XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Новейшее обоснование гипотезы точной координации животных во время миграции
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Скорее всего каждый человек, будь он стар или молод, задавался вопросом какова природа миграции. Почему птицы улетают зимовать? Почему мы можем наблюдать такие прекрасные явления как миграции бабочек и черепах? Конечно, на вопрос почему это происходит давно был дан ответ. Но не дает покоя вопрос – «Каков механизм миграции?», т.е. как это происходит. В данной работе я постараюсь ответить на вопрос «Как животные узнают точные координаты во время миграций».
Цель работы:
Изучить механизм определения животными точных координат во время миграций.
Задачи: Исследовать механизм определения животными точных координат во время миграций.
Изучить научную литературу по интересующему нас вопросу.
Установить и определить механизм определения животными точных координат во время миграций.
Систематизировать полученные результаты.
Сделать выводы.
Гипотеза:
Механизм определения животными точных координат во время миграций можно объяснить с помощью устройства квантового гироскопа.
Доказана теория координации животных во время миграции.
Глава I. Квантовый гироскоп.
В 1962 году физик Брайан Джозефсон из университета Кэмбриджа предположил, что электрический ток может проходить между сверхпроводящими материалами, даже если их будет разделять тонкий слой изолятора. На основе эффекта Джозефсона Ричардом Паккадром и его коллегой по Калифорнийскому университету был сделан прибор Квантовый гироскоп, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.
Квантовый гироскоп, прибор, позволяющий обнаруживать вращение тела и определять его угловую скорость, основанный на гироскопических свойствах электронов, атомных ядер или фотонов.
Гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве. Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять своё направление в пространстве; 2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.
Первое свойство уравновешенного гироскопа с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Если эта ось вначале направлена на какую-нибудь звезду, то при любых перемещениях основания прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентировку относительно земных осей. Впервые это свойство гироскопа использовал французский учёный Л. Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг её оси (1852г.). Отсюда и само название «гироскоп», что в переводе означает «наблюдать вращение».
Второе свойство гироскопа обнаруживается, когда на его ось (или рамку) начинают действовать сила или пара сил, стремящиеся привести ось в движение (т. е. создающие вращающий момент относительно центра подвеса). Под действием силы Р (рис.1) конец А оси АВ гироскопа будет отклонять не в сторону действия силы, как это было бы при невращающемся роторе, а в направлении, перпендикулярном к этой силе; в результате гироскоп вместе с рамкой 1 начнёт вращаться вокруг оси DE, притом не ускоренно, а с постоянной угловой скоростью. Это вращение называется прецессией; оно происходит тем медленнее, чем быстрее вращается вокруг своей оси АВ сам гироскоп. Если в какой-то момент времени действие силы прекратится, то одновременно прекратится прецессия и ось АВ мгновенно остановится, т. е. прецессионное движение гироскопа безынерционно.
Рис.1
Величина угловой скорости прецессии определяется по формуле:
или (1)
где М – момент силы Р центра О, Ω – угловая скорость собственного вращения гироскопа вокруг оси АВ, I – момент инерции гироскопа относительно той же оси, h = АО – расстояние от точки приложения силы до центра подвеса гироскопа; второе равенство имеет место, когда сила Р параллельна оси DE. Из формулы (1) непосредственно видно, что прецессия происходит тем медленнее, чем больше Ω, точнее, чем больше величина H = IΩ, называется собственным кинетическим моментом гироскопа.
Реализация эффекта.
Датчиком оптического гироскопа служит кольцевой лазер, генерирующий две бегущие навстречу друг другу световые волны, которые распространяются по общему световому каналу в виде узких монохроматических световых пучков. Резонатор кольцевого лазера (рис.1) состоит из трёх (или больше) зеркал 1, 2, 3, смонтированных на жёстком основании и образующих замкнутую систему. Часть света проходит через полупрозрачное зеркало 3 и попадает на фотодетектор 5. Длина волны, генерируемая кольцевым лазером (в пределах ширины спектральной линии рабочего вещества), определяется условием, согласно которому бегущая волна, обойдя контур резонатора, должна прийти в исходную точку с той же фазой, которую имела вначале. Если прибор неподвижен, то это имеет место, когда в периметре Р контура укладывается целое число n длин волн λ0, т. е. Р = nλ0. В этом случае лазер генерирует 2 встречные волны, частоты которых одинаковы и равны:
n0 = c/λ0 = cn/P,
(с — скорость света).
Если же весь прибор вращается с угловой скоростью Ω вокруг направления, составляющего угол θ с перпендикуляром к его плоскости (рис. 2), то за время обхода волной контура последний успеет повернуться на некоторый угол. В зависимости от направления распространения волны путь, проходимый ею до совмещения фазы, будет больше или меньше Р. В результате этого частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Можно показать, что эти частоты ν– и ν+ не зависят от формы контура и связаны с частотой Ω вращения прибора соотношением:
.
Здесь S — площадь, охватываемая контуром резонатора. Фотодетектор, чувствительный к интенсивности света, в этом случае зарегистрирует биения с разностной частотой:
Δν = ν+ - ν- = kFcosθ,
где F = Ω/2π, а k = 8πS/(λ0P). Например, для квадратного гелий-неонового квантового гироскопа со стороной 25 см λ0 = 6×10–5 см, откуда k = 2,5×106. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угловой скоростью Ω = 15 град/ч, на широте θ = 60° должно приводить к частоте биений Δν = 15 Гц. Если ось гироскопа направить на Солнце, то, измеряя частоту биений и считая угловую скорость Ω вращения Земли известной, можно с точностью до долей град определить широту θ места, на которой расположен гироскоп.
Интегрирование угловой скорости вращающегося тела по времени (которое может выполняться автоматически) позволяет определить угол поворота, как функцию времени. Предел чувствительности оптических квантовых гироскопов теоретически определяется спонтанным излучением атомов активной среды лазера. Если частоте биений Δν = 1 Гц соответствует угол поворота в 1 град/ч, то предел точности гироскопов равен 10–3 град/ч. В существующих оптических квантовых гироскопах этот предел ещё далеко не достигнут.
Схема лазерного гироскопа: 1, 2, 4 — непрозрачные зеркала; 3 — полупрозрачное зеркало; 5 — фотодетектор.
Рис.1
Квантовый гироскоп
Рис.2
В ядерных квантовых гироскопах используются вещества с ядерным парамагнетизмом (вода, органические жидкости, газообразный гелий, пары ртути). Атомы или молекулы таких веществ в основном (невозбуждённом) состоянии обладают моментами количества движения, обусловленными только спинами ядер (электронные же спиновые моменты у них скомпенсированы, т. е. все электроны спарены). Со спинами ядер связаны их магнитные моменты. Если ориентировать магнитные моменты ядер, например при помощи внешнего магнитного поля, а затем ориентирующее поле выключить, то в отсутствие других магнитных полей (например, земного) возникший суммарный магнитный момент М будет некоторое время сохранять своё направление в пространстве, независимо от изменения ориентации датчика. Такой статический квантовый гироскоп позволяет определить изменение положения тела, связанного с датчиком гироскопа.
Т. к. величина момента М будет постепенно убывать благодаря релаксации, то для квантовых гироскопов выбирают вещества с большими временами релаксации, например некоторые органические жидкости, для которых время релаксации t составляет несколько мин, жидкий 3He (около 1 ч) или раствор жидкого 3He (10—3%) в 4He (около года).
