Фотография одинокого атома, получившая первое место в конкурсе научной фотографии
Фотография единственного атома в электрическом поле была удостоена высшей награды в конкурсе научной фотографии.
Автор фото «Одинокий атом в ионной ловушке» («Single Atom in an Ion Trap») — студент Оскфорда Дэвид Надлингер.
На фото запечатлён атом в виде крошечной точки света между двумя электродами, расположенными на расстоянии 2 мм. друг от друга.
Точка света — это один положительно заряженный атом стронция. Он удерживается практически неподвижным при помощи электрических полей, исходящих от металлических электродов вокруг него.
При освещении лазером нужного сине-фиолетового цвета, атом поглощает и излучает частицы так, что обычная камера может поймать свечение при длительной выдержке.
Сама фотография сделана через окно вакуумной камеры.
«Идея увидеть одиночный атом, как некий мост между крошечным квантовым миром и нашей макроскопической реальностью, поразила меня, — говорит Дэвид. — Расчёты были на моей стороне, и когда я отправился в лабораторию с камерой и штативами в одно спокойное воскресенье, моей наградой стала эта фотография бледно-голубой точки».
Фото сделано 7 августа 2017 года с использованием камеры Canon 5D Mark II DSLR, линзой Canon EF 50mm f/1.8, удлинительными кольцами, а также двумя вспышками с гелем.
мы захуячили фотографию атома, которая отображается на нескольких пикселях твоего монитора, которые состоят из атомов, чтобы ты смотрел на атом, пока смотришь на атомы
"Несмотря на то, что одним из девизов экспериментального центра является безопасность испытаний, высокоэнергетические шары, образец которых находится в левой части камеры, могут привести и регулярно приводят к таким невосполнимым увечьям, как полная аннигиляция."
напомнило (Pale Blue Dot, Земля с расстояния 6 миллиардов километров)
Атомы уже давно "фотографируют" сканирующими туннельными микроскопами, вот например кремний:
"атом гораздо больше, чем я думал" ))
С 14 февраля тебя, одинокий атом.
Выложить, что ли, свое фото и назвать "куча одиноких атомов"?
Вот заморочился, мог бы просто реферат из интернета скачать.
Фотография одинокого атома. Прям песня: "Белеет там атом такой одинокий на фоне электро полей"
@DenisBirkin, не понятно. Там находится один атом стронция или кусок стронция? Или, типа отражение света "полнит" атом?) Если расстояние между электродами 2 мм- то там что то слишком большое для атома. Обьясните, я не понимаю.
по аналогии с "Pale blue dot". И там и там по пикселю, но аж за душу берет за успехи цивилизации.
Где этот, ебучий, атом?
Фото сделано 7 августа 2017 года с использованием камеры Canon 5D Mark II DSLR, линзой Canon EF 50mm f/1.8, удлинительными кольцами, а также двумя вспышками с гелем.
"Canon 5D Mark II DSLR, линзой Canon EF 50mm f/1.8"
У меня диссонанс
Дэвид Нэдлингер помимо прочего ещё и активный разработчик языка программирования D. Блин, пока одни студенты бухают, другие пишут языки программирования и фоткают атомы.
Иногда чувствую себя одиноким атомом в ионной ловушке.
При величине зазора в 2 мм атом великоват. Или это свечение увеличило его размеры?
Мне кажется или он крупноват
Сколько увеличение то
Этот атом так же одинок, как и я на 14 февраля.
Наконец фотография, отражающая всю боль.
Че за гель такой чудодейственный в последней строке упоминается?
А как же атомы летучих веществ в воздухе?
Плоская земля всё ближе.
одинокий атом на карнизе за окном, смотрит на меня, стучится в дом.
Положительно заряженный атом это ион
Я думал, атомы куда меньше раз в 1000
В след году выложат фото кварка))
Так это была реклама Canon. Так бы сразу и сказали.
Уже ближе к энергии будущего.
Не мог не добавить! Ах тыж бля, уже есть! И даже в том же месте! Ебать у меня есть клон наверное!
битый пиксель прекрасен.
Я здесь совсем одиииин.
Ох жеж, и каждый из нас состоит из мириадов таких точек.
Это битый пиксель
Вы так и не поняли! Этот атом одинок, его одиночеством пронизано все фото, здесь тоска показана этого атома!
Слышал, что ученые создают сообщество для одиноких атомов, где с ними будут работать психологи.
Просто грязь на объективе
Странно, "атом" видно, но не видно кристаллической решётки метала. Хуйня какая то.
если это расстояние целых 2 миллиметра, то свет лазера его полнит.
атом, прекращай жрать на ночь
Да. У нас в университете, на кафедре физики, можно было из научной деятельности только ремонтом приборов заниматься. Если, правда, провода и паяльник свои принес. И трансформатор! Да. без трансформатора делать было нечего - без него никак не отремонтировать.
Бред, а проще вброс.
И потом пыль такая дома: "Мааам , паааап, я была в телевизоре!"
Строго говоря, это не фотография атома. Размер точки примерно 0,05 мм, что на 6-7 порядков превышает размер собственное атома.
И "положительно заряженный атом" прям глаз режет, хоть в оригинале так и написано.
Фотография твоей зарплаты в сравнении с зарплатой сына маминой подруги
Какой же это атом, пусть даже стронция, 219 · 10 − 12 (минус 12 степени), а там 2мм.
пиздоболия, какая то, нет?при таких его размерах я его в лупу увижу, разве это атом?
Так, пацаны, делаем ваши ставки, когда будет сделана фотография протона? Электрона? Кварка? Фотография фотона?Когда, в конце концов, можно будет наблюдать инсталляцию "Венера выходит из квантовой пены"?
Пффф, атом, попробовали бы они нормально свадьбу у нас в Копейске снять. Когда весь Копейск празднует День города. За такое Орден Мужества давать можно.
А ядро атома это вселенная, в которой так же как и в нашей вселенной множество галактик и т.д.
Если между электродами 2 мм., то этот атом нихрена себе огромный!
