I. Введение
С самого момента возникновения философии человек размышляет о возможностях и границах познания. Философские размышления велись главным образом либо в русле эмпиризма, пренебрегающего ролью творческого мышления и развитием понятийного аппарата, либо в русле рационализма, который не учитывал практики как критерия истины, как основы, отправной точки и цели познания. В результате успехов естественных наук многим эмпирикам стало казаться, что исследовательская работа в этой области нуждается лишь в прагматическом оправдании, а не в философском обосновании. Ф. Энгельс показал, однако,
Что “самая плоская эмпирия, презирающая всякую теорию и относящаяся с недоверием ко всякому мышлению”, - это самый верный путь от естествознания к мистицизму.
Диалектика познания нуждается в философском осмыслении. При этом речь идет как о материалистическом объяснении процессов мышления, так и о сложных отношениях, возникающих в процессе теоретического и практического освоения действительности людьми. Попытка Канта преодолеть эмпиризм и рационализм оказалась безуспешной.
Разработка теории познания, отвечающей современному развитию науки, не может быть задачей одной лишь философии. Поскольку она должна давать для отдельных научных дисциплин мировоззренческие, гносеологические и методологические основы, поскольку она делает это с помощью анализа результатов этих наук, истории науки и философско-гносеологических воззрений ученых. Философский аспект изучения процесса познания заключается в обосновании теории отражения, в учете исторического характера познания и диалектики развития познания.
Философская постановка вопроса выходит, однако, за рамки проблем истории теорем познания. Она включает мировоззренческие проблемы, касающиеся связи познания с гуманизмом, и рассмотрение эффективности результатов познания. Речь идет об ответственности ученых в двояком отношении. С одной стороной, должно учитываться соотношение между приложенными затратами и полученной пользой с целью обеспечения наибольшей эффективности исследований. Это особенно трудно сделать в отношении фундаментальных исследований, так как практические результаты здесь нередко проявляются в более или менее отдаленном будущем. С другой стороны, эксперименты, поскольку они прямо или косвенно затрагивают людей, не могут связываться только с критериями экономической эффективности. Эксперименты с людьми и на людях требуют соблюдения гуманистических принципов. Общественная потребность в научных знаниях может быть удовлетворена только при наличии соответствующего задела и полном высвобождении творческих потенций. Для этого необходимы определенные условия.
II
1. Практическая направленность эксперимента
Развитие общества в значительной степени определяется уровнем наукоемких технологий, многочисленные направления которых основаны на достижениях соответствующих отраслей естествознания. Современное естествознание обладает большим многообразием методов исследований, среди которых эксперимент – наиболее эффективное и действенное средство познания.
Для эксперимента сегодняшнего дня характерны три основные особенности:
возрастание роли теоретической базы эксперимента. Во многих случаях эксперименту предшествует теоретическая работа, концентрирующая громадный труд большого числа теоретиков и экспериментаторов;
сложность технического оснащения эксперимента. Техника эксперимента, как правило, насыщена многофункциональной электронной аппаратурой, прецизионными механическими устройствами, высокочувствительными приборами, высокоточными преобразователями и т. п. Большинство экспериментальных установок представляет собой полностью замкнутую систему автоматического регулирования, в которой технические средства обеспечивают заданные условия эксперимента с вполне определенной точностью, регистрируют промежуточные экспериментальные результаты и производят последовательную их обработку;s
масштабность эксперимента. Некоторые экспериментальные установки напоминают сложные объекты крупных масштабов. Строительство и эксплуатация таких объектов стоит больших финансовых затрат. Кроме того, экспериментальные объекты могут оказать активное действие на окружающую среду.
Эксперимент базируется на практическом воздействии субъекта на исследуемый объект и часто включает операции наблюдения, приводящие не только к качественным, описательным, но и к количественным результатам, требующим дальнейшей математической обработки. С этой точки зрения эксперимент- разновидность практического действия, предпринимаемого с целью получения знания. В процессе экспериментального естественнонаучного исследования в контролируемых и управляемых условиях изучаются многообразные свойства и явления природы.
Отличаясь от простого наблюдения активным воздействием на объект, в большинстве случаев эксперимент осуществляется на основе той или иной теории, определяющей постановку экспериментальной задачи и интерпретацию результатов. Нередко основная задача эксперимента - проверка гипотез и предсказаний теории, имеющих фундаментальное, прикладное и принципиальное значение. Являясь критерием естественнонаучной истины, эксперимент представляет собой основу научного познания действительности.