В динамическом ядерном гироскопе суммарный ядерный магнитный момент М датчика прецессирует вокруг постоянного магнитного поля Н, жестко связанного с устройством. Вращение датчика вместе с полем Н с угловой скоростью Ω приводит к изменению частоты прецессии магнитного момента М, приблизительно равному проекции вектора Ω на Н. Это изменение регистрируется в виде электрического сигнала. Для получения высокой чувствительности и точности в этих приборах требуется высокая стабильность и однородность магнитного поля Н. Например, для обнаружения изменения частоты прецессии, вызванного суточным вращением Земли, необходимо, чтобы ΔН/Н ≤ 10–9. Для экранировки прибора от действия внешних магнитных полей применяются сверхпроводники. Например, если поворот датчика обусловлен суточным вращением Земли, то остаточное поле в экране не должно превышать 3×10–9э.
Электронные квантовые гироскопы аналогичны ядерным, но в них применяются вещества, атомы или молекулы которых содержат неспаренные электроны (например, устойчивые свободные радикалы, атомы щелочных металлов). Хотя времена релаксации электронных спинов малы, электронные квантовые гироскопы перспективны, так как гиромагнитное отношение gэл для электронов в сотни раз больше, чем для ядер, и, следовательно, выше частота прецессии, что важно для многих применений.
Глава II. Магнетизм и органические парамагентики.
Исследована связь между явлением магнетизма и парамагнетизмом, которые обладают стабильные радикалы разного типа. Показано, что под влиянием внешнего магнитного поля происходит изменение физикохимических свойств некоторых органических свободных радикалов с локализованными и нелокализованными неспаренными электронами. Изменения свойств низкомолекулярных и высокомолекулярных органических парамагнетиков обусловлены происходящими в них магнитными взаимодействиями. Некоторые иминоксильные полирадикалы, обладая высоким значением магнитной восприимчивости, могут ослаблять или усиливать напряженность приложенного магнитного поля. Одним из важнейших применений стабильных парамагнетиков является их использование в качестве добавок к поляризованным протонным мишеням в физике высоких энергий. Это позволило создать ядерные прецессионные магнитометры для геофизики и астронавтики.
При наложении магнитного поля Н все вещества обнаруживают макроскопический магнитный момент М. Величина М связана с величиной приложенного поля Н коэффициентом пропорциональности χ - магнитной восприимчивостью: М = χН. У диамагнитных веществ с заполненными орбиталями индуцированный момент ориентирован против приложенного поля, их магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от температуры. У парамагнитных веществ с наполовину заполненными орбиталями вектор индуцированного момента под действием приложенного магнитного поля выстраивается параллельно полю. Для невзаимодействующих (независимых) спинов величина магнитного момента обратно пропорциональна температуре и их восприимчивость может быть аппроксимирована выражением Кюри: χ = С/Т, где С - постоянная Кюри, Т - абсолютная температура.
Органическая химия свободных радикалов – это химия парамагнитных паров, жидкостей, сыпучих тел, расплавов и растворов. Для получения химически чистых парамагнетиков используются методы экстракции, кристаллизации, дистилляции и хроматографирования. В отличие от обычных органических соединений парамагнетики обладают дополнительными «отпечатками пальцев» - спектрами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и положительной магнитной восприимчивостью. Своеобразие реакционной способности органических парамагнетиков обусловлено присутствием валентных неспаренных электронов, которые принимают участие в формировании новых химических связей и неподеленных электронных пар. В связи с тем, что стабильные органические свободные радикалы принимают в очень большом числе химических реакций, протекающих как в неживой, так и в живой природе, изучение их магнитных свойств представляет несомненный интерес.
Сейчас будет представлен список наиболее часто встречающихся в научной литературе органических парамагнетиков:
Гидразильные и гидразидильные радикалы склонны к образованию различного рода комплексов с растворителями. Это обстоятельство незначительно влияет на значение g-фактора, но сильно изменяет ширину линии ЭПР была измерена в температурном интервале от 1.6 до 300 К и ее значение в высокотемпературной области подчиняется закону Кюри-Вейсса с отрицательной константой Вейсса θ = -8 К. При более низких температурах восприимчивость отклоняется от закона Кюри-Вейсса и обнаруживает широкий максимум при 6.9 К. Кристаллы 1,3,5-трифенилвердазина имеют орторомбическую симметрию с параметрами элементарной ячейки: а=18.467, b=9.854, с=8.965 нм. Все четыре атома азота и заместитель в положении 3 практически копланарны, две другие фенильные группы повернуты относительно связи C-N на 23° и 13°.
Классические ароматические углеводородные радикалы часто относят к классу так называемых π-электронных радикалов, в которых неспаренный электрон делокализован по всей aроматической системе связей. Большинство арилметильных радикалов в растворе существуют в термодинамическом равновесии со своими димерами. Перхлортрифенилметильные радикалы Баллестера по свойствам резко отличаются от классических углеводородных радикалов: они достаточно устойчивы в отсутствие света, полностью мономерны в растворе и в твердом состоянии. Перхлортрифенилметилы, исследованные в работе [10] в интервале 293-77 К подчиняются закону Кюри-Вейсса.
В отличие от классических ароматических радикалов NO-группа в иминоксильных радикалах не принимает участия в образовании сопряженной системы связей, поэтому неспаренный электрон таких радикалов преимущественно локализован на азот - кислородной связи. Достаточно надежное стерическое экранирование неспаренного электрона (за счет эффектов объемных метильных групп и системы σ- связей, препятствующих делокализации неспаренного электрона) создает условия для осуществления нерадикальных реакций в ряду функционализированных радикалов этого класса. Это позволило синтезировать большое число химически чистых парамагнетиков разнообразного химического строения.
В кристалле ТЕМПОЛа образуются цепочки радикалов, связанных друг с другом водородными связями (рис.1). Предполагается, что самые сильные обменные взаимодействия радикалов ориентированы вдоль оси Z через атомы кислорода. Направление вдоль оси а, через водородную связь, наверное, могло бы быть следующим по величине вклада взаимодействием. Исходя из структурных соображений, более слабые магнитные взаимодействия можно ожидать между ас-плоскостями. Методом ЭПР при исследовании магнитной восприимчивости химически чистого ТЕМПОЛа было показано [13], что интенсивность сигнала ЭПР отклоняется от закона Кюри и обнаруживает широкий и плавный максимум вблизи 6 К. Широкий максимум на кривой теплоемкости обнаруживается при 5 К. В высокотемпературной области восприимчивость подчиняется закону Кюри-Вейсса с отрицательной константой Вейсса θ=-6 К. При более низких температурах кривая χ-Т отклоняется от закона Кюри-Вейсса и имеет пологий максимум при 6 К. Такое поведение парамагнетиков хорошо описывается одномерной моделью Гейзенберга с изотропным антиферромагнитным взаимодействием. Величина обменного параметра J/k составляет -5 К. Таким образом, исследования разных авторов магнитной восприимчивости ТЕМПОЛа указывают на то, что радикалы испытывают сильные обменные взаимодействия в одном направлении, что приводит к ближнему порядку взаимодействий и образованию вблизи 6 К линейных антиферромагнитных цепей. Поскольку в магнитных одномерных системах всегда существует ненулевое взаимодействие между цепями, вполне можно ожидать, что ниже некоторой критической температуры оно достаточно выражено, чтобы вызвать переход к дальнему порядку взаимодействий. В случае ТЕПМОЛа дальний порядок, обусловленный межцепочечными взаимодействиями возникает при ТN=0.34 К, отношение межцепочных к внутрицепочечным взаимодействиям (J/J') оценивается как 0,003, J/k = 0.013 К. Альтернированная линейная цепь возникает, если параметр γ меньше единицы. Случай γ=0 соответствует простому димеру, в котором имеют место только попарные взаимодействия. Стабильный бирадикал ди2,2,6,6-тетраметил-1-оксил-4-пипери-дилсульфит является примером альтернированной цепи.
