно, було прекрасно. Але конкретно для компанії Raytheon, що працювала виключно на перемогу, закінчення війни означало стрімке падіння кількості замовлень від міністерства оборони. І це могло призвести до фінансового краху компанії. Приблизно такі слова промовив засновник компанії Лоуренс Маршалл, коли запросив до себе на уїк-енд шістьох провідних спеціалістів. І поставив питання руба: або ми за найкоротший термін опановуємо яку-небудь конкурентноспроможну продукцію для народу-переможця, або… Розпочався мозковий штурм, головна роль у якому, безперечно, належала Персі Спенсеру. Саме він запропонував виготовляти мікрохвильові печі, що й було зафіксовано в патенті, який був виданий на його ім’я. Знання про здатність випромінювача радіохвиль НВЧ-спектру розігрівати предмети не могло виникнути в Персі Спенсера як прозріння у вигляді розплавленої шоколадки. Він, що активно працював з магнетронами — мікрохвильовими випромінювачами, — знав про це з практики. До того ж він не міг не читати публікації на цю тему в журналах з радіоелектроніки. 

Фізика навколо нас Отже, це було не відкриття, а винахід нового прибору, який заснований на вже добре відомих фізичних принципах. Так чи інакше в 1945 році Спенсер отримав патент на використання мікрохвиль для приготування їжі, а в 1947‑му на кухнях військових їдалень, де вимоги до якості їжі були не такими високими, з’явилися перші прилади для приготування їжі за допомогою мікрохвиль. Ці вироби фірми Raytheon заввишки з людину важили 340 кг і коштували 3000 доларів за штуку.

У 1962 році японська фірма «Sharp» випустила в продаж першу серійну мікрохвильову піч, яка, втім, не викликала ажіотажу серед споживачів. Цією ж фірмою був розроблений стіл, що обертався. Сьогодні у всьому світі на кухнях «трудяться» десятки (а може, і сотні) мільйонів мікрохвильових печей. Досвід використання мільйонів мікрохвильових печей у багатьох країнах протягом останніх десятиліть показав незаперечні зручності цього способу приготування їжі — швидкість, економність, простоту використання.

Що таке мікрохвилі?

Перші микрохвильовки

Термін «мікрохвилі» не зовсім вдалий, оскільки це електромагнітні хвилі довжиною від одного міліметра до одного метра. Тобто префікс мікро- не відповідає довжині хвиль. Більш коректним є термін «надвисокочастотне (НВЧ)» випромінювання. Це випромінювання використовується в радіолокації, радіонавігації, системах супутникового телебачення, стільниковій телефонії тощо. НВЧ-випромінюванням пронизане навколишнє середовище, оскільки його випромінює Сонце. У побутових мікрохвильовках використовуються хвилі, частота яких складає 2450 МГц. Така частота встановлена для мікрохвильових печей спеціальними міжнародними угодами, щоб не створювати перепон для роботи радарів та інших приладів, які використовують мікрохвилі. Знаючи, що електромагнітні хвилі розповсюджуються зі швидкістю світла, яка становить 300 000 км / с, нескладно підрахувати, чому дорівнює довжина хвилі λ мікрохвильового випромінювання даної частоти: λ = с/ν = 12,25 см.

Небезпечне випромінювання

Опалення, Лампа готування для засмаги Освітлення

0,3 м

1м

100 м

лі

0,12 м

Мікрохвильова піч

Радіо/телебачення

іох

ви

Мікрохвилі

Ра д

Рентген

1 мм

ВИДИМІ Інф р пр ачер ом во е н ні і

0,001 мм

Ре нт пр гені ом всь ен кі і Ул ьтр пр афіо ом ле ен тов і і

Г пр амм ом аен і

Довжина хвилі

Безпечне випромінювання

Радар

Шкала електромагнітного випромінювання Потужність магнетрона сучасних мікрохвильових печей становить 700‑850 Вт. Цього достатньо, щоб за декілька хвилин довести до кипіння воду в 200‑грамовій склянці. Для охолодження магнетрона використовують вентилятор, який безперервно обдуває його повітрям. Спричинені магнетроном мікрохвилі надходять до порожнини печі по хвилеводу — каналу з металевими стінками, які віддзеркалюють НВЧ-випромінювання. Якщо зазирнути до печі, то можна побачити слюдяні пластинки, які закривають отвір хвилеводу. Пластинки не дозволяють потрапляти

Хвилевід Порожнина

Магнетон Трансформатор

Основні елементи мікрохвильової печі

жиру до хвилеводу, а мікрохвилям вони абсолютно не заважають, оскільки слюда прозора для випромінювання. Слюдяні пластинки з часом просочуються жиром, стають пухкими, через що їх треба заміняти новими. Всередині НВЧ-пічі обов'язково виготовляють з металу. Це потрібно для того, щоб «зачинити» мікрохвильове випромінювання всередині печі та позбавити його можливості виходу. Дуже важливим елементом мікрохвильової печі є дверцята. Вони повинні давати можливість бачити, що відбувається всередині, і при цьому не допустити виходу мікрохвиль на поверхню. Дверцята нагадують пиріг, який складається з багатьох шарів — скляних чи пластмасових пластин. Поміж пластин обов’язково є сітка з перфорованого металевого матеріалу. (Відповідь на питання, чому чарункувата металева сітка відбиває НВЧ-випромінювання так добре, як і суцільний металевий лист, спробуйте знайти самостійно.) 

Фізика навколо нас

Як «змішати» мікрохвилі?

Зовнішня рамка Скло або пластик Металева сітка Скло або пластик

Мікрохвилі Для того, щоб випромінювання не знайшло виходу там, де дверцята прилягають до корпусу мікрохвильової печі, по периметру вмонтовано ущільнювач з діелектричного матеріалу. Товщина ущільнювача складає приблизно чверть довжини хвилі НВЧ-випромінювання. Завдяки точно дібраній товщині ущільнювача забезпечується, так називана, негативна інтерференція хвилі, що пройшла всередину матеріалу ущільнювача, відбилася й вийшла з ущільнювача на поверхню. Тоді ущільнювач для мікрохвиль стає пасткою, яка надійно гасить випромінювання. Щоб повністю виключити можливість генерації мікрохвиль, коли дверцята відчинені, використовується набір з декількох незалежних кнопок-вимикачів, які дублюють одна одну. Вони замикаються контактними штирями на дверцятах печі та розривають коло живлення магнетрона, навіть коли дверцята зачинені нещільно.

