91. ПЛАСТМАССЫ

Широкое распространение пластмасс — одна из отличительных черт нашего времени. Фактически все натуральные волокна, смолы и материалы уже имеют сейчас свои искусственные заменители. Создано множество других веществ с такими свойствами, которые не встречаются в природе. И это, по-видимому, только начало грандиозного переворота, равного по своему значению великим материальным революциям прошлого — освоению бронзы и железа.

Как правило, пластмасса — это сложное органическое соединение, включающее в себя несколько компонентов. Важнейшим из них, задающим основные свойства материала, является искусственная смола. Производство любой пластмассы начинается с приготовления этой смолы. Вообще, смолы занимают промежуточное положение между твердыми и жидкими веществами. С одной стороны, они имеют многие качества твердых тел, но им также в большой степени свойственна текучесть, то есть способность легко менять свою форму. По своему внутреннему строению смолы также занимают обособленное положение: у них нет жесткой кристаллической решетки, как у большинства твердых тел; они не имеют определенной точки плавления и при нагревании постепенно размягчаются, превращаясь в вязкую жидкость. Подобно каучуку, к которому они очень близки по своим свойствам, смолы относятся к полимерам, то есть их молекулы состоят из огромного числа одинаковых (часто очень простых по своему строению) звеньев.

Искусственные (синтетические) смолы могут быть получены как результат химической реакции двух типов: реакции конденсации и реакции полимеризации. Во время реакции конденсации при взаимодействии двух или более веществ образуется новое вещество и при этом еще выделяются побочные продукты (вода, аммиак и другие). Фенольные смолы, например, получаются из фенола и формальдегида: две молекулы фенола связываются между собой как бы мостиком метиленовой группой, содержащейся в формальдегиде, при этом выделяется вода. Потом эти, уже двойные, молекулы связываются между собой. В конце концов получается большая молекула линейного или трехмерного строения. При реакции полимеризации во взаимодействие вступают молекулы одного и того же вещества. Соединяясь между собой, они образуют новое вещество — полимер без выделения побочных продуктов. Как уже отмечалось в главе о каучуке, к реакции полимеризации способны все органические вещества, имеющие в своей молекуле атомы углерода с двойной или тройной связью.

Смола связывает, или, как иногда говорят, цементирует, все составные части пластмассы, придает ей пластичность и другие ценные качества — твердость, водостойкость, механические и электроизоляционные свойства. Помимо смолы во многих типах пластмасс важное место (50-70% массы) занимают так называемые наполнители, которые могут быть как органическими, так и минеральными веществами. Среди органических наполнителей наиболее важным считается целлюлоза (применяемая в виде бумаги, ткани или линтера — хлопковых отчесов; их пропитывают раствором смолы, затем сушат и прессуют). К неорганическим наполнителям относятся слюда, шифер, тальк, асбест, стеклянная ткань и графит. Как правило, наполнители значительно дешевле смолы, а введение их при правильном подборе — почти не ухудшает свойств пластмасс. Иногда введение удачно подобранного наполнителя даже улучшает качество пластмассы. Его можно улучшить также с помощью специальных добавок и пластификаторов. Первые, взятые даже в небольшом количестве, придают пластмассам новые свойства (например, добавка металла делает из диэлектрика проводящую пластмассу). А пластификаторы, образуя со смолой раствор, смягчают ее и сообщают ей дополнительную пластичность.

Начало производства пластмасс на основе искусственных материалов относится к первой трети XIX века. В 1830 году в Англии была выпущена одна из первых пластмасс — камптуликон. Основу этого слоистого материала составляла джутовая ткань, на которую накатывалась смесь из каучука, измельченной пробки и некоторых других компонентов. Впрочем, из-за высокой цены на каучук, производство этой пластмассы не получило широкого распространения. В 1863 году англичанин Уолтон заменил каучук линоксином и таким образом положил начало производству линолеума. Вплоть до настоящего времени его повсеместно применяют в качестве полового покрытия, так как он стирается гораздо медленнее, чем дерево и даже мрамор.

