"КИНОДИВА" Кино, сериалы и мультфильмы. Всё обо всём!

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.



Стекло, стекло...

Сообщений 41 страница 60 из 80

1

Стекло, стекло...

http://sf.uploads.ru/t/HJQCa.jpg
римская диатрета

Невозможно представить жизнь современного человека без стеклянной посуды, стеклянных окон и зеркал, фотоаппаратов, телекамер, микроскопов, телескопов, световолоконных линий связи и многих других оптических систем и приборов.

Здесь речь  пойдёт о том, как человечество создавало
великое чудо, которое мы называем стеклом. http://sf.uploads.ru/t/pmY1d.gif

+1

41

Г Л А З   Ч Е Л О В Е Ч Е С Т В А

СИГНАЛЫ АТОМОВ

В продолжение почти двух тысяч лет ученые считали, что все цвета образуются смешением света с тьмой. В синем цвете, например, много тьмы, и она чуть-чуть разбавлена светом, в желтом, наоборот, много света, а тьмы мало. По этой теории выходило, что основные цвета — белый и черный; остальные — их сочетания. Все в это верили. Но никому не удавалось это проверить — разложить какой-нибудь цвет на белый и черный, на тьму и свет.

Первым человеком, кто проверил — и вместе с тем опроверг — эту теорию, был великий математик и физик Исаак Ньютон.
В 1666 году, когда ему было двадцать четыре года, он занялся исследованием солнечного света. Ньютон закрывал окно в комнате плотным ставнем, так что делалось совсем темно. Однако в ставне Ньютон просверлил маленькое отверстие, через которое проникал очень узкий пучок света и отпечатывался на белой стене маленьким круглым пятнышком — зайчиком. Недалеко от окна Ньютон поставил стеклянную призму ребром вниз. Она пришлась как раз на пути солнечного луча. Прежде чем луч достигал стены, ему нужно было пройти сквозь призму. Для чего же поставил Ньютон призму?

Мы уже знаем, что призма преломляет лучи света, заставляет их изменить свой первоначальный путь. Но, оказывается, у призмы есть еще и другое свойство: разные по цвету лучи она преломляет по-разному. Если световой пучок однороден по цвету, то он таким же и выйдет из другой стороны призмы, только изменит свое направление. Но если в призму войдет пучок, состоящий из смеси лучей разных цветов — фиолетового, красного, зеленого, — то, выйдя из призмы, лучи пойдут уже не вместе, а каждый своей дорогой: фиолетовый свернет круто в сторону, красный отклонится от своего прежнего направления меньше всех, а зеленый пройдет между ними. Стекло рассортирует все эти лучи, которые прежде были смешаны вместе.

Для этого и закрыл Ньютон ставень своей комнаты, оставив в нем только маленькую щелочку: он решил процедить через призму белый солнечный свет, тот самый свет, который все считали основным и не разложимым ни на какие другие цвета. И вот что он увидел.

Из призмы вышел целый сноп разноцветных лучей, и, вместо круглого белого солнечного зайчика, на стене оказалась радужная полоска — спектр. Так Ньютон сделал большое открытие: доказал, что принятое всеми объяснение цветов не верно.
Белый цвет, который считался основным, на самом деле оказался смесью целых семи цветов. Наш глаз не улавливает составных элементов белого света, воспринимает их слитно, подобно тому как немузыкальное ухо не различит в звучании оркестра отдельных инструментов — скрипки, виолончели, флейты и других, — ему покажется, что играет всего-навсего один мощный и очень звучный инструмент.

Солнце — это как бы огромной силы световой оркестр. Человеческий глаз не слишком тонко разбирается в его игре. Солнечный свет кажется глазу одноцветным, ослепительно белым. Стеклянная призма уличает глаз в ошибке.
Ньютон не пытался узнать, дает ли свет других раскаленных тел радугу — спектр, и если дает, то ту же ли, что солнце, или иную. Этим вопросом двести лет спустя после опытов Ньютона занялся Роберт Бунзен, профессор химии в Гейдельберге.
Он изобрел лабораторную горелку, которая давала очень жаркое пламя. В ее огонь Бунзен погружал кусочки угля, соли и разных других веществ так, что они вспыхивали. Вспыхивали и давали пламя даже металлы. Самым интересным было то, что пламя каждого вещества имело свой особый цвет.

Так, например, натрий всегда давал желтое пламя, калий — фиолетовое, литий — красное, медь — зеленое. Бунзен уже решил, что он открыл новый, быстрый и простой способ анализа. Стоит только внести в огонь горелки исследуемое вещество и посмотреть, в какой цвет окрасится пламя. Если пламя станет фиолетового цвета, это значит — в веществе содержится калий; если пламя пожелтеет, — значит, в него попал натрий. Для того чтобы определить это обычным химическим анализом, нужно два или три дня работы, нужны всякие химические реактивы, перегонные кубы, трубки, пипетки, колбочки, очень точные весы. Исследуемое вещество нужно кипятить, кропотливо процеживать, прокаливать, много раз взвешивать. А горелка даст тот же ответ в несколько секунд, — стоит лишь посмотреть на ее пламя.

Но это был слишком поспешный вывод: оказалось, что разные вещества, сгорая, дают очень часто пламя одного и того же цвета. Однажды Бунзен с огорчением записал в своем лабораторном журнале, что и соли лития и соли стронция дали пламя одинакового малиново-красного цвета. В желтый цвет окрашивали пламя и чистая соль натрия, и с примесью соли лития, и с примесью соли калия.

Может быть, пламя получалось каждый раз чуть иного оттенка, даже наверное так и было, но различие это, очевидно, настолько тонко, что человеческий глаз его совсем не может заметить. Пробовал Бунзен посмотреть на пламя через цветное стекло, но и это не помогло. Бунзен уже решил, что газовой горелке не удастся заменить химический анализ.

К счастью, Бунзену на помощь пришел Густав Кирхгоф, профессор физики в том же Гейдельберге. Он хорошо знал свойство стеклянной призмы разлагать падающий на нее свет. Может быть, подумал Кирхгоф, призма покажет, что пламя различных веществ дает отличающиеся друг от друга спектры. Кирхгоф смастерил особый прибор — спектроскоп. В коробку из-под сигар он вставил призму так, что она могла вращаться на оси. В боковую стенку коробки он вставил короткую трубку с выпуклым стеклом на одном конце, а другой ее конец прикрыл кружочком черной бумаги с отверстием посередине. Такой прибор Кирхгоф принес в лабораторию Бунзена. Луч горелки поймали на призму спектроскопа. В пламя стали вносить кусочки стронция, лития, калия, меди. И вот оказалось, что пламя каждого из этих веществ имеет свой особый, отличающийся от остальных спектр из нескольких отдельных полосок различных цветов. Фиолетовое пламя калия дало три линии: две красных и одну фиолетовую. Спектр натрия состоял только из одной желтой линии. Спектроскоп сразу уловил различие между пламенем лития и стронция. Пламя у того и другого на вид одинаковое — малиново-красное. А спектры разные: у лития одна красная линия, очень яркая, и одна оранжевая, тусклая. А у стронция одна голубая линия, одна желтая, одна оранжевая и две красных. Оказывается, почти каждое вещество — своеобразный световой оркестр. Некоторые состоят из двух, трех, а иные даже из семи и больше инструментов.

По спектру можно точно отличить одно вещество от другого. Как каждая радиостанция имеет свои «позывные» сигналы, так и каждое вещество, каждый его атом имеет свою, характерную для него радугу, свой «сигнал».

Так, благодаря маленькому кусочку стекла, отлитому в форме призмы, был создан спектральный анализ. Он оказался необычайно точным и чувствительным способом исследования. Никаким иным анализом невозможно уловить, например, примесь одной десятимиллионной части миллиграмма натрия. Но стоит только раскалить исследуемое вещество, и если в нем имеется натрий даже в такой ничтожной доле, в спектроскопе мы сразу увидим световой «сигнал» натрия — желтую полоску. Однажды Бунзен нашел в скале вещество с небольшой примесью лития. На этой скале рос куст, и Бунзен подумал, что в листья куста должно было попасть немного лития, высосанного корнями из скалы вместе с питательными соками. Несколько листочков Бунзен сжег в своей горелке, и спектроскоп сейчас же подтвердил, что литий в них действительно есть. Тогда Бунзен дал охапку этих листьев корове. Корову подоили, и в ее молоке спектроскоп тоже обнаружил литий. Кружку молока дали выпить хозяину коровы. Какие-то ничтожные следы лития должны были попасть в его кровь. Бунзен был уверен: теперь-то лития уже не удастся найти, след его потерян. Каково же было его удивление, когда в капле крови спектроскоп нашел опять хорошо знакомую, яркую красную линию и рядом с ней оранжевую — тусклую. Это был тот же литий...

