авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

«Ассоциация студентов-физиков России Институт электрофизики УрО РАН (Екатеринбург) Институт механики сплошных сред (Пермь) Физический факультет БашГУ Уфимский ...»

-- [ Страница 4 ] --

Рис. 2. Строение молекулы миозина (а) и тонкой нити (в) [2] и упаковка миозиновых молекул при образовании толстой нити (б) [3] Каждый из этих мономеров состоит из одной тяжелой цепи и двух легких цепей. Тяжелая цепь миозина неоднородна по своему строению. На одном конце ее полипептидная цепь свернута в виде глобулы, образующей своеобразную "головку" миозина – фрагмент S1 (рис. 2,а). С помощью более тонкой шейки (фрагмент S2) головка миозина соединяется с длинным хвостом, который образован протяженной полипептидной цепью, уложенной в виде вытянутой -спирали. Хвосты двух мономерных единиц миозина сплетены друг с другом и образуют вытянутый стержень [2].

Толстые филаменты образуются в результате упаковки 300-400 молекул миозина. Палочкообразные хвосты слипаются между собой за счет электростатических взаимодействий, пары головок миозиновых молекул располагаются по спирали на определенном расстоянии. Миозиновые нити стыкуются "хвост к хвосту" и располагаются параллельно или антипараллельно друг другу [1, 4] (рис.2,б).

Тонкие филаменты (рис.2,в) состоят из актина, тропомиозина и тропонина. Основным компонентом тонких филаментов является актин – водорастворимый глобулярный белок. В мышечном волокне актин находится в полимеризованной форме и образовывает двунитчатые структуры, связанные между собой нековалентными связями. Тропомиозин представляет собой палочковидную молекулу, состоящую из двух спиральных полипептидных цепей, закрученных относительно друг друга. Эта сравнительно жесткая молекула располагается в желобке спиральной цепочки актина. Третий компонент тонких филаментов – тропонин (Тн) – представляет собой сферическую молекулу, состоящую из трех разных субъединиц, получивших название в соответствие с выполняемыми функциями: тропомиозинсвязывающей (Тн-Т), ингибирующей (Тн-I) и кальцийсвязывающей (Тн-С).

В мышце все эти компоненты собраны вместе (рис. 2,в), при этом тропомиозин блокирует присоединение миозиновой головки к находящемуся рядом актиновому мономеру. Кальций, связываясь с Тн-С, значительно изменяет конформацию белка, что приводит перемещению молекулы тропомиозина по желобку тонкого филамента. Результатом такого движения является открытие миозинсвязывающего центра на поверхности актина [1]. Таким образом, наличие ионов кальция является одним из обязательных условий связывания миозина с актином. Концентрация кальция в клетке регулируется с помощью специальных кальциевых насосов, встроенных в мембраны саркоплазматического ретикулума, который оплетает миофибриллы [4] (рис. 3). Кальциевые насосы (Са2+-АТФаза) – это мембранные белки, осуществляющие внутриклеточный трансмембранный перенос ионов кальция против физико-химического градиента.

Рис. 3. Саркоплазматический ретикулум Молекулы миозина и актина, взаимодействуя друг с другом, образуют актомиозиновый комплекс, в котором и разыгрываются основные события, приводящие к созданию силы, вызывающей сокращение мышцы [2]. Когда аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) присоединяется к головке молекулы миозина, связи между тонкой и толстой нитями не образуется (фаза I на рис.4). Далее во второй фазе под действием фермента АТФаза АТФ гидролизуется, расщепляясь на АДФ (аденозиндифосфорную кислоту) и неорганический фосфат (Фн).

Происходит это на не связанном с актином миозине, после этого миозиновая головка может соединятся с актином – третья фаза. Для совершения рабочего хода мостика используется энергия, освобождающаяся при диссоциации продуктов гидролиза АТФ. Основная доля энергии выделяется при высвобождении неорганического фосфата (переход из третей фазы в четвертую) и меньшая часть при высвобождении АДФ (переход из четвертой фазы в пятую). В пятой фазе мостик уже не генерирует силу, но по-прежнему находится в сцепленном состоянии, вывести его из этого состояния может только молекула АТФ. Поглощая АТФ, головка миозина переходит в шестую фазу, после чего отцепляется от актина, возвращаясь в исходное состояние (первая фаза) [5].

Рис. 4. Фазы движения миозинового мостика [5] Сокращением мышечного волокна управляют двигательные нейроны (рис. 5), которые выделяют нейромедиатор ацетилхолин в нервно-мышечные соединения (синапсы). Ацетилхолин диффундирует через синаптическую щель и взаимодействует с ацетилхолиновыми рецепторами электровозбудимой плазматической мембраны мышечных клеток (сарколеммой). Это вызывает открывание трансмембранных ионных каналов в сарколемме, деполяризацию клеточной мембраны и образование потенциала действия, распространяющегося вдоль сарколеммы (рис. 5). По сути своей потенциал действия представляет электрический разряд – быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке сарколеммы, в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной, а внутренняя – положительно, в соседних же участках наоборот.

Рис. 5. Распространение потенциала действия [6] С сарколеммой связаны поперечные трубочки саркоплазматического ретикулума (рис. 3), по которым распространяется волна возбуждения. От трубочек волна возбуждения передается мембранам пузырьков и цистерн, которые оплетают миофибриллы на участках, где происходит взаимодействие актиновых и миозиновых нитей. При передаче сигнала на цистерны саркоплазматического ретикулума, последние начинают освобождать находящийся в них Ca2+ [1,6]. В результате этого образуется актиномиозиновый комплекс.

