В начале 19-го века религиозные учреждения в Европе переживали не лучшие времена. Научный подход заявлял свои права, и религиозная монополия картины мира трещала по швам. Но были еще области, в которых мистическое начало было буквально фундаментом материи.

Так считалось, что органические соединения – производные жизнедеятельности живых существ, творений высших сил, а следовательно, не могут быть воспроизведены человеком. Эта идея основывалась на принципе витализма — концепции, утверждающей, что живые организмы управляются особой жизненной силой, которая отличает их от неживой материи.

Но вот в 1828 г. Фридрих Велер работал с растворами цианата аммония, в результате чего получил мочевину (карбамид). Это было потрясающим открытием, ведь до этого мочевину получали только из других органических соединений. Впервые это соединение было выделено из отходов жизнедеятельности человека в 1727 году голландским учёным Германом Бурхаве.

В представления 19-го века открытие Велера как-то не укладывалось: мы смешали неорганические вещества, а получили органическое, которое раньше обнаруживали только в продуктах жизнедеятельности живых существ. Это был первый подобный случай в истории и, наверное, с него по-настоящему и началась органическая химия.

Однако благодаря инерционности принятия новых концепций идеи витализма держались еще вплоть до конца 19-го века.

Примечательно, что в год Велеровского открытия родился Александр Николаевич Бутлеров, будущий выдающийся российский химик и отец теории химического строения органических соединений.

#наука #физика #химия #история #мочевина #витализм

Согласно одной байке, в конце 19-го века бульварные газеты не на шутку перепугали просвещенную общественность, опубликовав новость о том, что кольца Сатурна разлетелись во все стороны и не сегодня, так завтра долетят до Земли и всех тут перешибут. А кто не верит, может лично посмотреть в телескоп и убедиться, что обсуждаемая планета никаких признаков окольцованности не проявляет.

Газетчики то ли не знали, то ли нарочно решили не сообщать, что колец Сатурна не видно потому, что они оказались повернуты ребром к наблюдателю на Земле. Но газетчиков можно понять: с такой новостью газеты вряд ли продавались бы бойко.

Тем не менее Сатурн действительно порой прячет от нас свои кольца. Такая взаимная ориентация наших планет бывает чрезвычайно редко. Однако астрономы-любители могут порадоваться, весной 2025 г. как раз ожидается такое событие.

Тем не менее, вероятно, что кольца Сатурна – явление действительно кратковременное. Напомним, что они могли образоваться из разрушенной кометы, астероида или даже луны, которая подошла слишком близко к Сатурну и была разорвана его гравитацией. Возраст колец оценивается в десятки или сотни миллионов лет — это относительно молодой объект по космическим меркам.

Результаты, добытые космическим аппаратом Cassini, показали, что кольца Сатурна медленно «исчезают», осыпаясь на планету в виде «кольцевого дождя». Ультрафиолетовое излучение Солнца и гравитация Сатурна приводят к тому, что частицы из колец попадают в верхние слои атмосферы планеты. Такими темпами вся система колец может исчезнуть через 100 миллионов лет.

Вот тогда провокационные газетные заголовки окажутся уместны. Однако никаких колец нам, землянам не достанется.

#наука #физика #история #сатурн

Недавно с удивлением узнал, что в США практически нет электрифицированных железных дорог. Практически все поезда ездят на дизеле. Интересно представить себе многие километры железной дороги без привычных нам линий сверху. Для сравнения в России электрифицирована половина всех ж/д дорог, а в Индии – свыше 90%.

Казалось затраты дизеля на то, чтобы тянуть огромный товарный состав, должны быть просто гигантскими. На деле большую роль играет поверхность, по которой этот состав тянуть предлагается.

Коэффициент трения между шинами и сухим асфальтом, в среднем (очень среднем), равен 0,7. Для стального колеса поезда и металлической рельсы эта величина меньше во много десятков раз и равна 0.1 и ниже.

Другой важный параметр – коэффициент сопротивления качению показывает, насколько тяжело перекатывать колесо по той или иной поверхности. Для автотранспорта он равен примерно 0,005. Для поезда – около 0,0001.

Учтем еще и аэродинамику: какой бы длины ни была наша фура, будь она даже автопоездом, ей не сравниться по своей протяженности с поездом железнодорожным. Каждый следующий за локомотивом вагон не будет испытывать большого аэродинамического сопротивления. Поэтому, чем длиннее состав, тем больше выигрыш по данному параметру. Для автотранспорта около половины всех энергетических потерь приходятся на аэродинамику, для поезда – около 15%.