Спектроскоп в наше время нужен и физику, и химику, и врачу, и инженеру.

Врачи не сжигают в пламени горелки кусочки исследуемого вещества, — вместо этого они его смешивают с водой в плоской ванночке. Если через такой раствор пропустить солнечный спектр, то в некоторых его местах появятся темные полоски. По виду и по расположению этих полосок можно судить, какое вещество взято.

Кровь здорового человека дает две темные полосы в желтой части солнечного спектра. Если же в кровь попал угарный газ, то эти полосы сдвинутся в сторону фиолетовой части; кроме того, одна из них немного сузится. Если человек отравился не угарным газом, а, скажем, анилином, то его кровь покажет уже три темных полосы; из них самая широкая будет на зеленой части спектра.
Инженеру-металлургу спектроскоп помогает определять чистоту металлов и состав сплавов. Но всего больше нужен спектроскоп астрономам.

Лет сто назад один французский философ утверждал, что человечество может достичь любых успехов, только одной вещи оно не узнает никогда: навеки останется неизвестным, из чего состоят солнце и звезды. Здесь граница, предел человеческих знаний, за который не переступить.

В те времена это действительно казалось совершенно невозможным: нельзя же от звезды отщипнуть кусочек и отправить его на анализ в лабораторию. Но маленькая стеклянная призма опровергла все рассуждения философа. То, что казалось невозможным, осуществилось: по цветным полоскам, на которые распадаются лучи звезд, прошедшие через призму, мы узнали, из каких веществ состоят звезды. Так стекло породило новую науку — небесную химию.
Разве это не удивительно, — некоторые вещества мы нашли сначала на солнце, которое отстоит от нас на расстоянии ста пятидесяти миллионов километров, а потом уже у себя, на земле!

В 1868 году француз Жансен и англичанин Локайер, изучая спектр солнечных протуберанцев, нашли в нем загадочную желтую линию. Это не был натрий: линия лежала близко, но не совсем в том месте спектра. Ни одно из веществ, известных химикам, не могло дать такой линии. Локайер решил назвать это новое вещество гелием, что значит по-гречески «солнце».
Прошло двадцать семь лет, и это же самое вещество химики открыли на земле. Это похоже на то, как если бы мы в музыке какой-то отдаленной радиостанции различили звук незнакомого нам инструмента и придумали для него особое название, а потом, через много лет, заметили вдруг, что такой точно инструмент стоит у нас же в комнате.

0

42

Г Л А З   Ч Е Л О В Е Ч Е С Т В А

ТЕЛЕСКОП ГАЛИЛЕЯ И ЕГО ПОТОМКИ

В 1609 году итальянский ученый Галилей, вставив в старую, никому не нужную органную трубу две линзы, превратил ее тем самым в подзорную трубу.
Она приближала предметы всего только в три раза. Но и такой слабенький прибор был для того времени поразительным. Многие знатные жители Падуи взбирались вместе с Галилеем на высокую башню, чтобы посмотреть оттуда на плывущие в море корабли: в трубу корабли были видны за два часа до их прихода в гавань. Эта подзорная труба (ее можно назвать и телескопом) по своему устройству напоминала микроскоп: в нее тоже спереди был вставлен стеклянный хрусталик, а сзади — увеличительное стекло.
Но, в отличие от микроскопа, стеклянный хрусталик в ней не давал увеличенного изображения; для того чтобы хрусталик увеличивал, надо поднести предмет очень близко к нему. А через трубу смотрели не на близкие, а на далекие предметы. Увеличивало изображение только второе стекло. Поэтому увеличение и было незначительным.
Стеклянный хрусталик в телескопе дает маленькое изображение предмета. Но зато он может давать очень четкое, яркое изображение, тем более яркое, чем больше хрусталик. Ведь стеклянный хрусталик «собирает лучи, он служит как бы световой воронкой. Чем он больше, тем больше света он захватывает. Хрусталик в человеческом глазу — не больше боба. А стеклянный хрусталик можно, конечно, сделать гораздо большим.
Так Галилей и поступил. Он сделал вскоре новый телескоп с увеличением уже в тридцать раз и с линзой, во много раз большей, чем хрусталик у человека. Световая воронка этого телескопа собирала света в сто раз больше, чем хрусталик человеческого глаза.

потрясенный Галилей

Седьмого января 1610 года Галилей направил свой телескоп на небо и застыл пораженный: такую необычайную картину он увидел. Самый зоркий человек видит на небе не больше трех тысяч звезд. Галилей же увидел в свой телескоп много тысяч таких звезд, которых до него не видел никто: телескоп усилил яркость слабых звезд и сделал их видимыми. Луна представлялась простому глазу диском. А в телескоп ясно было видно, что Луна ие диск, а шар, — одна половина ее в тени. Люди давно уже заметили на Луне какие-то пятна. Но что это за пятна, никто не мог сказать. Одним казалось, что на Луне нарисовано человеческое лицо, другим мерещился заяц или еще какое-нибудь животное. Галилей же различил через телескоп горы на Луне, равнины, большие углубления, как бы моря. По величине теней от лунных гор он сумел даже вычислить их высоту.
Планета Юпитер кажется невооруженному глазу точкой. А если глядеть в телескоп, то видно, что на самом деле Юпитер — блестящий шарик. Оказалось, что не только Земля имеет спутника. Недалеко от Юпитера Галилей заметил еще четыре маленьких светлых шарика. Это были спутники, или луны, Юпитера.
Направив трубу на Млечный Путь, Галилей ясно увидел, что это скопление бесчисленного множества звезд. Теперь уже никак нельзя было говорить, что Млечный Путь — это скопление земных испарений, зажженных в небесах. Это был целый переворот в науке о вселенной.
Еще за сто лет до Галилея Коперник доказывал, что Земля и остальные планеты вращаются вокруг Солнца. Но тогда только немногие были убеждены доводами Коперника. Теперь же стало ясно, что Коперник совершенно прав. Два стекла, вставленные в трубку, показали воочию, что Земля совсем не является центром вселенной. Тем самым они подрывали основу христианской веры.
Галилея схватила инквизиция, его чуть не сожгли на костре. Он спасся только тем, что всенародно отрекся от своей «ереси»...
После Галилея стали строить телескопы с еще большими линзами. Однако здесь, как и в микроскопе, первое время сильно мешали цветные полосы. Только после того, как научились варить оптическое стекло, стало возможным строить большие телескопы.
Телескопы, по своему устройству сходные с галилеевскими, то есть собирающие свет линзой, называются рефракторами. Чем больше линза-рефрактор, тем больше увеличение, которое дает телескоп. Самые большие линзы в современных рефракторных телескопах имеют диаметр около одного метра.

Делать большие линзы необычайно трудно. Ведь линза должна быть идеально прозрачной, а главное — нельзя допустить, чтобы в ней содержались даже самые мелкие пузырьки воздуха или свили. Если это случится, лучи звезды не соберутся в одну точку и ее ясно не увидишь. Еще труднее правильно отшлифовать и отполировать такую линзу. Это целое искусство, мало кому доступное. Это как бы высший, самый строгий экзамен для стекольщиков.
Мастеров, умевших полировать такие стекла, было так мало, что их можно было перечислить по именам. Таким был, например, Шорт. Он жил двести лет назад. Это был замечательный мастер, настоящий художник своего дела. Никто не мог сравниться с ним. Изумительным мастером был и Альвино Кларк, живший восемьдесят лет назад. Он делал стекла для обсерваторий всего мира. Почти все такие мастера были самоучками, почти все они попадали в кабалу к крупным оптическим фирмам и жили очень бедно. Но они не бросали своего дела, потому что любили его.
Эти мастера не образуют одной династии подобно Гинану и его потомкам: секрет легко передать по наследству, а талант завещать нельзя. Их можно сравнить, скорее всего, с великими шахматистами. Они также достигали успеха своим невероятным упорством, напряжением всех сил. Но шахматный чемпион сыграет тысячи партий, а стекольщик отполирует за всю свою жизнь всего несколько больших стекол, которые долго после его смерти будут безупречно работать в телескопах разных стран, служить молчаливым стеклянным памятником огромного труда.
Одному из таких знаменитых мастеров — англичанину Греббу — и были заказаны русскими учеными в 1912 году стекла для нового телескопа Пулковской обсерватории.
Прошло десять, прошло пятнадцать лет, а стекла всё еще не были готовы. В 1930 году старый мастер умер. И встал вопрос: кому же теперь передать заказ?
Тогда обсерватория обратилась к знаменитой германской оптической фирме Цейсс. Цейсс готов был взяться за дело: у него уже был припасен подходящий кусок стекла. За шлифовку и полировку Цейсс потребовал сто тысяч марок золотом. И поставил еще одно непременное условие: срок не указывается. Он постарается выполнить работу в два с половиной года. Но если не выйдет, то не выйдет. Может быть, придется ждать пять лет, а может быть — и десять. Что было делать? Согласиться?
Тогда-то наш оптический институт и предложил: прежде чем соглашаться на условия Цейсса, надо попробовать сделать рефрактор самим. Неужели у нас не найдется своих мастеров, которые смогли бы сварить, отформовать, отшлифовать и отполировать стекло для рефрактора?

