Невидимый свет

Невидимый светВсе дальше отодвигаются границы не­возможного для науки. Покорение энергии атома, решение проблемы космических по­летов, создание квантовых генераторов, но­вых полимерных материалов, реальная воз­можность синтеза пищевых продуктов…

В 1960 году появились сообщения о син­тезе одного из самых сложных продуктов природы — хлорофилла. Некоторые ученые шутили по этому поводу, что биохимикам остается теперь только синтезировать самое высшее достижение природы — человека.

Но возможен ли синтез без анализа? Нет. Это была бы игра «в темную» с при­родой. Сначала — тщательный анализ при­родного продукта, затем — длительная, тру­доемкая работа по синтезу и — вновь ана­лиз, но теперь уже того, что получено.

Для выяснения структуры вещества при­меняют разные методы. И ни один из них не универсален. Обычные химические ме­тоды исследования молекул очень сложны и трудоемки. Например, структура такого известного вещества, как камфара, изуча­лась в течение полувека, и лишь в 1903 году труд десятков химиков завершился синте­зом этого соединения. Хинин, открытый в 1808 году, удалось синтезировать лишь в 1944 году.

С помощью обычных химических мето­дов анализа часто вообще не удается про­никнуть в тайну строения сложных молекул полимеров, антибиотиков, ферментов. Как же быть? Где тот универсальный метод анализа, который позволил бы «просветить» вещество и точно установить его структуру?

ОТКРЫТИЕ ВИЛЬЯМА ГЕРШЕЛЯ

На рубеже XVIII и XIX столетий англи­чанин немецкого происхождения, сын пол­кового музыканта Вильям Гершель занялся изучением оптики и астрономии. Научная интуиция его не подвела… Наблюдая в са­модельный телескоп звездное небо, Гершель открыл новую планету — Уран, еще через несколько лет — обнаружил спутники Урана и Сатурна, а затем точно определил направление движения Солнца в мировом пространстве. В 1800 году, в возрасте 62 лет, Гершель заинтересовался распределением энергии в солнечном спектре. Направляя солнечный луч на стеклянную призму, Гер­шель получал видимый спектр. В разные его части он помещал ртутный термометр с зачерненным концом. Ученый обнаружил, что термометр показывает повышение тем­пературы за красным концом спектра — там, где, собственно, не было видно ника­ких лучей. Следовательно, термометр нагре­вали какие-то новые, невидимые лучи, не из­вестные еще науке. Гершель назвал их «невидимым светом». Он установил, что эти лучи испускаются не только Солнцем, но и раскаленными предметами, они подчиня­ются тем же физическим законам, что и видимый свет.

Позднее «невидимые лучи» Гершеля были названы инфракрасными, так как они расположены за красной границей спектра (латинское слово «инфра — «ниже, под»).

В наше время мы знаем, что инфракрас­ное, ИК-излучение так же, как и видимые лучи, — это электромагнитные колебания с длиной волны в диапазоне от 1 до 2000 мик­рон.

На ИК-снимках перед нами предстает необычный мир, где черные реки текут среди серебряных деревьев, живые существа све­тятся, а одежда иногда бывает прозрачной.

ИК-лучи проходят через вещества, непро­ницаемые для света, например, через ткани или эбонит, но зато хлорофилл растений от­ражает их, и поэтому на ИК-фотографиях листья растений, плодов и овощей получа­ются светлыми.

В 1955 году в Нью-Йорке две газеты тайком послали своих репортеров сфотогра­фировать большие маневры пассивной обо­роны. Камеры фотоаппаратов были заря­жены специальными пластинками, чувстви­тельными к ИК-лучам. После проявления выяснилось, что оба репортера сфотогра­фировали в темноте друг друга! Сейчас мы знаем, как это произошло: ведь все живые существа испускают ИК-лучи, но тогда это вызвало немалое удивление.

ИК-лучи, проходя через атмосферу, ту­ман в отличие от видимых лучей почти не рассеиваются. Кроме того, относительный контраст различных частей объектов фото­графирования в ИК-лучах очень резок. Это позволяет получать удивительные, уникаль­ные фотографии.