Начало широкому использованию пластмасс положило изобретение целлулоида, созданного на основе целлюлозы. (Целлюлоза, или клетчатка, составляет основу древесины и других растительных материалов; ее молекула состоит из огромного числа простых по строению звеньев; в очищенном виде это бесцветное, неплавкое и нерастворимое вещество.) В 1845 году было установлено, что при обработки целлюлозы (хлопковой ваты) азотной и серной кислотами образуется азотнокислый эфир, известный под названием пироксилина. Этот материал очень опасен и в сухом виде взрывается с огромной силой. Однако позже заметили, что во влажном состоянии он совсем не опасен. Возник вопрос: если вода лишает пироксилин взрывчатой силы, то, может быть, есть и другой способ повлиять на его свойства. Оказалось, что если влажную нитроцеллюлозу смешать с камфарой, то получится пластмасса, которую можно обрабатывать на вальцах, прессовать и формовать. В 1869 году братья Хайет получили таким образом целлулоид, который стали производить промышленно с 1872 года. Целлулоид обладал большой прочностью, был красив и мог окрашиваться в любые цвета или использоваться в качестве прозрачной пленки. Эта пластмасса вскоре получила широчайшее распространение. Из нее стали делать фото — и кинопленку, гребенки, коробки, детские игрушки, пуговицы, пояса. Однако у целлулоида был один важный недостаток — он оказался горюч и очень легко воспламенялся.

В 1872 году немецкий химик Байер путем соединения фенола с формальдегидом в присутствии соляной кислоты синтезировал новое смолообразующее вещество. Из-за отсутствия в то время дешевого формальдегида это открытие не получило промышленного применения. Лишь в начале XX века стало налаживаться заводское производство фенол-формальдегидовых смол, особенно после того, как в 1908 году английский исследователь Бакеланд нашел способ производства из того же сырья фенопластов, обладающих способностью при нагревании переходить в неплавкое и нерастворимое состояние. Они приобрели большое техническое значение. Пластмассы на основе этих смол были названы по имени их изобретателя бакелитами. Сырьем для фенол-формальдегидовых смол служат фенол (карболовая кислота) и формалин (формалин — это раствор газа формальдегида в воде; формальдегид получают искусственно, окисляя метиловый спирт кислородом воздуха при температуре 500-600 градусов). Прежде всего эти смолы стали применяться как заменитель природной смолы — шеллака для электроизоляции. Но вскоре оказалось, что они обладают множеством свойств, каких не имели ни шеллак, ни другие природные смолы. Фенопласты стали быстро завоевывать себе обширные области применения и долгое время занимали ведущее место среди пластмасс. Изделия из них отличались теплостойкостью, водостойкостью, очень большой механической прочностью и хорошими изоляционными свойствами. Их широко применяли для изготовления штепселей, розеток, патронов и других предметов электрической аппаратуры, а также в химической промышленности в качестве материала для чанов, резервуаров и труб, используемых в агрессивных средах. Наполнителем в этих пластмассах обычно служила древесная мука. Позже на основе фенольных смол стали получать такие широко используемые в машиностроении пластмассы, как гетинакс, текстолит и другие. Изделия из них получают горячим прессованием ткани, бумаги или фанеры, пропитанных смолой. Таким образом можно изготовить очень прочные и легкие детали (например, шестерни или подшипники), с успехом заменяющие металлические. Причем в отличие от последних, эти детали работают бесшумно и не поддаются разрушительному воздействию смазочных масел. Да и изготовлять их намного проще и дешевле, чем детали из металла. Если же в качестве наполнителя использовать стеклянные нити, образуются пластмассы, обладающие повышенной прочностью.

Еще одной широко распространенной разновидностью пластмасс стали карбамидные пластмассы. Основным исходным материалом для производства карбамидных смол является мочевина. (Мочевина была первым в истории органическим веществом, которое удалось синтезировать искусственным путем; немецкий химик Велер получил ее в 1828 г. из цианистого калия, сульфата и аммония, но практическое применение она получила только через сто лет.) В 1918 году чешский химик Джон взял патент на способ изготовления новой смолы из мочевины и формальдегида. Эта смола обладала многими замечательными свойствами: она была бесцветной, прочной, малогорючей, теплостойкой, прекрасно пропускала не только световые, но и ультрафиолетовые лучи (которые не пропускает обычное стекло) и легко окрашивалась в любые цвета. При этом, правда, она имела один существенный недостаток — поглощала влагу. Вскоре было положено начало производству карбамидных пластмасс. Они получили распространение как прекрасный отделочный и декоративный материал. К семейству этих пластмасс относится так же мипор, обладающий замечательными тепло — и звукоизоляционными свойствами.