своё производство

К этому времени у нас уже было свое, хорошо поставленное производство оптического стекла и свои крупные специалисты в области шлифовки, полировки и изготовления точной оптики. За изготовление заготовок дисков для рефракторов из лучшего, самого однородного и чистого стекла диаметром в 30 дюймов (75 сантиметров) взялись сразу два завода оптического стекла. Чтобы стеклянные диски для рефракторов были самого лучшего качества, пришлось разрешить немало трудных задач. Обычно оптическое стекло остывает в том же горшке, в котором и варится. При остывании стекло в горшке растрескивается на сравнительно мелкие куски, из которых и делают оптические детали. Для того, чтобы получить такой большой кусок стекла, какой был нужен для рефрактора, надо было остудить стекло в горшке другим способом.
В эти дни на заводе собралось много ученых и инженеров — лучших специалистов в области оптического стекловарения. За стеклом неотступно следили. Остуживание горшков со стеклом велось по особому, специально разработанному режиму. Расчеты инженеров и ученых оправдались. Несколько огромных кусков стекла было получено. Но хотя количество стекла по весу в этих кусках было достаточным, форма их была такой, что диски нужных размеров из них еще не выходили. Тогда эти куски были уложены в плоские круглые формы из огнеупорной глины такого же диаметра, что и диск рефрактора. Формы намазали особым составом, чтобы стекло не прилипало к их стенкам и не могло растрескаться при остывании. Формы со стеклом поставили в печи и начали их разогревать. Стекло постепенно растекалось и заполняло формы. Тогда нагревание прекратили и диски начали студить. Но сказать, что они получились удачно, было еще нельзя: пока стекло горячее, определить его качество невозможно.
Надо было ждать, пока диск остынет. Для этого пришлось запастись терпением, так как при быстром охлаждении в стекле могли возникнуть «натяжения». Что же такое эти «натяжения»? Почему они могут получаться в стекле?

Все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Этот закон знают все. Стекло также при остывании сжимается, то есть объем его уменьшается. При быстром охлаждении может случиться так, что наружный слой остынет и сожмется раньше, чем внутренний, который благодаря этому не позволит сжаться наружному слою до наименьшего объема. Когда же внутренний слой также остынет и будет иметь окончательный объем, то он будет как бы стягивать на себя наружный слой, в стекле появятся «натяжения».

Иногда при быстром или неравномерном остывании натяжения могут оказаться настолько сильными, что стекло может растрескаться. Довольно часто и случается так, что какая-нибудь стеклянная банка или бутылка трескается сама собой. Но и тогда, когда трещин не образуется, натяжения в стекле получаются настолько значительные, что стекло, каким бы оно ни было хорошим, начинает неправильно преломлять лучи света. Например, если бы в астрономическом диске оказались натяжения, то его уже нельзя было бы поставить в телескоп, так как отдельные его части стали бы преломлять лучи не одинаково и телескоп работал бы не точно, а это совершенно недопустимо. Для того чтобы натяжений в стекле не получалось, все изделия из стекла надо охлаждать очень равномерно и медленно. И чем крупнее изделие, тем медленнее и осторожнее надо его охлаждать.
Стеклянные диски для телескопа остывали несколько месяцев: каждый день на два-три градуса. Наконец диски остыли. С огромным волнением открыли печи инженеры и рабочие, — ведь столько труда было затрачено на их изготовление. И труды не пропали даром. Несколько дисков удались прекрасно.

Теперь надо было найти людей, которые смогли бы из этих дисков сделать линзы-рефракторы. И такой человек нашелся. Это был советский ученый-физик Д. Д. Максутов — человек, который посвятил всю свою жизнь постройке телескопов. Еще мальчиком он начал делать маленькие телескопы для школ, а затем — зеркала и линзы для самых точных оптических приборов. Сначала диск шлифовали несколько месяцев, сняли с него всё лишнее стекло и придали ему нужную форму линзы.
Теперь надо было отполировать поверхность линзы, снять совсем тонкий слой стекла. И вот на это времени ушло еще больше, — ведь требовалась очень большая точность. Наконец и полировка была закончена.
Специальная комиссия устроила самое строгое испытание нашим отечественным рефракторам. Их сравнивали с подобными же стеклами Цейсса. И они оказались ничуть не хуже и даже лучше цейссовских.
Так наша молодая оптическая промышленность блестяще справилась с труднейшей задачей в той области, в которой иностранные фирмы считали себя непревзойденными.

Отечественный рефракторный телескоп был целиком изготовлен на советских заводах и установлен в Пулковской обсерватории под Ленинградом, где и работал отлично до тех пор, пока обсерватория не была варварски разрушена немецкими фашистами во время Великой Отечественной войны. Такие же отечественные телескопы были установлены в других обсерваториях Советского Союза. Страна, которая может строить телескопы, может строить и любые, самые сложные оптические приборы, в том числе и те, которые нужны для войны. И действительно, наша армия теперь обеспечена полностью «оптическим вооружением» — и биноклями, и стереотрубами, и фотоаппаратами, и оптическими прицелами.

Современный линзовый телескоп — это большое, сложное сооружение, состоящее из множества различных частей и механизмов. Длина трубы линзового телескопа с поперечником рефрактора в 1000 сантиметров должна быть около 20 метров. Нужны сложные механизмы, чтобы направлять трубу на любой участок неба и чтобы труба автоматически поворачивалась за перемещающейся планетой или звездой. Это действительно великолепный «глаз» человечества, созданный стеклоделами и учеными.
Телескоп, устроенный по образцу галилеевского, достиг своего предела. В продолжение трехсот лет он развивался, совершенствовался, рос. Но дальше расти он уже не может.
За эти триста лет он, правда, породил целую семью оптических приборов, сходных с ним по своему устройству. Членами этой семьи являются бинокли — театральный и военный, — подзорная труба, стереоскопическая труба, телескопический прицел винтовки и артиллерийская панорама.

В одно и то же время и подзорная труба, и перископ, и прицельный прибор...
Да, старый галилеевский телескоп может гордиться своими многочисленными потомками. Все они развиваются и совершенствуются, все приносят пользу и в мирное и в военное время.
А как же сам телескоп? Неужели его уже нельзя усовершенствовать?