Итак, попробуем описать полную картину. Мышечное сокращение инициируется приходом потенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва, где выделяется нейрогормон ацетилхолин, функцией которого является передача импульсов. Высвобожденный после этого из цистерн саркоплазатического ретикулума Ca2+ связывается с Тн-С (рис.2,в), что вызывает конформационные сдвиги, передающиеся на тропомиозин и далее на актин. Актин как бы освобождается из комплекса с компонентами тонких филаментов, в котором он находился [1]. Далее актин взаимодействует с миозином, в активном центре которого уже произошел гидролиз АТФ (рис.4). После гидролиза АТФ и диссоциации Фн в головке миозина происходят структурные перестройки, в результате которых головка миозина поворачивается, это приводит к движению тонких и толстых нитей относительно друг друга [2]. Далее молекула миозина отсоединяется от молекулы актина и принимает исходное состояние, но только после связывания новой молекулы АТФ с активным центром миозиновой головки.

Источники энергии для мышечного сокращения. Содержание АТФ в мышце относительно постоянно:

около 25% от массы мышцы. Запасов АТФ достаточно на 3-4 одиночных сокращения. Следовательно, необходимо постоянное и весьма интенсивное восполнение АТФ – ее ресинтез. Выявлено три вида анаэробных механизмов: креатинкиназный (алактатный), гликолитический (лактатный), миокиназный (лактатный), и один аэробный (окислительное фосфорилирование). Рассмотрим все процессы ресинтеза АТФ в мышце в порядке их включения.

1) Креатинкиназная реакция. Креатинфосфат (Кф) – макроэргическое вещество, которое при исчерпании запасов АТФ в работающей мышце отдает фосфатную группу на АТФ:

Кф + АДФ К + АТФ (1) В первые секунды после начала работы, пока концентрация Кф высока, высока и активность креатинкиназы – фермента, катализирующего реакцию (1). Почти все количество образующегося АДФ вовлекается в этот процесс. После того, как запасы Кф в мышцах будут исчерпаны примерно на 1/3, скорость креатинкиназной реакции будет снижаться, это вызовет включение следующего пути ресинтеза АТФ – гликолиза. Реакция (1) обратима, в период покоя концентрация Кф восстанавливается, однако это возможно отчасти и по ходу длительной мышечной работы, совершаемой в аэробных условиях. Креатинкиназная реакция играет основную роль в энергообеспечении кратковременных упражнений максимальной интенсивности.

2) Гликолиз – это распад глюкозы в анаэробных условиях с образованием молочной кислоты.

Энергетический эффект гликолиза не велик и составляет всего 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозо-1 фосфата. Кроме того, примерно половина от выделяемой энергии в данном процессе превращается в тепло, и температура мышц повышается до 41-42°С. Гликолиз играет важную роль в энергообеспечении упражнений, продолжительность которых составляет 30-150 с, таких как бег на средние дистанции, плавание на 100-200 м, а также длительные ускорения по ходу выполнения упражнений и на финише дистанции.

Накопление молочной кислоты – конечного продукта гликолиза – сдвигает pH в кислую область.

Увеличение лактата в мышцах сопровождается изменением осмотического давления. Вода поступает в мышцы и они набухают, возникают болевые ощущения. Кроме того, снижение pH вызывает активацию ферментов реакции окислительного фосфорилирования с одной стороны, а также угнетает АТФазу находящуюся в головке миозина и ферменты, катализирующие гликолиз, с другой [1].

3) Аэробный механизм включает реакции окислительного фосфорилирования и является аэробным процессом распада глюкозы, жирных кислот, частично аминокислот и др. веществ до оксида углерода (IV) и воды. Этот механизм энергетически более выгоден: при распаде глюкозы, например, образуется 38 молекул АТФ, а при распаде белков и жирных кислот еще больше. В аэробный механизм ресинтеза АТФ сначала вовлекается гликоген мышц, далее гликоген печени. После исчерпания запасов гликогена – начинается окисление жирных кислот.

Эффективность образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования зависит от снабжения мышцы кислородом. В работающей мышце запасы кислорода не велики: небольшое количество кислорода растворено в саркоплазме (жидкости, находящейся внутри мышечной клетки), часть кислорода находится в связанном с миоглобином мышц состоянии. Основное количество кислорода, нужного мышце для аэробного ресинтеза АТФ, доставляется через систему легочного дыхания и кровообращения. Для образования 1 моль АТФ в процессе окислительного фосфорилирования требуется 3,45 л кислорода;

такое количество кислорода потребляется в покое 10-15 минут, а при интенсивной мышечной деятельности – за 1 минуту [1]. Аэробный механизм является биохимической основой выносливости и главным в энергообеспечении длительной мышечной работы умеренной интенсивности – беге и плавании на большие дистанции, марафонском беге.

4) Миокиназная реакция (2) названа по ферменту, катализирующему эту реакцию – миокиназе.

АДФ + АДФ АТФ + АМФ (2) Эта реакция запускается в мышце при значительном увеличении концентрации АДФ в саркоплазме, когда возможности других путей почти исчерпаны или близки к тому. Условия для включения миокиназной реакции возникают при выраженном мышечном утомлении, поэтому ее следует рассматривать как "аварийный" механизм. Причем увеличение концентрации АМФ в результате реакции оказывает активирующее действие на ряд ферментов гликолиза [1].

Адаптация к физическим нагрузкам. Любой адаптационный процесс в организме направлен на поддержание гомеостаза. Под влиянием физической нагрузки происходит увеличение сократительной активности мышц, что приводит к изменению концентрации макроэргических фосфатов в клетке и другим химическим сдвигам. Эти процессы стимулируют синтез АТФ и восстановление нарушенного баланса в клетке после прекращения физической нагрузки, что составляет начальное звено срочной адаптации. Срочные адаптационные процессы, в свою очередь, приводят к структурным и функциональным изменениям в организме, заметно увеличивающим его возможности. При этом каждый механизм энергообразования имеет определенные резервы, которые раскрываются и развиваются в процессе адаптации к специфической физической нагрузке.

