Виды и свойства голограмм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

ЧАСТЬ 1

Примеры технологических разработок российских ученых

Момент инерции как мера инерции тела во вращательном движении

Теорема Нёттер

Тепловые двигатели. Двигатель Карно

Понятия «вещество» и «поле» в классической и квантовой физике

Давление света

Сравнение радиоактивных излучений по ионизирующей способности

Понятие о структуре химического соединения

Биологические мембраны

ЧАСТЬ 2. Голография

Введение

История создания

Принцип создания голограмм

Голограмма по Габору

Голограмма по Лейтону

Голограмма по Денисюку

Дифракция

Типы голограмм

Плоские пропускающие голограммы

Объемные голограммы

Фазовые голограммы

Мультикомплексные голограммы

Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника света

Цветные голограммы

Акустические голограммы

Свойства голограмм

Источник света для голограммы

Свойства источников

Применение

Заключение

Список литературы



ЧАСТЬ 1

Примеры технологических разработок российских ученых

Плазменные технологии и оборудование для напыления и наплавки порошковых материалов

Разработаны и применяются электродуговые плазмотроны с секционированной межэлектродной вставкой мощностью от 10 до 100 кВт. Плазмотроны оснащены узлом кольцевого ввода порошковых материалов с газодинамической фокусировкой, который обеспечивает прохождение всего обрабатываемого материала через высокотемпературную приосевую область плазменной струи, что увеличивает эффективность процесса напыления.

Области применения:

Размерное восстановление и упрочнение деталей;

Коррозионно-, абразивно-, кавитационно- и изностойкие покрытия;

Термобарьерные и жаростойкие покрытия из керамических материалов с повышенной адгезией;

Плазменное напыление

Характеристика плазмотрона мощностью 50 кВт:

механизированное и ручное нанесение покрытий;

стабильное осесимметричное истечение плазменных струй с минимальным уровнем пульсаций параметров;

среднемассовая температура воздушной плазмы, на срезе сопла плазмотрона, до 7000 К;

расход плазмообразующего газа (воздух, азот, аргон, их смеси) - 0,8 -3 г/с;

производительность:

-по керамическим порошкам (Al₂O₃, ZrO₂) - до 10 кг/ч;

-по металлическим - до 30 кг/ч;

пористость керамических покрытий AL₂O₃ (при использовании узла кольцевого ввода) - менее 2 %

Плазменная наплавка

Разработаны и применяются электродуговые плазмотроны

с двойной (основной и пилотной) дугой мощностью до12 кВт.

Характеристика плазмотрона:

- механизированное и ручное нанесение покрытий;

- расход плазмообразующего газа (аргон) - 0,07 - 0,15 г/с;

- расход транспортирующего газа (аргон) - 0,3 - 0,7 г/с;

- расход защитного газа (аргон) - 0,4 - 0,8 г/с;

- производительность наплавки - до 10 кг/ч.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Высокочастотная импульсная закалка

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ЗАКАЛКА (ВИЗ) ДЕТАЛЕЙ предназначена для поверхностного упрочнения стальных и чугунных деталей машин.

Сущность процесса заключается в скоростном нагреве поверхности детали мощным импульсным ВЧ полем и последующей быстрой автозакалке нагретого слоя теплосбросом в глубину металла. Образование высокодисперсных упрочняющих структур (мартенсит, карбиды и др.) повышает твердость, износостойкость и другие свойства металла, увеличивает ресурс работы такой детали в несколько раз.

Разработана математическая модель процесса, нестандартная аппаратура для перевода типовых ВЧ генераторов мощностью до 200 кВт в непрерывно-импульсный режим работы, длительность импульсов обработки и пауз между ними регулируется в диапазоне (1 - 900) мс. Поверхность детали после ВИЗ, кроме повышенных прочностных свойств, имеет высокую износостойкость. Например, износостойкость изделий из стали 40Х, упрочненные данным способом в 3 раза выше, чем упрочненные способом газового азотирования.

Разработаны комплекты надежных промышленных профильных индукторов со специальными концентраторами энергии для упрочнения деталей различной формы.

Разработаны различные типы оснастки и ряд технологий прямого упрочнения деталей из любых сталей и чугунов (с содержанием углерода более 0,3 %.)

Производительность процесса упрочнения достигает 15 см2/с при мощности ВЧГ 60 кВт.

Достоинства ВИЗ:

Отсутствие или cущественное снижение поводок.

Снижение хрупкости за счет пластичной сердцевины и диспергирования зерна.

Возможность упрочнения внутренних и наружных поверхностей.

Возможность локального упрочнения.

Использование стандартных ВЧ-генераторов после их модификации.

Снижение затрат энергии на нагрев.

Технологическая простота метода, легкость автоматизации процесса.