0

43

Г Л А З   Ч Е Л О В Е Ч Е С Т В А

ТЕЛЕСКОП-ГИГАНТ

Собрать пучок лучей в точку может не только линза, но и вогнутое зеркало. Так почему бы не построить в таком случае зеркальный телескоп, основанный не на преломлении, а на отражении света?
Первый зеркальный телескоп построил в 1668 году Исаак Ньютон. Это был совсем маленький инструмент, — его вогнутое зеркало было меньше спичечного коробка. Всё же в этот телескоп были отчетливо видны очень далекие от нас спутники Юпитера. Зеркальные телескопы назвали рефлекторными: слово «рефлектор» означает: «отражатель».
Чем больше «световая воронка» телескопа, тем больше света в него попадает и тем телескоп сильнее. В телескопе-рефлекторе «световой воронкой» служит вогнутое зеркало. Понятно, что строители телескопов старались сделать зеркало как можно больших размеров.
Астроном Гершель построил полтораста лет назад исполинский по тем временам телескоп: поперечник его зеркала был больше метра. Зеркало было сделано не из стекла, а из сплава меди и олова. Медь, как известно, сильно расширяется от тепла. Стоило притронуться к зеркалу пальцем — и оно под влиянием теплоты уже меняло свою форму. Конечно, такое ничтожное изменение формы не было заметно. Но его было достаточно для того, чтобы световые лучи отклонились в сторону и изображение в телескопе стало неясным, так что сам же Гершель предпочитал наблюдать небо не через этот большой телескоп, а через другие, меньшие.
Стеклянное зеркало было бы несравненно лучше металлического. Но делать совершенно чистое, однородное стекло тогда еще не умели. После того как научились варить оптическое стекло, стали строить телескопы со стеклянными зеркалами.
Зеркальные телескопы имеют даже некоторые преимущества перед линзовыми. В линзовых телескопах на краях изображения появляются радужные полосы благодаря тому, что при преломлении белый свет разделяется на составляющие его отдельные цветные лучи. Устранение этих радужных полос требует значительного усложнения конструкции телескопа. В рефлекторных телескопах цветных полос не возникает, потому что свет в них не преломляется, а только отражается. Требования к качеству стекла для зеркала значительно слабее, чем к стеклу для линзы, так как в зеркале работает только поверхность стекла, на которую наносится отражающий слой серебра или алюминия.
Желая проникнуть всё дальше в глубины вселенной, астрономы всё время стремились строить телескопы со всё большими размерами зеркал. Самый большой телескоп-рефлектор был построен в Америке. Поперечник его зеркала — 5 метров. Изготовить такое огромное зеркало оказалось не менее сложно, чем самый большой линзовый рефрактор.
Прежде всего нужно было каким-то способом уменьшить вес зеркала, — ведь стеклянный диск такой величины должен весить сорок тонн. Он стал бы прогибаться от собственной тяжести. Как бы ничтожно мал ни был прогиб, всё равно форма зеркала исказится и изображение сразу станет неясным.
Чтобы избежать этого, решили отлить диск не сплошным, а в виде тонкой пластины с ребрами на задней стороне. Это облегчило вес зеркала ровно вполовину. Надо было также принять меры к тому, чтобы зеркало не меняло своей формы от колебаний температуры. Для этого его отлили из такого сорта оптического стекла, которое почти не расширяется при нагревании. Отлить такой огромный диск из стекла было очень трудно. Рабочие целый день черпали стекло из печи большими ковшами и переливали его в форму, а потом отлитый диск остывал целый год.
Шлифовку и полировку стекла решили произвести в городе Пасадена в Калифорнии. Для этого потребовалось перевезти диск через всю Америку. Но как провезти такой огромный кусок стекла по железной дороге? Если его поставить на ребро, — он заденет арки мостов, под которыми будет проходить поезд. А если положить,— его край высунется далеко из вагона и будет мешать встречным поездам.
Пришлось построить для этого куска стекла специальный вагон-платформу с низко опущенным полом. Диск положили в круглую стальную коробку на толстый слой пробки и войлока. Коробку поставили на ребро. И поезд тронулся.
Это был особый поезд в составе трех вагонов. Его пассажиром был самый большой в мире кусок стекла. Впереди шел поезд с технической инспекцией, которая проверяла, в полном ли порядке путь, не тряхнет ли где-нибудь хрупкого пассажира. Весь караван передвигался очень медленно и только днем.
Несколько лет ушло на шлифовку и полировку зеркала. Ведь требовалась точность до одной десятитысячной миллиметра. А что такое десятитысячная миллиметра? Паутинная ниточка в пятьдесят раз толще.
Наконец кончили и полировку. Теперь огромное вогнутое стекло, похожее на блюдце, надо было превратить в зеркало: нанести на его отполированную сторону слой алюминия. Это сделали в особой камере, из которой выкачали воздух, как из электрической лампочки. Алюминиевый слой получился ровным и тонким: «толщиной» всего в несколько молекул.
Наконец зеркало было готово и установлено в гигантском телескопе, построенном на горе Паломар, в 75 километрах от города Сан-Диего. Зеркальный рефлектор укреплен на дне трубы высотой с пятиэтажный дом. Астроном-наблюдатель помещается в кабине у верхушки трубы. Гигантский рефлектор собирает света в миллион раз больше, чем хрусталик человеческого глаза. Значит, такой телескоп показывает звезды, в миллион раз более слабые, чем те, которые можно увидеть невооруженным глазом.
У зеркальных телескопов, так же как и у линзовых, есть свои недостатки. Прежде всего, если поверхность зеркала сделать просто шаровой, то изображение будет получаться расплывчатым. Для того, чтобы изображение было отчетливым, поверхность зеркала должна быть не шаровой, а более сложной — параболической.
Изготовление таких поверхностей значительно более сложно, чем шаровых. А точность поверхностей зеркала должна быть много больше, чем линзы-рефрактора. Очень важно и то, что зеркала более чувствительны к прогибам, чем линзы. Ничтожный прогиб зеркала сразу делает изображение нечетким.
Борьба между линзами и зеркалами велась с тех пор, как были изобретены зеркальные телескопы. Спор между астрономами о том, какие телескопы лучше, продолжался бы и сейчас, если бы не были найдены пути их примирения.

0

44

Г Л А З   Ч Е Л О В Е Ч Е С Т В А

ТЕЛЕСКОП-ГИГАНТ

Собрать пучок лучей в точку может не только линза, но и вогнутое зеркало. Так почему бы не построить в таком случае зеркальный телескоп, основанный не на преломлении, а на отражении света?
Первый зеркальный телескоп построил в 1668 году Исаак Ньютон. Это был совсем маленький инструмент, — его вогнутое зеркало было меньше спичечного коробка. Всё же в этот телескоп были отчетливо видны очень далекие от нас спутники Юпитера. Зеркальные телескопы назвали рефлекторными: слово «рефлектор» означает: «отражатель».
Чем больше «световая воронка» телескопа, тем больше света в него попадает и тем телескоп сильнее. В телескопе-рефлекторе «световой воронкой» служит вогнутое зеркало. Понятно, что строители телескопов старались сделать зеркало как можно больших размеров.

Гершель

Астроном Гершель построил полтораста лет назад исполинский по тем временам телескоп: поперечник его зеркала был больше метра. Зеркало было сделано не из стекла, а из сплава меди и олова. Медь, как известно, сильно расширяется от тепла. Стоило притронуться к зеркалу пальцем — и оно под влиянием теплоты уже меняло свою форму. Конечно, такое ничтожное изменение формы не было заметно. Но его было достаточно для того, чтобы световые лучи отклонились в сторону и изображение в телескопе стало неясным, так что сам же Гершель предпочитал наблюдать небо не через этот большой телескоп, а через другие, меньшие.
Стеклянное зеркало было бы несравненно лучше металлического. Но делать совершенно чистое, однородное стекло тогда еще не умели. После того как научились варить оптическое стекло, стали строить телескопы со стеклянными зеркалами.
Зеркальные телескопы имеют даже некоторые преимущества перед линзовыми. В линзовых телескопах на краях изображения появляются радужные полосы благодаря тому, что при преломлении белый свет разделяется на составляющие его отдельные цветные лучи. Устранение этих радужных полос требует значительного усложнения конструкции телескопа. В рефлекторных телескопах цветных полос не возникает, потому что свет в них не преломляется, а только отражается. Требования к качеству стекла для зеркала значительно слабее, чем к стеклу для линзы, так как в зеркале работает только поверхность стекла, на которую наносится отражающий слой серебра или алюминия.

Желая проникнуть всё дальше в глубины вселенной, астрономы всё время стремились строить телескопы со всё большими размерами зеркал. Самый большой телескоп-рефлектор был построен в Америке. Поперечник его зеркала — 5 метров. Изготовить такое огромное зеркало оказалось не менее сложно, чем самый большой линзовый рефрактор.

Прежде всего нужно было каким-то способом уменьшить вес зеркала, — ведь стеклянный диск такой величины должен весить сорок тонн. Он стал бы прогибаться от собственной тяжести. Как бы ничтожно мал ни был прогиб, всё равно форма зеркала исказится и изображение сразу станет неясным.

Чтобы избежать этого, решили отлить диск не сплошным, а в виде тонкой пластины с ребрами на задней стороне. Это облегчило вес зеркала ровно вполовину. Надо было также принять меры к тому, чтобы зеркало не меняло своей формы от колебаний температуры. Для этого его отлили из такого сорта оптического стекла, которое почти не расширяется при нагревании. Отлить такой огромный диск из стекла было очень трудно. Рабочие целый день черпали стекло из печи большими ковшами и переливали его в форму, а потом отлитый диск остывал целый год.