Магнетрон у поперечному перерізі

А для чого їх «змішувати»? Адже мікрохвилі, які ввійшли хвилеводом у піч, хаотично відбиваються від стінок. Неприємність в тому, що на кожну точку, скажімо, курячої тушки, яку ми хочемо розморозити чи підсмажити, приходять хвилі з найрізноманітніших напрямків і, відповідно, з різною фазою. Тому інтерференція, про яку ми вже згадували, може спрацювати як в «плюс», так і в «мінус»: хвилі, що прийшли у фазі, підсилять одна одну й прогріють ділянку, на яку вони потрапили, а ті, що прийшли в протифазі — загасять одна одну, й користі від них не буде.

МІКРОХВИЛЬОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ГЕНЕРУЄ ВИСОКОВОЛЬТНИЙ ВАКУУМНИЙ ПРИБОР — МАГНЕТРОН. ЩОБ АНТЕННА МАГНЕТРОНА ВИПРОМІНЮВАЛА МІКРОХВИЛІ, ДО НИТІ РОЗЖАРЕННЯ МАГНЕТРОНА НЕОБХІДНО ПОДАТИ ВИСОКУ НАПРУГУ (БЛИЗЬКО 3‑4 КВ). ОСЬ ЧОМУ ВІН (МАГНЕТРОН) ЖИВИТЬСЯ ЧЕРЕЗ СПЕЦІАЛЬНИЙ ВИСОКОВОЛЬТНИЙ ТРАНСФОРМАТОР, ОСКІЛЬКИ НАПРУГИ В МЕРЕЖІ НЕДОСТАТНЬО

Піч з дисектором Для того, щоб хвилі рівномірно проникали в продукти, їх необхідно, так би мовити, «перемішати» всередині печі. «Перемішати» мікрохвилі можна різними способами. Найпростіше — це підвісити під «стелею» отвору змішувач — крильчатку, що обертається, і має металеві лопаті, які й відбивають мікрохвилі. Такий змішувач називається дисектор. Чи можуть ті ж продукти в буквальному сенсі покрутитися всередині печі, піддаючись з різних боків випромінюванням? Так у мікрохвильових печах з’явився стіл, що крутиться — блюдо, яке закріплене на роликах і починає рухатися завдяки електромотору. У деяких печах є і дисектори, і столи, що рухаються. Інші мають два стола, які розміщені один над одним. Рух одного стола не залежить від руху іншого, оскільки у кожного є окрема система управління через гніздо на задній стінці отвору печі. Більш тонким, зате ефективним способом досягнення рівномірного хвильового поля є старанна робота над геометрією внутрішнього отвору печі й створення оптимальних умов для відбиття хвиль від її стінок. Такі передові системи розподілу хвиль у кожного виробника печей мають свою «фірмову» назву.

Піч зі столом, що рухається Але, не дивлячись на всі хитромудрощі, під час передачі мікрохвиль від магнетрона до продуктів можна зіткнутися з певними труднощами. Камера мікрохвильової печі працює як частина хвилеводу. Наявність продуктів у камері НВЧ-печі зовсім непередбачувано впливає на умови розповсюдження мікрохвиль. У РЛС, якщо «співпраця» магнетрона й антени позначається певною неузгодженістю, то у хвильоводі буде виникати стояча хвиля, яка не випускає НВЧ-енергію з магнетрона, що й виводить його з ладу. У мікрохвильовій печі стояча хвиля виникає лише тоді, коли ми вмикаємо її без завантаження. Забезпечити максимальне завантаження печі важко. Це й призводить до передчасного виходу з ладу печі.  І. Ю. Ненашев, учитель фізики Харківського фізико-математичного ліцею №27

Продовження читайте в наступному випуску журналу • • •

Розклад роботи магнетрона Чи безпечні мікрохвилі? Як мікрохвилі нагрівають їжу?

Наукова мозаїка

ЧАСОМ ПЕРЕКОНАТИСЯ В ГЛИБОКОМУ РОЗУМІННІ ПРЕДМЕТУ ДОЗВОЛЯЮТЬ ПРОСТІ РЕЧІ. ДУЖЕ ЦІКАВО БАЧИТИ, ЯК В ОДНИХ УЧНІВ ВОНИ ВИКЛИКАЮТЬ ПОСМІШКУ, А ІНШІ ДИВУЮТЬСЯ, У ЧОМУ Ж ТУТ СЕКРЕТ ПІДГОТОВКА ДО НОВОГО РОКУ ЙШЛА НА ПОВНИЙ ХІД. НАРЯДЖАЛИСЯ ЯЛИНКИ, РОЗВІШУВАЛИСЯ ГІРЛЯНДИ, СТВОРЮВАЛИСЯ ЦІЛІ КОМПОЗИЦІЇ. ФОТОГРАФІЯ ОДНІЄЇ З НИХ ПЕРЕД ВАМИ ЩО НЕПРАВИЛЬНО ЗОБРАЗИВ ХУДОЖНИК? НА ЗЕМЛІ НЕМАЄ ТАКОГО МІСЦЯ, ЗВІДКИ Б БУЛО ОДНОЧАСНО ВИДНО НАС, МЕШКАНЦІВ ПІВДЕННОЇ ПІВКУЛІ, Й СУЗІР'Я ВЕЛИКОЇ ВЕДМЕДИЦІ. 14

Вчені пінгвини

За розташуванням Великої Ведмедиці можна знайти Полярну зірку, висота якої над обрієм і показує широту місця. Оцінка за знімком дає значення близько 45° північної широти. Для одержання цього значення корисно знати те, що між α і β Великої Ведмедиці приблизно 5°20', а також урахувати рефракцію, яка піднімає видиме положення світил на обрії зазвичай на 5° (цей пункт міркувань можна й опустити, однаково оцінка суттєво не постраждає). Так далеко на північ жоден антарктичний айсберг з пінгвинами ще не запливав.