Для кремнийорганических иминоксильных полирадикалов характерны попарные спинспиновые взаимодействия. Все исследованные парамагнетики (1-V) обнаруживают низкотемпературные отклонения хода магнитной восприимчивости от закона Кюри χ=сonst/Т (рис.2а), которые связаны с наличием корреляции между неспаренными электронами. Так, восприимчивость тетрадикала V проходит через максимум при 8 К и уменьшается в 10 раз при понижении температуры до 2 К (рис.2б). Такой ход восприимчивости хорошо описывается моделью, предложенной для попарных обменных взаимодействий неспаренных электронов.
(TEMПАД) на кривой температурного хода парамагнитной восприимчивости обнаружен максимум при 16.5 К, а в интервале 77 и 273 К наблюдается ее изменение по закону Кюри-Вейсса (θ=-15 К). В случае разбавленных кристаллов TEMПАД обнаружены два значения константы Вейсса в высокотемпературной области порядка -10 К и в низкотемпературной порядка -1 К [19]. Магнитное поведение TEMПАД было интерпретировано в рамках теории магнитных триплетных попарных переходов. Не исключено, что существуют сильное межмолекулярное обменное взаимодействие вдоль а-оси (J1; J1/k = -12.8 К), слабое внутримолекулярное взаимодействие (J2; J2/k ∼ 2 • 10-2 К) и междуслойное взаимодействие с J1 ’ /k ∼ 1 К [20].
Магнитная восприимчивость БИПО [58] подчиняется закону Кюри-Вейсса с θ=-1.8 К. Эффективный магнитный момент, равный 2.45 µB при высоких температурах, соответствует двум независимым спинам S=1/2 на мономер. Константа обмена, полученная из анализа линии ЭПР, оказалась равной J∼0.165 К (0.115 см-1), а оценка в приближении молекулярного поля дала значение J∼0.155 К (0.108 см-1). Термическая или фотохимическая полимеризация БИПО приводят к образованию черного порошка, незначительная фракция которого (0.1%) проявляет ферромагнитные свойства - намагниченность достигает более 1 Гсг-1 . При этом ферромагнетизм сохраняется до аномально высоких температур вплоть до 200°С - ЗОООС и при этом в ходе полимеризации происходит гибель парамагнитных центров (в ряде случаев остается не более 10% от их первоначального количества).
В одном издании упоминается, что гальвиноксил и гидразил являются ингибиторами полимеризации. В нашем случае они обозначают присутствие их в организме живых существ. Поражает сходство между компонентами гироскопа и живым организмом.
Электронный парамагнитный резонанс является очень полезным и
надежным методом исследования структур различных веществ и поэтому имеет
широкую область применения в физике, в химии и в биологии. Спектр ЭПР
позволяет получить ценную информацию о свойствах парамагнитных центров
таких как: спиновая релаксация, концентрация парамагнитных центров,
природа взаимодействия электронов с решеткой и между собой. Используя
парамагнитные центры как зонды можно получить информацию:
а) О симметрии окружения парамагнитных центров;
б) О тонких и сверхтонких взаимодействиях;
в) О дипольном взаимодействии;
г) Об обменном взаимодействии;
д) О временах спиновой релаксации в металлах;
е) О размагничивающих полях;
ж) О радиационных дефектах;
з) О величине парамагнитной восприимчивости.
Для того чтобы исследовать локальные физические свойства какого-то
Образца с помощью магнитного резонанса, образцы должны иметь
парамагнитные центры, которые давали бы сигналы ЭПР. Парамагнитные центры бывают двух видов: естественные и искусственно созданные.
Естественные парамагнитные центры — это свободные радикалы, ионы переходных металлов, электроны проводимости в металлах и т.п. Если естественных парамагнитных центров в образце нет, то парамагнитные центры можно создать искусственно.
На самом деле можно рассматривать спектры дифенилпикрилгидразила
(ДФПГ) и влияние на них температуры, формы образца и ориентации
в магнитном поле и концентрации парамагнитных центров.
Чтобы оценить значение сверхтонкого и обменного взаимодействий были
получены и проанализированы спектры ЭПР при разных концентрациях ДФПГ
в бензоле.
Обладая неспаренным электроном, свободные радикалы являются парамагнитными частицами. В магнитном поле происходит расщепление зеемановских уровней радикала, что используется для обнаружения радикалов методом ЭПР. Если в составе радикала имеются атомы— носители ядерного спина (например, атомы водорода), то в результате взаимодействия спина электрона с ядерными спинами возникает расщепление линий в ЭПР-спектре. Между ЭПР-спектром и структурой радикала существует определенное соответствие, и это позволяет идентифицировать радикалы определенного строения по их ЭПР-спектру. Радикалы, имеющие в своем составе бензольные кольца, часто обладают интенсивной окраской (например, гальвиноксил, дифенилпикрилгидразил).
N,N-ДИФЕНИЛ-N-ПИКРИЛГИДРАЗИЛЬНЫЙ РАДИКАЛ (дифенилпикрилгидразил, ДФПГ), мол. м. 394,32; фиолетовые кристаллы с металлич. блеском;
для одной из полиморфных модификаций т. пл. 137-138°С; 16,4.10-30 Кл.м; легко раств. в орг. р-рителях. Длина трехэлектронной связи N—N 0,133 нм, фенильные заместители у атома N1 неэквивалентны. Более половины спиновой плотности локализовано на атомах N1 и N2, причем большая константа сверхтонкого взаимод. в спектре ЭПР отнесена к атому N2. N,N-Дифенил-N-пикрилгидразильный радикал получают по схеме:
N,N-Дифенил-N-пикрилгидразильный радикал не димеризуется, устойчив по отношению к О2; в р-рах фотохимически нестабилен. Используется как мягкое дегидрирующее ср-во, ингибитор радикальных р-ций и стандартное в-во для ЭПР-спектроскопии.
Глава III. Квантовая характеристика электрона.
Характеристика электрона четырьмя квантовыми числами.
Основная характеристика, определяющая движение электрона в поле ядра,— это его энергия. Энергия электрона, как и энергия частицы светового потока — фотона, принимает не любые, а лишь определенные дискретные, прерывные или, как говорят, квантующиеся значения.
Движущийся электрон обладает тремя степенями свободы перемещения в пространстве (соответственно трем координатным осям) и одной дополнительной степенью свободы, обусловленной наличием у электрона собственного механического и магнитного моментов, которые учитывают вращение электрона вокруг своей оси. Следовательно, для полной энергетической характеристики состояния электрона в атоме необходимо и достаточно иметь четыре параметра. Эти параметры получили название квантовых чисел. Квантовые числа, так же как и энергия электрона, могут приникать не все, а лишь определенные значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу.
Главное квантовое число n характеризует общий запас энергии электрона или его энергетический уровень. Главное квантовое число может принимать значения целых чисел от 1 до . Для электрона, находящегося в поле ядра главное квантовое число может принимать значения от 1 до 7 (соответственно номеру периода в периодической системе, в котором находится элемент).
Орбитальное квантовое числа l, которое иногда называют побочным квантовым числом, характеризует различное энергетическое состояние электрона данного уровня. Тонкая структура спектральных линий говорит о том, что электроны каждого энергетического уровня группируются в подуровни. Орбитальное квантовое число связано с моментом количества движения электрона при его движении относительно ядра атома. Орбитальное квантовое число определяет также форму электронного облака Квантовое число l может принимать все целочисленные значения от 0 до (п-1). Например, при n=4, l=0, 1, 2, 3. Каждому значению l соответствует определенный подуровень. Для подуровней применяются буквенные обозначения. Так, при l=0, 1, 2, 3 электроны находятся соответственно на s-, p-, d-, f- подуровнях. Электроны различных подуровней соответственно называют s-, p-, d-, f - электронами. Возможное число подуровней для каждого энергетического уровня равно номеру этого уровня, но не превышает четырех. Первый энергетический уровень (п=1) состоит из одного s-подуровня, второй (п=2), третий (п=3) и четвертый (п=4) энергетические уровни состоят соответственно из двух (s, p), трех (s, p, d) и четырех (s, p, d, f) подуровней. Больше четырех подуровней не может быть, так как значения l=0, 1, 2, 3 описываю электроны атомов всех 104 известных сейчас элементов.
