Грунты Марса
У Марса довольно тонкая атмосфера, практически свободно пропускающая галактические космические лучи, и благодаря этому можно определить состав верхнего слоя марсианского вещества. Космические лучи, в основном это протоны, достигают поверхности планеты, проникают на глубину до метра и переводят ядра атомов вещества в возбуждённое состояние. Возвращаясь в основное состояние, ядра излучают гамма-кванты, энергия которых зависит от конкретного химического элемента (характеристическое излучение). Измеряя количество гамма-квантов разной энергии, можно узнать, какие химические элементы присутствуют в грунте. Конечно, нужно ещё передать эти данные на Землю.
Однако источники гамма-квантов есть не только в марсианском грунте. Космические лучи действуют и на космический аппарат, и сигнал от его материалов накладывается на сигнал от грунта. Гамма-кванты генерируются как ядрами, которые изначально есть в грунте, так и теми, которые образуются под действием космических лучей. Кроме того, хотелось бы определять состав грунта локально, например прямо под аппаратом, а получаем мы сигнал с довольно большого участка, больше самого аппарата. Для выделения нужного сигнала марсоход имеет датчики, которые замечают пролёт частицы космических лучей, прибывшей с определённого направления, и реагируют на гамма-кванты, которые приходят с того участка поверхности, куда попала эта частица, причём сразу за пролётом первичной частицы. Специалисты из Института космических исследований промоделировали работу прибора, использующего такой метод, и показали, что пространственное разрешение действительно возрастает.
В качестве «вишенки на торте» они придумали, как отличать вариации сигнала, связанные с колебаниями интенсивности космических лучей, от колебаний состава грунта по ходу движения космического аппарата.
Митрофанов И. Г., Санин А. Б., Головин Д. В., Никифоров С. Ю., Литвак М. Л., Бахтин Б. Н. Об изучении пространственной переменности состава вещества Марса в экспериментах по гамма-спектроскопии на борту мобильного аппарата с применением метода «меченых заряженных частиц». Астрономический вестник, 2022, № 5, с. 307.
Колыбель с разрядами
Игрушку из пяти шариков, подвешенных на капроновых нитях и бойко сталкивающихся друг с другом, видели, наверное, все; её часто называют «колыбель Ньютона». Кто придумал название, указано в Википедии, а нормально механизм работы разобран в книге: Бутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. «Физика в примерах и задачах».
Нобелевский лауреат Абдус Салам (получил премию за теорию электрослабого взаимодействия, вместе со Стивеном Вайнбергом и Шелдоном Глэшоу) пишет, что для него — мальчика из глухой деревни, в которой не было электричества, — «толчком» оказалось зрелище гвоздя, ползущего к магниту. К сожалению, мы не знаем, повлияла ли на какого-то будущего физика «колыбель Ньютона», но не исключено, что в детстве её увидели исследователи из Российского федерального ядерного центра и Саровского физико-технического института. А когда они стали старше, то уменьшили количество шаров с пяти до двух, зато исследовали их поведение подробнее, с применением современной экспериментальной техники, и обнаружили нечто странное — колебания с частотой затухали не монотонно! На них накладывались колебания небольшой амплитуды и в несколько раз меньшей частоты — не 1—3 Гц, а 0,2—0,03 Гц (в радиотехнике это называется модуляцией).
Потом авторы подсоединили к шарам гибкими проводниками высоковольтный генератор. В этом случае при каждом сближении шаров происходил пробой при напряжении около 9 кВ, при пробое нагревался воздух (как при молнии, только очень маленькой), нагретый воздух расширялся, толкал шары, и поэтому колебания затухали медленнее. Однако по-прежнему — не монотонно.
Иногда интересные вещи в физике удаётся делать без многокилометровых ускорителей и космических телескопов. Хотя и с другой современной техникой.
Дубинов А. Е., Голованов В. В., Любимцева В. А. Влияние искровых разрядов на множественные соударения двух стальных шаров в колыбели Ньютона. Журнал технической физики, 2022, вып. 6, с. 796.
Графен и проблема одеяла в пододеяльнике
Проблема, почему и как сползает одеяло в пододеяльнике, многим известна и пока не решена. Предполагают, что даже Эйнштейн и Хокинг интересовались ею в молодости. А вот относительно сползания нанолент и нанопластинок графена кое-что выяснено. Исследователи из Института химической физики им. Н. Н. Семёнова и Российского экономического университета им. Г. В. Плеханова построили с помощью метода молекулярной динамики модель многослойных графеновых пластинок и выяснили следующее. Если на подложку из графита или из гексагонального нитрида бора (h-BN) положить многослойную пластинку графена, то ей будет энергетически выгодно разделиться на слои, а слоям — расползтись по подложке. Правда, чтобы верхним слоям (одному или нескольким) начать сползать, им нужно преодолеть потенциальный барьер на самом краю нижнего слоя, так сказать, свеситься с него, поэтому успешность преодоления барьера растёт с ростом температуры. А дальше сползание энергетически выгодно, то есть идёт с тепловыделением.
Продольное (a) и поперечное (b) расползание пары графеновых пластинок размером 5,9 x 1,1 нм, лежащих одна на другой. Красным цветом обозначен нижний слой наноленты, серым — верхний. Изображение формируется компьютерной программой моделирования, температура 900 К, время между «кадрами» — 0,2 пс, время идёт по стрелке. Рисунок из реферируемой статьи.
Для прямоугольных пластинок графена возможны два способа сползания. При одном способе сползание идёт вдоль двух сторон, и так себя ведут длинные пластинки — ленты. При другом способе сползание происходит посредством поворота, к нему чаще прибегают квадратные пластинки. Наверное, потому, что они не могут выбрать, вдоль какой пары сторон сползать.
Савин А. В., Клинов А. П. Расслоение многослойных графеновых нанолент на плоских подложках. ФТТ, 2022, вып. 10, с. 1592.