ре

ць ка м

ц ре

19 ів ( онет р т с а в 10 піа

м ька

а в 50 000 л онет ір

( 19

96 р

Ту

Ще один приклад, що є хрестоматійним, зображений на турецькій монетів 10 піастрів, коли країна щойно стала республікою. Ми бачимо зорю й півмісяць. При цьому їхнє розташування таке, що зоря світить крізь місячний диск. На небі можна бачити досить часто, як Місяць покриває яскраві світила. По моментах їхнього покриття донедавна уточнювався складний рух Місяця. Із великою точністю вираховувати рух нашого супутника стало значно легше після того, як одна з місій «Аполлон» залишила пристрій, за допомогою якого щодня із Землі вимірюється відстань до Місяця. Тепер немає необхідності чекати моментів покриття зорь. Тепер покриття цікаві для визначення структури об'єктів, що покриваються Місяцем. Так можна за допомогою невеликого телескопа переконатися, що деякі зорі подвійні, а на спеціальних обсерваторіях вивчити детальну будову радіоджерел. Такі події відбуваються постійно, у результаті чого світила ховаються за Місячним диском, щоб за годину знову зринути й засвітити з іншої сторони нашого супутника. Таке розташування зорі й півмісяця в символіці Туреччини протрималося на монетах до 1944 року. З того року зображення зорі було винесене за місячний диск, тим самим ніби виправивши астрономічну помилку. Порівняйте із монетою 1996 року номіналом 50 000 лір. 

р) .

Зорі на монетах

Наукова мозаїка Рівнодення

Рівнодення

Сонцестояння

ВІДОМО, ЩО СОНЦЕ ТРОХИ БЛИЖЧЕ ДО ОДНІЄЇ ІЗ ТОЧОК НА ОРБІТИ ЗЕМЛІ (ПЕРИГЕЛІЙ) І ДАЛІ ВІД ПРОТИЛЕЖНОЇ (АФЕЛІЙ). ЗЕМЛЯ ПРОХОДИТЬ ТОЧКИ СОНЦЕСТОЯНЬ НЕДАЛЕКО ВІД ПЕРИГЕЛІЮ Й АФЕЛІЮ. ЯК ЗА ДОПОМОГОЮ КИШЕНЬКОВОГО КАЛЕНДАРЯ ВИЗНАЧИТИ, КОЛИ ЗЕМЛЯ БЛИЖЧЕ ДО СОНЦЯ — УЗИМКУ АБО ВЛІТКУ?

Астрономічні сезони

Ми знаємо, що у весняне (21 березня) і осіннє (23 вересня) рівнодення Сонце сходить точно на сході. Таким чином, у ці дати Земля перебуває в протилежних точках орбіти. Простий підрахунок показує, що літню дугу з 21 березня по 22 вересня Земля проходить за 186 діб, а зимову — з 23 вересня по 20 березня — за 179 діб. Відповідно до другого закону Кеплера, маємо: чим більший час руху планети, тим більшу площу проходить її радіус-вектор. А це означає, що ділянка з афелієм дістається літній дузі. Тому перигелій Земля проходить поблизу точки зимового сонцестояння, а афелій — літнього. До речі, ця різниця в 7 днів допомогла Антарктиді обрости багатокілометровим крижаним панциром і помістити полюс холоду на цей високий континент. Легко показати, що точки зимового (22 грудня) і літнього (22 червня) сонцестоянь перебувають точно в протилежних сторонах орбіти. Весняну дугу від 22 грудня до 21 червня Земля проходить

У своєму русі по орбіті Земля проходить послідовно такі точки: 22 ГРУДНЯ — ПОЧАТОК АСТРОНОМІЧНОЇ ЗИМИ, НЕБАГАТО ПІЗНІШЕ — ПЕРИГЕЛІЙ, 21 БЕРЕЗНЯ — ПОЧАТОК АСТРОНОМІЧНОЇ ВЕСНИ, 22 ЧЕРВНЯ — ПОЧАТОК АСТРОНОМІЧНОГО ЛІТА, НЕБАГАТО ПІЗНІШЕ — АФЕЛІЙ, 23 ВЕРЕСНЯ — ПОЧАТОК АСТРОНОМІЧНОЇ ОСЕНІ за 182 доби, а осінню — від 22 червня до 21 грудня — за 183 доби. Перигелій перебуває у весняному секторі дуже близько до точки сонцестояння. Слід зробити очевидне застереження, що початки сезонів були розглянуті для мешканців північної півкулі.  О. В. Прокоф'єв, голова клубу «Астроднепр» Дніпропетровського планетрію

Домашня лабораторія

Пропонуємо нашим читачам Кулька провести маленький для пінг-понгу самостійний дослід ЗА ДОПОМОГОЮ ВВІМКНУТОГО ПИЛОСМОКА ВИ ОТРИМАЄТЕ ПОТІК ПОВІТРЯ, СПРЯМОВАНОГО ВГОРУ. РОЗМІСТІТЬ КУЛЬКУ ДЛЯ ПІНГ-ПОНГУ В ПОТОЦІ ПОВІТРЯ СПРОБУЙТЕ ПРОАНАЛІЗУВАТИ ОСОБЛИВОСТІ ПОВЕДІНКИ КУЛЬКИ В ПОТОЦІ Й ПОЯСНИТИ ЗАКОНОМІРНОСТІ, ЯКІ ВИ ПОМІТИЛИ. ОСОБЛИВУ УВАГУ ПРИДІЛІТЬ РУХАМ КУЛЬКИ ПІД ЧАС ЗМІНИ НАПРЯМКУ ПОТОКУ ПОВІТРЯ

Повітряний струмінь Можливість регулювання кута нахилу

ПОДІБНА ЗАДАЧА ПРОПОНУВАЛАСЯ НА ТУРНІРІ ЮНИХ ФІЗИКІВ. ОДНАК ІСНУЮЧІ РОЗВ’ЯЗКИ НАВРЯД ЧИ МОЖНА ВВАЖАТИ ПОВНИМИ Й ОСТАТОЧНИМИ. ТОМУ КРАЩІ ВАРІАНТИ ПОЯСНЕНЬ ЦЬОГО ДОСЛІДУ ВІД НАШИХ ЧИТАЧІВ БУДУТЬ ОПУБЛІКОВАНІ. ЧЕКАЄМО НА ВАШІ ЛИСТИ!