Представим себе, что мы везем 100 т груза на пяти грузовиках на расстояние 1000 км и параллельно отправляем один поезд с тем же грузом на то же расстояние.

Оценим расход одного грузовика как 35 л дизеля на 100 км и получим 1750 л на весь наш караван. Товарному поезду нужно от 4 л дизеля на 100 км на каждую тонну грузу, что дает нам 400 л на весь путь.

Получается действительно выгодно. Но как бы ни были замечательны поезда, а капиллярная доставка грузов всё равно будет за автотранспортом.

#наука #физика #железнаядорога #поезд

Пока в качестве атомов антивещества стабильно удается получать только антиводород. А может это и к лучшему?

Мы уже упоминали, что частица и античастица могут родиться одновременно в результате взаимодействия высокоэнергетического гамма-кванта с электромагнитным полем ядра. Этот процесс называется рождением пары.

Но самое интересное, что при столкновении частицы и античастицы происходит обратный процесс: обе частицы исчезнут в «ослепительной» вспышечке света, ну т.е. с образованием двух гамма-квантов, разлетающихся в противоположные стороны.

Этот процесс назвали аннигиляцией. Одними из первых аннигиляцию наблюдали для электрона и позитрона всё в том же 1933 г. знакомые нам французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.

И, возможно, это самый наглядный процесс, демонстрирующий работу самой знаменитой формулы в мире, незабвенной Е = mc^2. Действительно, у нас были объекты: электрон и позитрон, пускай с маленькой, но массой, а получились гамма-кванты, объекты с нулевой массой, несущие большую энергию.

Нет, не так. БОЛЬШУЮ энергию. Если мы аннигилируем один грамм электронов с одним граммом позитронов, то выделится примерно 180 триллионов Дж энергии.

Это столько же энергии, сколько выделится при взрыве 43000 тонн тротила. Этот тротил будет весить примерно, как 250 синих китов. Или это столько же энергии, сколько выделится при сжигании 2-3 олимпийских бассейнов, заполненных бензином.

По-моему впечатляет: 250 китов тротила или моря бензина на одной чаше весов и пара грамм электронов с позитронами на другой.

А, ну и если где встретим свою копию из антивещества, то не спешим с обнимашками.

#физика #наука #химия #энергия #антивещество

Итак, если у нас есть антиэлектрон (позитрон), то может есть и антипротон, т.е. протон с отрицательным зарядом?

И действительно есть. Он был открыт в 1955 г. с применением ускорителя протонов американскими физиками Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом. За что последние были удостоены Нобелевской премии несколько лет спустя.

А что насчет нейтрона? Нейтрон же без заряда. Есть у него античастица? Оказывается есть. Отличается она знаком своего магнитного момента.

Примерно с середины 20-го века, с развитием ускорителей античастицы поперли, как грибы после дождя. И, ох, до чего соблазнительной стала идея о том, что вдруг из этих античастиц можно составить атом? Это же будет натуральное антивещество.

В 60-70-х годах на ускорителях элементарных частиц в СССР (группа Юрия Дмитриевича Прокошкина) и США (группа Леона Ледермана) наблюдали образование антиядер антидейтерия (антипротон + антинейтрон), антитрития (антипротон + два антинейтрона) и антигелия-3 (два антипротона + антинейтрон).

Возбужденные атомы антиводорода наблюдали в конце 20-го века. Но нам-то охота «спокойных» антиатомов, чтобы самим их повозбуждать и поизучать.

Впервые их удалось получить в начале нулевых годов в ЦЕРНе. Берем протоны, разгоняем их до околосветовых скоростей на синхротроне и направляем в металлическую фольгу. В результате столкновения получаем разные новые частицы в том числе антипротоны.

Собираем и фокусируем свеженькие антипротоны электромагнитными линзами и направляем в замедлитель. Там ошалелые антипротоны подуспокоятся и их скорость упадет до 0,1 скорости света.

Тем временем наготове у нас лежат радиоактивные материалы, любезно снабжающие нас позитронами, которые мы тоже собираем в пучок.

Всё готово, самое время нарушить главное правило охотников за привидениями и скрестить лучи, ну т.е. пучки антипротонов и позитронов. За один эксперимент получается несколько тысяч атомов антиводорода, самые низкоэнергетические из которых нужно захватить в магнитную ловушку для дальнейших исследований.

В результате в магнитной ловушке оказываются десятки, а порой всего единицы атомов антиводорода. На первый взгляд даже немного забавно, что это уже большое достижение цивилизационного проекта.