Микроструктура Ст.45 до закалки Микроструктура Ст.45 после закалки

Технические характеристики:

Максимальная твердость закаленного слоя, ед. HRC	65
Максимальная глубина закалки, мм	3,5
Поверхностная плотность потока излучения, кВт/см2	10-1000
Скорость нагрева при толщине закаленного слоя 1 мм, К/с	105-107
Скорость охлаждения, К/с	103-105
Производительность установки, см2/мин	до 1000

Перспективные технологические процессы:

Упрочнение поверхностей валков, катков, колес, прессовых матриц, штампов, внутренних поверхностей втулок, цилиндров дизелей, направляющих, станин, вырубных штампов, любых плоскостей, зубьев шестерен, в том числе высокомодульных, кривошипов, ряда криволинейных профилей и т.д.

Разработка запатентована в России Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН

Момент инерции как мера инерции тела во вращательном движении

Момент инерции -- скалярная (в общем случае -- тензорная) физическая величина, мера инертности во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении. Характеризуется распределением масс в теле: момент инерции равен сумме произведений элементарных масс на квадрат их расстояний до базового множества (точки, прямой или плоскости).

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кг·мІ.

Обозначение: I или J.

Различают несколько моментов инерции -- в зависимости от многообразия, от которого отсчитывается расстояние точек.

Осевой момент инерции

Моментом инерции механической системы относительно неподвижной оси («осевой момент инерции») называется величина J_a, равная сумме произведений масс всех n материальных точек системы на квадраты их расстояний до оси:

,

где:

m_i -- масса i-й точки,

r_i -- расстояние от i-й точки до оси.

Осевой момент инерции тела J_a является мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении.

,

где:

-- масса малого элемента объёма тела ,

-- плотность,

-- расстояние от элемента до оси a.

Если тело однородно, то есть его плотность всюду одинакова, то

Теорема Гюйгенса -- Штейнера

Момент инерции твёрдого тела относительно какой-либо оси зависит от массы, формы и размеров тела, а также и от положения тела по отношению к этой оси. Согласно теореме Штейнера (теореме Гюйгенса-Штейнера), момент инерции тела J относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела J_c относительно оси, проходящей черезцентр масс тела параллельно рассматриваемой оси, и произведения массы тела m на квадрат расстояния d между осями:

,

где -- полная масса тела.

Например, момент инерции стержня относительно оси, проходящей через его конец, равен:

Моменты инерции однородных тел простейшей формы относительно некоторых осей вращения

Тело	Описание	Положение оси a	Момент инерции Ja
	Материальная точка массы m	На расстоянии r от точки, неподвижная
	Полый тонкостенный цилиндр или кольцо радиуса r и массы m	Ось цилиндра
	Сплошной цилиндр или диск радиуса r и массы m	Ось цилиндра
	Полый толстостенный цилиндр массы m с внешним радиусом r2 и внутренним радиусом r1	Ось цилиндра
	Сплошной цилиндр длины l, радиуса r и массы m	Ось перпендикулярна к цилиндру и проходит через его центр масс
	Полый тонкостенный цилиндр (кольцо) длины l, радиуса r и массы m	Ось перпендикулярна к цилиндру и проходит через его центр масс
	Прямой тонкий стержень длины l и массы m	Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его центр масс
	Прямой тонкий стержень длины l и массы m	Ось перпендикулярна к стержню и проходит через его конец
	Тонкостенная сфера радиуса r и массы m	Ось проходит через центр сферы
	Шар радиуса r и массы m	Ось проходит через центр шара
	Конус радиуса r и массы m	Ось конуса
	Равнобедренный треугольник с высотой h, основанием a и массой m	Ось перпендикулярна плоскости треугольника и проходит через вершину
	Правильный треугольник со стороной a и массой m	Ось перпендикулярна плоскости треугольника и проходит через центр масс
	Квадрат со стороной a и массой m	Ось перпендикулярна плоскости квадрата и проходит через центр масс

Теорема Нёттер

Нётер теорема, фундаментальная теорема физики, устанавливающая связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения. Сформулирована Э. Нётер в 1918. Н. т. утверждает, что для физической системы, уравнения движения которой имеют форму системы дифференциальных уравнений и могут быть получены извариационного принципа механики, каждому непрерывно зависящему от одного параметра преобразованию, оставляющему инвариантным вариационный функционал, соответствует закон сохранения. В механике частиц или полей вариационным функционалом служит действие S; из условия обращения в нуль вариации действия dS = 0 (наименьшего действия принцип) получаются уравнения движения системы. Каждому преобразованию, при котором действие не меняется, соответствует дифференциальный закон сохранения. Интегрирование уравнения, выражающего такой закон, приводит к интегральному закону сохранения.

Н. т. даёт наиболее простой и универсальный метод получения законов сохранения в классической и квантовой механике, теории поля и т. д.

Непрерывными преобразованиями в пространстве-времени, оставляющими инвариантным действие (а следовательно, и уравнения движения), являются: сдвиг во времени (что выражает физическое свойство равноправия всех моментов времени -- однородность времени), сдвиг в пространстве (свойство равноправия всех точек пространства -- однородность пространства), трёхмерное пространственное вращение (свойство равноправия всех направлений в пространстве -- изотропия пространства), четырёхмерные вращения в пространстве-времени, в частности Лоренца преобразования,выражающие принцип относительности. Согласно К. т., из инвариантности относительно сдвига во времени следует закон сохранения энергии; относительно пространственных сдвигов -- закон сохранения импульса; относительно пространственного вращения -- закон сохранения момента количества движения; относительно преобразований Лоренца -- закон сохранения лоренцова момента, или обобщённый закон движения центра масс (центр масс релятивистской системы движется равномерно и прямолинейно).