Кріплення

Пилосмок

Вони створювали фізику

Нобелівська премія з фізики, 1901 р

НІМЕЦЬКИЙ ФІЗИК ВІЛЬГЕЛЬМ КОНРАД РЕНТГЕН НАРОДИВСЯ В ЛЕННЕПІ — НЕВЕЛИКОМУ МІСТЕЧКУ БІЛЯ РЕМШЕЙДА В ПРУССІЇ — І БУВ ЄДИНОЮ ДИТИНОЮ В РОДИНІ УСПІШНОГО ТОРГОВЦЯ ТЕКСТИЛЬНИХ ТОВАРІВ ФРІДРІХА КОНРАДА РЕНТГЕНА Й ШАРЛОТИ КОНСТАНЦИ (У ДІВОЦТВІ ФРОВЕЙН) РЕНТГЕН. У 1848 Р. РОДИНА ПЕРЕЇХАЛА ДО ГОЛЛАНДСЬКОГО МІСТА АПЕЛЬДОРН — НА БАТЬКІВЩИНУ БАТЬКІВ ШАРЛОТИ. ЕКСПЕДИЦІЇ, ЗДІЙСНЕНІ РЕНТГЕНОМ ЩЕ ДИТИНОЮ В ГУСТИХ ЛІСАХ ТА ОКОЛИЦЯХ АПЕЛЬДОРНА, НА ВСЕ ЖИТТЯ ПРИЩЕПИЛИ ЙОМУ ЛЮБОВ ДО ЖИВОЇ ПРИРОДИ

Роки навчання

Рентген вступив до Утрехтської технічної школи в 1862 році, але був виключений за те, що відмовився назвати свого товариша, який намалював нешанобливу карикатуру на викладача. Не маючи офіційного посвідчення про закінчення середнього навчального закладу, він формально не міг вступити до вищого навчального закладу, але в якості вільного слухача закінчив кілька курсів в Утрехтському університеті. Після складання вступного іспиту Рентген у 1865 році був зарахований студентом до Федерального технологічного інституту в Цюріху, оскільки мав намір стати інженером-механіком, і в 1868 р. одержав диплом. Август Кундт, видатний німецький фізик і професор фізики цього інституту, звернув увагу на блискучі здібності Вільгельма і порадив йому зайнятися фізикою. Рентген вчинив, як порадив Кундт, і за рік захистив докторську дисертацію в Цюріхському університеті, після чого був негайно призначений Кундтом першим асистентом у лабораторії.

Рентген Вільгельм. Роки життя 27.03.1845 — 10.02.1923

Експериментальні дослідження, проведені Рентгеном у Страсбурзі, торкалися різних областей фізики, таких, як теплопровідність кристалів та електромагнітне обертання площини поляризації світла в газах, і, за словами його біографа Отто Глазера, здобули Рентгену репутацію «тонкого класичного фізика-експериментатора». У 1879 р. Вільгельм був призначений професором фізики Гессенського університету, у якому він працював до 1888 р., відмовившись від пропозицій очолити кафедри фізики в університетах Ієни й Утрехта. 

Перші кроки в науці

Очоливши кафедру фізики у Вюрцбургзькому університеті, Кундт узяв із собою й свого асистента. Перехід у Вюрцбург став для Вільгельма початком «інтелектуальної одисеї». У 1872 р. він разом з Кундтом перейшов до Страсбурзького університету та в 1874 р. почав там свою викладацьку діяльність як лектор фізики.

Будинок, в якому народився Вільгельм Конрад Рентген

Вони створювали фізику

У 1894 Р., КОЛИ PЕНТГЕН БУВ ОБРАНИЙ РЕКТОРОМ ВЮРЦБУРЗЬКОГО УНІВЕРСИТЕТУ, ВІН РОЗПОЧАВ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО РОЗРЯДУ В СКЛЯНИХ ВАКУУМНИХ ТРУБКАХ

Дослідження газових розрядів

У 1853 р. французький фізик Антуан Філібер Массон помітив, що високовольтний розряд між електродами в скляній трубці, який містить газ за дуже низького тиску, породжує червонувате світіння. Коли інші експериментатори спробували відкачати газ із трубки до більшого розрідження, світіння почало розпадатися на складну послідовність окремих шарів, що світилися.

Англійський фізик Вільям Крукс за допомогою вдосконаленого вакуумного насоса домігся ще більшого розрідження й спостерігав, що світіння зникло, а стінки скляної трубки флуоресціюють зеленуватим світлом. У 1878 р. Крукс висловив гіпотезу про те, що флуоресценцію спричиняють промені, коли ударяються об скляні стінки. Так як негативний електрод називається катодом, то випромінювання, яке йде від стінок, одержало назву «катодні промені».

Німецький фізик Пилип фон Ленард продемонстрував, як катодні промені можуть проходити крізь віконце в трубці, затягнуте тонкою алюмінієвою фольгою, і йонізують повітря безпосередньо біля віконця. Загадку було розгадано пізніше, у 1897 р., коли англійський фізик Дж. Дж. Томсон з’ясував природу часток у катодних променях, назвавши їх електронами.

Відкриття ікс-променів

Рентген продублював експерименти, зокрема вказуючи на те, що катодні промені (тоді ще невідомі), які випромінюються з віконця Ленарда, викликають флуоресценцію екрана, вкритого ціаноплатинітом барію. Одного разу (це сталося 8 листопада 1895 р.) Pентген для полегшення процесу спостереження, затемнив кімнату й обгорнув трубку Крукса ( без віконця Ленарда) щільним непрозорим чорним папером.