#наука #физика #химия #энергия #антивещество

В начале-середине 20-го века ученые по всему свету вовсю предсказывали и обнаруживали (или не обнаруживали) всякие элементарные частицы. Не отставал от тренда и английский физик-теоретик Поль Дирак, который в 1928 г. вывел уравнение имени себя. Уравнение описывало движение электрона, но было применимо и для других элементарных частиц.

Ковыряя свое уравнение, Дирак обнаруживает, что теоретически не исключено существование одной хитрой частицы. Свойства у этой частицы должны быть такими же как у электрона, вот только заряд должен быть не отрицательным, а положительным.

Научное сообщество идею Дирака восприняло прохладно, потому что никаких положительных электронов никто никогда и близко не наблюдал. Порешили, что просто математика чудит.

На помощь пришел американский физик Карл Андерсон, который в 1932 г. взял, да и обнаружил этот «антиэлектрон». На тот момент было известно, как электрон движется в магнитном поле. Вооружившись этим знанием Андерсон, решил посмотреть, а как повлияет магнитное поле на движение частиц космических лучей.

И вот обнаружилось, что среди множества частиц встречаются такие, которые двигаются в магнитном поле так, как двигался бы электрон с положительным зарядом. Андерсон назвал частицу «позитроном», а всем остальным пришлось признать, что уравнение Дирака работает как надо.

Неожиданно разобраться с новой частицей посчастливилось французским физикам Ирен и Фредерику Жолио-Кюри (а также независимо от них и английскому физику Патрику Блэкетту). В в 1933 г. им удалось подсмотреть, как она появляется на свет.

Они наблюдали за гамма-квантами от радиоактивного источника. Когда объект их наблюдения попадал в электромагнитное поле ядра атома некоторого вещества могло произойти удивительное событие: сам гамма-квант исчезал, а вместо него, как черти из табакерки, появлялись электрон и позитрон. Этот процесс назвали рождением пары.

В дальнейшем были найдены и другие механизмы образования позитронов. Но именно тогда в науку и фантастику начало проползать понятие загадочного и пугающего «антивещества».

#наука #физика #химия #энергия #позитрон

В прошлый раз мы упомянули проблемы хранения водорода, пожаловались на то, как много места он занимает, да еще норовит пролезть в стенки баллона.

А вот последним обстоятельством можно было бы воспользоваться. Раз уж водород всюду лезет, то и будем хранить его в адсорбированном состоянии. Правда для физической адсорбции нам тоже не помешает пониженная температура (хотя и не настолько низкая, как в случае с водородом жидким).

Проблема здесь состоит в том, что водород, держащийся на поверхности некоторой подложки за счет Ван-дер-Ваальсовых сил (а именно они работают при физосорбции), сидит на этой самой поверхности монослоем. Т.е. как только одна молекула водорода села на поверхность, другая сверху уже не сядет.

По этой причине у материала адсорбента должна быть высокая удельная поверхность. Хорошо для этого годятся металлорганические каркасы или цеолиты.

Цеолиты способны наадсорбировать около 0,5 масс. % водорода при комнатной температуре и до 1,5-2% – при пониженной. У металлорганических каркасов показатели повыше: до 1 масс. % при комнатной температуре и 4,5-5% при жидком азоте.

Оригинальным физическим методом хранения водорода является хранение водорода в стеклянных микросферах. Представьте себе целую гору малюсеньких сфер размерами в единицы и десятки микрометров и толщиной стенки не более 1 мкм.

Эту груда «елочных шариков» под давлением «напитывается» водородом, а потом при нагреве способна весь свой поглощенный водород отдать. А отдать микросферы могут довольно много: около 15 кг водорода на кубический метр сфер.

Вот только работать с хрупкими стеклянными сферами в промышленных условиях, да еще транспортировать их – большая проблема. И здесь чуда не случилось. «Будем искать».

#физика #наука #химия #водород #энергия

Радиоактивность – процесс сложный. Там тебе и альфа, бета, гамма-излучение, и деление ядра. А сегодня мы поговорим еще и про испускание запаздывающих протонов и нейтронов.

Чтобы получился нейтрон, сначала должен пройти процесс отрицательного бета-распада. Отрицательного – не в смысле нигилистического, просто испускаться будет электрон.

Испустившее электрон ядро пребывает в «стрессе», ну т.е. в возбужденном состоянии.
Некоторые из таких стрессующих ядер, вероятно, решив для себя, что побег электрона они терпеть не в состоянии, отправляют за ним вдогонку еще и нейтрон.

Испускание нейтрона всегда следует за испусканием бета-частицы, потому он и зовется запаздывающим. На этом ядро подуспокаивается.

Несмотря на свое немного обидное прозвище такой нейтрон еще может отметиться в дальнейшем, наткнуться на другое ядро и запустить цепную реакцию деления.