Разве что в таких случаях профессию фотографа можно назвать профессией)
«Вымершая» галапагосская черепаха найдена живой
Найдена единственная гигантская галапагосская черепаха с острова Фернандина — вид, который считался вымершим в течение 100 лет. Самка Chelonoidis phantasticus — вторая черепаха, когда-либо обнаруженная на острове , после единственного самца, который был пойман в 1906 году. Исследователи также обнаружили черепаховые фекалии на необитаемом и труднодоступном острове. «Мы надеемся, что на острове есть еще пара таких черепах», — говорит эволюционный геномист Стивен Гогран, который подтвердил совпадение с музейным экземпляром мужского пола. — Но, скорее всего, их не очень много.
Сказ о том, как Пётр картошкой и табаком прорубал окно в Европу
Царь Пётр построил столицу на болоте? Первый пригласили иностранных инженеров? Рубил мужикам бороды? Был огромного роста?
Спикер: Ксения Чепикова — dr.phil., историк, популяризатор, автор книг «Человек, научивший мир читать», «Продюсер Коперника», «Наука ненависти», а также ряда публикаций по истории науки, образования, книгопечатания, картографии.
Доклад прозвучал 9 апреля 2022 года на форуме «Ученые против мифов: Пробуждение Пингвохотепа»
Гибель летучих мышей от ветряков наносит вред сельскому хозяйству
Гибель многочисленных рукокрылых, столкнувшихся с лопастями ветряков, может иметь долгосрочные последствия для биоразнообразия животных в сельской местности. Это, в свою очередь, способно оказать негативное влияние на сельское и лесное хозяйство.
До сих пор ученые только предполагали, что гибель многочисленных рыжих вечерниц (Nyctalus noctula) от лопастей ветрогенераторов может иметь негативные экологические последствия. Теперь появились точные данные: изучив рацион летучих мышей, авторы новой работы оценили степень влияния этих скромных зверьков на всю экосистему в сельской местности в Германии.
Исследователи проанализировали содержимое желудков 17 рыжих вечерниц, найденных под ветрогенераторами: используя ПЦР-амплификацию и высокопроизводительное секвенирование, ученые искали генетические «следы» насекомых, съеденных летучими мышами перед смертью.
Поскольку в мышином желудке пища быстро переваривается, такой способ идентификации жертв намного надежнее «классического» визуального, когда специалист по сохранившимся фрагментам хитина устанавливает видовую принадлежность насекомого.
Всего определили 46 видов насекомых, в большинстве своем это были жуки и бабочки, обитающие как на полях, так и в лесу или даже на болоте. Около 20 процентов выявленных видов насекомых считаются вредителями сельского и лесного хозяйств: например, одна личинка желудевой плодожорки (Cydia splendana) может повредить до четырех желудей, а каштановый долгоносик (Curculio elephas) часто обнаруживается в плодах каштана, уже поступивших в продажу
Отдельно стоит отметить их распространенность в рационе вечерниц: так, долгоносика нашли в 18% изученных желудков, соснового коконопряда (Dendrolimus pini) — в 24%, а короткоусого усача (Spondylis buprestoides), одного из наиболее распространенных вредителей хвойных посадок — в 41%.
Иными словами, насекомые-вредители не случайные, но вполне обычные компоненты диеты рукокрылых, и исчезновение летучих мышей может привести к росту числа вредителей, что придется компенсировать химическими инсектицидами. Обеспечивая человечество зеленой энергией, ветряки, в свою очередь, лишают нас бесплатных «услуг» летучих мышей по контролю численности вредных насекомых.
Как показали подсчеты, более десяти летучих мышей в год умирают на каждом ветрогенераторе. Учитывая, что на материковой части Германии функционируют около 300 тысяч ветряков, число погибших рукокрылых может достигать миллионов. В качестве мер борьбы с этим уже вводят временное отключение ветряков на период наибольшей активности летучих мышей, что может снизить число скончавшихся зверьков до одного-двух в год.
К сожалению, отключаемые ветряки все еще не стали массовыми, а старые модели составляют около 75% от всех немецких ветряков. Это означает примерно 200 тысяч погибших мышей в год, что, учитывая медленные темпы размножения вечерниц, может привести некогда многочисленный вид на порог вымирания.
Исследование опубликовано в журнале Conservation Science and Practice.
Правда ли, что пить во время еды вредно для пищеварения?
Есть популярное мнение, что запивать пищу нельзя, так как это плохо влияет на пищеварение. Мы решили проверить, есть ли у такого утверждения научные обоснования.
(Спойлер для ЛЛ: нет)
1. "Разбавление" желудочного сока
Один из основных аргументов тех, кто считает, что пить во время еды вредно, — утверждение, что жидкость разбавляет желудочный сок, снижает кислотность и мешает перевариванию пищи. Популяризации этого мнения способствовал в том числе американский натуропат Герберт Шелтон, основоположник раздельного питания. О том, что такая диета на самом деле не помогает похудеть, а сам Шелтон не имел ни лицензии врача, ни медицинского образования, мы уже писали. Вот и в вопросе с водой он основывался только на своём личном мнении: не существует ни одного более-менее убедительного научного исследования, которое бы это подтверждало.
Есть эксперименты, которые теорию опровергают. В одном из них приняли участие 126 человек, каждому из которых предстояла операция на желудке. Их разделили на две группы: одним операцию проводили натощак, другие выпили перед ней около 300 мл жидкости. В итоге показатель кислотно-щелочного баланса у всех был в норме, разница между группами была на уровне статистической погрешности.
Кроме того, совершенно неважно, что пить: воду, чай, сок, кофе — ни один из этих напитков существенно не влияет на кислотность. И потом, если бы концентрацию кислоты в желудке было так просто снизить, фармацевтические компании не заработали бы миллиарды на лекарствах от изжоги (она появляется, если желудочный сок попадает в пищевод). Для избавления от неё достаточно было бы выпить стакан воды :)
2. Выведение пищи из желудка
Ещё один аргумент противников запивания — жидкость способствует быстрому выведению пищи из желудка, из-за чего она не успевает полностью перевариться, организм недополучает питательные вещества, а куски непереваренной пищи попадают в кишечник и приводят к несварению. Но и это лишь миф. На самом деле жидкость выводится из желудка в течение 10–15 минут, тогда как процесс переваривания твёрдой пищи может занимать около четырех часов.