Например, в результате тренировок на выносливость быстро возрастает активность ферментов окисления, повышается количество гемоглобина, миоглобина, а также количество, величина и плотность митохондрий, в которых происходят процессы окислительного фосфорилирования. Также повышается способность тренированных мышц окислять пируват (что предотвращает накопление лактата), усиливает окисление жиров. Это обеспечивает более эффективное выполнение длительной работы.

В процессе же скоростной тренировки увеличивается содержание креатинфосфата, гликогена. Организм спортсмена может выдерживать значительное увеличение кислотности, и уровень лактата может повышаться в 3-5 раз. Существенно увеличивается масса мышц и толщина мышечных волокон за счет увеличения содержания белков миофибрилл.

При этом существуют такие факторы как длина саркомера и степень полимеризации миозина, которые являются генетическими факторами и не изменяются ни при каких видах физических тренировок.

Список публикаций:

[1] Проскурина, И.К. Биохимия: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. – 240 стр.

[2] Тихонов, А.Н. Молекулярные моторы. Часть 2. Молекулярные основы биологической подвижности подвижности // Соросовский образовательный журнал, 1999, №6, с. 17- [3] Exercise and energy systems. Motor units and motor neural firing patterns. http://www.shelfieldpeonline.co.uk/html/motor_units_ and_motor_neurone_.html [4] Гусев, Н.Б. Молекулярные механизмы мышечного сокращения // Соросовский образовательный журнал, 2000, №8.с. – 24-32.

[5] Протасенко В. Думай! Или "Супертренинг" без заблуждений. Часть 2: Теория тренировки.

http://dinopower.ru/books/protasenko/part3.html [6] Кольман Ян, Рем Клаус-Генрих, Вирт Юрген, Наглядная биохимия.- М: Мир, 2004. - 469 с.

Вклад научно-исследовательской работы студентов в подготовку специалистов к будущей профессии Силинин Антон Владимирович Кемеровский государственный университет silinin@kemsu.ru Одной из главных целей любого образовательного учреждения (ОУ) высшего профессионального образования является подготовка специалистов к их будущей профессии. В этом смысле одним из основных результатов деятельности данной организации являются те знания, умения и навыки (или, говоря современным языком, компетенции), которыми овладевают студенты за время своего обучения. Наряду с учебным процессом, в научно исследовательской работе студентов (НИРС) в той или иной степени участвуют все студенты в ходе своего обучения. Соответственно, чтобы понять, насколько эффективно осуществляется НИРС и есть ли резервы повышения этой эффективности, необходимо сначала проанализировать, какой вклад в основные результаты деятельности ОУ вносит НИРС. Данная работа возникла в связи с разработкой проекта развития НИРС физического факультета КемГУ в 2007/2008 – 2008/2009 учебных годах.

Компоненты компетенций, в идеале овладеваемые студентами в ходе НИРС и необходимые им в профессиональной деятельности, можно разделить на две группы:

1) предметные (необходимые при работе по специальности);

2) метапредметные (универсальные, необходимые при работе и на других специальностях).

К числу предметных компонентов можно отнести знания по физике и конкретным специализациям, владение конкретными теоретическими и экспериментальными методами исследования и т.п., а к метапредметным компонентам можно отнести, например:

владение методологией науки;

способность грамотно формулировать (или интерпретировать поставленные) научно-исследовательские, конструкторские, технологические, организаторские задачи;

способность находить оптимальные пути решения этих задач;

способность обнаружить и реализовать инновационную составляющую работы;

умение работать в команде;

умение представлять и защищать результаты работы;

организаторские, управленческие навыки;

навыки общения с работодателем;

умение прогнозировать востребованность результатов работы;

умение организовать свое самообразование, если имеющихся знаний не хватает для решения задачи;

умение спланировать и организовать свою деятельность с достижением результатов в заданные сроки;

умение понимать сложные письменные и устные тексты, в том числе на иностранном языке;

навык написания текстов, доносящих до читателя основную мысль;

навык публичных выступлений и дискуссий;

навык подготовки презентаций;

навыки поездок в командировки.

и т.п.

К сожалению, предусмотренные в настоящее время Федеральным агентством по образованию показатели НИРС позволяют оценить ее скорее как процесс (количество научных публикаций, докладов студентов, студенческих работ, поданных на конкурсы научно-исследовательских работ, студентов, участвовавших в олимпиадах, выставках и т.д.), в то время как индикаторы, позволившие бы оценивать конечный результат НИРС и тенденции его изменения с точки зрения развития у студентов перечисленных выше компетенций, фактически отсутствуют.

Если давать качественные оценки, то можно сказать, что предметными компонентами компетенций довольно полноценно овладевают только наиболее успевающие студенты. Такие метапредметные компоненты компетенций, как владение методологией науки, способность грамотно формулировать (или интерпретировать поставленные) научно-исследовательские, конструкторские, технологические, организаторские задачи, способность находить оптимальные пути решения этих задач, способность обнаружить и реализовать инновационную составляющую работы, умение работать в команде, умение представлять и защищать результаты работы, организаторские, управленческие навыки, умение организовать свое самообразование, если имеющихся знаний не хватает для решения задачи, умение спланировать и организовать свою деятельность с достижением результатов в заданные сроки, развиваются в ходе НИРС только у тех студентов, научные руководители которых предоставляют им некоторую самостоятельность в работе, одновременно осуществляя жесткий контроль результатов.