Кімната де Рентген відкрив ікс-промені

Здивувавшись, він побачив на екрані, вкритому ціаноплатинітом барію, смугу флуоресценції. Дуже ретельно проаналізувавши й усунувши можливі причини помилок, він з’ясував, що флуоресценція з'являлася щоразу, коли він вмикав трубку, а також те, що джерелом випромінювання є саме трубка. Наступні сім тижнів він досліджував явище, яке й назвав ікс-променями (тобто невідомими променями).

Перші радіологічні дослідження

Рентгенограма руки Альберта фон Колікера, яку Рентген зробив під час публічної лекції 23 січня 1896 року

Тінь, яку відкидав на флуоресціюючий екран провідник від індукційної котушки, що створювала необхідну високу напругу для утворення розряду, наштовхнула вченого на думку про дослідження здатності ікс-променів проходити крізь різні матеріали. Ренген єкспериментально з’ясував, що ікс-промені можуть проходити майже крізь усі предмети. І глибина проникнення залежить від товщини предмета й густини речовини. Тримаючи невеликий свинцевий диск між розрядною трубкою й екраном, Рентген помітив, що свинець не піддається впливу ікс-променів, а також зробив разюче відкриття: кістки його руки відкидали на екран темну тінь, оточену більш світлою тінню м'яких тканин. 

Вони створювали фізику Незабаром він дослідив, що ікс- Дифракційна решітка складається з серії промені спричиняють не тільки світіння штрихів, відстань між якими на поверхні екрана, вкритого ціаноплатинітом барію, скляної або металевої пластинки однакова але й потемніння фотопластинок (після — мала. Під час розсіювання світла на таких проявлення) у тих місцях, де ікс-промені по- пластинках виникає складний візерунок, трапляють на фотоемульсію. Так Вільгельм вигляд якого залежить від довжини хвилі Рентген став першим у світі радіологом. падаючого на решітку світла. Але оптичні На його честь ікс-промені стали називати дифракційні решітки були занадто товстирентгенівськими променями. Широку по- ми для того, щоб на них могла відбуватипулярність здобуло зроблене вченим за до- ся дифракція випромінювання з такими помогою рентгенівських короткими довжинами променів фото (рентгехвиль, як ті, що очікуванограма) кисті дружини. лися у випадку рентгенівНа ньому, як на негативі, ського випромінювання. було чітке зображення У 1913 р. експеримент, закісток (біле, тому що гуспропонований фон Лауе, тіша кісткова тканина був проведений Вальтезатримує ікс-промені, ром Фрідріхом і Паулем не даючи їм потрапити Кніппінгом. Так, відкривши невідоме раніше вина фотопластинку) на тлі промінювання, Рентген темнішого зображення зробив вагомий внесок м'яких тканин, що затримують ікс-промені мену науково-фізичну революцію, яка відбувалася шою мірою, і білі смужки від кілець на пальцях. на початку XX ст.

З'ясування природи ікс-променів

У 1893 р. німецький фізіолог і фізик Герман фон Гельмгольц передбачив, що випромінювання, подібне до світла, але з достатньо короткою довжиною хвилі, могло б проходити крізь тверді матеріали. На той час подібне випромінювання ще не було відомим. Після Рентгенових відкриттів німецький фізик Макс фон Лауе зробив блискуче припущення про те, що короткохвильовий характер рентгенівського випромінювання можна було б довести, використовуючи в якості дифракційної решітки рівномірно розташовані атоми в кристалі.

Ікс-промені стають «модними»

Перше повідомлення про дослідження Вільгельма Рентгена, опубліковане в місцевому науковому журналі наприкінці 1895 р., викликало величезну зацікавленість, як серед наукових кіл, так і серед широкого загалу. «Незабаром ми з’ясували, — писав Pентген, — що всі тіла прозорі для цих променів». Експериментаторська діяльність Рентгена знайшла підтримку серед інших вчених. Рентген опублікував ще дві статті про ікс-промені в 1896 і 1897 рр., після чого напрямки його науково-дослідницької роботи змінилися.

Медики відразу усвідомили значення рентгенівського випромінювання для діагностики. Саме тоді ікс-промені стали сенсацією, яка облетіла увесь світ. Матеріали в газетах і журналах нерідко висвітлювали цю подію з якоюсь істеричною нотою або комічним відтінком.

Перший Нобелівський лауреат

У 1899 р., незабаром після закриття кафедри фізики в Лейпцизькому університеті, Рентген — професор фізики — очолив Фізичний інститут при Мюнхенському університеті. Перебуваючи в Мюнхені, вчений дізнався про те, що став першим (1901 р.) лауреатом Нобелівської премії з фізики «За заслуги перед наукою», що реалізувалися у відкритті надзвичайних променів, названих згодом на його честь. На врученні К. Т. Одхнер, член Шведської королівської академії наук, сказав: «Немає сумніву в тому, якого великого успіху досягне фізична наука, коли ця невідома раніше форма енергії буде достатньо дослідженою». Потім Одхнер нагадав присутнім про те, що рентгенівські промені вже знайшли практичне застосування в медицині. Хоча Рентген цілком усвідомлював вагомість і значення для медицини його відкриття, він ніколи не задумувався ні про патент, ні про фінансову винагороду. Він був удостоєний багатьох нагород, окрім Нобелівської премії, у тому числі й медалі Румфорда Лондонського королівського товариства і був обраним почесний членом наукових спільнот багатьох країн.  Раніше опубліковане: Енциклопедія: Лауреати Нобелівської премії. © The H. W. Wilson Company, 1987