Получается, четыре часа нельзя пить? Нет, учёные доказали, что жидкость никак не влияет на скорость выведения твёрдой еды из желудка. Скорее наоборот: из-за пищи она сама задерживается несколько дольше, чем обычно.
3. Вредны только холодные/горячие напитки
Температура напитков не оказывает существенного влияния на пищеварение, так как каким бы холодным напиток ни был, он может понизить температуру в желудке лишь на очень короткое время, уже через 5 минут она снова восстановится до обычной, более 30 градусов. (Ой, не занудствуйте только про жидкий гелий и аналогичные вещества. Речь об обычных напитках в допустимом для человеческого организма диапазоне)
Как мы уже выяснили, пища переваривается около 4 часов, так что изменение температуры на несколько минут никак не может повлиять на этот процесс. Потенциально повредить скорее могут слишком горячие напитки — есть исследование, что они увеличивают риск развития рака пищевода.
Огурцы и листья салата состоят из воды на 96%, помидоры — на 94%, баклажаны — на 92%, морковь — на 87%. При пережёвывании жидкость отделяется от твёрдой части и поступает в желудок — по сути, в этот момент мы едим воду. Но никто тем не менее не утверждает, что эти продукты отрицательно влияют на пищеварение. Нет никаких статей и о вреде супов, а ведь это буквально «твёрдые» продукты, залитые жидкостью.
Не только учёные, но и практикующие врачи придерживаются мнения, что ничего страшного в запивании еды нет.
Доктор медицинских наук из Флориды Майкл Пикко считает, что это даже улучшает пищеварение: вода помогает расщеплять пищу, организм получает питательные вещества быстрее и проще.
Диетолог Тамара Дюкер Фройман утверждает, что наш желудок способен выработать любое количество кислоты, необходимое для переваривания, так что «разбавить» желудочный сок невозможно.
Врач-педиатр Евгений Комаровский говорит, что если во время еды хочется пить — нужно пить. Возможно, таким образом организм подаёт сигналы, что он обезвожен, тогда жидкость пойдёт только на пользу.
Специалисты Роспотребнадзора считают, что вред от питья во время еды — миф. При этом они отмечают, что стоит воздержаться от запивания непосредственно в процессе пережёвывания пищи, так как для правильного пищеварения она должна хорошо пропитаться слюной.
Таким образом, нет никаких научных подтверждений, что пить во время еды вредно. Напротив, многочисленные разнообразные исследования учёных разных стран свидетельствуют, что вода — или любая другая жидкость — никак не может помешать перевариванию пищи. Исследователи и врачи в этом вопросе солидарны: если хочется пить — можно пить совершенно спокойно, ничего страшного в этом нет.
Наш вердикт: неправда
Ещё нас можно читать в Телеграме, в Фейсбуке и в Вконтакте
В сообществах отсутствуют спам, реклама и пропаганда чего-либо (за исключением здравого смысла).
Почитать по теме:
Научный подход
Двухступенчатые алмазные наковальни, или как достичь давления в девять миллионов атмосфер
Ученые давно научились подвергать материалы статическим давлениям, сравнимым с давлением в центре Земли, и долгое время в этой области не было дальнейшего прогресса. Теперь достигнутое в лабораториях давление сравнилось с недрами ледяных гигантов — Урана и Нептуна. Рассказываем, каким образом физикам удалось сделать следующий шаг.
Есть особый вид физических исследований, которым присущ почти спортивный азарт, — гонка за «самым-самым». Самые низкие и самые высокие температуры, достигнутые в лаборатории, самое сильное магнитное поле и самые высокие энергии частиц, самый высокий вакуум и самое высокое давление. Погоня за рекордами по каждой из этих величин приносила и продолжает приносить множество результатов — как открытий, связанных с поведением материи в экстремальных условиях, так и технических инноваций.
В этой статье мы расскажем о новом достижении в экспериментальном изучении высоких давлений и о том, как после полувекового «застоя» был сделан следующий шаг.
Высокое давление преображает материю
В физике высокое давление определяется именно так: оно меняет сами свойства и поведение вещества. Поэтому его диапазон начинается с многих тысяч атмосфер. Сначала при повышении давления начинают происходить фазовые переходы: обычные кристаллические структуры сменяются более плотными, причем чем прочнее кристаллическая решетка, тем позднее они начинаются. Водяной лед подвергается изменениям при двух с небольшим тысячах атмосфер, а кварц — при 30 тысячах.
Зависимость состояния воды от давления и температуры (фазвая диаграмма). По вертикали — давление (1 МПа = 10 атмосфер), по горизонтали — температура. Оттенками синего отмечены модификации льда, оранжевыми линиями — точки одинаковой плотности жидкой воды / © hmong.ru
Затем воздействие распространяется на химические связи. Бензол переходит в полимерную форму при 300 тысячах атмосфер, а при 1,4 миллиона атмосфер то же самое происходит со славящимся своей инертностью азотом. Высокое давление повышает скорость реакций, и, если что-то может с чем-то прореагировать, под достаточно высоким давлением оно это сделает. Это как с электричеством: не бывает плохих проводников, бывают недостаточно высокие напряжения.
При еще более высоких давлениях, начиная с нескольких миллионов атмосфер, химические свойства элементов, определяющие состав их соединений в обычных условиях, уступают дорогу только одному стремлению — упаковать оказавшиеся под давлением атомы как можно плотнее. В привычной среде натрий может соединяться только с одним атомом хлора, образуя каменную соль NaCl, а при миллионах атмосфер это железное правило из школьных учебников химии существенно размягчается — и образуются немыслимые соединения NaCl3 и Na3Cl.
Трансформации в химическом связывании в субгалогенидах натрия при повышении давления. Слева направо: структуры металлического натрия и поваренной соли, существующих отдельно при обычном давлении, поэтапное вхождение хлора в структуру натрия, образование связей между атомами хлора. Синие кружки – атомы натрия, зеленые – хлора. / © pubs.rsc.org
При миллионах и миллиардах атмосфер энергия сжатия, выражающаяся в виде произведения давления на объем, превосходит энергию не только химических связей, но и связи собственных электронов атомов с ядром. Электроны «перестают чувствовать» связь с атомами и делокализуются, и при достаточно высоком давлении любые химические элементы и их сочетания рано или поздно обретают металлическую электропроводность. У гелия этот переход, согласно теоретическим расчетам, наступает при 330 миллионах атмосфер, поэтому даже в недрах Юпитера он все еще не проводит электрический ток.