Умение понимать сложные письменные и устные тексты, в том числе на иностранном языке, зависит от того, насколько научно-исследовательская работа того или иного студента связана с изучением научной литературы. Навык написания текстов, доносящих до читателя основную мысль, навык публичных выступлений и дискуссий, навык подготовки презентаций, навыки поездок в командировки наиболее развиты у наиболее вовлеченных в НИРС студентов, которые имеют достаточно много публикаций, часто участвуют в различных конференциях. Таких студентов, как правило, не очень много. У большинства студентов развитие некоторых из этих навыков происходит в ходе написания курсовых и дипломных работ, выступления на ежегодных внутривузовских конференциях, кафедральных спецсеминарах.

В связи с этим и был разработан вышеупомянутый проект, в котором исходя из изложенного выше представления о результатах НИРС выделены некоторые основные трудности в организации НИРС на физическом факультете КемГУ и способы их преодоления. Из-за объемности в данной работе приводить их не будем. Одним из основных направлений работы, которое мы начинаем реализовывать, является организация так называемого группового проектного обучения (по образу Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники), в ходе которого студенты даже разных кафедр объединяются в один коллектив, занимающийся реализацией определенного научно-исследовательского или инновационного проекта.

Модель температурного режима мерзлого грунта под термокарстовым озером Хусаинова Зиля Ринатовна Башкирский государственный университет Хабибуллин Ильдус Лутфурахманович, д.ф.-м.н.

zily@nm.ru Под термокарстом понимается процесс вытаивания подземных льдов в зоне распространения многолетнемерзлых пород, сопровождаемый просадками поверхности и образованием провальных форм рельефа [1]. Рассмотрим случай, когда развитие термокарста происходит при наличии вблизи подошвы сезонно талого слоя льдонасыщенных многолетнемерзлых пород и слоя воды на поверхности. Протаивающие породы приобретают текучую консистенцию и заполняют все пустоты, образующиеся при вытаивании льда (рис.1).

S 1 h h (t) z рис.1. Геометрическая схематизация процесса термокарста: 1-вода, 2- сезонно-талый слой (СТС), 3 – подстилающие многолетнемерзлые породы (ММП), (t)- фронт протаивания, S – солнечная радиация.

Для определения глубины протаивания грунта под слоем воды необходимо исследовать температурный режим вода-грунт. Особый интерес представляет расчет теплового режима за летний период, когда температура водного слоя определяется нагревом за счет поглощения солнечной радиации и теплообменом с атмосферой и подстилающим сезонно-талым слоем.

Распределение температуры в областях 1-3 описывается системой уравнений:

2 T1 T 1 + Q ( z ) = 1 c1, 0 z h, (1) t z 2 T2 T, a 2 = 2, h z (t ), = (2) a t 2 c z 2T3 T, a3 = 3, (t) z.

= a3 (3) t z c Здесь индексы 1, 2, 3 относятся соответственно к воде, талой и мерзлой зонам, и a - коэффициент теплопроводности и температуропроводности, – плотность, c - удельная теплоемкость, Q(z) – плотность тепловых источников, обусловленных поглощением солнечного излучения в слое воды.

Система уравнений (1)-(3) решается при следующих граничных и начальных условиях:

T1 ( 0, t ) = [T в T1 ( 0, t ) ], 1 (4) z T1 ( h, t ) T2 ( h, t ) 1 = 2, T1 ( h, t ) = T2 ( h, t ) (5) z z T1 ( (t ), t ) = T2 ( (t ), t ) = Tф, T3 (, t ) = T0 (6) Протаивание мерзлой породы рассматривается в рамках задачи Стефана, тогда на фронте протаивания z = (t ) выполняется уравнение баланса тепла:

T 3 ( ( t ), t ) T 2 ( ( t ), t ) d 2 + 3 = Qф. (7) z z dt здесь T0 – температура воздуха, Tф и Qф = л GL – температура и теплота фазового перехода лёд вода, л и L – плотность и удельная теплота плавления льда, G – льдистость грунта, – коэффициент теплообмена на границе вода-воздух.

Поглощение солнечной радиации в слое воды описывается законом Бугера-Ламберта-Бера [2]:

dq = ( z )q( z )dz, (8) здесь (z) – коэффициент поглощения солнечного излучения водой, q(z) – интенсивность излучения.

Поглощаемое солнечное излучение переходит во внутреннюю энергию воды и приводит к ее нагреву.

Интенсивность нагрева определяется распределенными по толщине воды тепловыми источниками, плотность которых находится из выражения, представляющего собой аналог уравнения Умова-Пойтинга:

q Q( z ) =. (9) z При определении коэффициента поглощения солнечного излучения необходимо учитывать то, что в небольших водоемах (таликах над многолетнемерзлым грунтом) в воде содержатся мельчайшие органические и минеральные частицы, то есть вода имеет определенную мутность. Коэффициент поглощения солнечного излучения мутной воды определим в виде линейной зависимости от концентрации взвешенных частиц = 0 + c, где 0 – коэффициент поглощения солнечного излучения чистой водой;

с – концентрация частиц в воде (мутность воды). В свою очередь, пространственное распределение взвешенных частиц в воде можно принять по гидростатическому закону, а именно то, что концентрация частиц линейно увеличивается с глубиной водоема c = c 0 + z. С учетом вышеизложенного, находим плотность тепловых источников в слое воды:

Q( z ) = q 0 ( A + 2 Bz )e A Bz, (10) где A = 0 + c 0 и B = – эмпирические постоянные. При В=0 из (10) следует плотность тепловых источников, соответствующая классическому закону Бугера-Ламберта.

Предложенная модель позволяет исследовать динамику протаивания многолетнемерзлых пород под слоем водоема в зависимости от следующих основных определяющих параметров: начальная температура и льдистость мерзлого грунта, толщина слоя водоема и мутность воды, обобщенный коэффициент теплообмена на границе воздух-вода.