Эксперимент, как и наблюдение, относится к эмпирическим формам естественнонаучного познания. Однако между ними есть существенные различия: эксперимент - преобразующая внешний мир деятельность человека, а наблюдению свойственны черты созерцательности и чувственного восприятия исследуемого объекта. В процессе эксперимента при активном вмешательстве исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо в специально созданных условиях.
В процессе естественнонаучного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию как исследуемого объекта, так и различных управляемых условий, в которых находится объект. Для этого создаются специальные установки и устройства: барокамеры, термостаты, магнитные ловушки, ускорители и т. п. С помощью их создаются сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, вакуум и другие условия. В некоторых случаях моделирование исследуемого объекта – единственное средство реализации эксперимента.
Многие экспериментальные исследования направлены не только на обоснование естественнонаучной истины, но и на обработку технологий изготовления новых видов разнообразной высококачественной продукции. Именно в этом наиболее сильно проявляется практическая направленность эксперимента как прямого пути совершенствования любого технологического цикла.
Экспериментальные средства по своей сути не однородны: их можно разделить на три основные, отличающиеся функциональным назначением системы:
· содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;
· обеспечивающую воздействие на исследуемый предмет;
· сложную приборную измерительную систему;
В зависимости от экспериментальной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при проведении экспериментов с веществом, не встречающимся в природе при обычных условиях, да еще и при низкой температуре, все системы экспериментальных средств играют важную роль.
Чем сложнее экспериментальная задача, тем острее стоит вопрос чистоты эксперимента и достоверности полученных результатов. Можно назвать четыре пути решения данного вопроса:
многократное повторение измерений;
совершенствование технических систем и приборов; повышение их точности, чувствительности, разрешающей способности;
более строгий учет основных и не основных факторов, влияющих на исследуемый объект;
предварительное планирование эксперимента, позволяющее наиболее полно учесть специфику исследуемого объекта и возможности приборного обеспечения.
Чем чище поставлен эксперимент, чем тщательнее предварительно проанализированы все особенности исследуемого объекта и чем чувствительнее приборы, тем точнее экспериментальные результаты и тем ближе они соответствуют естественно - научной истине.
В любом естественно – научном эксперименте можно выделить три основных этапа:
подготовительный;
получение экспериментальных данных;
обработка результатов эксперимента и их анализ;
Подготовительный этап обычно включает теоретическую проработку проведения эксперимента, его планирование под готовку исследуемого объекта, конструирование и создание технической базы, включающей приборное обеспечение. На хорошо подготовленной экспериментальной базе полученные данные, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить тот или иной параметр исследуемого объекта и сопоставить его либо с соответствующим теоретическим значением, либо с экспериментальным значением, полученным другими техническими средствами, что очень важно при определении правильности и степени достоверности полученных результатов.
Теоретические предпосылки эксперимента
Взаимная обусловленность эмпирических и теоретических знаний вряд ли вызывает сомнение Современные эксперименты и теория настолько сильно переплетены, что однозначно ответить на вопрос, какое из данных знаний можно рассматривать в качестве абсолютного начала естественно – научного познания, практически не представляется возможным, хотя можно привести многочисленные примеры научных изысканий, когда эмпирические начала предвосхищают теорию, и наоборот.
В теоретические исследования все больше внедряются наиболее абстрактные разделы математики, и многие теоретические расчеты выполняются с помощью мощных вычислительных средств. Экспериментальное исследование развивается за счет внедрения новых методов с применением сравнительно сложных технических средств. Эксперимент все чаще приобретает индустриальные, а в отдельных случаях и гигантские масштабы. Вместе с тем возрастает роль и его теоретического обеспечения, то есть можно уверенно говорить о теоретической обусловленности современных экспериментальных исследований.
На всех этапах экспериментальных исследований весьма важна мыслительная деятельность экспериментатора, которая чаще всего носит философский характер. Решая, например, вопросы: что такое электрон, является ли он элементом реального мира или чистой абстракцией, можно ли его наблюдать, в какой мере знания об электроне истины и тому подобное – ученый так или иначе касается философских проблем естествознания. Более глубокая связь естествознания с философией свидетельствует о более высоком уровне его развития. Естественно, с течением времени теоретическое мышление с философской ориентацией меняется и приобретает различные формы и содержание. Лучших результатов достигнет естествоиспытатель, свободно владеющий своими узкопрофессиональными вопросами и достаточно легко ориентирующийся в общих философских вопросах, связанных прежде всего с диалектикой и теорией естественно – научного познания.
Стремление ученых создать научную картину мира сближает естествознание с философией. Научная картина мира обладает большей общностью, чем теоретические схемы конкретных естественнонаучных утверждений. Она образуется посредством особых связей отдельных элементов познания и представляет собой весьма общую идеальную модель реальных процессов, явлений и свойств вещества, исследуемых в рамках узких отраслей естествознания. В широком понимании научная картина мира выражает общее знание о природе, характерное для данного этапа развития общества. Описание картины мира в общем представлении создает понятия, более или менее близкие к понятиям повседневного, обыденного языка.