Физика высоких давлений нередко приносит не те результаты, на которые изначально надеялись исследователи. Металлический водород, один из «священных граалей» в этой области, при обычном давлении оказывается неустойчив. Но попытки его получить привели к множеству других интересных открытий. Оказалось, под высоким давлением в состав химических соединений может входить гораздо больше водорода, чем это позволено валентностью. Некоторые из них — как, предположительно, и сам металлический водород — обладают высокотемпературной сверхпроводимостью.
К примеру, лантан в обычных условиях, в полном соответствии с его химическими свойствами, соединяется только с тремя атомами водорода, образуя гидрид LaH3, но под давлением число атомов водорода может дойти до десяти. При 1,5 миллиона атмосфер супергидрид лантана LaH10 становится сверхпроводником при температурах от минус 23 до плюс семи градусов Цельсия. По сравнению с минус 170 до минус 110 градусов у более традиционных купратов эта температура почти комнатная. Не исключено, что какой-нибудь из супергидридов окажется достаточно метастабилен, чтобы его можно было использовать для хранения водорода, а какой-нибудь другой — для практического применения высокотемпературной сверхпроводимости.
Согласно теоретическим расчетам, сам металлический водород распадается при снижении давления до 100 тысяч атмосфер, но если для какого-нибудь из его сверхпроводящих сплавов эту цифру удастся понизить в десять раз и поместить сплав в углеродные нанотрубки (которые могут сдавливать свое содержимое до 400 тысяч атмосфер при облучении электронным пучком), то, возможно, из них удастся делать провода.
Эксперименты под высоким давлением позволили объяснить и недостаток ксенона в атмосферах Земли и других планет. Оказывается, под давлением ксенон способен замещать кремний в кварце, и, вероятно, он крепко связан с горными породами в глубине земной мантии и со льдами высокого давления в недрах Урана и Нептуна.
Создание высоких давлений
В физике часто бывает, что при увеличении физической величины сложность ее достижения возрастает неравномерно. Сначала пригодны многие технические решения, а дальше все зависит от технологических прорывов и изобретений: совершенствование предыдущей технологии борется за проценты, а следующая позволяет скакнуть на порядок величины.
Давление в десять атмосфер может создать каждый — достаточно просто очень сильно надавить пальцем или налечь на автомобильный насос. Сотня атмосфер тоже не представляет трудности — таково давление в баллоне с аргоном для сварки. Давление в тысячу атмосфер набирается при замерзании воды в замкнутом объеме. Десять тысяч атмосфер — давление более, чем серьезное: столько выдержит не каждая сталь, и толщина стенок, удерживающих рабочий объем, оказывается намного больше его собственного размера. И все же такое давление по силе вполне обычному гидравлическому прессу и хорошей стальной пресс-форме.
Дальнейшего повышения давления сталь и обычные конструкционные материалы не выдерживают. Для ста тысяч атмосфер требуются наковальни специальной формы из сверхтвердых материалов, и еще пол-порядка величины можно «выжать» с помощью многоступенчатых наковален, за изобретение которых Перси Бриджмен в 1946 году получил Нобелевскую премию. Это монструозные конструкции, в недрах которых даже разглядеть рабочий объем сложновато, а измерить что-нибудь внутри него – тем более. Внешние поршни делаются стальными, а внутренние, контактирующие с образцом — из карбида вольфрама или других сверхтвердых промышленных материалов. Рекорд давления, полученного Бриджменом, составил 0,4 миллиона атмосфер.
Сдавливающий аппарат двухступенчатого пресса. Образец помещается между маленькими кубами из сверхтвердого материала в центре изображения / © highpressure.ethz.ch
В первой половине двадцатого века исследователям могло показаться, что следующий шаг по достижению высоких давлений будет сделан нескоро. Но впереди был прорыв.
Алмазные наковальни
Чтобы добиться максимально возможного давления, наковальни нужно делать из самого твердого из известных материалов. Очевидным решением являлся алмаз, уже использовавшийся в промышленности с 19 века, но технические алмазы, которые не жалко, для этой цели не годны. В наковальнях требуется алмаз ювелирного качества, да еще и ограненный специальным образом. И все-таки, другого выбора не было и нет. Поняв, что остальные известные сверхтвердые технологические материалы не дадут существенного преимущества в сравнении с карбидом вольфрама, ученые наконец обратили на алмаз внимание, и наука высоких давлений сделала огромный шаг вперед.
Конструкция ячейки высокого давления с алмазными наковальнями элегантна, проста и позволяет удивительно многое. Их схема повторяет одноступенчатую наковальню Бриджмена: два кристалла алмаза, ограненных в виде усеченного конуса, устанавливают плоскими вершинами друг напротив друга. Между плоскостями ставят плоское уплотнительное кольцо, не дающее содержимому выдавиться наружу, а внутрь помещают образец и наполнитель, который преобразует осевое давление во всестороннее сжатие, подобно гидравлическому маслу.
Схема ячейки с алмазными наковальнями и фотография центральной части ячейки. Гаскет – уплотнительная прокладка из рениевой фольги. Микрокристалл рубина используется в качестве датчика давления (длина волны флуоресценции рубина зависит от давления) / © wikipedia.org
Как и в обычных гидравлических устройствах, уплотнитель не должен лопнуть под давлением, а наполнитель не должен взаимодействовать с содержимым. Последнее — особенно трудное условие: обычные рабочие среды, такие как гидравлическое масло, внутри алмазной наковальни затвердевают, распадаются на другие соединения или реагируют с образцом, а чаще – и то, и другое, и третье одновременно. Роль силиконовых колечек в алмазной наковальне играет фольга из металла рения, а гидравлического масла — благородные газы.