Похожая ситуация возникает при положительном бета-распаде, когда испускается позитрон. За ним по тому же принципу последует запаздывающий протон.

Однако радиоактивное ядро способно на штуки и позаковырестей. Советский физик Виталий Гольданский в 1960 г. предсказал двухпротонную радиоактивность, при которой ядро испускает сразу два протона.
Происходит это в ядрах с четным числом протонов. В некоторых случаях ядру бывает проще сбросить сразу пару спаренных протонов, чем эту пару разлучать. Такое вот together forever.

Такую радиоактивность наблюдали почти полвека спустя для изотопа железа – 45Fe.

А самое забавное, что раз у нас есть один механизм радиоактивности, другой механизм радиоактивности, значит недурной идеей будет предположить, что они могут быть совмещены. И в самом деле природа припасла для нас еще и запаздывающую двухпротонную радиоактивность.

#физика #наука #радиация #излучение #атом

Мы как-то говорили о том, что водород довольно энергоемкий. При сжигании 1 г водорода выделяется 142 кДж энергии, при сжигании 1 г бензина – около 45-47 кДж. Но это при пересчете на массу. А вот с объемом всё совсем не так радужно.

Водород – очень легкий и занимает ОЧЕНЬ много места. При обычных условиях 1 кг водорода занимает чуть больше 11 кубометров. Это целая газель с высокой крышей.

Если мы загоним водород в баллон под 200 атм, то он займет чуть больше, чем 56 л. Истратив 1 л водорода из такого баллона, мы получим около 4 МДж энергии. Сравните с 1 л бензина, который дает свыше 30 МДж, да и в баллоны никакие его закачивать не надо.

Пойдем дальше и водород наш охладим, переведем его в жидкое состояние. Тогда из одного литра мы сможем получить уже около 9 МДж энергии.

Вот только беда, на само охлаждение будет расходоваться не меньше половины всей выигранной энергии (а то и почти вся).

Также стоит сказать, что маленький и юркий водород норовит из баллона сбежать. Так протечки бывают даже в криогенных баллонах из высококачественной стали.

Бедные стальные баллоны, заполненные водородом, рискуют заработать себе водородную коррозию. Водород "пробурившийся" в стенку баллона, начинает выискивать карбиды и восстанавливать их, образуя метан. Результатом этого безобразия становится образование трещины в стенке. Поэтому для водородных баллонов сталь лучше выбирать низкоуглеродистую.

Какая уж тут водородная энергетика будущего? Безрадостная что-то складывается ситуация. Или может дело поправимо и надо только докрутить технологию?

#наука #физика #химия #экология #водород #энергия

Перенесемся на 4 млрд лет назад. Тогда наше Солнце еще не было таким жгучим и палило примерно на треть-четверть слабее, чем сейчас. В таком случае наша прекрасная голубая планета должна была бы быть покрыта льдом.

Подождите-подождите, но 4 млрд лет назад у нас был архейский период, когда было тепло, а в очень даже мокрых и совсем не замерзших морях зарождалась жизнь.

Что же это? Шах и мат, аметисты?
Действительно выглядит как нестыковка, которая даже получила собственное название – «парадокс слабого молодого Солнца».

Объяснений у этой заковыки два.
Первое: предполагается, что в то время на планете как никогда активно действовали вулканы, снабжая атмосферу своими вулканическими газами: метаном и углекислым газом.

Это приводило к тому, что пускай тепла от Солнца было меньше, но задерживалось оно в атмосфере лучше. Поблагодарим, парниковый эффект за наше счастливое детство.

Вторая причина состоит в том, что соленость океанов в то время была выше, предположительно до полутора раз. А это не только понижает температуру замерзания воды, но и влияет на ее циркуляцию, что позволяет, например, более равномерно распределять теплые потоки.

А теперь заглянем также далеко вперед.

Исходя из оценок о том, что светимость Солнца возрастает на 1% каждые 100 млн лет, можно ожидать, что через 3 млрд лет оно станет на треть ярче. Средняя температура при этом станет градусов 60, не меньше. И что же тогда?

Море вздуется бурливо,
Закипит, подымет вой,
Хлынет на берег пустой?

Да, берег к тому времени будет именно, что пустой. По крайней мере от нас.

Но вообще и берега как такового не будет. Уже через 1-1,2 млрд лет вся вода на планете диссоциирует под воздействием ультрафиолетового излучения. Безрадостная картина!

Конечно, на таких временных масштабах это только оценки и предположения, но все равно возникает чувство, что надо бы побольше ценить, что именно сейчас проживаем мы самое цветение своей планеты.

#химия #физика #наука #солнце