В последующие годы было синтезировано много новых пластмасс. Большое распространение в технике получили прочные прозрачные пластмассы, с успехом заменяющие хрупкое стекло. Наиболее пригодным для этих целей оказался полиметилметакрилат, получаемый из ацетона, синильной кислоты и метилового спирта. Из него производят прочное и легкое органическое стекло. Незаменимым материалом для высокочастотной изоляции стал полистирол (его получают из этилена и бензола).

В 1940 году немецкий химик Мюллер и независимо от него советский ученый Андрианов получили первые силиконовые пластмассы. Молекулы этих пластмасс наряду с углеродом включают в себя кремний. Это сообщает новому виду пластмасс очень ценные свойства: они отличаются высокой теплостойкостью (выдерживают температуру до 400-500 градусов), стойки к воде, кислотам и органическим растворителям. Все это обеспечило им широкую область применения.

Долгое время химикам не удавалось полимеризовать этилен. (Этилен — легкий газ с формулой CH2=CH2.) Только в 1937 году эту проблему удалось отчасти разрешить: под огромным давлением в 1200 атм этилен сжижался, при этом разрывалась двойная связь в его молекуле и начиналась реакция полимеризации. (В результате получалась молекула[-CH2-CH2-]n.) После того как синтезировалось 10-30% полиэтилена, этилен растворялся в нем, и реакция прекращалась. При понижении давления этилен испарялся и использовался затем в новом цикле реакции. Этот способ был очень дорогим, поэтому полиэтилен не мог тогда получить значительного применения. В 1953 году Цинглер разработал более простой способ производства полиэтилена: при значительно более низком давлении этилен растворялся в бензине, затем под давлением в 10 атмосфер и в присутствии катализатора (алкилированного треххлористого титана) начиналась реакция полимеризации. С утверждением этого способа производства полиэтилен (прекрасный изолятор, невосприимчивый к действию кислот) сделался одной из самых широко применяемых пластмасс.

92. ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ

О запуске первого спутника в СССР стали думать еще в ту пору, когда шли работы над баллистической ракетой Р-7. В 1956 году была образована группа ученых во главе с академиком Мстиславом Келдышем, которой было поручено разрабатывать программу научных экспериментов для первого искусственного спутника Земли. После предварительного анализа всех бортовых систем, которыми должен был быть снабжен этот спутник, выходило, что никак нельзя уложиться в массу, меньше чем 1250 кг (масса одной оболочки составляла 250 кг, система энергопитания — 450 кг; кроме того, большой вес имели массивные антенны). Существовавшие тогда ракеты не могли сообщить первую космическую скорость (около 8 км/с) такому тяжелому аппарату. Тогда в конце 1956 года один из сотрудников Королева, Михаил Тихонравов, предложил проект более простого и легкого спутника с массой около 80 кг. В июне 1957 года были готовы чертежи окончательной компоновки этого спутника, а в конце августа начались его испытания.

Для выведения спутника на орбиту КБ Королева на базе Р-7 разработало специальную двухступенчатую ракету с общей массой 267 тонн, состоявшую из четырех боковых ракетных блоков ЖРД РД-107 и одного центрального блока ЖРД РД-108. Все двигатели при старте включались в работу одновременно. Спустя 120 секунд после старта боковые блоки отбрасывались (вторая ступень к этому времени достигала высоты 50 км и имела скорость 2, 3 км/с). Центральный блок продолжал работать еще 180 секунд. На высоте 200 км центральный блок отключался, после чего спутник отделялся от него с помощью пружинного толкателя, сбрасывал защитный тепловой экран и начинал свободный полет. Успешный старт ракеты состоялся 4 октября 1957 года. Этот день открыл начало новой космической эры в истории Земли.

Первый спутник знаменовал собой узловой пункт развития техники. С одной стороны, он символизировал завершение сложного этапа развития баллистических ракет, а с другой — являлся тем зародышем, из которого выросла вся позднейшая космическая техника.