С помощью алмазной наковальни нетрудно получить давление в пару-тройку миллионов атмосфер, но на этом их преимущества не заканчиваются. Бесценным свойством алмаза является прозрачность во многих диапазонах электромагнитного излучения, включая рентгеновский. Прозрачность в оптике позволяет поместить наковальню под микроскоп и буквально вживую наблюдать, например, как кристаллизуется и металлизируется кислород. Она же позволяет нагревать рабочий объем лазером, и благодаря тугоплавкости алмаза, которая с ростом давления только возрастает, в алмазной наковальне можно нагревать образцы до 5000оС – почти температуры ядра Земли и поверхности Солнца. Прозрачность в рентгене, немыслимая для стальных наковален, позволяет «прямо на месте» изучать кристаллические структуры методом рентгеновской дифракции.
Кроме того, алмазные наковальни компактны. Размер рабочих граней обычно составляет десятки микрометров, и прикладываемое усилие имеет порядок сотни килограмм-сил. Это усилие не требует гидравлических прессов, и наковальни можно подставлять под источники синхротронного излучения или помещать внутрь криогенных камер. Воистину чудесное устройство, которое помещается на ладони и позволяет воссоздать температуру и давление центра Земли!
Первая изготовленная ячейка с алмазными наковальнями и современная компактная ячейка (разобранная) / © wikipedia.org / Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
Использование самого твердого материала из известных открывает прямую дорогу к пределу давления, достижимого в лабораториях, но сам этот предел преодолеть очень трудно. Для одноступенчатых алмазных наковален он составляет около 4 миллионов атмосфер. Сколь совершенным не был бы кристалл алмаза, при дальнейшем повышении нагрузки он раскалывается. Но при этом алмаз не показывает никаких признаков перехода в более плотную модификацию, который мог бы окончательно похоронить надежды на дальнейшие рекорды. Даже сжимаясь на десятки процентов, алмаз все еще остается алмазом — если удастся предотвратить раскол, из него можно было бы «выжать» еще чуть-чуть.
Двухступенчатые алмазные наковальни — первая попытка
Исследователи давно заметили, что алмазы в наковальнях, как и в руках умелого ювелира, раскалываются только вдоль некоторых граней (кристаллографических плоскостей). Поэтому они решили уйти от монокристаллов в сторону противоположной крайности — нанокристаллического алмаза. По своей структуре это вещество является чем-то средним между аморфным стеклоуглеродом и настоящим алмазом. На масштабе нанометровых кристаллитов оно имеет алмазную структуру, которая придает ему почти алмазную прочность. На больших масштабах кристаллиты расположены беспорядочно, что предотвращает рост трещин. Наметившийся разрыв, распространяясь, натыкается на область с неподходящей ориентацией и останавливается, не успев стать настоящей трещиной.
Двухступенчатая ячейка с алмазными наковальнями, использовавшаяся для демонстрации устойчивости кристаллической структуры осмия при 7,7 миллионах атмосфер. Серым цветом показан рениевый уплотнитель. Образец – маленькая красная точка на вершине полусферы из нанокристаллического алмаза. / © Elena Bykova/University of Bayreuth
Но из нанокристаллического алмаза нельзя делать всю наковальню. Как и в жизни, в материалах действует принцип «где тонко, там и рвется». Ювелирные алмазы совершенны — в них просто нет дефектов, концентрирующих напряжения, и каждый атом в структуре держит нагрузку наравне со всеми остальными — «один за всех и все за одного». В большом нанокристаллическом алмазе обязательно найдется неудачное сочетание кристаллитов, которое поддастся первым и разрушит весь алмаз. Поэтому наковальни с ним делают двухступенчатыми — обычная алмазная наковальня сжимает микроскопические полусферы из нанокристаллического алмаза, установленные вершинами друг к другу. В достаточно маленькой полусфере может не найтись неудачных сочетаний соседних кристаллитов, и они выдерживают. Кроме того, статическое давление в объеме вокруг полусфер снижает раскалывающее напряжение, поддерживая их со всех сторон. Таким образом было получено давление 7,7 миллионов атмосфер — вдвое больше, чем в центре Земли!
И вот мы, наконец, подошли к теме, ради которой и был написан этот текст.
Двухступенчатые алмазные наковальни – усовершенствование конструкции
Авторы нынешней работы, под руководством Леонида Дубровинского из Байройтского университета, занимаются разработкой двухступенчатых алмазных наковален уже несколько лет. Они усовершенствовали конструкцию и достигли давления в 9 миллионов атмосфер. Эта величина оставляет давление в центре Земли далеко позади и сравнима с давлением в ядрах ледяных гигантов – Урана и Нептуна. Оригинальная статья с описанием конструкции и результатами ее применения находится в открытом доступе в журнале Nature.
Секретом достижения нового рекорда стала специальная форма рабочих поверхностей первой ступени наковальни. Ученые придали им форму с валиком по краю и выступом с плоской поверхностью в центре, которая поднимается над валиком. После этого на центральный выступ каждого алмаза они поместили по нанокристаллической алмазной микросфере и установили получившиеся наковальни друг напротив друга, проложив рениевой фольгой с отверстием для образца.
Профиль рабочей поверхности первой ступени двухступенчатой ячейки (слева сверху), изображение изготовленной наковальни (в центре – площадка для установки микросферы) и общая схема изготовленной двухступенчатой алмазной наковальни. Все размеры приведены в микрометрах. / © nature.com
Читатель может заметить, что эту форму невозможно создать с помощью огранки: в ней присутствуют вогнутые и плавно искривленные поверхности. Вместо огранки при создании наковален ученые воспользовались «фрезеровкой» сфокусированным ионным пучком, который позволяет проводить тончайшую обработку сколь угодно твердого и неподатливого материала. Энергия удара тяжелых ионов об обрабатываемую поверхность превосходит энергию любой химической связи и с легкостью выбивает атомы с поверхности алмаза.
При сжатии такой конструкции, которую ученые назвали тороидальной двухступенчатой ячейкой с алмазными наковальнями, происходит следующее. Сначала внешние кольцеобразные выступы расплющивают фольгу, и она герметизирует общий объем наковальни. Затем края отверстия в фольге сходятся внутрь и герметизируют маленький объем между полусферами, заодно оказывая на них статическое давление и снимая раскалывающее напряжение. При дальнейшем сдавливании замкнутый объем с образцом испытывает на себе комбинированный эффект: к нескольким миллионам атмосфер, составляющим разницу между вершинами полусфер и их боковыми поверхностями, добавляется еще сравнимое давление за счет сдавливания этих боковых поверхностей рениевой фольгой. Как и в обычных алмазных наковальнях, нагрев образца осуществлялся лазером, а исследование — с помощью дифракции пропущенного через рабочий объем пучка рентгеновского излучения.
