Экспериментальная работа требует концентрации больших
усилий, она не под силу одному человеку и выполняется
в большинстве случаев целыми коллективом научных
работников. Например, для проведения эксперимента с
применением ускорителя, реактора и т.п. требуется
относительно большой штат научных сотрудников.
Поэтому даже при большом желании теоретик не в
состоянии проверить на практике свои теоретические
выводы и предложения.
Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда
практически все отрасли естествознания находились на
подъеме, академик П.Л. Капица с тревогой говорил о
разрыве между теорией и экспериментом, между теорией
и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв
теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с
другой стороны, недостаточно высокое качество
экспериментальных работ, что нарушает гармоническое
развитие науки.
Гармоническое развитие естествознания возможно
тогда, когда теория опирается на достаточно крупную
экспериментальную базу. А это означает, что для
экспериментатора нужна хорошая материальная база:
помещение со всевозможным специальным оборудованием,
большой набор высокочувствительных приборов,
специальные материалы, мастерские и т.п. Темпы
развития естествознания в значительной степени
обусловливаются совершенством такой материальной
базы.
Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики
наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и,
следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта и жизни
характерен не только для естествоиспытателей, но и
для философов, занимающихся философскими проблемами
естествознания. Ярким примером может служить
отношение некоторых философов к кибернетике в конце
40-х — начале 50-х годов, когда в отечественных
философских словарях кибернетика называлась
реакционной лженаукой. Если бы ученые
руководствовались таким определением кибернетики, то,
очевидно, освоение космоса и создание современных
наукоёмких технологий не стало бы реальностью, так
как сложные многофункциональные процессы, вне
зависимости от их области применения, управляются
кибернетическими системами.
Работа крупных ученых-естествоиспыгателей,
внесших большой вклад в развитие современного
естествознания, несомненно проходила в тесной
взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для
развития естествознания на здоровой почве всякое
теоретическое обобщение должно непременно проверяться
на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента
и теории способно поднять на качественно новый
уровень все отрасли естествознания.
Современные методы и технические средства
эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства
современных естественно-научных исследований достигли
высокой степени совершенства. Многие технические
устройства эксперимента основаны на физических
принципах. Но их практическое применение выходит
далеко за рамки физики — о'дной из отраслей
естествознания. Они широко применяются в химии,
биологии и других смежных естественных науках. С
появлением лазерной техники, компьютеров,
спектрометров и другой совершенной техники стали
доступны для экспериментального исследования
неизвестные ранее явления природы и свойства
материальных объектов, стал возможен анализ
быстропроте-кающих физических и химических процессов.
Лазерная техника.
Для экспериментальных исследований многих
физических, химических и биологических процессов
весьма важны три направления развития лазерной
техники:
- разработка лазеров с перестраиваемой длиной
волны излучения;
- создание ультрафиолетовых лазеров;
- сокращение длительности импульса лазерного
излучения до 1 пс (10-12 с) и меньше.
Чем шире спектр излучения лазера, в котором он
может перестраиваться, тем ценнее такой лазер для
исследователя. Среди лазеров с перестраиваемой длиной
волны широко применяются лазеры на красителях. Длина
волн излучения таких лазеров охватывает спектр от
ближней ультрафиолетовой области До ближней
инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко
перестраивается в этом спектре. К настоящему времени
разработаны лазеры, длина волны которых составляет
менее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой
области. К таким лазерам относится, например, криптон-
фторидный лазер.
Разрабатываются лазеры, длительность импульса
излучения которых составляет менее 1 пс. Такие
лазеры, несомненно, позволят определить механизм
физических, химических и биологических процессов,
протекающих с чрезвычайно высокой скоростью.
Трудно перечислить все области применения
лазеров для исследования многообразных химических
процессов. Назовем лишь некоторые из них: в фотохимии
лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем
самым найти способ более эффективно использовать
солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются
изотопы, например, производится очистка изото-пов
урана и плутония; лазерные приборы служат
анализаторами химического состава воздуха; в биологии
лазеры дают возможность изучать живые организмы на
клеточном уровне. Весьма многообразны применения
лазеров в химической кинетике при исследовании
различных процессов, длительность которых составляет
от 10-6 до 10-12 и менее секунд.
Возможности естественно-научных исследований
расширяются с применением лазеров на свободных
электронах. Принцип действия таких лазеров основан на
том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью,
близкой к скорости света, в периодически изменяющемся
магнитном поле в направлении движения электронов
возникает излучение света. Эксперимент показывает,
что лазеры на свободных электронах отличаются высокой
эффективностью перестройки длины волны при большой
мощности излучения в широком диапазоне — от
микроволнового излучения до вакуумного ультрафиолета.
Синхротронные источники излучения.
Синхротроны применяются не только в физике
высоких энергий для исследования механизма
взаимодействия элементарных частиц, но и для
генерации мощного синхротронного излучения с
перестраиваемом длиной волны в коротковолновой
ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра.
Исследование структуры твердых тел определение
расстояния между атомами, изучение строения молекул
органических соединений — успешному решению этих^и
других задач способствует синхротронное излучение.
Экспериментальные методы расшифровки сложных
структур.
Для идентификации и анализа сложных структур,
в частности для анализа сложных молекул, необходимо
управлять химическими процессами и затем определять
состав и структуру продуктов реакций. Предложенные
физиками эффективные методы экспериментальных
исследований макрообъектов на молекулярн дом уровне —
ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия,
масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ,
нейтронография и т.п. — позволяют исследовать состав
и структуру необычайно сложных молекул, что
способствует изучению, например, химической природы
жизненно важных биологических процессов.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
основан на анализе взаимодействия магнитного момента
атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из
важнейших методов в разных отраслях естествознания, в
особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров,
биохимии, медицинской химии и т.п. С помощью метода
ЯМР можно определить, например, химическое окружение
атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как
сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроскопии ЯМР
зависит от возможности создания сильного магнитного
поля, которое можно получить с помощью компактных
сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г.
томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать
картину распределения химических отклонений и
концентрации ядер таких крупных объектов, как тело
человека, что весьма важно при диагностике ряда
заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия позволяет
анализировать спектр излучения вещества, находящегося
в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком,
газообразном. Спектральный анализ - физический метод
качественного и количественного определения состава
вещества по его оптическому спектру излучения. В
качественном спектральном анализе полученный спектр
интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров
элементов и индивидуальных соединений. Содержание
исследуемого вещества при количественном спектральном
анализе определяют по относительной или абсолютной
интенсивности линий или полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и
персонального компьютера возможности оптического
спектрометра значительно расширяются: такой
спектрометр способен обнаружить отдельную молекулу
или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной
флуоресценции можно регистрировать загрязнение
воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество
вначале превращается в газовую фазу, затем газ
конденсируется и ионы ускоряются до заданной
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8