Так, существует несколько ИК-снимков французского побережья, сделанных через Ла Манш из английского порта Дувр, фо­тографии Монблана, снятого с расстояния в 300 километров; в ряде случаев ИК-фотографирование дает удовлетворительные ре­зультаты при съемке с расстояния до 500 ки­лометров. Этим пользуются в астрономии и в военном деле.

ИК-лучи испускаются всеми нагретыми предметами, поэтому даже ночью, без до­полнительного освещения, может быть по­лучен снимок тепловой электростанции, движущегося паровоза, танка, корабля.

ПОДДЕЛКА ИЛИ ОРИГИНАЛ?

При помощи исследований ИК-лучами красок на картинах можно точно устано­вить авторство того или иного художника. Так, однажды возникло сомнение в подлин­ности одной из картин Рембрандта, храня­щейся в Метрополитен-музее в Нью-Йорке. Некоторые эксперты считали, что картина эта была закончена не самим Рембрандтом. На обычных фотографиях в видимом свете картина и копия с нее выглядели одинако­во; однако их фотографические репродук­ции в ИК-лучах резко различались.

Сравнение и анализ обеих фотографий позволили установить, что картину написал сам Рембрандт. Или другой случай. ИК-фотография выявила в картине, приписывае­мой испанскому художнику Веласкесу, краски, которыми он никогда не пользовал­ся. Автором картины «Страдания Христа» специалисты считали итальянского худож­ника Карпаччио, а подписана она была именем Мантеньи. ИК-анализ показал, что подпись эта — подделка. Она была сделана взамен авторской на много лет позже!

С помощью ИК-фотографии был полно­стью восстановлен и точно расшифрован почти невидимый текст древней рукописи из Британского музея, сделанной на коже и датированной 1200 годом до н. э.

Этим же способом можно восстанавли­вать скрытые тексты и надписи, которые покрылись плесенью, обожжены огнем.

Снимок, сделанный в ИК-лучах«Обыкновенный» снимок той же горной цепиНекоторые чернила, содержащие китай­скую тушь или берлинскую лазурь, на ИК-снимках получаются черными, тогда как обычные чернила — синие, красные, фиоле­товые, содержащие анилиновые красители, на этих снимках остаются бесцветными. Поэтому, фотографируя под небольшим углом рукописи или документы на инфра­красную пластинку, можно обнаружить следы выскабливания или выведения текста.

В ряде случаев метод ИК-фотографии позволяет распознать пятна крови на тем­ной ткани. К ИК-фотографии прибегают для обнаружения подделок драгоценных камней. Так, настоящий жемчуг более про­зрачен для ИК-лучей и на отпечатке он по­лучается светлее, чем искусственный. Сло­вом, ИК-метод широко применяется в криминалистике.

АНАЛИЗ — СИНТЕЗ

Но наибольшее применение нашли, по­жалуй, инфракрасные лучи в химии и смежных с ней областях науки. Известно, что каждое химическое соединение погло­щает и пропускает волны строго определен­ной длины. Следовательно, у ученых появ­ляется возможность по спектру поглощения вещества судить о его химическом составе и даже строении.

Что же происходит с веществом при освещении его инфракрасными лучами?

Мы знаем, что молекула состоит из ато­мов, которые удерживаются в определенном положении один относительно другого. Ато­мы реагируют на действие световой волны подобно пробковым шарам, «подпрыгиваю­щим» на волнах. Как волны толкают вверх и вниз пробковый шарик, так и световая волна возбуждает над атомом электриче­ское поле, «толкающее» атом с большей или меньшей силой. Под действием этой волны атомы начинают совершать колебательное движение, частота которого определяется массой атомов и прочностью их связей между собой. Поглощая энергию световых квантов, молекула возбуждается.

Это возбуждение особенно сильно, когда происходит резонансная раскачка, то есть когда частота собственных колебаний ато­мов в молекуле равняется частоте возбуж­дающей волны. Оказалось, что как раз ча­стоты собственных колебаний и вращений атомов в молекуле лежат в большинстве случаев в инфракрасной области. Энергия этих колебаний и обусловливает появление ИК-спектра молекулы. Прибор, в котором осуществляется этот процесс, называется инфракрасным спектрометром. Источник инфракрасного излучения — карборундовый или угольный стержень толщиной в мизи­нец, нагретый до 120 градусов — кон­центрирует поток ИК-лучей на испытуемом образце. После частичного поглощения исследуемым веществом ИК-лучи попадают на чувствительный термоэлемент — прием­ник энергии и после прохождения через электронный усилитель дают ИК-спектр поглощения, который автоматически записы­вается на специальной диаграмме.

