Экспериментальные методы и технические средства современ­ных естественно-научных исследований достигли высокой сте­пени совершенства. Многие технические устройства экспери­мента основаны на физических принципах. Но их практическое применение выходит далеко за рамки физики — одной из от­раслей естествознания. Они широко применяются в химии, биологии и других смежных естественных науках. С появлени­ем лазерной техники, компьютеров, спектрометров и другой совершенной техники стали доступны для экспериментального исследования неизвестные ранее явления природы и свойства материальных объектов, стал возможен анализ быстропротекающих физических и химических процессов.

4.2.1 Лазерная техника.

Для экспериментальных исследований многих физических, химических и биологических процессов весьма важны три направления развития лазерной техники;

• разработка лазеров с перестраиваемой длиной волны из­лучения;

• создание ультрафиолетовых лазеров;

• сокращение длительности импульса лазерного излучения до 1 пс (10-12 с) и меньше.

Чем шире спектр излучения лазера, в котором он может пе­рестраиваться, тем ценнее такой лазер для исследователя. Сре­ди лазеров с перестраиваемой длиной волны широко применя­ются лазеры на красителях. Длина волн излучения таких лазе­ров охватывает спектр от ближней ультрафиолетовой области до ближней инфракрасной, включая видимый диапазон, и легко перестраивается в этом спектре. К настоящему времени разра­ботаны лазеры, длина волны которых составляет менее 300 нм, т.е. соответствует ультрафиолетовой области. К таким лазерам относится, например, криптон-фторидный лазер.

Разрабатываются лазеры, длительность импульса излучения которых составляет менее 1 нс. Такие лазеры, несомненно, по­зволят определить механизм физических, химических и биоло­гических процессов, протекающих с чрезвычайно высокой ско­ростью.

Трудно перечислить все области применения лазеров для ис­следования многообразных химических процессов. Можно назвать лишь некоторые из них: в фотохимии лазер помогает изучить процесс фотосинтеза и тем самым найти способ более эффек­тивно использовать солнечную энергию; с помощью лазеров разделяются изотопы, например, производится очистка изотопов урана и плутония; лазерные приборы служат анализаторами химического состава воздуха; в биологии лазеры дают возмож­ность изучать живые организмы на клеточном уровне. Весьма многообразны применения лазеров в химической кинетике при исследовании различных процессов, длительность которых со­ставляет от 10-6 до 10-12 и менее секунд.

Возможности естественно-научных исследований расширя­ются с применением лазеров на свободных электронах. Принцип действия таких лазеров основан на том, что в пучке электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, в перио­дически изменяющемся магнитном поле в направлении движе­ния электронов возникает излучение света. Эксперимент пока­зывает, что лазеры на свободных электронах отличаются высо­кой эффективностью перестройки длины волны при большой мощности излучения в широком диапазоне — от микроволно­вого излучения до вакуумного ультрафиолета.

4.2.2 Синхротронные источники излучения.

Синхротроны применя­ются не только в физике высоких энергий для исследования ме­ханизма взаимодействия элементарных частиц, но и для генера­ции мощного синхротронного излучения с перестраиваемой длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентге­новской областях спектра. Исследование структуры твердых тел, определение расстояния между атомами, изучение строения мо­лекул органических соединений — успешному решению этих и других задач способствует синхротронное излучение.

4.2.3 Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.

Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химиче­скими процессами и затем определять состав и структуру про­дуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярном уровне — ядерный магнитный резонанс, оптическая спек­троскопия, масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т.п. — позволяют исследовать состав и струк­туру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологиче­ских процессов.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на ана­лизе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внеш­ним магнитным полем. Это один из важнейших методов в раз­ных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т.п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, хи­мическое окружение атомов водорода даже в таких сложных мо­лекулах, как сегменты ДНК. Прогресс и развитии спектроско­пии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнит­ного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, ос­нованный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и Концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного опреде­ления состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр ин­терпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относи­тельной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.

С применением лазерного источника излучения и персо­нального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнару­жить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.

С помощью метода индуцированной лазерной флуоресцен­ции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале пре­вращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ус­коряются до заданной кинетической энергии электрическим по­лем. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.

Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа 14С среди 1016 атомов 14С. Такое содержание изотопа 14С соответствует, со­гласно радиоизотопному методу определения возраста пород, возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава и строения молекулы в таких областях, как производство инте­гральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтиче­ская и атомная промышленность.