Если l=0 (s-электроны), то момент количества движения электрона относительно ядра атома равен нулю. Это может быть только когда электрон поступательно движется не вокруг ядра, а от ядра к периферии и обратно. Электронное облако s-электрона имеет форму шара.
Магнитное квантовое число - c моментом количества движения электрона связан и его магнитный момент. Магнитное квантовое число характеризует магнитный момент электрона. магнитное квантовое число характеризует магнитный момент электрона и указывает на ориентацию электронного облака относительного избранного направления или относительно направления магнитного поля. Магнитное квантовое число может принимать любые целые положительные и отрицательные значения, включая и ноль в пределах от – l до + l.
Спиновое квантовое число – характеризует внутреннее движение электрона — спин. Оно связано с собственным магнитным моментом электрона, обусловленным его движением вокруг своей оси. Это квантовое число может принимать только два значения: + 1/2 и —1/2, в зависимости от того, параллельно или антипараллельно магнитному полю, обусловленному движением электрона вокруг ядра, ориентируется магнитное поле спина электрона.
Глава IV. Квантовые характеристики фотона.
Фотон
Элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. В физике фотоны обозначаются буквой γ.
Классическая электродинамика описывает фотон как электромагнитную волну с круговой правой или левой поляризацией. С точки зрения классической квантовой механики, фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны.
Квантовая электродинамика, основанная на квантовой теории поля и Стандартной модели, описывает фотон как калибровочный бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие: виртуальные фотоны являются квантами-переносчиками электромагнитного поля и обеспечивают взаимодействие между двумя электрическими или магнитными зарядами.
Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.
Физические свойства фотона
Фотон — безмассовая нейтральная частица. Спин фотона равен 1 (частица является бозоном), но из-за нулевой массы покоя более подходящей характеристикой является спиральность, проекция спина частицы на направление движения. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях со спиральностью, равной . Этому свойству в классической электродинамике соответствует циркулярная поляризация электромагнитной волны.
Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на эксперименте (отличие массы фотона от нуля привело бы к дисперсии электромагнитных волн в вакууме, что размазало бы по небу наблюдаемые изображения галактик) и теоретических обоснованиях (в квантовой теории поля доказывается, что если бы масса фотона не равнялась нулю, то электромагнитные волны имели бы три, а не два поляризационных состояния). Поэтому скорость фотона, как и скорость любой безмассовой частицы, равна скорости света. По этой причине (не существует системы отсчёта, в которой фотон покоится) внутренняя чётность частицы не определена. Если приписать фотону наличие т. н. «релятивистской массы» (термин ныне выходит из употребления) исходя из соотношения , то она составит . Фотон — истинно нейтральная частица (тождественен своей античастице), поэтому его зарядовая чётность отрицательна и равна −1. Вследствие закона сохранения зарядовой чётности и её мультипликативности в электромагнитных процессах невозможно превращение чётного числа фотонов в нечётное и наоборот (Теорема Фарри).
Фотон относится к калибровочным бозонам. Он участвует в электромагнитном и гравитационном взаимодействии.
Фотон проводит часть времени как виртуальная частица векторный мезон или как виртуальная пара адрон-антиадрон. За счёт этого явления фотон способен участвовать в сильных взаимодействиях. Свидетельством участия фотона в сильных взаимодействиях являются процессы фоторождения — мезонов на протонах и нейтронах, а также множественное образование нуклонов на протонах и ядрах. Сечения процессов фоторождения нуклонов на протонах и нейтронах очень близки друг к другу. Это объясняется тем, что у фотона есть адронная составляющая, за счёт чего фотон участвует в сильных взаимодействиях.
Фотон не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме, стабилен. Фотон может иметь одно из двух состояний поляризации и описывается тремя пространственными параметрами — составляющими волнового вектора, который определяет его длину волны и направление распространения.
Фотоны излучаются во многих природных процессах, например, при движении электрического заряда с ускорением, при переходе атома или ядра из возбуждённого состояния в состояние с меньшей энергией, или при аннигиляции пары электрон-позитрон. При обратных процессах — возбуждение атома, рождение электрон-позитронных пар — происходит поглощение фотонов.
Если энергия фотона равна , то импульс связан с энергией соотношением , где — скорость света (скорость, с которой в любой момент времени движется фотон как безмассовая частица). Для сравнения, для частиц с ненулевой массой покоя связь массы и импульса с энергией определяется формулой , как показано в специальной теории относительности.
В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты (или, что эквивалентно, от длины волны :
, ,
и, следовательно, величина импульса есть:
, где — постоянная Планка, равная ; — волновой вектор и — его величина (волновое число); — угловая частота. Волновой вектор указывает направление движения фотона. Спин фотона не зависит от частоты.
Классические формулы для энергии и импульса электромагнитного излучения могут быть получены исходя из представлений о фотонах. К примеру, давление излучения осуществляется за счёт передачи импульса фотонов телу при их поглощении. Действительно, давление — это сила, действующая на единицу площади поверхности, а сила равна изменению импульса, отнесённому ко времени этого изменения.
В зависимости от электрической и магнитной мультипольности системы зарядов, излучившей данный фотон, для фотона возможны состояния с полными моментами импульса ... и чётностью или . Различают состояния фотонов электрического и магнитного типа. Состояние фотона с моментом и чётностью называется фотонным — полем электрического типа, с чётностью называется фотонным — полем магнитного типа. Для обозначения фотонов определённой мультипольности сначала пишется буква для электрического мультиполя или M для магнитного мультиполя и вплотную к этой букве пишется цифра, равная полному моменту . Электрический дипольный фотон обозначается как , магнитный дипольный — , электрический квадрупольный фотон — , и т. д.
Корпускулярно-волновой дуализм и принцип неопределённости
Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции в том случае, если характерные размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. Например, последовательность одиночных фотонов с частотой , проходящих через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, которую можно описать уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперименты показывают, что фотоны излучаются и поглощаются целиком объектами, которые имеют размеры, много меньшие длины волны фотона (например, атомами), или вообще в некотором приближении могут считаться точечными (так же как, например, электроны). Таким образом, фотоны в процессах излучения и поглощения ведут себя как точечноподобные частицы. Кроме того, фотоны испытывают комптоновское рассеяние на электронах, взаимодействуя с ними как частица в соответствии с законом сохранения энергии и импульса для релятивистских частиц. Фотон также ведет себя как частица с определенной массой при движении в гравитационном поле поперек (например, свет звезд отклоняется Солнцем, как установил, в частности, Эддингтон при наблюдении полного солнечного затмения 29 мая 1919 года) или вдоль линии действия силы гравитации, в последнем случае изменяется потенциальная энергия фотона и, следовательно, частота, что было экспериментально установлено в эксперименте Паунда и Ребки. В то же время, это описание не является достаточным; представление о фотоне как о точечной частице, чья траектория вероятностно задана электромагнитным полем, опровергается корреляционными экспериментами с запутанными состояниями фотонов, описанными выше (см. также Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена). Также невозможно ввести понятие тока фотонов, для которого выполнялось бы уравнение непрерывности для плотности числа фотонов.
Мысленный эксперимент Гейзенберга по определению местонахождения электрона (закрашен синим) с помощью гамма-лучевого микроскопа высокого разрешения. Падающие гамма-лучи (показаны зелёным) рассеиваются на электроне и попадают в апертурный угол микроскопа . Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения , которое зависит от угла и от длины волны падающих лучей.
Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает одновременное точное определение пространственной координаты частицы и её импульса по этой координате.