В те периоды развития естествознания, когда на смену старой картины мира приходит новая, при постановке эксперимента возрастает роль философских идей в виде теоретических постулатов, на основе которых реализуется эксперимент.
В эпоху становления физики как науки, когда специальных естественнонаучных теорий не существовало, ученые, как правило, руководствовались общими философскими представлениями о единстве и родстве материальных объектов и явлений природы. Например, Г. Галилей, закладывая основы классической механики, опирался на общую модель единства мира. Такая идея помогла “земными глазами” взглянуть на небо и описать движение небесных тел по аналогии с движением тел на Земле, что в свою очередь подтолкнуло ученых к более тщательному изучению различных форм механического движения, в результате чего были открыты классические законы механики.
Философская идея материального единства мира питала многие экспериментальные исследования и способствовала накоплению новых естественнонаучных фактов. Так, например, известный датский физик X. Эрстед, размышляя о связи между разными по физической природе явлениями - теплотой, светом, электричеством и магнетизмом, - в результате экспериментальных исследований открыл магнитное действие электрического тока.
Особенно важна роль теоретических предпосылок эксперимента, когда сложившиеся теоретические знания служат основой новых естественнонаучных проблем и гипотез, требующих предварительного эмпирического обоснования.
В современных условиях возрастает роль теоретической работы на подготовительном этапе эксперимента, на каждой операции его по-разному включаются те или иные теоретические и практические процедуры исследований. Можно назвать четыре основные операции подготовительного этапа эксперимента:
• постановка задачи эксперимента и выдвижение гипотетических вариантов её решения;
• разработка программы экспериментального исследования;
• подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки;
• качественный анализ хода эксперимента и корректировка программы исследования и приборного обеспечения.
При кажущейся случайности эмпирические открытия вписываются в вполне определенную логическую схему, отправным элементом которой выступает противоречие между известным теоретическим знанием и новыми эмпирическими данными. Такое противоречие является логическим основанием вновь возникшей проблемы - своеобразной границы между знанием и незнанием - первого шага осмысления неизвестного. Следующий шаг - выдвижение гипотезы как возможного решения проблемы.
Выдвинутая гипотеза вместе с выводимыми из неё следствиями служит основой, определяющей цели, задачи и практические средства эксперимента. В одних случаях при сложившейся теоретической схеме гипотеза может обладать высокой степенью достоверности. Такая гипотеза жестко задает программу эксперимента и нацеливает его на поиск теоретически предсказанного результата. В других случаях, когда теоретическая схема только-только зарождается, степень достоверности гипотезы может быть не высокой. При этом теория лишь эскизно задает схему эксперимента, увеличивается число проб и ошибок.
На подготовительной стадии эксперимента огромную, неоценимую роль играет изобретательская и конструкторская работа как научный творческий процесс. Успех любой экспериментальной работы зависит от таланта ученого, определяемого его прозорливостью, глубиной абстрактного мышления, оригинальностью решения технических задач, способностью к изобретательской деятельности, представляющей собой последовательный, целенаправленный переход от теоретического знания к практическому поиску.
Таким образом, хотя эксперимент основывается на практической деятельности, но, будучи естественнонаучным методом познания действительности, он включает логические и теоретические средства, гармоническое сочетание которых и позволяет успешно решить поставленную задачу.
Сочетание практических и теоретических знаний
Подготовка исследуемого объекта и создание экспериментальной установки - важные шаги реализации программы исследований, после которых наступает основной период проведения самой экспериментальной работы. Такой период, казалось бы, характеризуется чисто эмпирическими признаками: изменением управляемых условий, включением и выключением приборов и различных механизмов, фиксированием тех или иных свойств, эффектов и т. п. В ходе эксперимента как бы уменьшается роль теории. Но на самом деле наоборот - без теоретического знания невозможны постановка промежуточных задач и их решение. Экспериментальная установка - овеществленное, материализованное знание. Роль теории в ходе эксперимента предполагает выяснение механизма формирования объекта познания и взаимодействия субъекта, приборов и объекта, измерения, наблюдения и регистрации экспериментальных данных.
Теоретические предпосылки могут содействовать получению позитивных сведений о мире, научному открытию либо мешать, уводить поиск в сторону от верного пути - все зависит от того, верны или не верны данные предпосылки. Иногда ученые в силу объективных или субъективных обстоятельств руководствуются ложными предпосылками, что, естественно, не способствует объективному отражению действительности. Например, ложное истолкование научных проблем кибернетики и генетики привело к существенному отставанию в данных отраслях знания.