Шлифовку и полировку стекла решили произвести в городе Пасадена в Калифорнии. Для этого потребовалось перевезти диск через всю Америку. Но как провезти такой огромный кусок стекла по железной дороге? Если его поставить на ребро, — он заденет арки мостов, под которыми будет проходить поезд. А если положить,— его край высунется далеко из вагона и будет мешать встречным поездам.

Пришлось построить для этого куска стекла специальный вагон-платформу с низко опущенным полом. Диск положили в круглую стальную коробку на толстый слой пробки и войлока. Коробку поставили на ребро. И поезд тронулся.
Это был особый поезд в составе трех вагонов. Его пассажиром был самый большой в мире кусок стекла. Впереди шел поезд с технической инспекцией, которая проверяла, в полном ли порядке путь, не тряхнет ли где-нибудь хрупкого пассажира. Весь караван передвигался очень медленно и только днем.

Несколько лет ушло на шлифовку и полировку зеркала. Ведь требовалась точность до одной десятитысячной миллиметра. А что такое десятитысячная миллиметра? Паутинная ниточка в пятьдесят раз толще.

Наконец кончили и полировку. Теперь огромное вогнутое стекло, похожее на блюдце, надо было превратить в зеркало: нанести на его отполированную сторону слой алюминия. Это сделали в особой камере, из которой выкачали воздух, как из электрической лампочки. Алюминиевый слой получился ровным и тонким: «толщиной» всего в несколько молекул.

Наконец зеркало было готово и установлено в гигантском телескопе, построенном на горе Паломар, в 75 километрах от города Сан-Диего. Зеркальный рефлектор укреплен на дне трубы высотой с пятиэтажный дом. Астроном-наблюдатель помещается в кабине у верхушки трубы. Гигантский рефлектор собирает света в миллион раз больше, чем хрусталик человеческого глаза. Значит, такой телескоп показывает звезды, в миллион раз более слабые, чем те, которые можно увидеть невооруженным глазом.
У зеркальных телескопов, так же как и у линзовых, есть свои недостатки. Прежде всего, если поверхность зеркала сделать просто шаровой, то изображение будет получаться расплывчатым. Для того, чтобы изображение было отчетливым, поверхность зеркала должна быть не шаровой, а более сложной — параболической.

Изготовление таких поверхностей значительно более сложно, чем шаровых. А точность поверхностей зеркала должна быть много больше, чем линзы-рефрактора. Очень важно и то, что зеркала более чувствительны к прогибам, чем линзы. Ничтожный прогиб зеркала сразу делает изображение нечетким.

Борьба между линзами и зеркалами велась с тех пор, как были изобретены зеркальные телескопы. Спор между астрономами о том, какие телескопы лучше, продолжался бы и сейчас, если бы не были найдены пути их примирения.

0

45

Для особенно любознательных: М. М. Шульц О природе стекла

Михаил Михайлович Шульц, академик, директор Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова АН СССР, профессор Ленинградского государственного университета им. А. А. Жданова. Основные научные результаты относятся к химии и электрохимии стекла; термодинамике гетерогенных систем, силикатов и тугоплавких оксидов; теории ионного обмена; изучению твердых растворов. Соавтор ряда книг, в том числе научно-популярных, например: Стекло: природа и строение (совместно с О. В. Мазуриным и Е. А. Порай-Кошицем). Л., 1985. Председатель Научного совета АН СССР по химической термодинамике и термохимии. Лауреат Государственной премии СССР (1973).

Стекло издавна в обиходе, но материал этот не устаревает, а наоборот, находит все новые и новые применения, да и производится во все больших количествах. Пользу и достоинства стекла трудно переоценить: широко известны не только практические его качества, но и изумительные его свойства для изготовления художественных изделий. Возможно, именно эта особенность стекла в первую очередь привлекла внимание нашего великого соотечественника — талантливого ученого, вдохновенного поэта, одаренного художника — М. В. Ломоносова. И в год юбилея как нельзя более кстати напомнить его яркие слова из «Письма о пользе стекла», адресованного куратору Московского университета И. И. Шувалову:

                      Неправо о вещах те думают, Шувалов,
                      Которые стекло чтут ниже Минералов,
                      Приманчивым лучом блистающих в глаза:
                      Не меньше польза в нем, не меньше в нем краса.
                      Пою перед Тобой в восторге похвалу
                      Не камням дорогим, не злату, но Стеклу.

Но Ломоносов не только восторгается стеклом, но и работает с ним:

                      Далече до конца Стеклу достойных хвал,
                      На кои целой год едва бы мне достал.
                      Затем уже слова похвальны оставляю
                      И что об нем писал, то делом начинаю...

Основав еще в 1748 г. химическую лабораторию, он среди прочих химических опытов немало сил уделял поиску рецептур цветных стекол. Его упорный труд увенчался успехом — удалось получить материал для первых мозаичных картин. И в этом деле великий ученый не отходил от столь характерного для него научного метода: «Прилагаю я возможное старание, чтобы стекла разных цветов делать, которые бы к упомянутым художествам годны были, и в том имею нарочитые прогрессы. При всех практических опытах записываю и те обстоятельства, которые надлежат до химической теории».

Изготовление стекла — не эпизод в разнообразной деятельности Ломоносова, а серьезное увлечение, которому он отдавал свой талант и личное время в течение многих лет до самой кончины. Вот как он сам пишет об этом своем занятии: «Сделал больше четырех тысяч опытов, коих не токмо рецепты сочинял, но и материалы своими руками по большей части развешивал и в печь ставил, несмотря на бывшую тогда жестокую ножную болезнь».

За лабораторными опытами последовала и организация серийного производства. В конце ноября — начале декабря 1752 г. Ломоносов обратился в Сенат с предложением о строительстве фабрики цветного стекла. После того как Сенат получил сведения о количестве ввозимых в Россию изделий из стекла, он 14 декабря 1752 г. вынес положительное решение.

Строительство началось в мае 1753 г. и закончилось в начале 1755 г. Но несмотря на то что строительные работы в 1754 г. еще велись, весной того же года на фабрике уже организуется производство изделий из цветного стекла в широком ассортименте. А какова роль стекла и науки о нем в наше время?

КАКИЕ БЫВАЮТ СТЕКЛА

Мы часто не задумываемся над тем, откуда берется, как получается то, что окружает нас в повседневной жизни, к чему мы привыкли. Это в полной мере относится и к стеклу. Оглянемся вокруг: окна, посуда и очки, электрические лампы, градусник и кинескоп телевизора — все это из стекла. Выйдем из дома — и обнаружим новые примеры его использования: в строительстве, электро- и радиотехнике, химии, на транспорте и в космосе. Особая роль принадлежит стеклу в оптических приборах, начиная от микроскопов и телескопов, различных средств регистрации и передачи изображения и кончая лазерными устройствами5.

Чем объяснить такой необозримый диапазон применений стекла? Конечно же, прежде всего многообразием его свойств и возможностью изменять их в широких пределах — стекла бывают прозрачными и непрозрачными, очень твердыми и необычайно мягкими, могут проводить электрический ток или служить прекрасными изоляторами. А это, в свою очередь, определяется главным образом тем, что химический состав стекла весьма разнообразен.

Действительно, если первые стекла, созданные человеком, были силикатными, иными словами, состояли в основном из двуокиси кремния (SiO2), т. е. кремнезема, или, попросту, чистого песка, и из оксидов (окислов) щелочных либо щелочноземельных металлов, то впоследствии появились и другие кислородные стекла на основе, например, оксидов фосфора, германия, бора, а также — бескислородные, в частности халькогенидные (содержащие серу или ее аналоги с различными добавками).

В последнее время в оксидные стекла стали добавлять фториды, хлориды и другие соли. Изготавливают стекла и из самих солей, скажем нитратов, галогенидов и т. д.

Наконец, удалось получить и стеклообразные металлы, или металлические стекла, обладающие ценными свойствами и рядом преимуществ перед обычными металлами с кристаллической структурой, преимуществ, важных, в частности, для электротехники. Правда, если многие оксидные стекла образуются при охлаждении расплавов сравнительно легко, без особых ухищрений, то для того чтобы получить стеклообразные металлы и сплавы, приходится охлаждать расплавы чрезвычайно быстро — со скоростью до миллионов градусов в секунду. Это связано прежде всего со степенью полимерности (связанности) структуры расплава. Чем более она связана, тем легче из расплава образуется стекло, и наоборот, чем быстрее в расплаве происходят структурные перестройки при изменении температуры, тем легче он кристаллизуется.