Важно отметить, что квантование света и зависимость энергии и импульса от частоты необходима для выполнения принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики: \Delta x \sim \frac{\lambda}{\sin \theta}</math>, где — апертурный угол микроскопа. Таким образом, неопределённость координаты можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна . Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения. Длину волны и интенсивность падающего света можно менять независимо друг от друга. В результате при отсутствии квантования света стало бы возможным одновременно определить с высокой точностью положение электрона в пространстве и его импульс, что противоречит принципу неопределённости.
Напротив, формула Эйнштейна для импульса фотона полностью удовлетворяет требованиям принципа неопределённости. С учётом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла , неопределённость переданного электрону импульса равняется:
.
После умножения первого выражения на второе получается соотношение неопределённостей Гейзенберга: . Таким образом, весь мир квантован: если вещество подчиняется законам квантовой механики, то и поле должно им подчиняться, и наоборот.
Аналогично, принцип неопределённости для фотонов запрещает одновременное точное измерение числа ~n фотонов (см. фоковское состояние и раздел вторичное квантование ниже) в электромагнитной волне и фазы этой волны (см. когерентное состояние и сжатое когерентное состояние):
.
И фотоны, и частицы вещества (электроны, нуклоны, ядра, атомы и т. д.), обладающие массой покоя, при прохождении через две близко расположенные узкие щели дают похожие интерференционные картины. Для фотонов это явление можно описать с использованием уравнений Максвелла, для массивных частиц используют уравнение Шрёдингера. Можно было бы предположить, что уравнения Максвелла — упрощённый вариант уравнения Шрёдингера для фотонов. Однако с этим не согласны большинство физиков. С одной стороны, эти уравнения отличаются друг от друга математически: в отличие от уравнений Максвелла (описывающих поля — действительные функции координат и времени), уравнение Шрёдингера комплексное (его решением является поле, представляющее собой, вообще говоря, комплексную функцию). С другой стороны, понятие вероятностной волновой функции, которая явным образом входит в уравнение Шрёдингера, не может быть применено по отношению к фотону. Фотон — безмассовая частица, поэтому он не может быть локализован в пространстве без уничтожения. Формально говоря, фотон не может иметь координатное собственное состояние и, таким образом, обычный принцип неопределённости Гейзенберга в виде к нему неприменим. Были предложены изменённые варианты волновой функции для фотонов, но они не стали общепринятыми. Вместо этого в физике используется теория вторичного квантования (квантовая электродинамика), в которой фотоны рассматриваются как квантованные возбуждения электромагнитных мод.
Спонтанное и вынужденное излучение
Вынужденное излучение (в котором фотоны как бы «клонируют» себя) было предсказано Эйнштейном и привело к изобретению лазера. Выводы Эйнштейна стимулировали дальнейшее развитие квантовых представлений о природе света, которые привели к статистической интерпретации квантовой механики.
В 1916 году Эйнштейн показал, что закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела может быть выведен исходя из следующих статистических полуклассических представлений:
Электроны в атомах находятся на дискретных энергетических уровнях;
При переходе электронов между этими уровнями, атомом поглощаются или излучаются фотоны.
Кроме того, полагалось, что излучение и поглощение света атомами происходит независимо друг от друга и что тепловое равновесие в системе сохраняется за счёт взаимодействия с атомами. Рассмотрим полость, находящуюся в тепловом равновесии и заполненную электромагнитным излучением, которое может поглощаться и излучаться веществом стенок. В состоянии теплового равновесия спектральная плотность излучения , зависящая от частоты фотона , в среднем не должна зависеть от времени. Это означает, что вероятность излучения фотона любой данной частоты должна быть равна вероятности его поглощения.
Эйнштейн начал с постулирования простых соотношений между скоростями реакций поглощения и испускания. В его модели скорость поглощения фотонов частоты и перехода атомов с энергетического уровня на вышележащий уровень с энергией пропорциональна числу атомов с энергией и спектральной плотности излучения для окружающих фотонов той же частоты:
.
Здесь — константа скорости реакции поглощения (коэффициент поглощения). Для осуществления обратного процесса есть две возможности: спонтанное излучение фотонов и возврат электрона на нижележащий уровень посредством взаимодействия со случайным фотоном. Согласно описанному выше подходу, соответствующая скорость реакции , характеризующая излучение системой фотонов частоты и переход атомов с вышележащего уровня энергии на нижележащий с энергией , равняется:
.
Здесь — коэффициент спонтанного излучения, — коэффициент, ответственный за вынужденное излучение под действием случайных фотонов. При термодинамическом равновесии число атомов в энергетическом состоянии и в среднем должно быть постоянным во времени, следовательно, величины и должны быть равны. Кроме того, по аналогии с выводами статистики Больцмана, имеет место отношение:
,
где — кратность вырождения энергетических уровней и , — энергия этих уровней, — постоянная Больцмана, — температура системы. Из сказанного следует вывод, что и:
.
Коэффициенты и называют коэффициентами Эйнштейна.
Эйнштейну не удалось полностью объяснить все эти уравнения, но он считал, что в будущем станет возможным рассчитать коэффициенты , и , когда «механика и электродинамика будут изменены так, чтобы соответствовать квантовой гипотезе». И это действительно произошло. В 1926 году Поль Дирак получил константу , используя полуклассический подход, а в 1927 успешно нашёл все эти константы, исходя из основополагающих принципов квантовой теории. Эта работа стала фундаментом квантовой электродинамики, то есть теории квантования электромагнитного поля. Подход Дирака, названные методом вторичного квантования, стал одним из основных методов квантовой теории поля. Следует отметить ещё раз, что в ранней квантовой механике только частицы вещества, а не электромагнитное поле, трактовались как квантовомеханические.
Эйнштейн был обеспокоен тем, что его теория казалась неполной, в силу того, что она не описывала направление спонтанного излучения фотона. Вероятностная природа движения световых частиц была впервые рассмотрена Исааком Ньютоном в его объяснении явления двойного лучепреломления (эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие) и, вообще говоря, явления расщепления пучков света границей двух сред на отражённый и преломлённый пучки. Ньютон предположил, что «скрытые переменные», характеризующие световые частицы, определяют, в какой из двух расщеплённых лучей пойдёт данная частица.Аналогично и Эйнштейн, начиная дистанцироваться от квантовой механики, надеялся на возникновение более общей теории микромира, в которой не будет места случайности. Примечательно, что введение Максом Борном вероятностной интерпретации волновой функции было стимулировано поздней работой Эйнштейна, который искал более общую теорию.
Вторичное квантование
Различные электромагнитные моды (например, изображённые на рисунке) могут быть рассмотрены как независимые квантовые гармонические осцилляторы. Каждый фотон соответствует единичной энергии в своей электромагнитной моде.
В 1910 году Петер Дебай получил формулу Планка, исходя из относительно простого предположения. Он разложил электромагнитное поле в абсолютно чёрной полости по Фурье-модам и предположил, что энергия каждой моды является целым кратным величины , где — соответствующая данной моде частота. Геометрическая сумма полученных мод представляла собой закон излучения Планка. Однако, используя этот подход, оказалось невозможным получить верную формулу для флуктуаций энергии теплового излучения. Решить эту задачу удалось Эйнштейну в 1909 году.
В 1925 году Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Паскуаль Йордан дали несколько иную интерпретацию дебаевского подхода. Используя классические представления, можно показать, что Фурье-моды электромагнитного поля — полная совокупность электромагнитных плоских волн, каждой из которых соответствует свой волновой вектор и своё состояние поляризации, — эквивалентны совокупности невзаимодействующих гармонических осцилляторов. С точки зрения квантовой механики, энергетические уровни таких осцилляторов определяются соотношением , где — частота осциллятора. Принципиально новым шагом стало то, что мода с энергией рассматривалась здесь как состояние из фотонов. Этот подход позволил получить правильную формулу для флуктуаций энергии излучения абсолютно чёрного тела.