Наша школа

БІЛЬШІСТЬ, ЗІТКНУВШИСЬ ІЗ ЦИМ ПИТАННЯМ, НЕ ЗАДУМУЮЧИСЬ, СПРЯМОВУЄ СИЛУ ПРУЖНОСТІ УЗДОВЖ ОСІ СТРИЖНЯ. ТОБТО ПРИПУСКАЄ, ЩО СТРИЖЕНЬ «ПРАЦЮВАТИМЕ» ЛИШЕ НА РОЗТЯГНЕННЯ АБО СТИСКАННЯ. ЧИ ЦЕ ТАК? ЗВИЧАЙНО, НІ! БУДЬ‑ЯКЕ ТВЕРДЕ ТІЛО ПРАЦЮВАТИМЕ ТАКОЖ І ПІД ЧАС ВИГІНУ (РИС. 1) В більшості шкільних задач вважається, що: — стрижень невагомий; — кінці стрижня закріплені на шарнірах, а не жорстко; — зовнішні сили прикладені лише до кінців стрижня. За виконання всіх цих умов стрижень дійсно може «відчувати» лише стиснення або розтягнення, і сила пружності скеровуватиметься вздовж осі стрижня. Але якщо хоча б одна з умов не виконується… Розглянемо задачу: тонкий однорідний стрижень закріплений на шарнірах у точці А та тримається в рівновазі горизонтальною ниттю (рис. 2). Маса стрижня m = 1 кг, а кут між стрижнем та ниттю — 45º.  Знайдіть величину й напрям сили N реакції шарніра. Сила тяжіння, звичайно, викликає в стрижні деформацію вигину, тому си ла N не скерована уздовж осі стрижня.  Для визначення напрямку сили N скористаємося правилом моментів: алгебраїчна

Рис. 1

45o

 T

 N

B Рис. 2

Рис. 3

 mg

сума моментів сил, які діють на стрижень, дорівнює нулю відносно будь-якої осі.  На стрижень, окрім N, діють ще дві сили:   сила тяжіння mg та сила натягнення ниті T . Проведемо вісь О через точку, де перети  наються лінії дії сил mg та T (рис. 3). Тоді моменти цих сил обернуться в нуль; отже,  моменти сили N теж обернуться в нуль.  Іншими словами, лінія дії сили N теж проходить через точку О! Легко довести, що tgβ = 1/ 2 , де β = 270 . Таким чином можна легко визначити, що mg N= = mg 1+ tg2 β = 11H cos β Розглянемо рис. 1. Вважатимемо, що переріз стрижня — квадрат із стороною а, де a  l . Спробуємо дати оцінку вигину

стрижня h та визначити максимальну механічну напругу σ0 у стрижні. Вважати мемо, що якби сила mg була прикладена уздовж осі стрижня, то в стрижні виникла б механічна напруга σ0 = mg a2 . Під дією прикладеної сили стрижень вигинається (рис. 4). Зрозуміло, що для достатньо жорсткого стрижня радіус кривизни R буде набагато більшим за l. Нижня частина перерізу стрижня стиснута, верхня — розтягнена, а, так звана, нейтральна лінія, яка проходить серединою стрижня, не змінила своєї довжини, тобто є недоформованою. На рис. 5 показано розподіл сил пружності по перерізу стрижня, у точці О, та еквівалентна цим силам пара сил, де σ a2 σ a2 F = ñåð = max 2 4 (пропонуємо читачу самостійно довести можливість такої заміни). Якщо прирівняти до нуля суму моментів всіх сил відносно точки О, отримаємо: 2 F ⋅ a = mgl , 3 звідкіля 6mgl 6l σmax = 3 = σ0  σ0 a a Відповідно до закону Гука, максимальна величина відносного подовження (на верхній чи нижній поверхнях і стрижневі) складає εmax = σmax / E , де E — модуль Юнга матеріалу. Якщо вважати, що εmax = a / 2R (поміркуйте, чому?), отримаємо: Ea 4 R= . 12mgl Визначаючи радіус кривизни R як однаковий для всіх ділянок стрижня й враховуючи, що R  l , знаходимо: l 2 6mgl 3 h= = Ea 4 2R

O R m Рис. 4

G F 2 3a

Рис. 5

G -F O

Але й це ще не все. Насправді стрижень вигинається не по дузі кола, а складнішою кривою (для її визначення знань із курсу математики за шкільною програмою замало). Значення R, яке ми отримали, правильне лише поблизу точки О, а значення h завищено рівно в півтора рази. І все-таки отримані співвідношення дозволяють, наприклад, за допомогою звичайних дослідів порівняти модулі Юнга різних матеріалів. Настійно радимо читачам самостійно провести всі обчислювання.  І. М. Гельфгат кандидат фізико-математичних наук, м. Харків

Задачник журнала

Пропонуємо нашим читачам самостійно розв`язати задачі Задача №1 ПРОПОНУЄМО ЧИТАЧАМ НАШОГО ЖУРНАЛУ НЕСТАНДАРТНІ ЗАДАЧІ З ФІЗИКИ. СПОДІВАЄМОСЬ, ЩО ЧАС РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАПРОПОНОВАНИХ ЗАДАЧ, НЕ БУДЕ ЗДАВАТИСЯ ВИТРАЧЕНИМ МАРНО

Однорідний стрижень довжиною L стоїть вертикально на рівній горизонтальній поверхні. Через короткочасну дію на верхній кінець стрижня горизонтальної сили стрижень починає падати. Яку швидкість повинен отримати під час поштовху верхній кінець стрижня, для того, щоб нижній під час падіння відірвався від поверхні? Що б це сталося, коли стрижень відхилиться під кутом a = 60o від вертикалі?

Задача №2 Ідеальний одноатомний газ за температури Т0 знаходиться в ємності А. У ємності В, що має набагато більший об’єм, створений вакуум. У перегородці відкривається отвір, який у порівнянні з довжиною вільного пробігу молекул газу, є малим. Які температури встановляться в ємностях, якщо отвір перекрити: а) за невеликий час; в) після перетікання до ємності В половини газу? Зовнішні стінки ємності й перегородка вважаються теплоізолюючими. Їхню теплоємність можна не брати до уваги.

Задача №3 Невелика кулька масою m, що лежить на пласкій горизонтальній поверхні, закріплена трьома однаковими пружинами з жорсткістю k, що розтягнені на величину x. Яка мінімальна енергія знадобиться надати кульці, аби під час її руху всі три пружини по черзі переходили в недеформований стан? За які інтервали часу це буде відбуватися?

