Райт - Наука о запахах - 1966 (947297), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Таким образом, неподвижный электрический заряд окружен электростатическим полем и не имеет магнитного. Осциллирующий, то есть колеблющийся, заряд генерирует в окружающей среде электрические и магнитные волны. Эти волны распространяются в пространстве с чрезвычайно высокой скоростью — той же самой скоростью света, — составляющей примерно 3 х 10" см/свк; ее обычно обозначают буквой с.
Так как при колебании электрического заряда возникают и электрические и магнитные силы, такое явление называют электромагнитным излучением. Если пульсация происходит сравнительно медленно (то есть с низкой частотой), такое излучение принято называть радиочастотным; оно охватывает весь диапазон от длинноволновых широковещательных полос до ультравысоких частот, используемых в радиолокатарах и коротковолновой телевизионной связи.
При дальнейшем увеличении частоты колебаний мы получаем инфракрасные, или тепловые, лучи, далее — видимый свет, а затем— ультрафиолетовое и рентгеновское излучения. Если излучение распространяется в среде со скоростью с сантиметров в секунду, а частота колебаний источника радиации равна ч раз в секунду, тогда в течение одной секунды будет послано ч волн, которые пройдут за секунду расстояние, равное с сантиметрам, а длина каждой волны Л составите/ч. Таким образом, три величины— длина волны Л, скорость распространения волн с и частота ч — связаны между собой следующим соотношением: с =тЛ. На практике измерять длину волны легче, чем частоту, и поэтому частоту чаще всего вычисляют по формуле Однако в это выражение входит скорость света с, значение которой известно лишь приближенно.
Поэтому если длины волн с помощью этой формулы превращены в значения частоты, то последние пришлось бы пересчитывать всякий раз по уточнении величины скорости света. Во избежание этого обычно вычисляют не с/Л вЂ” истинную частоту, или число колебаний в секунду, а 1/Л, которую также называют частотой, хотя в действительности эта величина соответствует числу волн в одном сантиметре и правильное ее название — волновое число. Для того чтобы от значения волнового числа перейти к частоте, нужно умножить его на скорость света с.
В начале нашего столетия стало известно, что атомы построены из положительно и отрицательно заряженных частиц. В результате колебательных движений молекул и атомов, а также составных частей атомов возникают электромагнитные волны, а также разнообразные взаимодействия излучения с аещесгвом. Именно~'такого рода взаимодействия обусловливают как Раман-эффект (эффект комбинационного рассеяния света), так и поглощение веществом инфракрасных лучей. При измерениях поглощения используют способность исследуемого вещества поглощать волны определенной длины, частота которых соответствует частоте молекулярных колебаний испытуемого образца. Прошедшее через образец непоглощенное излучение с помощью призмы раскладывается далее в спектр, на котором видны темные полосы, соответствующие поглощенному образцом излучению.
Частота недостающего излучения в этих так называемых полосах поглощения непосредственно соответствует колебательным частотам молекул, поглотивших данное излучение. Таким образом„определить вибрационные частоты молекул в принципе довольно легко, однако необходимые для таких исследований приборы сложны и дороги. Так, например, спектрометр, работающий в близкой инфракрасной области, стоит от 5 до 20 тысяч долларов, а приборов для работы в далекой инфракрасной области (которая„ как мы увидим дальше, особенно интересна в связи с изучением природы запаха) до недавнего времени в продаже вообще не было, экспериментаторы должны были конструировать и изготовлять их сами.
Начиная с 196! г, в продажу поступило лишь несколько экземпляров спектрометров, работающих в далекой инфракрасной области, причем модель 1963 г. стоит около 35 тысяч долларов. Это весьма печально и в то же время очень важно, так как объясняет, почему иногда современный исследователь в погоне за финансовой помощью вынужден усмирять свои стремления к знаниям. Таких областей науки, где исследования можно вести в деревянном сарае с прибором, сделанным из сургуча и веревки, осталось очень мало. Если не считать трудностей приобретения оборудования и его высокой стоимости, метод определения инфракрасных спектров поглощения довольно прост. Другой метод исследования молекулярных колебаний основан на Раман-эффекте.
Он несколько сложнее для понимания, потому что непосредственно связан с квантовой теорией. В 1900 г. Макс Планк установил, что энергия частиц или электрических зарядов атомных или молекулярных размеров, колеблющихся около какого-то среднего положения, изменяется не непрерывно, а некоторыми строго определеннЫми дискретными порциями, или квантамп. Осциллятор может иметь энергию, равную одному кванту, двум, трем или любому другому целому, но не дробному числу квантов.