Инфракрасный спектр дает наиболее тонкую характеристику вещества. Даже геометрические изомеры — соединения, по­строенные из одних и тех же атомов, но с разным их расположением в пространстве, отличаются друг от друга по ИК-спектру.

Высокая чувствительность ИК-спектра к изомерии учитывается при биохимических исследованиях, когда объектами исследо­ваний служат многие вещества, абсолютно сходные по составу, но имеющие неболь­шие структурные различия и поэтому играющие «разные роли». Так, по ИК-спектрам поглощения гормон эстрадиол, опреде­ляющий биологические особенности жен­ского пола, можно легко отличить от муж­ского полового гормона тестостерона.

Деревья, сфотографированные с помощью ИК-лучей, на снимке выглядят серебристымиИК-спектроскопия помогла ученым впер­вые узнать состав и строение молекул пе­нициллина и витамина С.

ИК-ЛУЧИ И ПОЛИМЕРЫ

Наша страна богата нефтью, углем, дре­весиной. Из них можно получить сотни тысяч различных соединений, имеющих большое практическое значение. Прошло то время, когда нефтью топили паровозы. «Нефть не топливо. Топить можно и ассиг­нациями». Эти слова Д. И. Менделеева, сказанные около 70 лет назад, оказались пророческими. Сейчас из этих даров при­роды химики получают несколько тысяч ценнейших химических продуктов.

Конечно, получение синтетических мате­риалов невозможно без детального анализа исходного сырья. Однако для анализа сме­сей сложных органических веществ хими­ческие методы часто беспомощны. И здесь на помощь исследователям приходят ин­фракрасные лучи.

Вот пример. Углеводороды нефти состоят из большого количества изомеров. Разли­чить их можно методом ИК-анализа. А зна­ние состава и строения различных фракций перегонки нефти — необходимое условие для получения высококачественного мотор­ного топлива.

Тщательный инфракрасный анализ го­рючих сланцев эстонского и волжского ме­сторождений позволил получить десятки новых ценных продуктов их переработки. Как показал инфракрасный анализ, волж­ские сланцы отличаются от эстонских большим содержанием ароматических эфир­ных групп. Из волжских сланцев можно получить ценные лекарственные вещества, например, ихтиоловую мазь, вылечиваю­щую многие кожные заболевания. Из 1 тон­ны эстонского сланца химики получают около 200 килограммов смолы, которая слу­жит сырьем для приготовления пластиче­ских масс, моющих средств, смазочных ма­териалов, заменителей олифы, синтетиче­ских дубителей и многих других веществ.

В последнее время появилось много ра­бот по инфракрасному анализу целлюлозы, послужившей когда-то исходным материа­лом для получения первой в мире пластмас­сы — целлулоида. Анализ целлюлозы с по­мощью ИК-лучей позволяет совершенство­вать технологию ее переработки и получать новые ценные материалы.

И. ЕФИМОВПроцессы полимеризации и синтеза важ­нейших материалов —- синтетического каучука — полиизопрена, полиизобутилена, по­листирола, полиэтилена и многих других важных веществ контролируются с помощью ИК-лучей. В зависимости от состава и строения полимеров в ИК-спектрах погло­щения появляются соответствующие харак­теристические полосы. Измеряя положение и интенсивность этих полос, можно полу­чить важные сведения о процессах полиме­ризации.

Ю. ДРУГОВХимия и астрономия, физика и минера­логия, лабораторные исследования в про­мышленности, палеонтология и палеобота­ника, археология и разведка полезных ископаемых, медицина и криминалистика, биология и сельское хозяйство, промыш­ленность, фотография, реставрация кар­тин, — вот далеко не полный перечень раз­личных сфер применения этих поистине чудесных «невидимых лучей».

Ю. ДРУГОВ,

И. ЕФИМОВ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>