Н. т. относится не только к пространственно-временным симметриям. Так, например, из независимости динамики заряженных частиц в электромагнитных полях от т. н. калибровочных преобразований 1-го рода [при которых комплексные функции поля j(х) и j*(x) умножаются соответственно на факторы e^ia и е^-ia, где a -- вещественный непрерывный параметр] следует закон сохранения электрического заряда. Особенно важное значение имеет Н. т. в квантовой теории поля, где законы сохранения, вытекающие из существования определённой группы симметрии, часто являются основным источником информации о свойствах изучаемых объектов.

Тепловые двигатели. Двигатель Карно

Тепловые двигатели. Принцип работы тепловых двигателей.
Все тепловые двигатели работают по единому принципу - превращают внутреннюю энергию в механическую энергию. Для этой цели тепло, выделившееся при сгорании топлива или ядерных реакциях, передается путем теплообмена какому-либо газу. Газ расширяется, производит работу против внешних сил, приводя в движение какой-либо механизм. Газ в тепловом двигателе не может расширяться бесконечно, поэтому после расширения его надо сжать так, чтобы и он, и все детали системы (теплового двигателя) пришли в первоначальное положение. Затем снова следует расширение газа под действием подведенного тепла, затем сжатие до первоначального состояния и т.д. Тепловой двигатель должен работать циклично и этот цикл должен быть замкнутым.

рис.1

Идеальный замкнутый цикл можно изображать на термодинамических диаграммах (рисунок 1 приведен для процесса расширения и сжатия газа). Работа расширения на рисунке 1 численно равна площади криволинейной трапеции , ограниченной сверху графиком зависимости давления от объёма в процессе расширения (кривая расширения). Работа сжатия равна площади криволинейной трапеции , ограниченной сверху кривой сжатия. Полезная работа цикла (кругового процесса) изображается зачерненной площадью, ограниченной графиком цикла, т.е. кривыми расширения и сжатия.
Необратимые процессы нельзя изображать в термодинамических диаграммах. Необратимые процессы не могут протекать по системе цикла.

Термодинамическая диаграмма замкнутого цикла тепловой машины
Любой тепловой двигатель состоит из трех частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель (устройство, отдающее тепло, полученное при сгорании топлива или ядерной реакции) поддерживается при постоянной температуре .Рабочим телом является пар (или газ), который, расширяясь, совершает работу. Рабочее тело получает от нагревателя количество тепла . Рабочее тело расширяется.Для его сжатия необходимо забрать от него некоторое количество тепла и передать его холодильнику, температура которого постоянна и равна . Температура холодильника всегда меньше температуры нагревателя. Холодильником может служить окружающая среда, как, например, в двигателях внутреннего сгорания и реактивных тепловых двигателях. Баланс энергии за цикл равен , где - полезная работа цикла, - энергия, теряемая в процессе цикла на теплообмен с окружающей средой, на трение и т.д. Если цикл замкнутый, то .

Рис 2. Схематическое устройство теплового двигателя

КПД тепловых двигателей.Из теплового баланса следует . Коэффициентом полезного действия (КПД) теплой машины (теплового двигателя) называется отношение полезной работы к энергии, которое рабочее тело получило от нагревателя, т.е. количеству теплоты

Из уравнения видно, что КПД даже идеальной тепловой машины принципиально меньше 100%.

Цикл Карно. Циклом Карно называется круговой процесс, состоящий из четырех последовательных обратимых процессов:

- изотермическое расширение (кривая на графике 1-2, рисунок 3);

- адиабатическое расширение (кривая 2-3);

- изотермическое сжатие (кривая 3-4);

- адиабатическое сжатие (кривая 4-1).

Рис 3.

Цикл Карно представляет собой идеализированный цикл реальной тепловой машины. Предполагается отсутствие потерь на теплообмен с окружающей средой, трения в отдельных частях машины, а процессы расширения и сжатия идут квазистатически, и, следовательно, обратимо. Общее изменение энтропии всей системы за цикл равно нулю. В начале цикла рабочее тело имеет одинаковую температуру с нагревателем (точка 1 на рисунке 3). Получая тепло от нагревателя , газ изотермически расширяется и приходит в состояние 2. Далее он расширяется адиабатически, его температура понижается до температуры холодильника . За расширением идет изотермическое сжатия газа (температура газа остается равной ), передается холодильнику тепло . Затем путем адиабатического сжатия температуру рабочего тела повышают до первоначальной. Цикл завершен, рабочее тело вернулось в исходное состояние. Изменение энтропии всей системы за цикл равно нулю

Для идеальной машины, работающей по обратимому циклу Карно, кпд процесса не зависит от природы рабочего тела и является функцией только абсолютных температур нагревателя и холодильника:

Для увеличения КПД теплового двигателя надо увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника. КПД реального теплового двигателя всегда меньше КПД двигателя, работающего по циклу Карно в том же температурном интервале: .

