Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

Рис. 26. Бассейны с хаотично плавающими людьми (А) и людьми, плавающими по кругу (Б)

Каким же образом происходит самоорганизация движения молекул? Считается, что это происходит в результате того, что в хаотическом движении молекул могут случайно возникать «микроупорядоченности». Большая их часть оказывается бесполезной и быстро разрушается. Однако если движение случайно сложившейся группы молекул оказывается более выгодным, то к этой группе начинают присоединяться другие молекулы. Упорядоченный процесс разрастается и в конце концов захватывает всю систему.

Для того чтобы быть самоорганизующимися, физические структуры должны постоянно поглощать и выделять, т. е. пропускать через себя, большое количество энергии. Такие структуры называют диссипативными (от «диссипация» – рассеивание), потому что они поглощают и рассеивают энергию. В следующем параграфе мы рассмотрим устройство лазеров – одной из используемых в практике диссипативных систем.

1. Сравните изолированные и открытые системы. Какие из них более распространены в природе?

2. Приведите пример системы, через которую проходит поток вещества и энергии.

3. Дайте определение стационарного состояния открытой системы.

4. Чем отличается движение воды в горном потоке от её течения в равнинной реке?

5. Используя рисунок 25, объясните, как происходит образование ячеек Бенара.

6. Что такое диссипативные структуры?

Используя материал параграфа, организуйте и проведите работу по получению ячеек Бенара. Сфотографируйте или снимите на видео результат вашего эксперимента.

§ 14 Лазеры как неравновесные самоорганизующиеся системы

Хлынов указал на светящуюся прямую, как игла, нить. Она шла сверху от развалин по направлению заводов Анилиновой компании. Путь её обозначался вспыхивающими листочками, горящими клубками птиц. Теперь она светилась ярко, – большой отрезок её перерезывал чёрную стену сосен.

– Она опускается! – крикнул Вольф. И не окончил. Оба поняли, что это была за нить. В оцепенении они могли следить только за её направлением. Первый удар луча пришёлся по заводской трубе, – она заколебалась, надломилась посредине и упала. Но это было очень далеко, и звук падения не был слышен.

Почти сейчас же влево от трубы поднялся столб пара над крышей длинного здания, порозовел, перемешался с чёрным дымом. Ещё левее стоял пятиэтажный корпус. Внезапно все окна его погасли. Сверху вниз, по всему фасаду, побежал огненный зигзаг, ещё и ещё… Хлынов закричал, как заяц… Здание осело, рухнуло, его костяк закутался облаками дыма.

Типичным примером системы, поглощающей и рассеивающей большое количество энергии и способной в результате этого к самоорганизации, служат лазеры – устройства, широко используемые в самых различных областях человеческой деятельности. Само слово «лазер» образовано в результате сокращения его английского названия light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света посредством вынужденного излучения. Другое название лазера – оптический квантовый генератор. Рассмотрим в общих чертах принцип его устройства. Для этого вспомним, что говорилось ранее о природе света. Квант света (фотон) испускается атомом в том случае, когда электрон переходит с верхней орбиты, обладающей высокой энергией, на нижнюю, энергия которой меньше. От разницы между энергиями верхней и нижней орбит зависит энергия фотона, которая проявляется в частоте излучения. Если систему «накачивать» электрической, химической или какой-либо другой энергией, электроны в атомах будут переходить на более высокие орбиты, а затем, спускаясь обратно, излучать кванты света.

В лазерах используют расположенные друг против друга зеркала, которые заставляют свет двигаться строго вдоль оси трубки. Световые волны принуждают возбуждённые атомы к монохроматическому излучению (от греч. «моно» – один и «хрома» – цвет).

Лазерное излучение обладает ещё одной важной особенностью. Посмотрим на рисунок (рис. 27). Все лучи света, направление которых не перпендикулярно плоскости зеркал, довольно быстро покидают активную среду лазера. Поэтому синхронизованное излучение испускается только в одном направлении в виде тонкого луча, в котором сконцентрирована вся световая энергия, генерируемая лазером. Понятно, что мощность такого излучения огромна. Некоторые лазеры испускают энергию не непрерывно, а в виде чрезвычайно коротких импульсов, длительность которых может быть меньше, чем 10-15 с, т. е. миллионной миллиардной доли секунды.