В квантовой теории поля вероятность наступления события вычисляется как квадрат модуля суммы амплитуд вероятностей (комплексных чисел) всех возможных способов, которыми это событие может реализоваться, как на диаграмме Фейнмана, изображённой здесь.
Поль Дирак пошёл ещё дальше. Он рассматривал взаимодействие между зарядом и электромагнитным полем как небольшое возмущение, которое вызывает переходы в фотонных состояниях, изменяя числа фотонов в модах при сохранении полных энергии и импульса системы. Дирак, исходя из этого, смог получить коэффициенты Эйнштейна и из первых принципов и показал, что статистика Бозе — Эйнштейна для фотонов — естественное следствие корректного квантования электромагнитного поля (сам Бозе двигался в противоположном направлении — он получил закон излучения Планка для абсолютно чёрного тела, постулировав статистическое распределение Бозе — Эйнштейна). В то время ещё не было известно, что все бозоны, включая фотоны, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна.
Рассмотренный Дираком второй порядок приближения в рамках теории возмущений вводит понятие виртуального фотона, кратковременного промежуточного состояния электромагнитного поля. Электростатическое и магнитное взаимодействия осуществляются посредством обмена такими виртуальными фотонами. В таких квантовых теориях поля амплитуда вероятности наблюдаемых событий вычисляется путём суммирования по всем возможным промежуточным путям, в том числе даже нефизическим; так, виртуальные фотоны не обязаны удовлетворять дисперсионному соотношению , выполняющемуся для физических безмассовых частиц, и могут иметь дополнительные поляризационные состояния (у реальных фотонов две поляризации, тогда как у виртуальных — три или четыре, в зависимости от использующейся калибровки). Хотя виртуальные частицы и, в частности, виртуальные фотоны не могут наблюдаться непосредственно, они вносят измеримый вклад в вероятность наблюдаемых квантовых событий. Более того, расчёты во втором и высших порядках теории возмущений иногда приводит к появлению бесконечно больших значений для некоторых физических величин. Для устранения этих нефизических бесконечностей в квантовой теории поля разработан метод перенормировки. Другие виртуальные частицы также могут вносить вклад в сумму. Например, два фотона могут взаимодействовать косвенно посредством виртуальной электрон-позитронной пары. Этот механизм будет лежать в основе работы Международного линейного коллайдера.
Математически метод вторичного квантования заключается в том, что квантовая система, состоящая из большого числа тождественных частиц, описывается с помощью волновых функций, в которых роль независимых переменных играют числа заполнения. Вторичное квантование осуществляется введением операторов, увеличивающих и уменьшающих число частиц в данном состоянии (чисел заполнения) на единицу. Эти операторы называют иногда операторами рождения и уничтожения. Математически свойства операторов заполнения и уничтожения задаются перестановочными соотношениями, вид которых определяется спином частиц. При таком описании волновая функция сама становится оператором.
В современных физических обозначениях квантовое состояние электромагнитного поля записывается как фоковское состояние, тензорное произведение состояний каждой электромагнитной моды:
,
где представляет собой состояние с числом фотонов , находящихся в моде . Создание нового фотона (например, излучённого в атомном переходе) в моде записывается так:
.
Фотон как калибровочный бозон
Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, могут быть получены из представлений калибровочной теории как следствие выполнения требования калибровочной инвариантности электрона относительно преобразования пространственно-временных координат. Для электромагнитного поля эта калибровочная симметрия отражает способность комплексных чисел изменять мнимую часть без воздействия на действительную, как в случае с энергией или лагранжианом.
Квант такого калибровочного поля должен быть безмассовым незаряженным бозоном, пока симметрия не нарушится. Поэтому фотон (который как раз и является квантом электромагнитного поля) рассматривается в современной физике как безмассовая незаряженная частица с целым спином. Корпускулярная модель электромагнитного взаимодействия приписывает фотону спин, равный ; это означает, что спиральность фотона равна . С точки зрения классической физики спин фотона можно интерпретировать как параметр, отвечающий за поляризационное состояние света (за направление вращения вектора напряжённости в циркулярно-поляризованной световой волне). Виртуальные фотоны, введённые в рамках квантовой электродинамики, могут также находиться в нефизических поляризационных состояниях.
В Стандартной модели фотон является одним из четырёх калибровочных бозонов, осуществляющих электрослабое взаимодействие. Остальные три (W+, W− и Z0) называются векторными бозонами и отвечают только за слабое взаимодействие. В отличие от фотона у векторных бозонов есть масса, они обязаны быть массивными вследствие того, что слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях, <10−15 см. Однако кванты калибровочных полей должны быть безмассовыми, появление у них массы нарушает калибровочную инвариантность уравнений движения. Выход из этого затруднения был предложен Питером Хиггсом, теоретически описавшим явление спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Оно позволяет сделать векторные бозоны тяжёлыми без нарушения калибровочной симметрии в самих уравнениях движения. Объединение фотона с W и Z калибровочными бозонами в электрослабом взаимодействии осуществили Шелдон Ли Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг, за что были удостоены Нобелевской премии по физике в 1979 году. Важной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия (так называемое «великое объединение»). Однако ключевые следствия посвящённых этому теорий, такие как распад протона, до сих пор не были обнаружены экспериментально.
Вклад фотонов в массу системы
Энергия системы, излучающей фотон с частотой , уменьшается на величину , равной энергии этого фотона. В результате масса системы уменьшается (если пренебречь переданным импульсом) на . Аналогично, масса системы, поглощающей фотоны, увеличивается на соответствующую величину.
В квантовой электродинамике при взаимодействии электронов с виртуальными фотонами вакуума возникают расходимости, которые устраняются при помощи процедуры перенормировки. В результате масса электрона, стоящая в лагранжиане электромагнитного взаимодействия, отличается от экспериментально наблюдаемой массы. Несмотря на определённые математические проблемы, связанные с подобной процедурой, квантовая электродинамика позволяет с очень высокой точностью дать объяснение таких фактов как аномальный дипольный момент лептонов и сверхтонкая структура лептонных дуплетов (например, у мюония и позитрония).
Тензор энергии-импульса электромагнитного поля отличен от нуля, поэтому фотоны гравитационно воздействуют на другие объекты, в соответствии с общей теорией относительности. И наоборот, фотоны сами испытывают воздействие гравитации других объектов. В отсутствие гравитации траектории фотонов прямолинейны. В гравитационном поле они отклоняются от прямых в связи с искривлением пространства-времени (см., например, гравитационная линза). Кроме этого, в гравитационном поле наблюдается так называемое гравитационное красное смещение (см. эксперимент Паунда и Ребки). Это свойственно не только отдельным фотонам, в точности такой же эффект был предсказан для классических электромагнитных волн в целом.
Фотоны в веществе
Свет распространяется в прозрачной среде со скоростью меньшей, чем — скорость света в вакууме. Например, фотонам, испытывающим множество столкновений на пути от солнечного ядра, излучающего энергию, может потребоваться около миллиона лет, чтобы достичь поверхности Солнца. Однако, двигаясь в открытом космосе, такие же фотоны долетают до Земли всего за 8,3 минуты. Величина, характеризующая уменьшение скорости света, называется показателем преломления вещества.
С классической точки зрения замедление может быть объяснено так. Под действием напряжённости электрического поля световой волны валентные электроны атомов среды начинают совершать вынужденные гармонические колебания. Колеблющиеся электроны начинают с определённым временем запаздывания излучать вторичные волны той же частоты и напряжённости, что и у падающего света, которые интерферируют с первоначальной волной, замедляя её. В корпускулярной модели замедление может быть вместо этого описано смешиванием фотонов с квантовыми возмущениями в веществе (квазичастицами, подобными фононам и экситонам) с образованием поляритона. Такой поляритон имеет отличную от нуля эффективную массу, из-за чего уже не в состоянии двигаться со скоростью ~c. Эффект взаимодействия фотонов с другими квазичастицами может наблюдаться напрямую в эффекте Рамана и в рассеянии Мандельштама — Бриллюэна.