Давление рассчитывалось на основе степени сжатия кристаллической решетки рения, параметры которой определяются с помощью рентгеновской дифракции, и в максимуме достигло 9,2 миллионов атмосфер. Это в два с половиной раза превосходит давление в центре Земли!
Распределение давления в двухступенчатой ячейке с алмазными наковальнями во время рекордного эксперимента. По оси Х – расстояние по горизонтали в микрометрах от центра ячейки, по Y – давление в гигапаскалях (1 ГПа = 10 тысяч атмосфер) / © nature.com
Поставив этот рекорд, исследователи тут же воспользовались достижением и изучили превращения нитридов рения под сверхвысоким давлением. Согласно предыдущим теоретическим расчетам, при сравнительно невысоком давлении в один миллион атмосфер в системе «рений — азот» существуют соединения Re3N, Re2N, ReN2 и довольно немыслимый в обычных обстоятельствах ReN10. При 7,3 миллионах атмосфер к ним добавляется ReN, а ReN10 дестабилизируется. Структура с составом Re7N3, существование которой предсказано теоретическими расчетами, поначалу является очень неустойчивой, но стабилизируется при давлении выше приблизительно 8,5 миллионов атмосфер. Анализ дифракционной картины показал, что при самом сильном сжатии образовалась именно она, что подтверждает правильность теоретических расчетов и достижение рекордного давления.
Профессора Леонид и Наталья Дубовинские в байройтском университете. На заднем плане – монитор, демонстрирующий достижение давления более 10 миллионов атмосфер на небольших участках алмаза в одной из тестовых двухступенчатых алмазных наковален / © phys.org
Напоследок надо отметить, что авторы статьи относятся к приведенным цифрам с осторожностью. Без сомнения, предыдущий рекорд побит, однако точное определение давления в достигнутом диапазоне является отдельной сложной задачей. Как подчеркивают сами авторы, при давлениях выше нескольких миллионов атмосфер изменения в химии и физике материалов становятся радикальными. Это — одновременно и главный интерес в таких экспериментах, и главная сложность, из-за которой становится трудно разобраться с результатами эксперимента. В обычных алмазных наковальнях для измерений используется флуоресценция микрокристаллов рубина, зависимость длины волны которой от давления хорошо известна. Но в двухступенчатых наковальнях на флуоресценцию рубина полагаться уже нельзя, и давление приходится рассчитывать по менее универсальным признакам. Обычно ученые сначала рассчитывают зависимость кристаллографических параметров присутствующих в ячейке материалов от давления, и сопоставляют измеренные величины с предсказанными. Но эти расчеты делаются на основе данных, полученных при более низких давлениях, и потому обладают заметными погрешностями.
Ученые предсказывали, что повышение давления выше нескольких миллионов атмосфер вызывает образование ранее неизвестных экзотических кристаллических структур и сопровождается глубочайшими изменениями в химии и физике материалов.
Тем не менее, появление техники изготовления двухступенчатых алмазных наковален позволяет надеяться, что скоро исследования поведения вещества при статических давлениях порядка одного терапаскаля (десяти миллионов атмосфер) перестанут быть чем-то экстраординарным, и нас ждет множество открытий ранее неизвестных структур и явлений.
Послесловие
Возможно ли преодолеть и этот предел, в 9,2 миллиона атмосфер? С помощью алмаза – вряд ли. При десяти миллионах атмосфер плотность всех веществ — даже чемпионов по несжимаемости, алмаза и осмия – увеличивается в разы. Давление, превышающее достигнутое еще всего в пару-тройку раз, сомнёт и их кристаллические структуры как гидравлический пресс – карточные домики. Все вещества при нем переходят в модификации сверхвысокого давления, которые моментально распадаются при его снятии. Эксперименты при импульсном создании сверхвысокого давления не полагаются на прочность материалов, но чтобы шагнуть за последний предел прочности алмаза в статических экспериментах, наковальни придется делать из того, чего при обычном давлении вообще не существует.
Как это можно реализовать? А вот как: поместить в камеру обычной алмазной наковальни образец и заготовки для второй ступени. Создать минимальное давление, при котором материал второй ступени устойчив. Вырастить кристаллы этой модификации, собрать из них наковальню второй ступени, установить в нее образец и не потерять его на каком-нибудь из предыдущих этапов — все это внутри замкнутого рабочего объема, не снимая давления!! – и наконец, нарастить давление до требуемого. Поскольку это выглядит полной фантастикой, наверное, первый эксперимент под статическим давлением в сто миллионов атмосфер будет устроен совсем по-другому — так, как мы еще не можем себе представить. Впрочем, в эпоху Бриджмена то же самое думали и про миллионы атмосфер.
"ЧТО ТАКОЕ РЕНТГЕН И ЧЕМ ОН ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ЗИВЕРТА" или "ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИИ"
Мы уже рассказывали о том, что такое радиация в принципе (см. мою первую статью здесь же). Теперь так же коротко и очень понятным языком обсудим единицы её измерения. Надо сказать, вопрос этот не слишком сложный, но, тем не менее, иногда здесь происходит некоторая путаница.
Начнём с того, что для измерения активности радиоактивных материалов в системе СИ используется такая единица как беккерель (Бк). Фактически это дело показывает то, сколько распадов в секунду происходит в данном веществе за 1 с. Поэтому 1 Бк = 1 с^-1. То есть, речь идёт именно о процессах "внутри" радионуклида, а не об информации о "радиации вокруг" него. Внесистемная единица измерения активности – кюри (Ки). 1 Ки = 3,7 * 10^7 Бк.