120° m 120°

120°

Задача №4 Для лампи-спалаху використали нелінійний конденсатор. Графік залежності напруги U від заряду Q конденсатора зображено на рисунку. Конденсатор заряджають від батареї з U0 = 300 В за допомогою резистора з опором R = 10 кОм. Знайдіть максимальну енергію спалаху. Дайте оцінку максимальній кількості спалахів протягом 1 хв. Початкова мінімальна напруга спалаху U1 = 250 В.

U, B 400 300 200 100 0

0.1

0.2

0.3

0.4 Q, Кл

Задача №5 На токарному верстаті виточили тіло з пласкою основою. Його поставили на дно порожньої ємності й почали наливати в нього воду. Вода під тіло не підтікає. На рисунку побудований графік залежності сили F тиску тіла на дно від висоти h рівня води. Визначте площу основи тіла, його об’єм та густину, користуючись графіком. Зобразить це тіло (приблизно). 

F, H 0.80 0.76 0.72 0.68 0.64 0.60 0

h, см

Олімпіади та турніри

ЗАДАЧІ ВСЕУКРАЇНСЬКОЇ ОЛІМПІАДИ ЮНИХ ФІЗИКІВ ПОЛТАВА. 1995 РІК. ТЕОРЕТИЧНИЙ ТУР ЯКЩО ВАМ ПІД СИЛУ БУДЬ‑ЯКІ ЗАДАЧІ З ВАШОГО ПІДРУЧНИКА, ТО ЧАС ВИПРОБУВАТИ СЕБЕ НА ОЛІМПІАДІ З ФІЗИКИ. СПОДІВАЄМОСЬ, ЩО ЗАПРОПОНОВАНІ ЗАДАЧІ ВСЕУКРАЇНСЬКОЇ ОЛІМПІАДИ ЗНАЙДУТЬ СЕРЕД ЧИТАЧІВ ЗАЦІКАВЛЕНИХ ПРИХИЛЬНИКІВ

8.1 Для того, щоб дріт трамвайної лінії завжди був натягнутим, кінець дроту прикріпили до стовпа так, як це показано на рисунку. Маса вантажу m = 100 кг. Стовп закріплений у бетонному циліндричному колодязі. Знайти сили, які діють на стовп у точках А і В. Висота стовпа Н = 10 м, АВ = 1,5 м.

8.2 Для зважування свинцевого бруска на важільних вагах використовувалися алюмінієві важки. Вирівняні в повітрі ваги помістили у вакуум-камеру, після чого їхня рівновага порушилася. Коли поміняли місцями важки та брусок, рівновага спостерігалася саме у вакуум-камері, а в повітрі вона порушувалася. Наскільки відсотків відрізняється довжина плечей ваг? Густина свинцю rc = 11,3 · 10³ кг ⁄ м³, алюмінію ra = 2,7 · 10³ кг ⁄ м³. Густина повітря дорівнює 1 ⁄ 800 густини води.

8.3 У теплоізольованому калориметрі знаходиться рідина. У калориметр опущено електронагрівач, опір якого R = 2,4 Ом. Температура рідини дорівнює t1 = 10°C. Нагрівачем t = 3 хвилини протікає струм силою I = 5А. Після вимикання струму й встановлення в посудині теплової рівноваги температура рідини стала t2 = 30°C. Потім у посудину долили m = 100 г тієї ж самої рідини. Після встановлення рівноваги температура в посудині стала t3 = 15°C. Після вмикання струму на t = 3 хвилини температура піднялася до t4 = 25°C. Знайти питому теплоємність досліджуваної рідини.

8.4 Визначити показання амперметрів А1, А2, А3 (див. рис), якщо всі резистори мають опір R = 100 Ом, а напруга U = 10 В. Опір амперметрів і з’єдневальних дротів до уваги не брати. R R

R R A2

9.2 Однорідний канат довжиною L розташований вертикально, однак нижчий кінець досягає горизонтальної лінії підлоги. У визначений час кінець каната звільняють, і він падає без перешкод на підлогу. Побудувати графік залежності сили тиску каната на підлогу від часу. Маса одиниці довжини каната r.

10 B

8.5 На дні океану було здійснено підводний вибух. Гідрофон, який був встановлений на кораблі на певній відстані від місця вибуху, зафіксував послідовність з декількох звукових сигналів. Проміжок часу між першим та другим сигналами склав t1 = 1 c, а між першим та третім — t2 = 3 с. На якій відстані від гідрофона відбувся вибух?

9.1 Через стіну, висота якої Н перекинуто мотузку довжиною I. З обох боків стіни звисають однакові кінці, а мотузка знаходиться у рівновазі. У якийсь момент мотузка починає сповзати зі стіни, оскільки порушувалася рівновага. З’ясувати, коли (після абсолютного сповзання й початку вільного падіння центру мас) мотузка торкнеться землі. Тертя мотузки об стіну не брати до уваги.

9.3 Побудувати графік залежності сили, яка діє на тіло маси m, від відстані, на якій воно знаходиться від Землі. Вважати, що тіло рухається від нескінченності до поверхні Землі, а потім до центру Землі шахтою.

9.4 1 кг льоду та 1 кг легкоплавкої речовини, яка не змішується з водою, за температури t = –40°C помістили в теплоізольовану ємність з нагрівачем всередині. Нагрівач виділяє постійну потужність. Залежність температури від часу показано на рисунку. Питома теплоємність льоду сл = 2 · 10³ Дж ⁄ (кг · К), твердої речовини с = 10³ Дж ⁄ (кг · К). Визначити питому теплоту плавлення речовини l та її питому теплоємність с1 в розтопленому вигляді.  t oC 0 -20 -40

T, хв

Олімпіади та турніри

9.5 У скільки разів треба підвищити напругу джерела струму, щоб зменшити втрату на лінії передачі у 100 разів під час передачі на навантаження однієї й тієї ж потужності? Відомо, що в першому випадку спад напруги на лінії складає n = 0,03 від напруги на навантаженні. Тоді, чи треба змінювати опір навантаження?