Аналогично, фотоны могут быть рассмотрены как частицы, всегда движущиеся со скоростью света ~c, даже в веществе, но испытывающие смещение фазы (запаздывание или опережение) из-за взаимодействия с атомами, которые изменяют их длину волны и импульс, но не скорость. Волновые пакеты, состоящие из этих фотонов, перемещаются со скоростью, меньшей ~c. С этой точки зрения фотоны как бы «голые», из-за чего рассеиваются на атомах, и их фаза изменяется. Тогда как с точки зрения, описанной в предыдущем абзаце, фотоны «одеты» посредством взаимодействия с веществом и перемещаются без рассеяния и смещения фазы, но с меньшей скоростью.
В зависимости от частоты свет распространяется в веществе с разной скоростью. Это явление в оптике называется дисперсией. При создании определённых условий можно добиться того, что скорость распространения света в веществе станет чрезвычайно малой (так называемый «медленный свет»). Суть метода в том, что используя эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности удаётся получить среду с очень узким провалом в её спектре поглощения. При этом в области этого провала наблюдается чрезвычайно крутой ход показателя преломления. То есть на этом участке сочетаются огромная дисперсия среды (с нормальной спектральной зависимостью — возрастанием показателя преломления в сторону роста частоты) и её прозрачностью для излучения. Это обеспечивает значительное снижение групповой скорости света (при некоторых условиях до 0,091 мм/с).
Фотоны также могут быть поглощены ядрами, атомами или молекулами, спровоцировав таким образом переход между их энергетическими состояниями. Показателен классический пример, связанный с поглощением фотонов зрительным пигментом палочек сетчатки родопсином, в состав которого входит ретиналь, производная ретинола (витамина A), ответственного за зрение человека, как было установлено в 1958 году американским биохимиком нобелевским лауреатом Джорджем Уолдом и его сотрудниками. Поглощение фотона молекулой родопсина вызывает реакцию транс-изомеризации ретиналя, что приводит к разложению родопсина. Таким образом, в сочетании с другими физиологическими процессами, энергия фотона преобразуется в энергию нервного импульса. Поглощение фотона может даже вызвать разрушение химических связей, как при фотодиссоциации хлора; такие процессы являются объектом изучения фотохимии.
Глава V. Преобразование световой энергии в нервные импульсы
Не стоит забывать и о преобразовании фотона в слабый электрический ток( импульс).
Следует отметить, что потенциал покоя палочек и колбочек отрицательный, поскольку мембраны их наружных сегментов в покое хорошо проницаемы для ионов Na+, тогда как мембраны клеток других возбудимых тканей в состоянии покоя наиболее проницаемы для ионов К+. Веществом, которое в покое поддерживает открытыми натриевые каналы, является циклический гуанозин-монофосфат (цГМФ), который, по некоторым данным, при световом облучении связывается специальными молекулами .
Основной фотохимической реакцией, которая происходит при поглощении кванта света, является фотоизомеризация ретиналя. Поглотив световой квант, молекула 11-цис-рети- наля распрямляется и за 10 12 с превращается в другой изомер — транс-ретиналь. Транс-ретиналь уже не помещается в центре связывания белка опсина, вследствие чего происходит разрыв родопсина на опсин и транс-ретиналь, протекающий через ряд промежуточных стадий.
После распада родопсина на опсин и ретиналь проницаемость дисковой мембраны изменяется и из диска начинают выходить ионы кальция Са2+, способствующие связыванию цГМФ. В результате проницаемость мембраны палочки для натрия снижается и на ее мембране развивается фоторецепторный потенциал, пропорциональный количеству поглощенных квантов. Амплитуда этого фоторецепторного потенциала не превышает 5 мВ. Он распространяется по мембране палочки, доходит до пресинаптического окончания и стимулирует выброс содержащегося в нем нейромедиатора в синаптическую щель, что приводит к возбуждению биполярной нервной клетки. Потенциал действия, сформированный этой нервной клеткой, передается далее в виде нервного импульса по зрительному нерву в зрительные центры головного мозга.
Частота следования нервных импульсов возрастает с увеличением интенсивности падающего света по логарифмическому закону.
Таким образом, вся цепочка превращения энергии света в нервный импульс выглядит следующим образом: квант света hv —» поглощение его 11-цис-ретиналем —> цис-транс- конформация ретиналя —> разрыв родопсина на опсин и ретиналь —» увеличение проницаемости дисковой мембраны для Са+2 —> диффузия Са+2 к цитоплазматической мембране палочки —> блокирование Ка+-каналов —> образование фоторецепторного потенциала на мембране палочки —» возбуждение нейронов сетчатки —» поступление нервных импульсов в зрительные центры головного мозга.
Зрительный пигмент родопсин, распавшийся под действием света на опсин и ретиналь, может затем опять восстанавливаться под действием специального фермента ретиналь- изомеразы, который переводит транс-ретиналь в 11-цис-ре- тиналь, после чего происходит присоединение последнего к опсину с образованием родопсина. Этот процесс может осуществляться и на свету, и в темноте. Однако на свету процесс регенерации родопсина ускоряется, так как переход транс- ретиналя в 11-цис-ретиналь осуществляется в этом случае и под действием света, благодаря обратимости фотореакции цис-транс-конформации ретиналя.
Глава VI. Описание механизма координации во время миграции.
Частица (фотон или электрон) считывается зрительным анализатором, т.е. попадает в глаз. Затем проходит известный путь, превращаясь в слабый электрический ток (импульс) - :
квант света hv —» поглощение его 11-цис-ретиналем —> цис-транс- конформация ретиналя —> разрыв родопсина на опсин и ретиналь —» увеличение проницаемости дисковой мембраны для Са+2 —> диффузия Са+2 к цитоплазматической мембране палочки —> блокирование Ка+-каналов —> образование фоторецепторного потенциала на мембране палочки —» возбуждение нейронов сетчатки —» поступление нервных импульсов в зрительные центры головного мозга.
Хрусталик в глазу заменяет систему зеркал и в квантовом гироскопе. Итак, преобразованные частицы далее соприкасаются с органической жидкостью (гальвиноксил или гидразил). Происходит магнитный момент обработки квантовых свойств частиц, который описан в Главе I.
Красота этого механизма в том, что он полностью повторяет работу системы наведения квантового гироскопа. Весь организм, вся нервная система и является тем самым устройством. В данном случае нельзя рассматривать только отдельную часть системы, потому что только полноценная система способна считывать столь тонкий механизм.
Далее, у животных данный факт происходит сам по себе, т.е. инстинктивно. Соответственно, за регуляцию этого процесса отвечает определенная программа – ген. И теперь можно только предположить – за это отвечает несколько генов или один. Факт того, что инстинкт сам говорит, что нужно мигрировать существует, за него отвечает конкретный ген. Возможно тот же ген обуславливает работу восприятия частиц и координацию во время миграции. Данный факт должен быть установлен только экспериментальным путем.
Глава VII. Применение теории в действительности.
Перемещения животных на дальние расстояния ученые называют миграциями. Путешествуют все—насекомые, рыбы, пресмыкающиеся, земноводные, млекопитающие, птицы. Миграции бывают периодическими— регулярными—и непериодическими.
Регулярные путешествия животных обычно связаны с сезонными изменениями в природе. Наступление холодов в странах с умеренным или холодным климатом или жары, а вслед за ней засухи в степях, пустынях и полупустынях лишают многих животных корма, и они перемещаются в места, где в этот момент есть корм. Жизнь некоторых животных связана с урожаем определенных кормов, например семян хвойных деревьев. В годы с плохим урожаем семян белка, кедровка, клест, соболь, куница, медведь покидают обжитые места и переселяются в другие районы. Это нерегулярные миграции.