В истории естествознания прослеживается тенденция развития процесса познания от качественного изучения объекта или явления к установлению их количественных параметров и выявлению общих закономерностей, выраженных в строгой математической форме. Строгость и точность экспериментальных сведений при этом зависит от совершенства методов измерений и чувствительности разрешающей способности и точности измерительной техники.
Современный эксперимент характеризуется высокой точностью измерений. Можно назвать несколько путей повышения точности:
1) введение новых эталонов;
2) применение чувствительных приборов;
3) учет всех условий, влияющих на объект;
4) сочетание разных видов измерений;
5) автоматизация процесса измерений.
Оптимальное сочетание данных путей определяется субъективным свойством естествоиспытателя и в большой степени зависит от степени совершенства экспериментальной техники.
Организация постоянного взаимодействия наблюдения, измерения и количественного описания в процессе эксперимента опосредуется теоретическими знаниями, включающими философское представление о картине мира, гипотезы и т. д.
Теоретические знания в ходе эксперимента лежат в основе:
формирования сложного объекта исследований;
перегруппировки элементов объекта, скрытых от непосредственного наблюдения;
фиксации и регистрации экспериментальных данных;
интерпретации полученных данных и их сопоставления с теоретическими.
При реализации данных процессов естествоиспытатель постоянно сверяет свои действия и результаты с теоретическими посылками. Когда эксперимент находится в завершающейся стадии и собраны основные экспериментальные результаты, теоретическая работа не прекращается - она направлена на обработку результатов эксперимента.
Обработка экспериментальных результатов
После получения первых экспериментальных результатов процедура эксперимента продолжается. Во-первых, как правило, разовый эксперимент не дает окончательного ответа на поставленный вопрос. Во-вторых, полученные экспериментальные результаты нуждаются в логической доработке, превращающей их в научный факт, т. е. в то, в истинности чего не возникает сомнений.
Представление о фактах как проявлениях действительности, непосредственно фиксируемых в формах чувственного отражения, сложилось в науке на ранней стадии зарождения естествознания. Практика современного естествознания показывает, что не все факты непосредственно воспринимаются, чаще всего факты не являются тем, что бросается сразу в глаза и может быть зафиксировано всеми, кто обладает нормальным зрением.
Факты в естествознании не просто собираются, а активно формируются естествоиспытателем, что отнюдь не снижает их объективности. В равной мере и теория, несмотря на проявление творческой активности субъекта, не утрачивает своей объективности, если она истинна.
Отдельные экспериментальные данные, полученные на начальной стадии эмпирического исследования, сами по себе не становятся фактами науки. В них могут содержаться ошибки, связанные с некорректной постановкой эксперимента, неправильными показаниями измерительных приборов, отклонениями в функционировании органов чувств и т. п. Поэтому в естествознании, как правило, проводится не один, а серия экспериментов. Уточняются и проверяются результаты эксперимента, собираются недостающие сведения, проводятся дополнительные эксперименты. Затем полученные в серии экспериментов данные подвергаются математической обработке.
При кажущейся простоте получения и обработки первичных экспериментальных данных, т. е. результатов наблюдений и измерений, математическая обработка, обладая определенной спецификой, производится в рамках строгой теории ошибок, на основании которой количественно определяется достоверность окончательных результатов. Сколь бы точными ни были наблюдения и измерения, погрешности неизбежны, и задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы приблизить экспериментальные данные к объективным значениям определяемых величин, т. е. уменьшить интервал неточности. Для этого каждый исследователь должен иметь представление обо всех ошибках, встречающихся в практике экспериментального исследования. Современная теория ошибок вооружает экспериментаторов надежными средствами корректировки экспериментальных данных.
Статистическая обработка - не только эффективное средство уточнения экспериментальных данных, отсеивания случайных ошибок, но и первый шаг обобщения их в процессе формирования научного факта. Разумеется, статистическая обработка - необходимая, но не достаточная операция при переходе от эмпирических данных к естественнонаучным фактам
После уточнения экспериментальных результатов начинается следующая стадия - сравнение и обработка. Если в результате сравнения и обобщения готовится материал для последующих обобщений, то в науке фиксируется новое явление. Однако это не означает завершения процесса формирования научного факта. Вновь зафиксированное явление становится научным фактом после его интерпретации.
Таким образом, научный факт, полученный в эксперименте, представляет собой результат обобщения совокупности выводов, основанных на наблюдениях и измерениях характеристик исследуемого объекта при предсказании их в виде гипотезы.
