Заглянем в будущее

Срок жизни неустойчивых атомных построений может быть самым разным. Их существование зависит прежде всего от давления и температуры. При комнатной температуре олово может быть белым и серым. Оба сорта олова обладают разными свойствами и, разумеется, разной структурой. Но при низкой температуре происходит превращение. Об этом узнали на своем горьком опыте участники экспедиции Скотта на полюс Земли. При больших морозах сосуды, спаянные оловом, разрушились… Оловянная чума — такое название получил переход серого олова в белое — сыграла с ними свою роковую роль. При комнатной температуре эта болезнь развивается бесконечно медленно. Чем ниже температура, тем быстрее идет превращение. А при совсем низких температурах процесс может произойти мгновенно.

Итак, разные конструкции из одних и тех же атомов и молекул ведут себя по-разному. И физикам, которые занимаются поисками разных «ям» для одних и тех же веществ, предстоит еще много работы.

* * *

Каждое десятилетие приносит огромные успехи в создании новых материалов с замечательными магнитными свойствами. Одно из них — магнитную проницаемость — техники улучшают быстрыми темпами. Кажется, в два раза возрастает это важное для промышленности свойство каждые пять лет.

Магнитные свойства материалов характеризуют так называемой петлей гистерезиса, вид которой приведен в любом учебнике физики. Ученых, связанных с техникой, интересует как длина, так и ширина петли.

Варьируя их, они стремятся к двум целям. Чтобы, во-первых, в зазоре подковообразного магнита поле было как можно более однородным, то есть строго одинаковым во всех точках зазора. Во вторых, чтобы поле было сильным.

Нельзя сказать, что для достижения этих результатов еще имеются большие резервы. Исследователи уже близки к тому, чтобы выстроить параллельно магнитные «стрелочки» всех атомов сплавов кобальта, железа, никеля и марганца. И тогда будет получен предельно сильный постоянный магнит. Правда, есть одно «но». Теоретические расчеты показывают, что и в этом случае магнит будет не столь уж сильным. И чтобы усилить его, надо прибегнуть к электромагниту, то есть магниту с обмоткой, через которую идет ток.

Однако и постоянные магниты, пусть даже не очень сильные, нужны для разных областей техники. Достаточно напомнить, что качество микрофонов определяется качеством магнитов.

Все это довольно известные вещи; и поэтому стоит рассказать об одной линии действия науки, занимающейся улучшением качества магнитов, о которой читатель, возможно, не слыхал. Большие (многотонные) магниты высокого качества нужны для ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Что это за резонанс и зачем он нужен?

ЯМР — это мощный способ исследования структуры вещества. Если будет создан очень сильный и очень однородный магнит, то с помощью ЯМР удастся за какую-нибудь минуту узнать строение молекулы вещества и изобразить на экране, в какой последовательности связаны друг с другом ее атомы. Суть дела состоит в следующем.

У большинства атомных ядер (Я) имеется магнитный момент, то есть ядро ведет себя как магнитная стрелка (М). В зависимости от того, в каком окружении находится тот или иной атом, «магнитная стрелка» его ядра по-разному защищена от воздействия поля большого магнита, о котором идет речь. Это значит, что разные ядра находятся в отличающихся друг от друга собственных полях. Проведем мысленный эксперимент.

На исследуемое вещество, находящееся в зазоре магнита, наложим радиочастотное поле и начнем менять его частоту (сканировать — называют это действие). Все «магнитные стрелки» атомных ядер колеблются со своей собственной частотой, зависящей от того, в каком поле они находятся. А когда частота внешнего радиочастотного поля совпадает с собственной частотой ядра — стрелки, возникает резонансное (Р) поглощение. У каждого атома поглощение происходит при своей частоте. А она может быть зафиксирована приборами. Таким образом, зная изменение частоты внешнего поля, удается распознать все атомы.

Итак, хорошие сильные магниты — вещь полезная. Но, чтобы создать сильное магнитное поле, естественными магнитами не отделаешься. Нужны электромагниты, и притом со сверхпроводящей обмоткой.

* * *