ОСОБЕННОСТИ СТЕКЛООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ

Итак, почти любое вещество может находиться в стеклообразном состоянии. Поэтому, когда речь идет о стекле вообще, имеется в виду определенное — аморфное — состояние твердых тел.

В твердой фазе вещества одного и того же химического состава в зависимости от условий могут находиться либо в кристаллическом, либо в аморфном состоянии. Аморфные тела получают разными способами. Из них, по принятой терминологии, к стеклам относят только те, что образуются при затвердевании переохлажденных расплавов. Именно определенный способ получения позволяет говорить конкретно о структуре, разрабатывать теорию стеклования (перехода жидкости при переохдаждении в твердое стеклообразное состояние) и на основе обобщения выводов теории и опыта прогнозировать свойства стекла, разрабатывать оптимальные режимы его получения и формования из него готовых изделий.

Главное отличие стекол от кристаллов в том, что в кристаллах имеется и ближний порядок, определяемый расположением атомов в элементарной ячейке, и дальний, обусловленный регулярным расположением, повторяемостью этих ячеек в кристаллической решетке, а в стеклах можно говорить только о ближнем порядке — дальнего нет. Конечно, не всегда по внешним признакам легко их различить, но все же для кристаллов обычно характерна правильность формы и спайность — способность раскалываться по определенным направлениям, давая гладкий скол. Стекла же этой способностью не обладают, и из них можно изготовить изделия практически любой формы.

Рассмотрим в самых общих чертах, в чем различие кристаллизации и стеклования.

Как уже отмечалось, стекло образуется при затвердевании переохлажденной жидкости, т. е. жидкости, которая, охлаждаясь, «проскочила» температуру начала кристаллизации, называемую также температурой ликвидуса. Почти любую жидкость удается переохладить, и чем больше переохлаждение, тем кристаллизация энергетически выгоднее, так что рано или поздно жидкость должна была бы перейти в кристаллическое состояние. Однако с понижением температуры нарастает вязкость жидкости, что затрудняет структурные перестройки, необходимые для кристаллизации. Если скорость охлаждения велика, жидкость, не успев закристаллизоваться, станет столь вязкой, что затвердеет, превратившись в стекло.

Для каждого вещества существует своя критическая скорость — минимальная скорость охлаждения, при которой образуется стекло. Критические скорости для разных жидкостей изменяются в очень широких пределах: от десятых долей градуса за год до миллионов и даже десятков миллионов градусов в секунду. Это означает, что первые жидкости практически невозможно закристаллизовать, тогда как вторые чрезвычайно трудно получить в стеклообразном состоянии. Как следует из теоретического и экспериментального изучения кристаллизации расплавов, критические скорости охлаждения тем меньше, чем больше вязкость жидкости при температуре кристаллизации, а также чем выше эта температура и теплота кристаллизации.

Анализируя переход расплавов в стеклообразное состояние, определяют роль отдельных факторов, от которых зависят критические скорости охлаждения, и пытаются описать структурные перестройки в жидкости при изменении температуры (с тем чтобы понять, какая структура «замораживается» в стекле) на основе современных теоретических представлений о природе жидкого состояния вообще и растворов в частности. Для этого используют различные модели (решеточную, свободного объема, регулярных и ассоциированных растворов и другие).

В последнее время все большее внимание уделяется методу молекулярной динамики, в котором на ЭВМ решают уравнения движения совокупностей частиц, исходя из сведений о них и их взаимодействиях. Такой микроскопический подход позволяет найти структуру, равновесные свойства и динамические характеристики макроскопической системы. Он с успехом применяется к относительно простым (однокомпонентным) расплавам, но оказывается неэффективным при переходе к многокомпонентным, в частности, из-за усложнения выражения для энергии межчастичных взаимодействий.

Для практических применений важно знать, какими свойствами будет обладать изделие из стекла при заданном химическом составе и способе формования. Но для этого, как и обычно в химии, надо сначала найти структуру самого материала, а затем — зависимость его свойств от этой структуры.

0

46

Для особенно любознательных: М. М. Шульц О природе стекла

Михаил Михайлович Шульц

Михаил Михайлович Шульц, академик, директор Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова АН СССР, профессор Ленинградского государственного университета им. А. А. Жданова. Основные научные результаты относятся к химии и электрохимии стекла; термодинамике гетерогенных систем, силикатов и тугоплавких оксидов; теории ионного обмена; изучению твердых растворов. Соавтор ряда книг, в том числе научно-популярных, например: Стекло: природа и строение (совместно с О. В. Мазуриным и Е. А. Порай-Кошицем). Л., 1985. Председатель Научного совета АН СССР по химической термодинамике и термохимии. Лауреат Государственной премии СССР (1973).

ЧТО МЫ ЗНАЕМ О СТРУКТУРЕ СТЕКЛА
Структура вещества — очень широкое понятие, так что существуют разные уровни ее изучения. Один из основных вопросов при исследовании структуры: какими силами связаны между собой атомы вещества? Чтобы ответить на него, в принципе, надо знать конкретное распределение электронов в атомах и между ними. Если обратиться к стеклам, то сегодня еще очень далеко до полного понимания их электронного строения.

Пока мы имеем лишь весьма ориентировочные представления об эффективных зарядах тех или иных атомов, о движении электронов по межатомным орбиталям и т. д. Но как теоретические, так и экспериментальные работы в этом направлении ведутся довольно активно, причем последние — прежде всего теми методами, которые позволяют прямо определить электронное строение исследуемого образца.

В первую очередь, это анализ его оптических свойств, в частности способности поглощать и испускать энергию в видимой и прилегающих областях электромагнитного спектра. Ценную информацию дает также изучение взаимодействия электронов стекла с электромагнитными колебаниями других спектральных диапазонов: от очень коротковолновых (рентгеновские лучи) до длинноволновых (радиоволны).

Вопрос об электронной структуре нельзя отрывать от атомного строения вещества, от того, как расположены друг относительно друга атомы. В кристаллах эта задача решается вполне удовлетворительно методами рентгенографии даже для очень сложных случаев. В стеклах все намного труднее: из-за отсутствия дальнего порядка в них нет той четкой дифракционной картины, по которой можно было бы рассчитать структуру, как в кристаллах. Однако исследование рассеяния рентгеновских лучей под большими углами позволяет построить кривые радиального распределения электронной плотности в стекле и по ним судить о числе «соседей» избранного атома, о расстояниях до них и т.д.

Такие суждения сравнительно точны для ближайших «соседей» (первой координационной сферы) и тем приближеннее, чем больше расстояние между атомами. Эта первичная информация о веществе уже дает многое, характеризуя те «кирпичики», из которых составляется его структура. Так, подтвердилось предположение, что силикатные стекла, как и кристаллические силикаты, состоят из элементарных тетраэдров, в центре которых находятся атомы кремния, а в вершинах — кислорода.

Из рассеяния рентгеновских лучей следует также, что в силикатных стеклах есть неоднородности. В связи с этим первоначально высказывалась (в частности, академиком А. А. Лебедевым) гипотеза о том, что эти стекла образованы из маленьких кристалликов — кристаллитов.

Вместе с тем на основе аналогичных исследований другими учеными выдвигались предположения о том, что стекло состоит из беспорядочно расположенных атомных групп и его структура однородна. Завязалась довольно длительная дискуссия, на начальном этапе которой представления о неоднородной и однородной структурах стекла противопоставлялись, но в итоге слились воедино, ибо по сути речь шла о разных сторонах одной проблемы.

Действительно, структура оксидных стекол представлена элементокислородными «группировками» (чередованием атомов кислорода и тех или иных элементов), связанными в единую сетку и расположенными в ней неупорядоченно. Это не противоречит тому, что даже в простейших однокомпонентных стеклах, состоящих из окислов одного элемента, имеются неоднородности, скажем флуктуации плотности, присущие расплавам и «замороженные» в них при охлаждении. В стеклах более сложного химического состава наряду с флуктуациями плотности наблюдаются и флуктуации концентрации. Однако и этот тип неоднородностей не специфичен для стекол, а характерен для любой жидкости сложного состава, в том числе для стеклообразующих расплавов.