Список публикаций:

1.Основы геокриологии. Часть 4. Динамическая геокриология./ Под ред. Э.Д. Ершова. – М.: Изд-во МГУ, 2001. – 688 с.

2.Павлов А.В. Теплофизика ландшафтов. – М.: Наука, 1979. – 283 с.

3.Чудновский А.Ф. Теплофизика почв. – М.: Наука, 1976. –352 с.

Нанопленки Fe/Cr/Fe Гудин Сергей Александрович Институт физики металлов УрО РАН gudin@imp.uran.ru Пленки Fe/Cr/Fe состоят из ферромагнитных слоев железа, разделенных прослойкой хрома. Если толщина этой прослойки меньше 10-8 см, то между намагниченностями ферромагнитных слоев возникает взаимодействие стремящееся ориентировать их друг относительно друга.

Под магнитной структурой многослойных пленок Fe/Cr обычно понимается взаимная ориентация магнитных моментов ферромагнитных слоев железа MFe. Существует 3 типа магнитных структур: ферромагнитная (ФМ), антиферромагнитная (АФМ) и скошенная Рис. 1, Рис. 2, Рис. 3 соответственно. На ее формирование существенное влияние оказывает присутствие прослоек хрома. Так при достаточно гладких границах раздела увеличение толщины прослойки Cr на 1 атомный слой приводит к смене типа магнитного упорядочения с ФМ на АФМ и наоборот (короткий период осцилляций). Предполагается, что основной причиной, ответственной за формирование таких структур, является обменное взаимодействие между спинами Fe и Cr на границах раздела Fe/Cr. По существующим представлениям зонные электроны в хроме находятся в состояниях двух типов. Один тип – это неупорядоченное по спинам состояние, соответствующее парамагнетизму Паули (P – электроны). Состояние другого типа соответствует антиферромагнитному упорядочению спинов (АФ-электроны) в виде линейнополяризованной волны спиновой плотности (лВСП). С этим обменным взаимодействием магнитных моментов железа со спинами АФ-электронов Cr связаны три типа эффектов: однонаправленная магнитная анизотропия, наведенная магнитная анизотропия, косвенное взаимодействие магнитных моментов слоев железа MFe(rj) и MFe(rj±1), j – номер слоя. Учет этих эффектов позволил нам построить фазовую диаграмму магнитных структур пленок Fe/Cr/Fe. рис.4.

Типы магнитных структур:

Рис.1. Ферромагнитная:

Fe М Cr.

.

Fe М Cr Fe М3.

.

.

.

..

.

Fe Мj.

..

.

.

.

Cr Fe МN MFe(ys) MFe(-ys) М Cr1 М Cr () Рис.3 Скошенная Fe М Cr.

.

Fe М Cr Fe М3.

.

.

.

..

.

Fe Мj.

.

.

.

.

.

Cr Fe МN Рис.2 Антиферромагнитная Рис.4 Фазовая диаграмма магнитных структур пленок Fe/Cr/F Список публикаций:

[1] M.I. Kurkin, S.A. Gudin, V.V Ustinov. FMM, 2003, v. 96, p. 21- [2] M.I. Kurkin, S.A. Gudin, V.V Ustinov, S.A. Zlobin, FMM, 2004, v. 98, p. 8 – Саланский Н.М., Ерухимов М.Ш. Физический свойства и применение магнитных пленок. - Изд. Наука, СО, Новосибирск, 1975, 223 с Нанотехнологии в институте электрофизики УрО РАН Иванов Максим Геннадьевич, к.ф.-м.н.

Институт электрофизики УрО РАН max@iep.uran.ru (по материалам презентации лекции) В своей лекции Иванов Максим Геннадьевич подробно рассказал о современных исследованиях и разработках в области нанотехнологий и наноматериалов в ИЭФ.

На сегодня эти исследования идут по трем направлениям:

1. Получение нанопоршков;

2. Наноструктурные керамики на основе оксида алюминия;

3. Создание высокоэффективных твердооксидных топливных элементов;

4. Источники широких пучков ионов газов и их применение в нанотехнологиях модификации свойств.

Получение нанопорошков.

Данное направления исследований ведутся по двум разработкам:

1. Метод электрического взрыва проволоки. Данный метод позволяет получать нанопорошки металлов и сплавов имеющихся в виде проволоки, а также нанопорошки химических соединений этих металлов и сплавов.

В результате нанопорошки полученные из различных металлов и сплавов, успешно опробованы в следующих областях применения: Al2O3 и (MgAl)2O3 – конструкционные и функциональные керамики, CuO+Cu2O и NiO – компоненты электродов для топливных элементов, ZrO2 и TiO2 – допирующие добавки для целевого изменения свойств керамик на основе Al2O3, а также каталитические добавки к топливу и металломатричный материал на основе Al и Al2O3.

2. Испарение мишени излучением импульсного CO2 – лазера. Создана установка и отработана технология получения слабоагрегированных сферических порошков сложных химических соединений.

Получены и успешно опробованы порошки: YSZ, GDC b ScSZ – твердые электролиты в устройствах водопроводной энергетики, Nd: Y2O3, Nd:YAG – оптическая керамика.

Наноструктурные керамики на основе оксида алюминия для работы в экстремальных условиях эксплуатации.

Области их применения различны и крайне важны для многих отраслей промышленности:


- подшипники скольжения и торцевые уплотнения валов насосов для перекачки нефти и химических продуктов;

- узлы забойных двигателей для проходки глубоких скважин;

- струеформирующие сопла различного назначения;

- защитные пластины для футировки быстроизнашеваемых узлов машин;

- элементы брони для защиты от ударного пробивания;

- волочильный инструмент, шаровые краны;

- футеровка мельниц, помольные тела;

- режущий инструмент для обработки твердых материалов.