Бывают и катастрофические миграции, когда резко изменяются условия обитания. Сломали, например, старый дом, и все, кто в нем жил—птицы, мыши, насекомые,— отправляются на поиски нового пристанища.
Иногда миграции длятся очень долго. Мальки лососевых рыб, выйдя из икринок, немного подрастут и спускаются по рекам в море, а оттуда в океан. Пройдет несколько лет, прежде чем они вернутся в родные края метать икру. У некоторых северных чаек птенцы, пока не станут окончательно взрослыми, способными выводить собственное потомство, несколько лет кочуют по южным странам.
Прославились, своими миграциями речные угри. На икрометание из рек бассейна Балтийского моря угорь отправляется к берегам Америки, в Саргассово море. Вылупившиеся личинки, постепенно подрастая, проделывают обратный путь. Если измерить его по прямой линии, то он составит 8 тыс. км.
Еще большие расстояния покрывают во время миграций некоторые птицы. Полярные крачки от берегов Северного Ледовитого океана улетают за 17 тыс. км в Антарктиду. Даже наш обыкновенный скворец, окольцованный на Куршской косе, за сутки успел перелететь в Бельгию, за 1230 км. Любители таких длинных путешествий находятся и среди насекомых. Однажды в Африке наблюдали миграции бабочек, длившиеся 4 месяца. Стрекозы, бабочки и божьи коровки перелетают через горные хребты, океаны, внезапно появляются огромными стаями в самых неожиданных местах.
Скорость передвижения животных во время миграций поразительна. Рубиновый колибри весом всего 3,5 г пролетает за 25 ч 900 км над Мексиканским заливом, делая по 50 взмахов крыльями в секунду. Некоторые птицы проделывают свои беспосадочные перелеты в продолжение 105—115 ч. Своеобразным «горючим» служат запасы жиров в организме, обладающих очень высокой калорийностью.
Одни виды предпочитают путешествовать днем, другие ночью, а некоторые и днем и ночью.
Что же влечет их в дальние и опасные странствия? Существуют разные предположения. Наиболее распространенное из них— стремление избежать неблагоприятных условий: холода, жары, засухи и связанного с ними голода.
Массовые передвижения животных, вероятно, совершались в течение многих геологических эпох, постепенно закрепляясь в их «памяти» из поколения в поколение. Могло быть и по-другому. Когда-то, многие тысячелетия назад, климат нашей планеты был иным, предки современных животных обитали в южных странах, и потомки ежегодно возвращаются в родные места. Правда, наблюдения показали, что изменения, вносимые человеком в природу: создание новых водоемов, сведение лесов и т. п.,— сказываются на миграциях животных. Исчезают старые, появляются новые пути, места остановок, зимовок, обитания.
Как же животные ориентируются, безошибочно находят дорогу?
Еще не все органы чувств животных и их возможности известны людям. Животные способны ориентироваться по солнцу, звездам, обладая неизвестным нам «компасом». Внутренние, очень точные биологические часы позволяют им делать поправку к «компасу». Животные улавливают и используют благоприятные ветры, течения, магнитные и гравитационные поля Земли, способны чувствовать малейшие изменения барометрического давления. Они держат в памяти подробную карту местности и наиболее заметных объектов на ней. Многие для определения пути используют обоняние. Голуби воспринимают поляризированное и ультрафиолетовое излучение, слышат инфразвуковые шумы на сверхнижних частотах длинных волн. Рукокрылые используют эхолокацию. Пользуются «локаторами» многие водные животные — киты, рыбы. Локатор им с успехом заменяет орган зрения. Осы, пчелы медоносные хорошо запоминают объемные предметы, указывающие им направление. Рыбы обладают очень тонким обонянием. Для большинства из них оно служит главным указателем при миграциях. Так отыскивают дорогу в родные реки лососи и другие проходные и полу проходные рыбы.
Очень интересно укладывается на карту принцип теории. Мы видим, что во время миграции животные отклоняются в пределах одного – двух меридианов. Что же позволяет им не выходить за рамки? В каждой области меридиана (широта, долгота) располагаются свои частицы, характерные только для конкретной местности. Таким образом при миграции, если даже животные сбились, они смогут найти маршрут.
Как видно, данная теория подходит не только для птиц, но и для всех животных, что способны к полноценной миграции.
Вывод:
Таким образом, можно утверждать, что открыта и доказана новейшая теория, объясняющая координацию во время миграции животных. И повторюсь, что данная теория описывает все случаи миграции: будь то одиночные или массовые, птиц или рептилий.
Как писалось в одной советской энциклопедии натуралистов: «Тот, кто сумеет разгадать секреты миграций животных, их «навигационных приборов», сделает одно из крупнейших научных открытий.»
Мигрируя, каждая популяция придерживается одного и того же маршрута, что требует определенных средств ориентации. Долгое время механизмы навигации животных казались загадочными, но в ходе недавних исследований удалось выяснить некоторые вопросы. Первым шагом было определение маршрутов передвижения животных; для этого использовались различные методы мечения (такие, например, как кольцевание птиц). Если достаточно большое количество животных было помечено, а потом найдено в других местах, то можно не только проследить маршрут миграции, но и выяснить, как быстро она происходит и каково участие в ней особей разного пола и разного возраста.
Используемые источники информации:
.http://www.heuristic.su/effects/catalog/tech/byId/description/910/index.html
Привалов В. Е., Фридрихов С. А., Кольцевой газовый лазер // УФН. 1969, т. 97, в. 3, с. 377.
Померанцев Н. М., Скроцкий Г. В., Физические основы квантовой гироскопии. // УФН, 1970, т. 100, в. 3, с. 361.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%B3%D0%B8%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF
М. Д. Гольдфейн, Э. Г. Розанцев, А. Ф. Яруллин, Г. Е. Заиков МАГНЕТИЗМ И ОРГАНИЧЕСКИЕ ПАРАМАГНЕТИКИ
https://cyberleninka.ru/article/n/magnetizm-i-organicheskie-paramagnetiki
http://www.heuristic.su/effects/catalog/tech/byId/description/910/index.html
Направление: 11800.62 – Радиофизика КУРСОВАЯ РАБОТА ЭПР парамагнитных центров различного типа
https://docviewer.yandex.ru/view/0/?page=1&*=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%3D&lang=ru
https://www.chem21.info/page/197055015239240034142106008020031250132014021128/
https://xumuk.ru/encyklopedia/1425.html#:~:text=N%2CN%2D%D0%94%D0%98%D0%A4%D0%95%D0%9D%D0%98%D0%9B%2DN%2D%D0%9F%D0%98%D0%9A%D0%A0%D0%98%D0%9B%D0%93%D0%98%D0%94%D0%A0%D0%90%D0%97%D0%98%D0%9B%D0%AC%D0%9D%D0%AB%D0%99%20%D0%A0%D0%90%D0%94%D0%98%D0%9A%D0%90%D0%9B%20(%D0%B4%D0%B8%D1%84%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%BB%D0%BF%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%B8%D0%BB%D0%B3%D0%B8%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B8%D0%BB%2C%20%D0%94%D0%A4%D0%9F%D0%93)%2C%20%D0%BC%D0%BE%D0%BB.,%D0%B7%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8%20%D1%83%20%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0%20N1%20%D0%BD%D0%B5%D1%8D%D0%BA%D0%B2%D0%B8%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%BD%D1%8B
https://lektsii.org/14-29548.html
https://studref.com/467549/meditsina/preobrazovanie_svetovoy_energii_nervnye_impulsy
http://de-ussr.ru/spravochnik/yunnat/migratsii-zhivotnyh.html
Энциклопедический словарь юного натуралиста 1981 год Москва «Педагогика»
~ 8 ~