Спутник имел форму шара диаметром 580 мм. Масса его равнялась 83, 6 кг. На внешней поверхности шара были установлены антенны радиопередатчиков в виде четырех стержней. Длина двух из них составляла 2, 4 м, остальных — 2 м. Стержни соединялись с антенными изоляторами, закрепленными на корпусе спутника с помощью шарниров, что давало им возможность поворачиваться на некоторый угол. Вся аппаратура вместе с источниками энергии размещалась в герметическом корпусе из алюминиевого сплава. Перед пуском спутник был заполнен газообразным азотом. Для поддержания стабильной внутренней температуры была разработана система принудительной циркуляции азота. К антеннам подключались два радиопередатчика, излучавшие каждый на своей частоте один и тот же сигнал, похожий на телеграфный. Внутри корпуса размещались чувствительные датчики, которые несколько меняли передаваемый сигнал (частоту передаваемых импульсов и их длительность) при изменении температуры и давления внутри спутника. Мощность радиопередатчиков была достаточна для уверенного приема их сигналов всеми радиолюбителями земного шара. Источник питания должен был обеспечивать работу всей аппаратуры в течение трех недель.

Уже 3 ноября 1957 года в космос был выведен второй советский спутник массой 508, 3 кг. Он представлял собой последнюю ступень ракеты носителя, на которой в нескольких контейнерах размещалась научная измерительная аппаратура и отсек с собакой Лайкой.

В передней части спутника находился спектрограф для исследования Солнца, сферический контейнер с радиопередатчиками и герметическая кабина с собакой. В корпусе ракеты располагались два прибора для изучения космических лучей. По своей конструкции сферический контейнер был подобен первому ИСЗ. Здесь кроме передатчиков находились источник питания и различные датчики. Герметическая кабина, в которой помещалась Лайка, имела вид цилиндра. На ее съемном днище был устроен иллюминатор из оргстекла. В кабине, изготовленной из алюминиевых сплавов, имелись приспособление для кормления, кондиционер, регенерационные установки и система терморегулирования. Регенерация происходила с помощью химических элементов, которые поглощали углекислоту и выделяли кислород. Специальные датчики регистрировали пульс, давление и дыхание собаки. Все это, а также информация о температуре и давлении в кабине сообщалось на Землю с помощью специальной аппаратуры, которая включалась часовым программным устройством. Программа наблюдений была рассчитана на семь суток, но и после этого полет спутника продолжался еще много дней. Только 14 апреля 1958 года, совершив около 2370 оборотов, второй спутник сгорел в атмосфере.

В это время в космосе летал уже третий спутник — американский «Эксплорер-1». Причина, по которой американский ИСЗ оказался в космосе не первым и даже не вторым, имеет не только техническую подоплеку. В 1955 году, когда правительство США приняло решение о подготовке к запуску спутника, были предложены три конкурирующие программы, за каждой из которых стояло свое могущественное военное ведомство: Армия, ВВС и ВМФ. Предпочтение в конце концов было отдано проекту ВМФ «Авангард», который и получил привилегированное финансирование. Между тем армия уже в то время располагала лучшей американской ракетой «Редстоун», созданной под руководством Брауна. (Браун в то время возглавлял Редстоунский арсенал, где и была разработана эта ракета.) В сентябре 1956 года Армия осуществила успешный запуск четырехступенчатой баллистической ракеты «Юпитер-C», в которой в качестве первой ступени использовалась брауновская «Редстоун», а в качестве второй, третьей и четвертой — твердотопливные ракеты «Бэби Серджент». Три ступени этой ракеты были натуральные, а четвертая вместо топлива несла в баках песок. Эта ступень достигла высоты 1094 км. Позже неоднократно старались доказать, что, если бы четвертая ступень была заправлена топливом, она вполне могла бы стать первым ИСЗ, и космическая эра началась бы на год раньше. Но, как бы то ни было, этого не случилось. Между тем проект «Авангард», который с самого начала преследовали неудачи, закончился скандальным провалом: при запуске 6 декабря 1957 года ракета «Авангард», едва оторвавшись от стартового стола, упала на землю в пределах стартовой площадки и сгорела. После этого для спасения престижа было решено произвести запуск спутника на базе ракеты «Редстоун». Спутник «Эксплорер-1» создавался в чрезвычайной спешке в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технического университета. Вес спутника составлял 8, 21 кг, причем на аппаратуру приходилось 5 кг. Кроме счетчика Гейгера на его борту располагался микрофон для регистрации метеоритных частиц, датчики температуры, радиопередатчики и источники питания. Запуск состоялся 31 января 1958 года и был успешным. Спутник проработал на орбите восемь недель. Несмотря на свои миниатюрные размеры, «Эксплорер-1» позволил сделать важные наблюдения. Именно благодаря его сообщениям был обнаружен пояс радиации, окружающий Землю на высоте более 1000 км.