Обратный цикл Карно. Холодильная машина.

Цикл Карно - процесс обратимый, поэтому его можно провести в обратном направлении. Прямой цикл Карно (рисунок 3) проходит через состояния системы 1-2-3-4-1. Обратный цикл Карно проходит через следующие состояния системы 1-4-3-2-1. Схема установки на рисунке 4.

Рисунок 4. - Схематическое устройство холодильной установки
Рабочее тело адиабатически расширяется (это соответствует кривой 1-4 на рисунке 3), при этом его температура понижается до температуры холодильной камеры . Далее рабочее тело изотермически расширяется от состояния 4 до состояния 3, совершая работу расширения за счет поглощения от холодильной камеры тепло . От состояния 3 до состояния 2 рабочее тело проходит путем адиабатического сжатия, его температура повышается до температуры нагревателя . Из состояния 2 в состояние 1 рабочее тело переходит, изотермически сжимаясь за счет работы, совершаемой внешними силами, при этом оно отдает нагревателю количество теплоты . Цикл завершен, установка находится в исходном состоянии. За цикл внешние силы совершают работу . В результате данного цикла некоторое количество тепла переходит от холодного тела (холодильника) к телу с более высокой температурой (нагревателю). Такой переход запрещен вторым началом термодинамики. Этот процесс передачи тепла ведет к уменьшению энтропии. Однако другой процесс (превращение механической работы внешних по отношению системы сил во внутреннюю энергию нагревателя) происходит с возрастанием энтропии. Таким образом, изменение энтропии за обратный цикл Карно, как и за прямой цикл, равно нулю. КПД обратного цикла Карно, как и для прямого, задается формулой

Для реального обратного цикла КПД процесса будет меньше, чем для обратного цикла Карно .

Рис.4

Понятия «вещество» и «поле» в классической и квантовой физике

Материя - философская категория для обозначения объективной реальности, отражаемой нашими ощущениями и существующей независимо от них. В классических представлениях естествознания различают два вида материи - вещество и поле.

Согласно теории корпускулярно-волнового дуализма свет - это поток частиц - квантов или фотонов, несущих определенные порции энергии и импульса, но в то же время свет - это волны электромагнитного поля, обладающие энергией и импульсом и распространяющиеся в пространстве со скоростью света.

В квантовой механике любой частице соответствует волна. А когда частиц много? С точки зрения квантовой механики можно было бы сопоставить каждой частице свое поле. Однако опыт свидетельствует о полной неразличимости тождественных частиц. Конечно, уэлектронов могут быть разные энергии и импульсы, но при одних и тех же параметрах электроны одинаковы.

Итак, если все частицы одинаковы, как волны в одной и той же среде, то, значит, эта среда, т. е. поле, является более фундаментальным понятием.

Поле определяется через силы, действующие на некоторый пробный объект (заряд, массу), помещенный в данную точку пространства. Пространство непрерывно. В каждой его точке эта сила имеет вполне определенное значение, считающееся характеристикой поля. При этом переход от точки к точке непрерывный и плавный. Важным свойством поля является непрерывность его характеристик. Именно непрерывность позволяет эффективно применять математические методы для описания физических характеристик разнообразных объектов. К настоящему времени известно несколько типов физических полей, соответствующих типам взаимодействий, - электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля элементарных частиц.

С математической точки зрения поле - это произвольная функция или набор функций, координат и времени.

Поля могут быть постоянными и переменными. Например, электрическое и магнитное поля фотона являются переменными (они синусоидально зависят от координат и времени, т. е. изменяются по гармоническому закону), а магнитное поле Земли и электрическое поле в грозовой туче постоянные.

Вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Последние в свою очередь состоят из кварков. Различного рода взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями. Кванты полей, переносящих электромагнитное взаимодействие, представляют собой фотоны, гравитационное взаимодействие - гравитоны, сильное взаимодействие - глюоны, слабое взаимодействие - векторные бозоны.

В классической физике вещество и поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых структура дискретна, а у второго - непрерывна. Открытие в квантовой теории двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов нивелирует это противопоставление. На этой основе были строго разделены категории вещества и материи, на протяжении многих веков отождествлявшиеся в философии и науке, причем философское значение осталось за категорией материи, а понятие вещество сохранило научный смысл в физике и химии. В земных условиях для веществ известны четыре состояния: твердые тела, жидкости, газы, плазма.

Давление света

Давление света -- Поток фотонов (свет), который при соударении с поверхностью оказывает давление.

Поток фотонов, падающие на поглощающую поверхность :

Поток фотонов, падающие на зеркальную поверхность :

Поток фотонов, падающие на поверхность :



Физический смысл Давления света:

Свет -- это поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами -- оказывать давление.

Прибор, измерения давления света, представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Создал данный прибор Лебедев. Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками -- светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги. Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух. Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити и определяли давление света.