Рис. 27. Схема устройства и работы лазера

Сосредоточение всей энергии в таком коротком импульсе многократно увеличивает его мощность.

Работу лазера можно пояснить с помощью такой аналогии. Представьте себе большой зал, заполненный людьми, некое подобие дискотеки, только без музыки. Присутствующие пришли потанцевать, но так как никакой внешний ритм не задаётся, то каждый топает и подпрыгивает, как ему вздумается. Вдруг несколько человек, находящихся в разных концах зала, находят удачный, как им кажется, ритм и начинают поддерживать его с помощью ног или голоса. Ближайшие соседи этот ритм подхватывают, и образуется несколько групп, танцующих каждая в своём ритме. Но раздающиеся одновременно ритмы сбивают, и вот уже какая-то группа меняет свой ритм на ритм соседей. Он становится более мощным, чем остальные, и постепенно все присутствующие вовлекаются в этот ритм, и он один начинает греметь и господствовать по всему залу.

Мощное монохроматическое излучение лазера открывает широчайшие перспективы для своего использования в науке, промышленности, бытовой технике, медицине и других сферах человеческой деятельности. С помощью лазерного луча можно, например, точно измерить расстояние между двумя объектами. Приборы для измерения таких расстояний называют лазерными дальномерами. Они посылают короткие лазерные импульсы в сторону интересующего нас объекта. Дойдя до него, излучение отражается и возвращается назад. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, и зная точное значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Таким способом было определено точное расстояние от Земли до Луны. Во время полётов на Луну на её поверхности были установлены специальные отражатели. С Земли при помощи телескопа посылали сфокусированный лазерный луч и измеряли время, которое он затрачивает на путь до лунной поверхности и обратно. Благодаря такому исследованию параметры орбиты Луны стали известны с точностью до нескольких сантиметров.

С самого начала создания лазеров возникла мысль о возможности их применения в военных целях. Помимо собственно поражающего действия лазера, его можно использовать для точного наведения оружия на цель. Если маленький лазер прикрепить к стволу пистолета или винтовки, его луч высветит крохотное пятнышко на цели. Стрелок видит это пятнышко и понимает, куда именно направлен его ствол. Иногда лазерный луч используют для того, чтобы ввести противника в заблуждение. Луч, нацеленный на танк или самолёт, создаёт у противника впечатление, что на него направлено высокоточное оружие, и заставляет его отступить.

Широко распространено использование лазеров в промышленности, где их излучение используют для резки и закалки материалов, нанесения на них всякого рода покрытий и напылений, а также для разметки и гравировки.

Рис. 28. Лазеры в медицине

В медицине с помощью лазеров проводят сложные хирургические операции (рис. 28).

Например, тонкий луч аргонового лазера свободно проходит через прозрачное стекловидное тело глаза и оказывает воздействие непосредственно на его светочувствительную оболочку – сетчатку. Это позволяет проводить внутриглазные операции, требующие особой точности.

Самыми распространёнными устройствами, в которых используется лазерное излучение, являются компакт-диски для записи текстов, музыки и изображений (рис. 29).

Рис. 29. Компакт-диск

Первые диски появились в середине 80-х гг. прошлого века и получили название CD-ROM. Их информационная ёмкость по тем временам казалась огромной, но вскоре, когда возникла потребность в записи видеофильмов и больших игровых программ, они стали вытесняться дисками DVD, которые могут хранить значительно большее количество информации.

Принцип устройства лазерного диска можно в общих чертах описать так. На диске имеются дорожки, содержащие микроскопические выступы и углубления. Углубления называются питами (от англ. pit – ямка, впадина). Закодированная на диске информация определяется чередованием питов и промежутков между ними. Можно придать питу значение 0, а промежутку – значение 1 и получить информацию, закодированную в виде чисел двоичной системы. А мы знаем, что с помощью двоичного кода можно сохранить любое количество информации, не важно, будет она текстовой, звуковой или рисуночной. При считывании информации лазерный луч направляется на поверхность вращающегося компакт-диска, а отражённый свет попадает в принимающее устройство, где вызывает слабые электрические импульсы. Свет, идущий от углублений, оказывается более слабым, чем отражённый от плоских участков. Таким образом, двигаясь вдоль дорожки, система считывания «видит» последовательность тёмных и светлых участков.