В настоящее время в Институте химии силикатов (ИХС) АН СССР изучаются закономерности возникновения таких и аналогичных неоднородностей в структуре стекол. В частности, Е. А. Порай-Кошиц с сотрудниками разработал весьма совершенную методику экспериментов по рассеянию рентгеновских лучей стеклами, позволившую обнаружить усиление рассеяния под очень малыми углами, исчисляемыми минутами.

Это привело к выводу о том, что в исследованных силикатных стеклах существуют неоднородности сравнительно больших размеров (десятки, сотни и даже тысячи ангстрем). К тому времени уже были известны работы академика И. В. Гребенщикова, в которых при обработке стекол кислотами создавались пористые структуры с порами таких же размеров.

Сначала эти результаты рассматривались как проявление химической неоднородности стекла, но в 1961 г. в ИХС Ф. Я. Галахов, сопоставив различные факты, объяснил наблюдаемую неоднородность стекол фазовым разделением в жидкости — метастабильной ликвацией. Своеобразие этого явления в том, что разделение фаз происходит ниже температуры начала кристаллизации, т. е. в метастабильной жидкости.

Сегодня такое объяснение неоднородности стекол выглядит почти очевидным. Дело в том, что давно известно разделение на две жидкие фазы в похожих расплавах щелочно-земельных силикатов, однако там оно наблюдается выше этой температуры (называемой также температурой ликвидуса).

В таких расплавах температура расслоения тем ниже, т. е. тем ближе к температуре ликвидуса, чем слабее поле иона. Ионы щелочных металлов имеют еще менее сильные поля, поэтому разделение расплавов со щелочными добавками, в принципе, могло ожидаться при температурах ниже температуры ликвидуса. Однако только эксперимент подтвердил фазовое расслоение жидкостей в метастабильных состояниях.

Метастабильная ликвация изучалась различными экспериментальными методами весьма тщательно, разработана и ее теория, связывающая способность к фазовому разделению в оксидных расплавах с «конкуренцией» ионов щелочных металлов и кремния в их «стремлении» соединиться с ионами кислорода. Эта конкуренция в свою очередь определяется эффективными зарядами взаимодействующих ионов и поляризуемостью атомов кислорода.

Фазовое разделение используется для получения пористых стекол. Процесс их производства основан на представлениях о «куполе» (форма кривой) ликвации в двухкомпонентных и о соответствующих областях расслоения в более сложных расплавах. Теоретически и то, и другое можно описать с помощью термодинамики гетерогенных систем. Но пока эта задача точно не решена даже для двухкомпонентных расплавов, не говоря уже о практически более важных и сложных по составу.

Поэтому соответствующие фазовые диаграммы строят, пользуясь разнообразными экспериментальными данными: по рассеянию рентгеновских лучей, электронной микроскопии, температурно-концентрационным зависимостям различных свойств. Знание диаграмм фазового разделения позволяет рассчитать соотношение масс различных фаз и их химический состав.

Таким образом удается судить о структуре фазового разделения — капельная она или каркасная, а по химическому составу фаз — и об их свойствах. Например, при разделении щелочного боросиликатного стекла на две фазы одна из них (обогащенная кремнеземом) оказывается химически устойчивой по отношению к действию кислот, а другая (щелочно-боратная) — легко выщелачивается, т. е. растворяется кислотами. Но такое фазовое разделение можно провести по-разному.

Если щелочно-боратная фаза в виде отдельных капель вкраплена в фазу, богатую кремнеземом, то получится химически устойчивое стекло, напоминающее кварцевое, но более легкоплавкое и технологичное, более удобное для получения новых видов стеклянных изделий, в частности для электровакуумной промышленности. Еще шире применяют полученное при разделении фаз пористое стекло с каркасной структурой.

Такие стекла в виде порошков используют как молекулярные сита в хроматографии, для очистки лекарственных препаратов, вакцин и т. д. Получают из пористого стекла и массивные изделия в виде пластин. Заполняя поры такого стекла различными веществами, создают новые материалы (фотохромные, магнитооптические и другие), отличающиеся высокими потребительскими качествами и техническими характеристиками.

ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТЕКОЛ

Обсудив некоторые общие представления о природе стеклообразного состояния, обратимся к химии стекла. Понятие это очень широкое, включающее практически все, что касается как индивидуальных, так и общих закономерностей строения и свойств стекол, связанных с их конкретной химической природой, начиная с химической связи и кончая особенностями стекла как материала. Конечно, еще очень далеко до достаточно полного понимания и тем более количественного описания зависимости свойств стекол от их химического состава. Однако некоторые общие положения и взгляды в этой области уже сформировались.

Мы в дальнейшем обратимся к оксидным стеклам — наиболее распространенному и практически важному классу стекол, изученному наиболее полно. Вместе с тем надо отметить, что этот класс в химическом отношении сложнее других.

Основой подобных стекол служат так называемые оксиды-стеклообразователи, которые без каких-либо добавок сравнительно легко превращаются в стекло. Это, прежде всего, диоксид кремния (SiO2) — главная составная часть силикатных стекол, а также оксиды бора (В2О3), фосфора (Р2О5) и некоторых других элементов.

Из них получают однокомпонентные стекла с пространственными каркасами, состоящими из упомянутых элементокислородных групп, в которых атомы кислорода, а также того или иного элемента расположены в вершинах и центре правильного многогранника.

Среди однокомпонентных стекол наибольшее практическое значение имеет кварцевое (диоксид кремния, или кремнезем), отличающееся жаропрочностью, химической устойчивостью, стойкостью к резким перепадам температуры, а также обладающее ценными оптическими свойствами и высокой электроизоляционной способностью. Однако технология его изготовления сложна, да и необходимая температура весьма высока.

Чтобы снизить рабочую температуру и придать стеклу дополнительные полезные свойства, к кремнезему добавляют другие оксиды, прежде всего щелочные и щелочно-земельные (их обозначают символами М2О и МО, соответственно). При этом необходимая температура нагрева снижается на 200—300°С. Роль таких добавок (называемых модификаторами) в том, что они «разрыхляют» сетку химических связей в кремнеземе.

Оксиды-стеклообразователи, как правило, имеют кислотную природу, а оксиды-модификаторы — щелочную, но между ними нет резкой границы. В зависимости от химического состава стекла одни и те же оксиды могут выступать то в роли стеклообразователей, то в роли модификаторов или даже в той и другой одновременно.

Нередко в стекле присутствуют не один-два компонента, а гораздо больше, в том числе по меньшей мере два стеклообразователя, образующих смешанный каркас, как, скажем, в вышеупомянутых натриево-боросиликатных стеклах. Свойства и структура стекол указывают на их аналогию с кристаллами того же химического состава.

Уже говорилось о ближнем порядке. Можно отметить и другие признаки сходства в строении стекол и кристаллов. В связи с этим заметим, что в зависимости от концентраций двуокиси кремния и оксидов-модификаторов из расплавов или стекол могут выкристаллизовываться различные силикаты, подчиняющиеся закону кратных отношений. [Суть этого закона, открытого еще в 1803 г. Дж. Дальтоном, сводится к тому, что если два элемента образуют несколько соединений, то массы одного элемента, приходящиеся на одинаковые массы другого, относятся как целые числа. Так, в окислах азота N2O, NO, N2O3, N2O4, N2O5 массы кислорода, приходящиеся на единицу массы азота, относятся как 1:2:3:4:5.]

Установлено, что с ростом концентрации щелочных элементов структура кристаллического силиката становится все более деполимеризованной, т. е. все большее число связей в кристаллической решетке разрушается. Если чистый диоксид кремния, как в кристалле, так и в стекле, имеет трехмерный каркас

                      . . .— SiO2— SiO2—. . .

из кремниево-кислородных тетраэдров, связанных друг с другом так называемыми мостиковыми атомами кислорода, которые служат своеобразными мостиками между атомами кремния, то дисиликаты (М2О.2SiO2) имеют слоистую (двумерную) структуру, метасиликаты (М2О.SiO2) — ленточную (одномерную), а ортосиликаты (2М2O.SiO2) — островную.

Иными словами, увеличение содержания модификатора влечет за собой ослабление связей между «элементарными» тетраэдрами, среди которых все большее число обладает немостиковыми (дефектными) атомами кислорода. В расплавах и стеклах по мере повышения концентрации щелочного окисла структура также все больше «разрыхляется», связи рвутся, ситуация напоминает происходящее в кристаллах. Отметим, что в расплавах, богатых щелочным оксидом, могут образоваться и другие структуры.