Далее Максим Геннадьевич подробно остановился на самой технологии производства изделий из наноструктурных керамик, получении различных изделий из наноструктурных оксидных керамик, а также рассказал о синтезе оптической керамики и ее преимуществах по сравнению с монокристаллом.

Создание высокоэффективных твердооксидных топливных элементов с применением нанотехнологий.

Преимущества твердооксидных топливных элементов (тотэ) по сравнению с «обычным» топливом очевидны, это прежде всего, - прямое преобразование энергии химических реакций в электроэнергию (высокое КПД – до 60-70%, что вдвое больше чем например от устройств, работающих на принципе внутреннего сгорания). Широчайший диапазон применяемого топлива (водород, природный газ, биогаз, продукты газификации, пластиковые отходы). Немаловажно также и то, что это – экологически чистые источники электроэнергии.

Области применения: малые автономные электрогенераторы 1-20 кВт (частные дома, сады, коттеджи), электростанции средней и малой мощности (более 100 кВт), мобильные электроустановки для транспортных средств (тепловозы, суда, автомобили).

На данный момент в ИЭФ создается экспериментальный модуль ТОТЭ с использованием нанотехнологий и его электрохимические испытания.

В этой части лекции Иванов М.Г. также остановился на теме литья тонких пленок на основе нанокристаллических поршков.

Источники широких пучков ионов газов и их применение в нанотехнологиях модификации свойств.

Области применения и достоинства ионных источников с холодным катодом:

- технологии повышения коррозионной стойкости и износостойкости деталей машин и инструмента ионной имплантацией;

- ионно-лучевое сопровождение процесса нанесения покрытий для улучшения адгезии и изменения наноструктуры покрытий;

- получение атомно-чистых поверхностей материалов ионным распылением в вакууме;

- генерация сильноточных пучков (0,1А) большого сечения (100см2, протяженность 1м) и высокая скорость ионно-лучевой обработки - надежность, большой срок службы, простота в эксплуатации;

- способность работать в среде химически активных газов.

Далее в своей лекции Максим Геннадьевич подробно рассказал о совместных разработках и внедрении новых технологий ИЭФ с промышленными предприятиями Урала и, в частности:

- вакуумно – плазменное нанесение покрытий с ионно- лучевым сопровождением (Уральский завод гражданской авиации);

- улучшение механических свойств материалов ионной имплантацией (Каменск-Уральский металлургический завод);

- повышение коррозийной стойкости материалов ионной имплантацией (Институт реакторных материалов).

В конце лекции также Иванов М.Г. рассказал подробнее о разработках новых типов ионных источников для нанотехнологий, которые созданы на основе несамостоятельных разрядов с плазменным катодом, генерирующие широкие (до 600см2) и ленточные (длина 0,6 м) пучки ионов с током до 0,2 А и энергией ионов 0,3 – 4- кэВ.

После лекции участники ЛМШФ-4 получили возможность увидеть лаборатории института, где проводятся данные исследования.

Энергия в полевой физике Хаимзон Борис Бернардович Кузбасская государственная педагогическая академия khaimzon@mail.ru Введение В полевой физике [1] выводится полевое уравнение движения в виде 1d (Wu) = W. (1) c 2 dt Это уравнение выписано для частицы 0, взаимодействующей с частицей 1, с учетом также глобального гравитационного взаимодействия с Вселенной в целом. Полевое уравнение движения имеет вид (1) в системе отсчета, в которой частица-источник (частица 1) неподвижна и находится в начале координат, а частица регистрации (частица 0) – в точке R. Скорость частицы 0 u = R. Здесь W(R) – потенциальная энергия частицы 0, а ее градиент берется в точке R. Уравнение (1) аналогично по форме релятивистскому уравнению движения d ( Mu) = F (2) dt при условии W M = 2, F = W. (3) c В полевой физике масса численно равна релятивисткой массе, но имеет совсем другой смысл.

Зависимость массы от скорости в полевой физике является косвенной, и вообще понятия массы и силы являются вспомогательными понятиями, основанными на понятии потенциальной энергии. Сама же потенциальная энергия имеет смысл интенсивности (плотности) полевой среды. Источниками этой интенсивности (меры возбуждения) полевой среды являются частицы. В нашем случае потенциальная энергия состоит из двух слагаемых W = W g + W1. (4) Здесь Wg – потенциальная энергия глобального гравитационного взаимодействия с Вселенной в целом, W1 – потенциальная энергия локального взаимодействия частиц друг с другом (функция полевой связи). При этом потенциальная энергия локального взаимодействия обязательно нормирована: W1 () = 0. Потенциальная энергия глобального взаимодействия складывается из потенциальных энергий локальных гравитационных взаимодействий частицы с небесными телами. Они подчиняются тому же условию нормировки, и поэтому W g 0. Градиент потенциальной энергии глобального гравитационного взаимодействия равен нулю, то есть сила определяется только локальным взаимодействием. В этом и состоит релятивистское приближение. При этом масса частицы состоит из двух слагаемых: классической массы m и полевой массы :


Wg W m = 2, = 21. (5) c c Полевая масса является функцией координат = (R) и может иметь любой знак. Классическая масса тоже может зависеть от положения частицы во Вселенной, но эта зависимость гораздо более слабая и в релятивистском приближении классическая масса считается постоянной. В результате и полная масса является функцией координат (в данном случае – функцией расстояния от начала координат, где находится частица источник) M = M ( R) = m + ( R). (6) Тогда dM = uM = 2 uF. (7) dt c Следовательно, из уравнения движения (1) получим u2 du dM = F 2 u(uF ) = F 1 2 + 2 u ( F u).

=F u M (8) c c dt dt c При u F получим du =F, M (9) dt при u || F u2 du = F 1 2.