10.1 Довести, що ККД циклу Карно не залежить від природи робочого тіла, а визначається лише температурами нагрівача й холодильника. Зміни чиєї температури — нагрівача чи холодильника — мають більший вплив на значення ККД циклу Карно. Примітка. Під час адіабатичного процесу залишається постійною ентропія S. Кількість теплоти dQ, яку отримала система за температури Т, дорівнює dQ = TdS, де dS — зміни ентропії системи за таких умов.

10.2 У плаский конденсатор, підключений до батареї з ЕДС E, паралельно пластинам конденсатора вставили аналогічних розмірів невагому заряджену пластину на відстані b від однієї з пластин конденсатора. Знайти силу, яка діє на цю пластинку, якщо її заряд дорівнює q. Площа пластин — S, відстань між пластинами конденсатора — d.

10.3 Знайти вираз для електричного опору металевого відрізка циліндричної форми (довжина l, площа поперечного перерізу S), якщо воно обумовлене розсіюванням електронів металу на домішках. Вважати, що кожний електрон ізотропно розсіюється через однакові проміжки часу t на домішках. Ізотропне розсіювання — розсіювання з однаковою імовірністю виникнення будь-якого напрямку швидкості електрона після розсіювання.

10.4 Космічний апарат об’ємом V = 100 м³ під час зустрічі з метеоритом отримав пробоїну площею S = 10 см². Скільки потрібно часу, щоб тиск повітря в апараті знизився вдвічі, у порівнянні з початковим тиском po = 105 H / м², якщо початкова густина повітря в апараті дорівнює ro = 1,25 кг / м³?

10.5 В містах використання електроенергії протягом доби є нерівномірним. Щоб запасатись енергією, можна вночі накачувати воду до великих резервуарів, а вдень спрямовувати воду на лопатки турбін, швидкість обертання яких можна змінювати. Яким може бути максимальний ККД перетворення потенційної енергії води, яка закачана в резервуари, на електричну енергію?

11.1 Маємо електричне коло (див. рис.), де ключ розімкнутий, а конденсатор не заряджений. Визначити кількість теплоти, яка виділяється на резисторі R2 після замикання ключа. Усі параметри кола відомі.

11.3 Оцінити енергію основного стану осцилятора, користуючись співвідношенням невизначенностей Гейзенберга: ∆x ⋅ ∆p ³ h / 4 , де h = h / 2p, де риска зверху означає середнє значення.

A C

11.2 Якщо взяти шар однорідної речовини товщиною х та площею поперечного перерізу S і підтримувати на кінцях цього шару постійну різницю температур Т – Т ', то за час t крізь шар пройде кількість тепла: T −T ’ St x де l називається теплопровідністю речовини шару. Маємо певний куб, який утворений n-пластинками різної товщини b1, b2…bn та різної теплопровідності l1, l2,… ln відповідно: а) знайти теплопровідність куба уздовж пластинок та в напрямку, перпендикулярному до них; б) знайти, у якому з цих двох напрямків теплопровідність кубів буде більшою; в) проаналізувати отримані результати. Q=l

11.4 Коло змінного струму складається із ідеальних котушок індуктивності L1 = 10 мГн, L2 = 20 мГн, конденсаторів C1 = 10 мФ, С2 = 5 мФ та резистора R = 100 кОм (див. рис.). У замкнутому колі амплітуда сили струму залишається постійною за умови зміни частоти генератора синусоїдального напруження. З’ясувати величину відношення частоти wmax, коли середня активна потужність Рmах, що виділяється в колі, є максимальною щодо різниці частот ∆w = w+- w–, де w+ та w– — частоти, коли активна потужність дорівнює 0,5Рmах.  L1 С1 С2 L2 R

~ 31

Про що замовчує шкільний підручник? Нас оточують дивовижні речі — стільникові телефони, НВЧ-печі, комп’ютери, рідкокристалічні телевізори. У побуті нам допомагають електричні пральні машини, праски, посудомийки, холодильники, кондиціонери. Ми мандруємо автомобілями, літаками, на повітряних кулях, річкових та морських судах. Людина підкорила вогонь, енергію вітру та Сонця, атомне ядро, зазирнула у неосяжні простори космосу. Навчилася будувати мікроскопи й телескопи, прискорювачі елементарних частинок й атомні реактори. І все це завдяки фізиці — науці, яка своїми законами охоплює увесь навколишній світ і є підґрунтям усіх інших природничих наук. Перше знайомство з фізикою у кожного з нас відбувається в школі. Зі сторінок шкільних підручників ми дізнаємось про закони Ньютона, постулати Ейнштейна, правило Ленца тощо. Але світ справжньої науки набагато ширший та різноманітніший за світ шкільної фізики. І відкриється він тим, хто прагне його відкрити для себе. Саме для таких юних фізиків створено цей журнал. З його сторінок ви будете дізнаватися про історію наукових відкриттів у рубриці

«Як це було»; рубрика «Вони створювали фізику» познайомить вас з тими вченими, чиї імена назавжди закарбувалися в історії фізики; ви спостерігатимете, як закони фізики працюють на людей у рубриці «Фізика навколо нас»; відкриєте для себе останні досягнення фізики в рубриці «Новини науки»; разом з нами будете у захваті від пізнавальних і дотепних фактів з рубрики «Наукова мозаїка»; проводитиме цікаві домашні досліди та спостереження з рубрикою «Домашня лабораторія»; розв’язуватимете конкурсні та олімпіадні задачі в рубриках «Задачник журналу» й «Олімпіади та турніри». Як бачите, редакція журналу намагатиметься охопити найширший спектр питань з безграничного Всесвіту під назвою фізика. Ми будемо розповідати вам простою мовою про складні речі, про те, чого немає в шкільних підручниках фізики. Наскільки вдало це вийде — вирішувати вам, нашим читачам. Ми чекаємо від вас листів з пропозиціями та критикою, розв’язками задач та описом проведених домашніх дослідів.  І. Ю. Ненашев, головний редактор