В Формуле мы использовали :

-- Давление света -- Сила, с которой давит фотон -- Площадь поверхности, на которую происходит давление света -- Импульс одного фотона -- Постоянная Планка -- Скорость света

-- Плотность потока энергии -- Интенсивность света -- Промежуток времени

Сравнение радиоактивных излучений по ионизирующей способности

Ионизирующее излучение - это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов (ионов) разных знаков Источником ионизирующего излучения являются природные и искусственные р радиоактивные вещества и элементы (уран, радий, цезий, стронций и др.) Источники ионизирующего излучения широко используются в атомной энергетике, медицине (для диагностики и лечения) и в рез них отраслях промышленности (для дефектоскопии металлов, контроля качества сварных соединений, определения уровня агрессивных сред в замкнутых объемах, борьбы с разрядами статического электричества и т др. ін.).

Ионизирующее излучение разделяется на электромагнитное (фотонных) и корпускулярное К последним относятся излучения, состоящие из потока частиц, масса покоя которых не равна нулю (альфа-и и бета-частиц, протонов, нейтронов и др.) К электромагнитного излучения относятся гамма - и рентгеновского излученияння.

Альфа-излучение - это поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), движущихся со скоростью 20 000 км / с

Бета-излучение - это поток электронов и позитронов, скорость которых приближается к скорости света

Гамма-излучение - это коротковолновое электромагнитное излучение, которое по своим свойствам подобно рентгеновского, но имеет большую скорость (примерно равна скорости света а) и энергии.

Ионизирующее излучение характеризуется двумя основными свойствами: способностью проникать через среду, облучается, и ионизировать воздух и живые клетки организма Причем обе эти власти ивости ионизирующего излучения связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью.

Действие ионизирующего излучения оценивается дозой излучения Различают поглощенную, эквивалентную и экспозиционную дозы

Поглощенная доза I) - это отношение средней энергии Е, передается излучением веществу в некотором элементарном объеме, к массе ОИТ в этом объеме:

Единицей поглощенной дозы в системе единиц СИ является грей (Гр), а внесистемной - советов, 1 Гр = 1 Дж / кг = 100 рад

Поскольку различные виды ионизирующего излучения даже при одинаковых значениях поглощенной дозы вызывают разное биологический эффект, введено понятие эквивалентной дозы Я, определяется как произведение пог глинутои дозы и коэффициента качества данного излучения Кк

Коэффициент качества показывает во сколько раз радиационная опасность данного вида излучения выше радиационной опасности рентгеновского излучения при одинаковой поглощенной дозе

Единицей эквивалентной дозы облучения в СИ является зиверт (Зв): 1 Зв = 100 бэр Бэр (биологический эквивалент рада) - внесистемная единица Н

Для количественной оценки ионизирующей действия рентгеновского и гамма-излучения в сухом атмосферном воздухе используется экспозиционная доза, которая представляет собой отношение полного заряда ионов одного зн НАКа а * Я, возникающих в малом объеме воздуха, к массе воздуха в этом объеме и

За единицу экспозиционной дозы принимают кулон на килограмм (Кл / кг) Применяется также внесистемная единица - рентген (Р), 1 Р = 2,58 o 10 \"4 Кл / кг

Поглощенная, эквивалентная и экспозиционная дозы за единицу времени (1с) называются мощностями соответствующих доз.

Понятие о структуре химического соединения

Химическое соединение - вещество, молекулы которого состоят из атомов двух или более различных химических элементов, соединенных между собой тем или иным типом химической связи. Химические соединения отличаются от простых веществ тем, что в их состав входят атомы различных химических элементов. В отличие от смесей химических элементов, химическое соединение имеет качественно новые свойства, которые не сводятся к свойствам химических элементов, входящих в ее состав.

Понятие химическое соединение - идеализированное, в отличие от реальных химических веществ, большинство из которых являются смесями различных химических соединений. Химические вещества, имеющие в своем составе практически только одну химическое соединение называют чистыми.

Обычно, структурной единицей химического соединения является молекула, химический состав и строение которой может определяться определеннойхимической формулой. Однако, существуют также соединения немолекулярного строения. Более того, существуют соединения переменного состава.

Поскольку в состав соединения входят различные химические элементы, соответствующие вещества называют сложными. Сложных веществ несравненно больше, чем простых. Если простых веществ сейчас известно более 400, то сложных веществ в неорганической химии - более 50 тысяч, а в органической химии - около 3 млн.

К сложным веществам относятся, например, вода - H ₂ O, молекулы которого состоят из двух атомов Водорода и одного атома Кислорода, серная кислота - H ₂SO _4, молекулы которого состоят из двух атомов водорода, одного атома Серы и четырех атомов кислорода, т..

Состав может быть такой, как вода, когда связь удерживается благодаря общей паре электронов ( ковалентная связь), или ионной, когда связь образуется благодаря притяжению противоположных зарядов ( ионная связь), например хлорид натрия.

Соединения могут иметь различные фазы существования. Все соединения могут существовать в твердом состоянии. Вещества могут быть жидкостью, газомили плазмой. Они могут распадаться до меньших соединений или до атомов при определенных температурах (температура разложения).

Структурная формула серной кислоты.



С определенного набора химических элементов могут образовываться различные химические соединения, в зависимости от того, каким образом соединены между собой атомы. Например, Карбон и кислород могут образовать угарный газ CO или углекислый газ CO _2.