M (10) dt c Из формул (8) - (10) видно, что полевому уравнению движения можно придать вид уравнения Ньютона, но с переменной массой и силой, зависящей от скорости.

Формула (10) дает наглядную интерпретацию того факта, что, если скорость относительного движения двух тел меньше c, то она не может превысить c за счет взаимодействия этих тел. Объяснение основано на простом наблюдении: паровоз не может разогнать вагон быстрее, чем он сам может двигаться. Чем ближе скорость к c, тем меньше сила, и в пределе u = c сила равна нулю.

В полевой физике нет запрета на движение со скоростью, большей c, и при u c продольная составляющая силы меняет направление на противоположное (см. (10)).

Энергия в полевой физике Будем считать массу функцией скорости: M = M (u ). Это зависимость косвенная: в ходе движения частица проходит через точки с разной потенциальной энергией, а следовательно, имеет разную массу в разных точках. При этом в каждой точке она имеет определенную скорость. Возникает иллюзия непосредственной зависимости массы от скорости. Тогда из (7) и (2) получим dM (u ) u dM (u )u =2 (11) dt dt c или на языке энергий dW (u ) u dW (u )u u 2 dW (u ) W (u ) udu =2 =2 +2 (12) dt dt dt dt c c c Иначе d(1 u 2 c 2 ) dW (u ) = 2 (13) 1 u2 c W (u ) Интегрируя (13), получим W 2 (1 u 2 c 2 ) = E 2 = const (14) Это и есть интеграл энергии (вернее, квадрата энергии) в полевой физике.

При u c E 2 0, энергия E действительная, и ее можно определить следующим образом:

E = W 1 u 2 c 2 = const (15) В этом случае знак энергии совпадает со знаком W. При u c E 2 0 и энергия мнимая.

С учетом (4) получим (W g + W1 ) 2 (1 u 2 c 2 ) = E 2 = const (16) Силы взаимодействия между частицами на достаточно больших расстояниях не могут произвольным образом зависеть от расстояния. Существует единственный реальный закон взаимодействия – закон Кулона.

Это закон не физики, а геометрии, и является следствием трехмерности пространства. Поэтому k W1 =, k = const (17) R При k 0 W1 0 и частицы отталкиваются, при k 0 W1 0 и частицы и частицы притягиваются. Знак W1 не зависит от расстояния между частицами. Поэтому следует рассматривать два случая: 1) W1 0 и 2) W1 0, которые не переходят один в другой.

Выпишем из (16) зависимость модуля скорости от W1:

E u = c 1 (18) (W g + W1 ) Эта формула описывает оба случая W1 0 и W1 0 и выполняется при любом знаке E2. Введем безразмерные величины W u E u =, E =, W1 = 1. (19) c Wg Wg Тогда (с учетом W g 0 ) E u = 1 (20).

(W1 1) Для рассмотрения зависимости модуля скорости от расстояния между частицами введем гравитационный радиус k Rg =. (21) Wg Расстояние между частицами будем мерить в относительных единицах R = R R g. Тогда для случая W1 W1 = 1 R, а для случая W1 0 W1 = 1 R и зависимость модуля скорости от расстояния между частицами в безразмерных координатах имеет вид 2 E E, W1 0;

u = 1 (22) u = 1, W1 0..

(1 R + 1) 2 (1 R 1) При W1, то есть при R 0 скорость частицы стремится к c в любом случае.

Заметим, что все эти результаты не зависят от направления скорости u. Но будем для начала считать, что движение является одномерным, то есть u || R.

Потенциальная энергия притяжения Рассмотрим сначала первый, более простой случай W1 0 (рисунки 1, 2). При этом E 0 при любых W1.

u* 2 0i 1 0i 0 7i 0 5i 1б 1а W 1. При E 2 0 u c и u 1. Тогда W 0 M 0 для любых W1, то есть при любых расстояниях между частицами. В случае 1а) E 1 ( E W g ) u* обращается в 0 при W1 = 1 + E = 1 E. Это означает, что скорость частицы становится равной нулю при W1 = W g E. Расстояние между частицами достигает в этой точке максимума k Rm = или Rm =. (23) E E Wg В случае 1б) E 1 ( E W g ) скорость достигает минимума при W1 = 0, то есть на бесконечности:

E u m = 1 E 1 или u m = c c. (24) Wg То есть частица на бесконечности имеет конечную скорость Ошибка! Источник ссылки не найден., меньшую c.

2. Рассмотрим теперь случай E 2 0, то есть u c или u 1. Знак продольной силы при этом меняется, и отталкивание заменяется притяжением. Скорость достигает максимума при W1 = 0, то есть на бесконечности:

E um = 1 + E или u m = c 1 + (25) Wg Результаты при E 2 W g, W1 0 могут быть получены в рамках релятивистской динамики. Результаты при 0 E 2 W g не могут быть получены в рамках теории относительности, так как в данных условиях состояния покоя нет, а значит, нет и массы покоя. В теории относительности частица, не имеющая массу покоя, может иметь скорость, только равную c. Вообще, в полевой физике масса покоя является не характеристикой Рис. частицы, а интегралом движения, действительным, если частица имеет состояние покоя. Тогда она имеет смысл массы в точке, где скорость частицы равна нулю. Результаты при E 2 0 не могут быть получены в рамках релятивисткой динамики, по двум причинам: одной, указанной выше, и другой, по которой движение со скоростью, большей c, в теории относительности запрещено.

2 0i u 1 0i 0 7i 0 5i 1б 1а R* Рис. Потенциальная энергия отталкивания.

Рассмотрим теперь случай W1 0 (рисунки 3, 4). Здесь возможны 4 ситуации, получающиеся из композиции двух условий 1) W1 W g или W1 W g и 2) E 2 0 или E 2 0. Нумеровать их будем с номера 3, чтобы учесть два случая W1 0.