В том же году, 15 мая, СССР запустил свой третий спутник. Его уже можно было назвать настоящей автоматической научной станцией. Длина спутника составляла 3, 5 м, диаметр — 1, 5 м, вес — 1327 кг, причем на научную аппаратуру приходилось 968 кг. Устройство и конструкция этого спутника были проработаны гораздо тщательнее, чем двух первых. Для автоматического управления работой всей научной и измерительной аппаратурой на нем было установлено электронное программно-временное устройство, выполненное целиком на полупроводниковых элементах.

Кроме бортового источника питания, спутник был снабжен солнечной батареей. Напряжение, создаваемое этой батареей, было больше, чем у бортового аккумулятора, поэтому на солнечной стороне вся аппаратура питалась от нее. Благодаря этому третий спутник эксплуатировался намного дольше, чем два первых — он находился в полете 691 день, и последний сигнал с него был принят 6 апреля 1960 года.

Первые космические аппараты отличались своей индивидуальностью. Даже не вникая глубоко в их конструкцию, по одному только внешнему виду можно было сразу сказать, что это совершенно разные устройства. Но аппараты, изготовляемые каждый раз по индивидуальному заказу, обходились дорого. Поэтому в последующие годы в СССР было принято решение перейти от индивидуального производства спутников к серийному. Таким серийным советским спутником стал «Космос». 16 марта 1962 года был запущен первый спутник этой серии.

93. ЛАЗЕР

Несмотря на сравнительно простое устройство лазера, процессы, лежащие в основе его работы, чрезвычайно сложны и не поддаются объяснению с точки зрения классических законов физики. Со времен Максвелла и Герца в науке утвердилось представление о том, что электромагнитное и, в частности, световое излучение имеет волновую природу. Эта теория хорошо объясняла большинство наблюдаемых оптических и физических явлений. Но уже в конце XIX века были получены некоторые экспериментальные данные, не подходившие под эту теорию. (Например, совершенно непонятным с точки зрения классических представлений о волновой природе света оказывалось явление фотоэффекта.) В 1900 году известный немецкий физик Макс Планк, пытаясь объяснить природу этих отклонений, сделал предположение, что испускание электромагнитного излучения и, в частности, света происходит не беспрерывно, а отдельными микроскопическими порциями. В 1905 году Эйнштейн, разрабатывая теорию фотоэффекта, подкрепил идею Планка и убедительно показал, что электромагнитное излучение действительно испускается порциями (эти порции стали называть квантами), причем в дальнейшем, в процессе распространения, каждая порция сохраняет свою «индивидуальность», не дробится и не складывается с другими, так что поглотить ее можно только всю целиком. Из этого описания получалось, что кванты во многих случаях ведут себя не как волны, а как частицы. Но при этом они не перестают быть волнами (например, квант не имеет массы покоя и существует только двигаясь со скоростью 300000 км/с), то есть им присущ определенный дуализм.