Часто химическое соединение можно однозначно идентифицировать по ее химической формулой, которая указывает сколько атомов любого сорта входят в состав соединения, например: аммиак : NH _3. Больше информации дает структурная формула, в которой указаны не только типы атомов, но и то, как они соединены между собой. Соединения с одинаковым атомным составом, но с разной структурной формуле, а, следовательно, химическими свойствами, называются изомерами.

Важной общей характеристикой химических соединений является их молекулярная масса - сумма атомных масс всех атомов, входящих в состав структурной единицы химического соединения.

Биологические мембраны

Мембраны биологические (лат. membrana оболочка, перепонка) -- функционально активные поверхностные структуры толщиной в несколько молекулярных слоев, ограничивающие цитоплазму и большинство органелл клетки, а также образующие единую внутриклеточную систему канальцев, складок, замкнутых областей.

Биологические мембраны имеются во всех клетках. Их значение определяется важностью функций, которые они выполняют в процессе нормальной жизнедеятельности, а также многообразием заболеваний и патологических состояний, возникающих при различных нарушениях мембранных функций и проявляющихся практически на всех уровнях организации -- от клетки и субклеточных систем до тканей, органов и организма в целом.

Мембранные структуры клетки представлены поверхностной (клеточной, или плазматической) и внутриклеточными (субклеточными) мембранами. Название внутриклеточных (субклеточных) мембран обычно зависит от названия ограничиваемых или образуемых ими структур. Так, различают митохондриальные, ядерные, лизосомные мембраны, мембраны пластинчатого комплекса аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума, саркоплазматического ретикулума и др. (см. Клетка). Толщина биологических мембран -- 7--10 нм, но их общая площадь очень велика, например, в печени крысы она составляет несколько сот квадратных метров.

Химический состав и строение биологических мембран.

Состав биологических мембран зависит от их типа и функций, однако основными составляющими являются липиды и белки, а также углеводы (небольшая, но чрезвычайно важная часть) и вода (более 20% общего веса).

Липимды (от греч. лЯрпт, lнpos -- жир) -- обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Молекулы простых липидов состоят из спирта и жирных кислот, сложных -- из спирта, высокомолекулярных жирных кислот и других компонентов. Содержатся во всех живых клетках[1].

Белким (протеимны, полипептимды[1]) -- высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью . В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот.

Углевомды (сахарам, сахариды) -- органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Углеводы являются неотъемлемым компонентом клеток и тканей всех живых организмов представителей растительного и животного мира, составляя (по массе) основную часть органического вещества на Земле. Источником углеводов для всех живых организмов является процесс фотосинтеза, осуществляемый растениями.

Функции биологических мембран.

Барьерная функция. Для клеток и субклеточных частиц биологических мембран служат механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства.

Перенос веществ. Различают пассивный и активный транспорт (перенос) нейтральных молекул, воды и ионов через биологические мембраны . Пассивный транспорт не связан с затратами энергии, он осуществляется путем диффузии по концентрационным, электрическим или гидростатическим градиентам. Активный транспорт осуществляется против градиентов, связан с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряжен с работой специализированных мембранных систем (мембранных насосов).

Процессы трансформации и запасания энергии протекают в специализированных биологических мембранах и занимают центральное место в энергетическом обеспечении живых систем. Два основных процесса энергообразования -- фотосинтез и тканевое дыхание -- локализованы в мембранах внутриклеточных органелл высших организмов, а у бактерий -- в клеточной (плазматической) мембране

Метаболические функции мембран определяются двумя факторами: во-первых, связью большого числа ферментов и ферментативных систем с мембранами, во-вторых, способностью мембран физически разделять клетку на отдельные отсеки, отграничивая друг от друга метаболические процессы, протекающие в них.

Клеточная рецепция и межклеточные взаимодействия. Под этой формулировкой объединен весьма обширный и разнообразный набор важных функций клеточных мембран, определяющих взаимодействие клетки с окружающей средой и формирование многоклеточного организма как единого целого. Молекулярно-мембранные аспекты клеточной рецепции и межклеточных взаимодействий касаются прежде всего иммунных реакций, гормонального контроля роста и метаболизма, закономерностей эмбрионального развития.



ЧАСТЬ 2. ГОЛОГРАФИЯ

Введение

Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники. Голограммы обладают уникальным свойством - восстанавливать полноценное объемное изображение реальных предметов. Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.

Голография, представляющая собой фотографический процесс в широком смысле этого слова, принципиально отличается от обычной фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн, рассеянных объектом и несущих полную информацию о его трехмерной структуре. Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Такое изображение со множеством ракурсов, изменяющихся с изменением точки наблюдения, обладает удивительной реалистичностью и зачастую неотличимо от реального объекта.

Современные голограммы наблюдают при освещении обычными источниками света, и полноценная объемность в комбинации с высокой точностью передачи фактуры поверхностей обеспечивает полный эффект присутствия.

Голограммы незаменимы при изготовлении высококачественных репродукций произведений скульптуры, музейных экспонатов и т.д. В то же время, возможность создания объемных изображений открывает новые направления в искусстве - изобразительную голографию и оптический дизайн. Голограммы широко используются в сувенирной продукции и в качестве украшений, а также в рекламе.