Теперь непосредственно о самой радиации. Существует такое понятие как экспозиционная доза. По сути, она просто характеризует способность фотонного (гамма) излучения ионизировать окружающий воздух и представляет собой отношение суммарного заряда ионов, образованных в результате действия излучения, к массе воздуха, на который это действие оказывалось. Соответственно единица измерения экспозиционной дозы – кулон на килограмм (кл/кг). Внесистемная единица измерения – это тот самый рентген (Р). 1 Р = 2,58*10^-4 кл/кг. Мощность экспозиционной дозы измеряется в амперах на килограмм (А/кг) или в рентгенах в секунду (Р/с). На практике, впрочем, часто используют рентгены в час (Р/ч). А мощность – она и есть мощность. Её значение даёт понять, "насколько сильное" гамма-излучение присутствует в данном месте, "сколько рентген воздействует на объект за секунду или за час".
Также существует понятие поглощённой дозы. Это – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. Чтобы было понятно, скажем так. Если экспозиционная доза скорее характеризует само по себе излучение (только гамма), то поглощённая – показывает именно "количество" действия излучения (какого-нибудь) на что-либо, "сколько радиации здесь подействовало на объект". Формулировки, разумеется, мягко говоря, некорректные, но весьма наглядные и понятные. В системе СИ данная величина измеряется в греях (Гр). Один грей равен одному джоулю (энергии) на килограмм (вещества) (Дж/кг). Кроме того, есть несистемная единица под название "рад", равная 0,01 Гр. Фактически именно поглощённая доза является основополагающей в дозиметрии. Она показывает именно действие энергии на вещество и применима к радиоактивному излучению любого вида. В общем и целом, в большинстве случаев можно считать, что "100 рентген гамма-излучения равны 100 радам или 1 грею". То есть, в среднем, объект, помещённый в среду, в которой наблюдается мощность гамма-излучения 100 Р/ч, за час получит дозу в 1 грей. А за 2 часа, как несложно догадаться – 2 грея. Хотя на самом деле там всё будет зависеть от конкретной энергии конкретных частиц. Но в среднем – примерно как-то так.
Теперь самое интересное. Дело в том, что разные виды излучения (альфа, бета, гамма. ) по-разному воздействуют на живые организмы. Ранее мы уже отмечали, что альфа-излучение может быть гораздо опаснее, чем бета (другой вопрос, что оно должно ещё как-то "попасть в организм", а для него это сложнее). Поэтому для оценки биологического эффекта облучения организма была придумана эквивалентная доза излучения, измеряемая в зивертах (Зв). Она равна поглощённой (организмом или его частью) дозе, умноженной на так называемый взвешивающий коэффициент данного вида излучения. То есть, величину энергии, полученной организмом или его частью, просто умножают на коэффициент, который у каждого вида излучения свой. Для гамма-излучения он равен 1. Следовательно, в этом (и самом распространённом) случае эквивалентная доза (в Зв) будет численно равна поглощённой (в Гр). Есть и внесистемная единица измерения эквивалентной дозы: бэр (биологический эквивалент рентгена), который равен 0,01 Зв. Таким образом, если человек пробыл 3 часа в местности, мощность экспозиционной дозы в которой составляет 30 Р/ч, то поглощённая им доза излучения примерно такова: 3 * 30 = 90 (рад) = 0,9 (Гр), что в эквиваленте равно 90 (бэр) или 0,9 (Зв).
Для бета-частиц и рентгеновского излучения взвешивающий коэффициент также равен 1.
Для протонного принимается равным 2.
Для альфа-частиц и осколков деления атомов – 20.
Что касается нейтронного излучения, то оно сильно различается по энергии этих самых нейтронов, и здесь коэффициент может быть от 2 до 21.
Получается, что 1 час воздействия альфа-излучения на организм как бы соответствует целым 20 часам воздействия гамма-излучения.
Вообще говоря, учитывая, что для "обычной" радиации (гамма) все три величины численно примерно равны, в дозиметрах часто показывается не мощность экспозиционной дозы в Р/ч, а именно мощность эквивалентной в Зв/ч (на самом деле - обычно в микрозивертах). Кстати говоря, в среднем по Земле естественное её значение составляет около 0,20 мкЗв/ч (20 мкР/ч). Нормой считается излучение до 0,30 мкЗв/ч, хотя по факту абсолютно безопасно для человеческого организма и постоянное пребывание в местности с 0,50 мкЗв/ч.
Всё? Нет, не всё. Излучение ещё и по-разному может действовать на различные ткани и органы организма. Например, глаза могут быть более чувствительны, чем кожа. Для оценки действия излучения на конкретные "места организма" используется ещё один коэффициент, на который умножается суммарная эквивалентная доза облучения организма. Полученная величина называется эффективной дозой и измеряется в тех же единицах, что и эквивалентная. Например, для желудка и лёгких коэффициент равен 0,12, для кожи – 0,01.
Какие конкретно эквивалентные дозы излучения приводят к развитию лучевой болезни? Это тема для отдельного разговора. Если совсем вкратце, то за довольно короткий промежуток времени человек должен успеть получить дозу 100 Р = 1 рад = 1 Гр = 100 бэр = 1 Зв (для гамма-излучения). Да, да, вероятно, именно поэтому знаменитый бар в "Сталкере" был назван именно так.
Автор: Сергей Смолин.
"ЧТО ТАКОЕ РАДИАЦИЯ" и "КАКАЯ ОНА БЫВАЕТ"
Краткая и понятная справка для самых маленьких.
В сети (и не только) иногда попадаются люди, которые не знают даже самых простых вещей про радиацию. Специально для них объясняем. Да, очень вкратце. Да, НЕ совсем научно, а, может быть, даже и НЕ совсем точно, и вообще наивно и по-детски. Но зато очень просто и ясно. А если кому-то нужно больше и правильнее – пожалуйте в Гугл.
Сначала на всякий случай напоминаем. Как известно, вещества состоят из атомов, а атомы состоят из трёх видов частиц: протонов (положительно заряженные частицы), нейтронов (нейтральные частицы), электронов (отрицательно заряженные частицы). Из протонов и нейтронов сделано ядро атома. И тех, и других называют ещё нуклонами. А электроны (которые намного меньше по массе) роятся вокруг этого ядра по специальным "орбитам" (орбиталям). Этот "рой" (облако) электронов нас сейчас не интересует. Все самые захватывающие процессы происходят в ядре.