Квантовая теория позволила объяснить многие прежде непонятные явления и, в частности, природу взаимодействия излучения с веществом. Возьмем простой пример: почему тело при нагревании испускает свет? Нагревая, скажем, на газовой горелке гвоздь, мы заметим, что сначала он приобретает малиновый цвет, потом станет красным. Если продолжать нагревание, то красный цвет переходит в желтый и затем в ослепительно белый. Таким образом, гвоздь начинает излучать не только инфракрасные (тепловые), но и видимые лучи. Причина этого явления следующая. Все тела (и в том числе наш гвоздь) состоят из молекул, а молекулы состоят из атомов. Каждый атом представляет собой небольшое очень плотное ядро, вокруг которого вращается большее или меньшее количество электронов. Эти электроны движутся вокруг ядра не как попало, но каждый из них находится на своем точно установленном уровне; соответственно одни уровни располагаются ближе к ядру, а другие дальше от него. Эти уровни называются энергетическими, так как каждый из расположенных на них электронов обладает своей определенной, свойственной только этому уровню, энергией. Пока электрон находится на своем стационарном уровне, он движется, не излучая энергии. Такое состояние атома может продолжаться сколь угодно долго. Но если атому сообщается извне какое-то определенное количество энергии (как это происходит при нагревании гвоздя), атом «возбуждается». Суть этого возбуждения состоит в том, что электроны поглощают кванты излучения, пронизывающего вещество (в нашем примере инфракрасное тепловое излучение газовой горелки), приобретают их энергию и благодаря этому переходят на более высокие энергетические уровни. Однако на этих более высоких уровнях электроны могут находиться лишь очень незначительное время (тысячные и даже миллионные доли секунды). По истечении этого времени каждый электрон опять возвращается на свой стационарный уровень и при этом испускает квант энергии (или, что то же самое, волну определенной длины). Среди этих волн некоторые приходятся на видимый диапазон (эти кванты видимого света называются фотонами; излучение фотонов возбужденными атомами мы и наблюдаем как свечение нагретого гвоздя). В нашем примере с гвоздем процесс поглощения и испускания квантов протекает хаотически. В сложном атоме наблюдается большое число переходов электронов с верхних уровней на нижние, и при каждом из них происходит излучение со своей частотой. Поэтому излучение идет сразу в нескольких спектрах и в разных направлениях, причем одни атомы испускают фотоны, а другие поглощают их.

Точно так же происходит испускание квантов любым нагретым телом. Каждое из этих тел (будь то Солнце, дуговая сварка или нить лампы накаливания) испускает одновременно множество волн разной длины (или, что то же самое, квантов разной энергии). Именно поэтому, какой бы совершенной линзой или другой оптической системой мы ни обладали, нам никогда не удастся сфокусировать испускаемое нагретым телом излучение в строго параллельный пучок — он всегда будет расходиться под некоторым углом. Это и понятно — ведь каждая волна будет преломляться в линзе под своим собственным углом; следовательно, ни при каких условиях мы не сумеем добиться их параллельности. Однако уже основоположники квантовой теории рассмотрели и другую возможность излучения, которая не имеет места в естественных условиях, но вполне может быть смоделирована человеком. В самом деле, если бы удалось возбудить все электроны вещества, принадлежащие к одному определенному энергетическому уровню, а потом заставить их разом испустить кванты в одном направлении, то можно было бы получить чрезвычайно мощный и в то же время исключительно однородный импульс излучения. При фокусировании такого пучка (поскольку все волны, его составляющие, имеют одну и ту же длину) можно было бы добиться почти идеальной параллельности луча. Впервые о возможности такого, как он его назвал, стимулированного излучения написал в 1917 году Эйнштейн в работах «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории» и «К квантовой теории излучения».

Стимулированное излучение может быть, в частности, достигнуто следующим способом. Представим себе тело, электроны которого уже «перевозбуждены» и находятся на верхних энергетических уровнях, и предположим, что их облучают новой порцией квантов. В этом случае происходит процесс, напоминающий лавину. Электроны уже «перенасыщены» энергией. В результате дополнительного облучения они срываются с верхних уровней и переходят лавинообразно на нижние, испуская кванты электромагнитной энергии. Причем направление и фаза колебаний этих квантов совпадает с направлением и фазой падающей волны. Произойдет как бы эффект резонансного усиления волны, когда энергия выходной волны будет многократно превосходить энергию той, что была на входе.

Но каким образом добиться строгой параллельности излучаемых фотонов? Оказывается, это можно сделать с помощью весьма несложного приспособления, которое называется открытым зеркальным резонатором. Он состоит из активного вещества, помещенного в трубке между двумя зеркалами: обычного и полупрозрачного. Испускаемые веществом фотоны, попадая на полупрозрачное зеркало, частично проходят сквозь него. Остальные отражаются и летят в противоположном направлении, затем отражаются от левого зеркала (теперь уже все) и вновь достигают полупрозрачного зеркала.