Российские студии голографии достигли высокого уровня в производстве голограмм и в настоящее время обладают законченным технологическим процессом изготовления голограмм по схеме: объект -> мастер-голограмма -> голографическая копия.

История создания

Идея голографии была выдвинута и экспериментально проверена польским физиком М. Вольфке (1883-1947). Его работа была опубликована еще в 1920 г., но была забыта. Эту идею независимо от Вольфке вновь предложил и обосновал в 1947 г. английский инженер и физик Денис Габор. Он получил первую голограмму.

Однако понадобилось 15 лет, чтобы стало возможно практическое осуществление голографии. Причина столь длительной задержки заключается в том, что в голографии требуются источники света, обладающие высокой степенью временной и пространственной когерентности. Таких источников в 1947 г. еще не существовало.

Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как в результате фундаментальных исследований по квантовой электронике, выполненных советскими физиками - академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым - и американским ученым Чарльзом Таунсом, в 1960 г. был создан первый лазер. В том же году профессором Т. Маймамом был сконструирован импульсный лазер на рубине. Эта система (в отличие от непрерывного лазера) дает мощные и короткие, длительностью в несколько наносекунд (10-9 сек), лазерные импульсы, позволяющие фиксировать на голограмме подвижные объекты. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера в 1967 году.
Начало изобразительной голографии было положено работами Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса (рис. 2) из Мичиганского Технологического Института (США), получившими в 1962 г. первую объемную пропускающую голограмму, восстанавливаемую в лазерном свете. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях повсюду в мире.

Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы академика Ю.Н. Денисюка, выполненные в 60-70-х годах. Он впервые получил отражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в обычном, белом свете. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком.

Первые высококачественные голограммы по методу Ю.Н. Денисюка были выполнены в 1968 г. в СССР - Г.А. Соболевым и Д.А. Стаселько, а в США - Л. Зибертом.



В 1969 г. Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем "штамповки" интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.

В 1977 г. Ллойд Кросс получил мультиплексную голограмму, состоящую из множества обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной плоскости.

Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т.е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует. Например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов.

При перемещении такой голограммы в поле зрения можно увидеть все запечатленные кадры.

С середины 70-х годов ведутся разработки систем голографического кинематографа. В нашей стране значительные успехи в этом направлении были достигнуты специалистами Научно-исследовательского кино-фото института (НИКФИ) в Москве под руководством В.Г. Комара.

В настоящее время голография продолжает активно развиваться, и с каждым годом в этой области появляются новые интересные решения. Нет сомнения, что в будущем изобразительной голографии предстоит занять в жизни людей еще более значительное место.

Принцип создания голограмм

Мы видим предметы благодаря тому, что световые волны отражаются от них или преломляются ими и попадают в наш глаз. Световые волны, отраженные от какого-либо объекта, характеризуются определенной формой волнового фронта, которая соответствует форме данного объекта. Две группы когерентных световых волн могут интерферировать, создавая картину светлых и темных линий, или полос, причем в каждом конкретном случае эти полосы образуют совершенно определенную комбинацию, зависящую только от формы волновых фронтов взаимодействующих волн. Такую картину, называемую интерференционной, можно зафиксировать на фотографической пластинке, помещенной в то место, где происходит интерференция волн.

Знакомство с принципами голографии начнем с рассмотрения двух плоских волновых фронтов, которые, взаимодействуя, создают интерференционную картину; последнюю регистрируют на фотографической пластинке, помещенной в то же место, где находился экран. В голографии эта (первая) стадия процесса называется регистрацией (или записью) голограммы. Одна из плоских волн называется опорной волной (или опорным волновым фронтом). Вторую будем называть предметной, то есть волной (или волновым фронтом), отраженной от предмета, изображение которого регистрируется. Интерференционная картина, записанная на фотографической пленке, и есть голограмма.

На экспонированной таким образом и проявленной пластинке отсутствует какое-либо изображение, однако его в зашифрованном виде содержит система интерференционных полос, и если голограмму просветить лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет «восстановленная голограмма» - объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве. Меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предметы на первом плане и увидеть детали, ранее скрытые от взгляда. Свет, проходя сквозь систему черно-белых полос голограммы, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета.

Таким образом голографический процесс включает в себя следующие стадии: регистрацию и «хранение» предметного волнового фронта в виде интерференционной картины (то есть голограммы) и - спустя любое время - восстановление его при прохождении через голограмму опорной волны.

Голограмма по Габору

Пучок лазера одновременно направляется на исследуемый объект и на зеркало. Отраженная от зеркала опорная волна и рассеянная объектом предметная световая волна падают на обычную фотопластинку, где происходит регистрация возникшей сложной интерференционной картины. После соответствующей экспозиции фотопластинку проявляют, в результате чего получается так называемая голограмма -- зарегистрированная на фотопластинке интерференционная картина, полученная при наложении опорной и предметной волн.

В этом изображении сохранена информация как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн и, следовательно, заложена информация о трехмерном (объемном) объекте.