и E 2 0. При этом u c или u 1, W 0 M 0, E 0. Но, чтобы подкоренное 3. W1 W g выражение в (20) было больше нуля, необходимо, чтобы E 1 ( E W g ). Скорость u обращается в 0 при W1 = 1 + E = 1 E, или в размерных переменных при W1 = W g E (так же, как и в случае 1а). Но само условие совпадает с условием случая 1б. Действительно, математически кривые u*(W1*) в данном случае являются продолжением кривых случая 1б на область W1 0. Но физически никакой связи между ними нет, и поэтому они изображены на разных рисунках. Формулы (23) теперь описывают не максимальное, а минимальное расстояние между частицами, то есть частицы не могут сблизиться на расстояние, меньшее Rm R g. При W1 = 0, то есть на бесконечном расстоянии между частицами, скорость конечна и описывается формулами (24). Только теперь эти формулы описывают максимальную скорость.

4. W1 W g и E 2 0. При этом u c или u 1, W 0 M 0, E 0. В этом случае масса является отрицательной! В результате частицы на малых расстояниях начинают притягиваться, несмотря на то, что между ними действует сила отталкивания. При этом скорость частицы обращается в 0 при W1 = 1 + E ( W1 = W g + E ). Это точка максимального удаления частиц:

u* 05 03 1 01 3 0 3 W Рис. 5. W1 W g и E 2 0. В этом случае u c ( u 1 ), W 0 M 0, энергия мнимая. При W1 = 0, то есть на бесконечности, скорость частицы минимальна и вычисляется по формулам (25), Ошибка! Источник ссылки не найден.. Продольная сила при этом меняет знак (см. (10)), и отталкивание заменяется притяжением. При W1 1 ( W1 W g ), то есть при R 1 ( R R g ) скорость частицы обращается в бесконечность. В этой точке ничего особенного не происходит. Время, за которое частица достигнет этой точки, конечно. Частица проходит эту точку и попадает в следующую область.

u* 6 03 05 4 R* Рис. и E 0. В этом случае u 1 ( u c ), W 0 M 0, энергия мнимая. Продольная сила в 6. W1 W g этой области также меняет знак, но и масса в этой области отрицательна. Эти два эффекта компенсируют друг друга, и отталкивание так и остается отталкиванием. При W1 1 ( W1 W g ), то есть при R 1 ( R R g ) скорость частицы обращается в бесконечность. При увеличении W1 скорость частицы падает и в пределе W1 ( R 0 ) скорость частицы стремится к c.

По сути дела, области 5 и 6 можно объединить в одну. Частица с бесконечной скоростью проходит точку R = R g и переходит из одной области в другую.

Состояние покоя Состояние покоя реализуется в случаях 1а, 3 и 4. При этом в случаях 1а, 3 масса положительная, 4 отрицательная. Для этого состояния = ( m + u = 0 ) c 2 = ( m + 0 )c 2, E = W u = 0 = M 0 c 2 = W g + W1 (26) u = где M0 – масса покоя, то есть масса в той точке, где скорость частицы равна нулю. В полевой физике масса покоя – просто постоянная интегрирования, и при разных начальных условиях масса покоя одной и той же частицы может быть разной.

Энергия E в полевой физике не тождественна полной энергии Eп и просто энергии Eрел в теории относительности и имеет совсем иной смысл. Действительно, для случаев 1 и E = (W g + W1 ) 1 u 2 c 2 = M 0 c 2 (27) и, следовательно, M 0c + W1 = W g = mc 2 = E рел = const (28) 1 u c 2 Это закон сохранения энергии в релятивистской динамике. Видно, что он выполняется только в ограниченной области Вселенной. Первое слагаемое в (28) – это и есть релятивистская полная энергия M 0c Eп =. (29) 1 u2 c Релятивистская энергия Eрел – это энергия в релятивистской динамике. Именно для нее выполняется соотношение Эйнштейна E рел = mc 2 (30) для классической массы. А энергия в полевой физике равна энергии покоя E0 в теории относительности, взятой со знаком минус. Тогда кинетическая энергия M 0c T = Eп E0 = Eп + E = M 0c2. (31) 1 u c2 Введем эффективную энергию E = E рел + E = T + W1 = (m M 0 )c 2 = 0 c 2 = const. (32) Мы получили закон сохранения энергии в виде сохранения суммы кинетической и потенциальной энергий.

В релятивистской динамике происходит подмена понятий. Масса покоя M0 отождествляется с классической массой m, и при отличии M0 от m считается, что частица с массой покоя m превратилась в частицу с массой покоя M0. Для этого тратится ( M 0 m)c 2 кинетической и потенциальной энергии. Возникает иллюзия того, что масса имеет энергию. На самом деле никакого превращения не происходит. Просто начальные условия движения таковы, что масса покоя M0 заметно отлична от классической массы m. Когда же превращение на самом деле происходит, то меняется классическая масса, так как меняется взаимодействие частицы со Вселенной.

В полевой физике масса покоя может быть отрицательной. Вследствие этого отрицательной может быть и релятивистская полная энергия. В случае 1б состояния покоя нет, но формулы здесь такие же, как в случае 3.

Поэтому можно ввести массу покоя и для этого случая.

1. Репченко О. Н. Полевая физика или как устроен мир. – М.: Галерия. -2005. – 320 с.

Научное издание Четвертая Летняя Межрегиональная Школа студентов – физиков и молодых ученых 18 июля – 7 августа 2008 г.

МАТЕРИАЛЫ ЛМШФ- Ответственный за выпуск: Арапов А.Г.

Подписано в печать 1 ноября 2008 Формат А Отпечатано в типографии г. Екатеринбург Отпечатано в соответствии с качеством предоставленных диапозитивов.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.