Собственно все элементы различаются лишь числом протонов и нейтронов. То есть, золото отличается от свинца всего лишь количеством этих частиц, и не более того. Например, в атоме "обычного" водорода – 1 протон и ни одного нейтрона. А в атоме, к примеру, "обычного" железа - 26 протонов и 30 нейтронов (если я сейчас ничего не путаю, впрочем, смысл ясен). Есть, однако, и "необычные" атомы. Например, (при том же числе протонов) нейтронов в атоме может быть больше, чем в большинстве "сородичей". В качестве примера приведём так называемый дейтерий – водород, в котором таки есть не только 1 протон, но и 1 нейтрон. Такие "вариации" называются изотопами. Так, дейтерий – это один из изотопов водорода.
Все эти нуклоны держатся (обычно) вместе и никуда на разлетаются. На это у них есть веские причины, называемые ядерными силами, из-за которых нуклоны притягиваются друг к другу. Строго говоря, само это явление рассматривается уже не в ядерной физике, а в физике элементарных частиц, в общем, просто поверьте, что оно есть. Помимо ядерных сил на нуклоны действуют некоторые другие силы, например, кулоновские силы отталкивания. У "обычных" стабильных изотопов притяжение нуклонов пересиливает всё остальное. И ничего интересного с такими ядрами не происходит. Однако, при некоторых условиях, например, если нейтронов получается "больше, чем нужно", или при некоторых других, могут начать происходить весьма любопытные явления. Именно это и отличает радиоактивные изотопы элементов от не радиоактивных.
Одним из таких любопытных явлений является альфа-распад. При альфа-распаде из ядра атома вылетают – кто бы мог подумать! – так называемые альфа-частицы. Они представляют собой два протона и два нейтрона (то, есть, по сути, это ядра гелия). Соответственно, в ядре остаётся меньшее число нуклонов, и данный атом становится уже атомом другого элемента. Альфа-частицы не могут улететь далеко от покинутого ядра, их пробег в воздухе составляет несколько сантиметров, а в какой-нибудь там алюминий они могут проникнуть только на доли миллиметра, не говоря уже о чём-то более плотном. Альфа-частицы притягивают к себе часть электронов из окружающей среды, чтобы стать "полноценными" атомами гелия. Соответственно, при контакте с ними соседние атомы вещества часть своих электронов теряют и становятся так называемыми ионами. Ввиду маленькой проникающей способности, альфа-излучение в подавляющем большинстве случаев не представляет опасности для человека и прочих зверюшек, так как эти частицы не способны преодолеть даже верхний омертвевший слой кожи (даже если смогут на неё попасть сквозь окружающий воздух). Однако, вещества, в которых происходит альфа-распад, могут быть чрезвычайно опасны при попадании внутрь организма. Кстати говоря, радиоактивные вещества, попав в организм, могут весьма и весьма надолго там задержаться (а некоторые прям очень надолго), то есть, воздействие получится не только гораздо более сильным, но ещё и долгим (и вот это уже относится к изотопам с любым видам распада, а не только с альфа). Именно поэтому при нахождении в некоторых опасных зонах следует пользоваться защитной одеждой и противогазом.
Второе интересное явление, касающееся предмета нашего рассмотрения – бета-распад. Здесь процесс немного более сложный. Существует такая вещь как слабое взаимодействие (тут опять физика элементарных частиц). И вот это взаимодействие при бета-распаде превращает один из нейтронов атома в протон (или наоборот). При этом, в соответствии с определёнными законами, в ядре также "образуются" две частицы. В зависимости от вида бета-распада (отрицательный или положительный), это могут быть либо электрон и антинейтрино, либо позитрон и нейтрино. "Нейтрины" оставим в покое, нам они сейчас не нужны. А вот такие вылетающие из ядер электроны/позитроны – это и есть бета-частицы. Они способны ионизировать чьи-либо атомы, вызывать химические реакции и вообще делать всякие разные вещи. Их проникающая способность – на порядок больше, чем у альфа-частиц. Пробег в воздухе может исчисляться метрами. Эти малыши вполне способны проникать в кожу человека. Вещества с бета-распадом так же очень опасны при попадании вовнутрь (хотя действие бета-частиц на организм всё-таки намного слабее, чем альфа).
Третье явление. Да, правильно. Гамма-излучение. Если альфа- и бета- частицы – это "прямые" продукты того или иного распада, то с гамма-частицами всё иначе. Грубо говоря, это "побочный продукт", образующийся при каких-либо процессах. При тех же распадах, при ядерных реакциях и некоторых других. Представьте, что вы берёте мандарин и делите его на дольки. Помимо собственно долек, у вас в руках останутся ещё кусочки цедры. Вот так и тут. Пример очень примитивный и вообще некорректный, но зато ясный. Гамма-частицы представляют собой фотоны. Да, те самые, из которых состоит, в частности, видимое световое излучение (свет), но только с другими "параметрами". Гамма-частицы обладают очень высокой проникающей способностью и могут преодолевать, скажем, пятисантиметровый слой свинца. Взаимодействие с веществом может быть различным – ионизация, ядерный фотоэффект ("выбивание" из ядра атома нуклонов) и прочее. По опасности для живых организмов гамма-частицы примерно эквивалентны бета, однако, как уже было сказано, проникают в вещества несоизмеримо глубже. Обычно, говоря о радиации как об опасном факторе, подразумевают именно гамма-излучение. Хотя этим словом можно назвать любое из перечисляемых здесь излучений.
Нейтронное излучение. Как несложно догадаться, это поток нейтронов. Фактически наблюдается не "само по себе", а только при ядерных реакциях (в реакторах или при тех самых ядерных взрывах). Вылетающие нейтроны различаются по своей энергии. В отличие от вышеперечисленных частиц, нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов и лучше поглощаются не тяжёлыми (плотными), а лёгкими атомами, скажем, бором. Так называемые "быстрые" нейтроны (с более высокой энергией) поглощаются вообще плохо, однако, могут быть "замедленны" с помощью, к примеру, водородосодержащих материалов (той же воды). Нейтроны могут "цепляться" к ядрам окружающих веществ, в результате чего эти ядра становятся радиоактивными и начинают сами испускать те или иные частицы (наведённая радиоактивность).
Существует также экзотическое протонное излучение и некоторые другие, но их рассмотрение уже выходит за рамки этого разговора.