Фотографическая запись картины интерференции предметной волны и опорной волны обладает свойством восстанавливать изображение объекта, если на такую запись снова направить опорную волну. Для этого голограмму помещают в то место, где была расположена фотопластинка при фотографировании, и затем освещают голограмму световым пучком того же лазера под тем же углом, под которым было осуществлено экспонирование. При этом происходит дифракция опорной волны на голограмме и мы видим объемное со всеми присущими самому объекту свойствами «мнимое» изображение.

Если осветить голограмму с обратной стороны обращенным опорным пучком так, чтобы все лучи пучка были направлены противоположно лучам первоначального опорного пучка, то в месте первоначального расположения предмета возникает действительное изображение, доступное наблюдению невооруженным глазом. Его можно зарегистрировать на фотопластинку без применения линз.

Голограмма по Лейтону

После появления мощного источника когерентного света - лазера, интерес к голографии вспыхнул вновь. В 1962 американские оптики и радиофизики Эммет Лейт и Дж. Юрис Упатниекс усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой (рис. 6). Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве. Схема Лейта - Упатниекса стала основой современных голографических установок.

Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка - предметный и опорный. Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок - попадает на фотопластинку. В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны. Остается только зарегистрировать ее обычным фотографическим путем.

При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале -- лазера.

Лазер используется потому, что при записи голограммы на светочувствительной эмульсии фиксируют не само изображение, а интерференционную картину, которую можно получить только от когерентных источников волн, т.е. синхронных. Лазер и является источником когерентного света.



Голограмма по Денисюку

В это же время на голографические методы записи изображения обратил внимание российский физик Юрий Николаевич Денисюк. Ему принадлежит идея создания отражательных объемных голограмм.

Линза расширяет лазерный луч в широкий пучок. Предмет находится за фотопластинкой. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон (схема на встречных пучках). В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его (т.о. выполняя роль светофильтра). Встречаясь в фотоэмульсиии, опорная и предметная волны складываются. В тех точках, в которых волны от объекта и от лазера встретились в одной фазе, возникает максимум интенсивности света (как бы на воде встретились два гребня от двух встречных волн). В тех точках, в которых волны от объекта и от лазера встретились в противофазе, возникнет минимум интенсивности света (как бы на воде встретились гребень и впадина от встречных волн). На фотопластинке создастся чередование тёмных и светлых полос - интерференционная картина.

Если осветить проявленную эмульсию светом того же источника, голограмма восстановит причудливую форму светового фронта, который при записи голограммы отражался от реального объекта. Зрительное восприятие восстановленной световой волны неотличимо от наблюдения реального объекта - такое же объёмное.

Голограммы Денисюка могут восстанавливаться обычным белым светом. Картинка будет восстановлена только теми частотами волн, которые использовались при записи, а остальные лучи - компоненты белого света - поглотятся голограммой. Голографическое изображение имеет цвет, соответствующий цвету лазерного света, с помощью которого записывалась голограмма, (обычно жёлто-зеленоватый или красный). Но можно получить и полноцветное голографическое изображение. Для этого в фотопластинке нужно зарегистрировать три элементарных голограммы при длинах волн синего, зеленого и красного света. При восстановлении голограммы белым светом каждая из элементарных голограмм формирует свое изображение в соответствующем цвете. Эти три изображения образуют полноцветную картину, подобно тому, как это происходит на экране цветного телевизора. Голограммы Денисюка используются для изображения предметов искусства, поэтому называются также «изобразительными». Существуют целые галереи изобразительных голограмм редких золотых украшений и прочих раритетов из коллекций различных музеев.

Основное свойство отражательных голограмм - это возможность восстановления записанного изображения с помощью источника белого света, например, лампы накаливания или солнца. Не менее важным свойством является цветовая избирательность голограммы. Это значит, что при восстановлении изображения белым светом, оно восстановится в том цвете, в каком было записано. Если для записи был использован, например, рубиновый лазер, то восстановленное изображение объекта будет красным. [

В своей работе Ю.Денисюк опирался на способ получения цветных фотографических изображений, разработанный французским физиком Габриэлем Липпманом в 1891. Луч света из объектива его фотоаппарата попадал на пластинку, залитую с обратной стороны ртутью (ее слой служил зеркалом). Отраженные световые волны интерферировали с падающими, создавая в толще фотографической эмульсии стоячие волны. В местах их пучностей возникали области почернения - отражающие поверхности, каждая из которых отражала свет только «своего» цвета. Изображение было цветным, но не объемным.

Современная технология позволяет копировать объемные голограммы «по Денисюку» типографским способом. Для этого голограмму получают в особом светочувствительном материале - фоторезисте. После экспонирования материал обрабатывают растворителем, который смывает его слой до зон почернения. Образуется микрорельеф, с которого снимают отпечаток - матрицу. При помощи этой матрицы печатают копии голографического рельефа, покрывают их слоем металла и прозрачной защитной пленкой. Таким способом изготавливают защитные марки на упаковках пищевых продуктов и документах. Подделать их практически невозможно.

Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости синхронно работающими вибраторами. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.