2. Современные средства естественнонаучных исследований
Специфика современных, экспериментальных и теоретических исследований
На протяжении всех этапов эксперимента естествоиспытатель руководствуется в той или иной форме теоретическими знаниями. В последнем столетии в силу ряда объективных причин основной профессиональной деятельностью некоторых ученых стала исключительно теоретическая работа. Одним из первых ученых, который не проводил никаких экспериментов, был немецкий физик Макс Планк.
Произошло, таким образом, деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Во многих отраслях естествознания возникли экспериментальные и теоретические направления и в соответствии с ними появились специализированные лаборатории и даже институты, например Институт теоретической физики. Такой процесс наиболее активно проходит во второй половине XX столетия. В прежние времена не только Ньютон и Гюйгенс, но и такие выдающиеся теоретики, как Максвелл, обычно сами экспериментально проверяли свои теоретические выводы и утверждения. В последние же десятилетия только в исключительных случаях
теоретик проводит экспериментальную работу, чтобы подтвердить выводы своих теоретических изысканий.
Одна из существенных объективных причин профессиональной обособленности экспериментаторов и теоретиков заключается в том, что технические средства эксперимента значительно усложнилась. Экспериментальная работа требует концентрации больших усилий, она не под силу одному человеку и выполняется в большинстве случаев целыми коллективом научных работников. Например, для проведения эксперимента с применением ускорителя, реактора и т. п. требуется относительно большой штат научных сотрудников. Поэтому даже при большом желании теоретик не в состоянии проверить на практике свои теоретические выводы и предложения.
Еще в 60-е годы нынешнего столетия, когда практически все отрасли естествознания находились на подъеме, академик П. Л. Капица с тревогой говорил о разрыве между теорией и экспериментом, между теорией и жизнью, между теорией и практикой, отмечая отрыв теоретической науки от жизни, с одной стороны, и, с другой стороны, недостаточно высокое качество экспериментальных работ, что нарушает гармоническое развитие науки.
Гармоническое развитие естествознания возможно тогда, когда теория опирается на достаточно крупную экспериментальную базу. А это означает, что для экспериментатора нужна хорошая материальная база: помещение со всевозможным специальным оборудованием, большой набор высокочувствительных приборов, специальные материалы, мастерские и т. п. Темпы развития естествознания в значительной степени обусловливаются совершенством такой материальной базы.
Отрыв теории от эксперимента, опыта, практики наносит громадный ущерб прежде всего самой теории и, следовательно, науке в целом. Отрыв от опыта и жизни характерен не только для естествоиспытателей, но и для философов, занимающихся философскими проблемами естествознания. Ярким примером может служить отношение некоторых философов к кибернетике в конце 40-х - начале 50-х годов, когда в отечественных философских словарях кибернетика называлась реакционной лженаукой. Если бы ученые руководствовались таким определением кибернетики, то, очевидно, освоение космоса и создание современных наукоёмких технологий не стало бы реальностью, так как сложные многофункциональные процессы, вне зависимости от их области применения, управляются кибернетическими системами.
Работа крупных ученых-естествоиспытателей, внесших большой вклад в развитие современного естествознания, несомненно проходила в тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Поэтому для развития естествознания на здоровой почве всякое теоретическое обобщение должно непременно проверяться на опыте. Только гармоническое развитие эксперимента и теории способно поднять на качественно новый уровень все отрасли естествознания.
Современные методы и технические средства эксперимента
Экспериментальные методы и технические средства современных естественнонаучных 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.
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 пс. 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. Назовем 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 естественнонаучных 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.
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 перестраиваемом длиной волны в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра. Исследование структуры твердых тел определение расстояния между атомами, изучение строения молекул органических соединений - успешному решению этихи других задач способствует синхротронное излучение.
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 в 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 12С. 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 1 строения молекулы в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.
Комбинированные приборы - хромато-масс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации од ного из самых ядовитых веществ - изомеров диоксина.
Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром - лучший аналитический прибор для работы со сложными смеся ми, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биола гаи, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора ограничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спекгроскопии значительно расширились. Существенно увеличились предельные молекулярные массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопив Например, плазменная десорбция с применением бомбардировки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и про извести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные характеристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестного вещества методом масс-спекгроскопии достаточно всего 10-10 соединения. В плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны в концентрации 0, 1 мг на кило грамм массы тела.
Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящая внутри клетки.
Для определения строения молекул необходимо знать пространственное расположение атомов. Зная молекулярную структуру, легче понять физические и химические свойства соединения, механизмы химических реакций и идентифицировать новые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур - Рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции, позволяет изучать все те соединения, которые у