Величина кванта, то есть количество единиц энергии осциллятора, зависит от характеристической частоты ч (которая в свою очередь зависит от участвующих в колебательном процессе масс и сил) и описывается формулой Е=ппч, где Š— энергия осциллятора, ч — частота осциллятора, то есть количество колебаний в секунду, Л вЂ” универсальная постоянная, известная под названием постоянной Планка; коэффициент п в этой формуле равен О, 1, 2 или вообще любому целому числу квантов, соответствующему энергии осцнллятора. Если вы спросите, почему это так, физики не дадут вам иного ответа, кроме «таковы законы природы».
Использование Раман-эффекта в качестве способа изучения спектров молекулярных колебаний основано на том, что эти колебания подчиняются правилам квантования, так как представляют собой колебания в структурах молекулярных размеров. Если сквозь прозрачное вещество проходит электромагнитное излучение какой-нибудь одной определенной частоты (так называемый монохроматический свет), то некоторые молекулы вещества, поглощая энергию излучения, будут совершать вынужденные колебания.
Если частота падающего излучения тм то энергия его равна йт;. Когда молекулярные осцилляторы поглощают часть энергии падающего излучения, его энергия, а следовательно, и частота уменьшаются до некоторого нового значения т„так что поглощенная веществом энергия = Ьтг — йч,. Но эта энергия была отнята у первичного пучка молекулами, вынужденными колебаться с какой-то собственной частотой ч, и, следовательно, энергия, потерянная излучением, должна быть равна энергии, поглощенной молекулами, то есть "чо ч = — уг у о Таким образам, если у нас есть возможность измерить разность частот падающего света и света, рассеянного молекулами вещества, после того как они поглотили коли- чество энергии, достаточное для совершения вынужденных колебаний, эта разность и есть частота собственных колебаний молекул данного вещества.
Такой метод может быть использован только для прозрачных веществ, когда ббльшая часть падающего света проходит сквозь образец неизмененной. «Ослабленныеэ кванты, появляющиеся после столкновений с молекулами образца, рассеиваются во всех направлениях, причем интенсивность этого рассеянного излучения крайне низка. Его можно фотографировать и по интенсивности и положению новых полос оценивать молекулярные колебания данного вещества (фиг. 20). Однако, для того чтобы собрать и. измерить этот рассеянный свет, необходимы очень чувствительные приборы.
Методика подобных исследований весьма утомительна и трудоемка, особенно в работе с такими сложными и зачастую нестабильными органическими веществами, какими, по-видимому, является большинство духбв. Вибрационная теория Дайсона предполагает, что физическую основу запаха составляет не размер, форма или реакционная способность молекул пахучих веществ, а их колебательные движения. Вообще говоря, эта идея весьма привлекательна, потому что она дает простое и общее объяснение одному из наиболее загадочных явлений, касающихся запаха: вещества, имеющие совершенно разное строение, например мускусы, пахнут очень похоже, тогда как вещества с весьма сходной структурой молекул, например кетоны, пахнут по-разному.
Молекула представляет собой, в сущности, набор тяжелых частиц, связанных друг с другом упругими силами. При этом одна и та же колебательная частота может соответствовать самым разнообразным химическим структурам и химическим свойствам. В 1937 г., когда Дайсон полагал, что открытый незадолго до этого Раман-эффект поставит его гипотезу на экспериментальную основу, были определены характеристические колебательные частоты лишь для очень небольшого числа молекул, да и экспериментальные возможности этого метода были еще весьма ограничены в связи с чрезвычайно сложной техникой исследования.
Дайсон сам не был спектроскопистом (иначе он, вероятно, не интересовался бы запахами), поэтому ему пришлось использовать самые разнообразные и весьма немногочисленные Ф н г. 29. Спектр комбинационного рассеяния (Раман-спектр) а-нитротиофена. Справа: линия натрия (6161 и 5896 з!г). Слева: значения волновых чисел для линий комбинационного рассеяния (Раман-липии). На этой фотографии представлен спектр излучения иатриевой лампы, рассеянного жидким нитротиофеном.
Помимо двух линий с длинами волн 616! и 5896 А, соответствующих излучению натриевой лампы, видны линни комбинационного рассеяния (Раман-линии) — некоторые из них едва замегиы,— представляющие частоты, которые отсутствуют в излучении источника. Их частоты отличаются от частоты возбуждающего излучения (5896 Л) линни натрия и соответствуют колебательным частотам молекул ннтротиофена. Ясно, что наблюдение линий комбинационного рассеяния с волновыми числами ниже !69 затруднено.
Спектр получен с помощью Н11йег )/4 Раман-спектрографа с натри- евой лампой в течение двухчасовой экспозиции. Это соединение быстро распадается под действием более коротковолнового излучения, и даже излучение натрия вызывает флуоресценцию, создающую сплошной фон. данные других исследователей, публикуемые в специальной литературе. На основании собранной информации Дайсон предположил, что осмическне частоты, к которым чувствителен нос, соответствуют волновым числам между !400 и 3500; так, он!ущення эфирных запахов вызывжотся колебаниями с волновымп числами около 2700.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