Если для кристаллов рентгеноструктурный анализ дает в большинстве случаев однозначный ответ на вопрос о структурных перестройках, то для расплавов и стекол это не так. Сопоставляя кристаллы и стекла (или расплавы), подчеркнем еще один момент: как уже упоминалось, химический состав кристаллов может меняться лишь дискретно, так что переходы от одной структуры к другой также будут скачкообразными.

В стеклах же и расплавах состав может меняться непрерывно, поэтому в одном и том же расплаве не исключено одновременное существование различных структур. Даже если расплав по составу соответствует какому-то определенному кристаллическому силикату, то из-за диссоциации в нем будут существовать различные структурные формы, в которых, конечно, не повторяется полностью порядок взаимного расположения, присущий кристаллу.

Таким образом, создать структурную модель, скажем, щелочно-силикатных или щелочно-боратных расплавов и стекол чрезвычайно сложно. Тем не менее, пользуясь термодинамическими данными о реакциях образования щелочных боратов и силикатов, а также о свойствах расплава при заданном химическом составе, удается оценить их содержание в расплаве и, стало быть, в стекле.

В основе этих расчетов лежит предположение о применимости закона действующих масс к реакциям образования боратов или силикатов в расплавах. [Согласно этому закону, вытекающему из законов термодинамики, равновесие химической реакции характеризуется величиной произведения так называемых действующих масс, или активностей (которые приближенно можно заменить концентрациями), исходных веществ и продуктов реакции в степенях с показателями, равными стехиометрическим коэффициентам, определяемым соотношениями между массами вступающих в реакцию веществ. Для продуктов реакции показатели положительны, а для исходных веществ — отрицательны. Это произведение называется константой равновесия химической реакции и находится экспериментально или рассчитывается по термодинамическим параметрам «участников» реакции.]

Проверить достоверность этого предположения можно, решив обратную задачу, т. е. рассчитав, как меняется в расплаве химический потенциал или активность, например, оксида натрия, и сопоставив найденный таким образом результат с экспериментально полученной зависимостью. Согласие, как правило, оказывается неплохим.

Обратим внимание на важный для понимания происходящего при стекловании факт: с повышением температуры дисиликат натрия (Na2O.2SiO) распадается на метасиликат натрия (Na2O.SiO2) и диоксид кремния (SiO2).

При охлаждении расплава равновесие смещается в обратном направлении, так что расплав обогащается дисиликатом натрия и все более полимеризуется. При этом увеличивается вязкость, следовательно, равновесная структура по мере снижения температуры устанавливается все труднее. Так продолжается до тех пор, пока расплав окончательно не затвердеет, после чего его охлаждение уже не сопровождается структурными перестройками.

Остановимся подробнее на применимости закона действующих масс к образованию щелочных боратов и силикатов в расплаве. Не вызывает сомнений, что в расплаве между оксидами щелочных металлов, с одной стороны, и оксидами бора и кремния — с другой, происходят обычные химические реакции, в которых возникают бораты и силикаты и устанавливаются равновесные соотношения между концентрациями исходных веществ и продуктов реакций.

Поэтому, казалось бы, формально записав реакции образования боратов или силикатов, можно выразить для них закон действующих масс стандартной формулой, приближенно заменив термодинамические активности оксида-стеклообразователя и продукта реакции их концентрациями.

Однако закон действующих масс предполагает молекулярное строение расплава. При этом подразумевается, что в расплаве молекулы «выглядят» так же, как в формулах, и распределены статистически. Но ведь таких отдельных молекул расплава нет, и записанные в формулах их составные части — это просто-напросто символы образований, полимеризованных в той или иной мере в зависимости от отношения концентраций модификаторов и стеклообразователя.

Впрочем бесспорно и то, что для каждой формы силикатов существует свой набор структурных образований, так или иначе распределенных в расплаве.

Таким образом, главная трудность заключена в том, что в стекле они вовсе не распределены статистически равномерно, ибо в определенной степени дальний порядок все-таки сказывается: в расплаве образуется некая структура, упорядоченность которой, по-видимому, тем больше, чем ниже температура. Конечно, в строгих статистических моделях все это должно учитываться, и в некоторых случаях соответствующие решения удается получить.

До сих пор речь шла только об одном типе взаимодействий в оксидных расплавах: кислотно-основном. Но химия стекла гораздо богаче. В частности, нельзя не упомянуть и о своеобразных реакциях комплексообразования в оксидных расплавах:

                      Rn+ + k/2.O2— ↔ (ROk/2)(k — n)—

где Rn+ — положительный ион n-валентного модификатора; (ROk/2)(k — n)— — комплексный ион с избыточным отрицательным зарядом, «встроенный» в сетку стеклообразователя (например, диоксида кремния), который определяет структуру стекла; к — константа равновесия реакции, рассчитываемая по термодинамическим характеристикам. Заряд комплексного иона компенсируется зарядами ионов щелочных металлов, оксиды которых и поставляют дополнительный кислород, помогающий ионам модификатора внедриться в сетку химических связей, характерную для стекла.

Равновесные концентрации продуктов в таких реакциях определяются активностью оксида щелочного металла, т. е. в конечном итоге — его концентрацией. Впрочем, при одной и той же концентрации в ряду от лития к цезию активности оксидов и, стало быть, вероятности образования комплексов будут расти. Появление таких комплексов увеличивает вязкость стекол, химическую устойчивость, меняет и другие их свойства.

Заметно влияют на те или иные характеристики стекол, в особенности оптические, в том числе на их способность к окраске, и окислительно-восстановительные реакции в расплавах. Важно отметить, что, изменяя концентрацию, или активность ионов кислорода, можно смещать равновесие в этих реакциях в обе стороны: как к большим, так и к меньшим равновесным значениям концентраций.

Это связано с тем, что одновременно с окислительно-восстановительными реакциями происходит и рассмотренное выше комплексообразование, а «склонность» к образованию комплексов у одного и того же элемента в, разных валентных состояниях различна. Только совместное рассмотрение этих реакций помогает понять, как влияет кислотно-основное состояние расплава на . содержание окисленной и восстановленной форм элементов переменной валентности.

Завершая разговор о химии стекла, отметим, что в опытах Ломоносова, направленных на получение различной окраски стекол, проглядывает именно анализ окислительно-восстановительных и кислотно-основных соотношений в расплавах. Это нетрудно заключить, обратившись к лабораторному журналу и другим запискам Ломоносова.

Конечно, сегодня мы знаем о стекле неизмеримо больше, чем во времена Ломоносова, но можно с уверенностью сказать, что этот удивительный материал изучен еще далеко не полностью, еще далеко не все его замечательные свойства поставлены на службу людям, и нам ничего не остается, как повторить вслед за родоначальником отечественной науки: «Далече до конца Стеклу достойных хвал...»

0

47

ЦВЕТНОЕ СТЕКЛО

ПЕРВЫЙ УЧЕНЫЙ СТЕКЛОВАР — МИХАЙЛО ВАСИЛЬЕВИЧ ЛОМОНОСОВ

Цветное стекло люди узнали много раньше, чем белое. Бусы, кольца, вазы, флаконы и чаши, которые люди делали еще тысячелетие назад, были из окрашенного, часто непрозрачного стекла. В те далекие времена сварить цветное стекло было легче, чем бесцветное. Стеклоделы не знали тогда, что для получения неокрашенного стекла нужны чистые материалы, а при варке из тех веществ, какие были у них под руками, стекла получались обычно некрасивого грязно-зеленого цвета из-за тех примесей, железа и других металлов, которые содержались в песке, мраморе и других природных материалах, служивших составными частями стекла.
Если же в стекло специально вводились добавки некоторых металлов, то грязно-зеленый цвет перекрывался какой-нибудь другой яркой окраской, и стекла получались красивыми, как драгоценные камни. Непрозрачным стекло часто делали потому, что в нем не были видны пузырьки и частицы непроварившегося песка, и изделия из такого стекла выглядели гораздо красивее, чем из прозрачного.
По мере того, как развивалось стеклоделие, всё более разнообразные цвета стекол научились получать мастера, всё ярче и чище становилась окраска изделий. Но искусство окраски стекла оставалось секретом немногих стеклоделов, который они хранили от других людей и уносили с собой в могилу или передавали по наследству своим детям и внукам. Для них владение секретами цветного стекла было средством их личного обогащения. Им было безразлично, почему стекло ведет себя так или иначе. Им нужно было только знать, как изо дня в день варить стекло, чтобы получать его всегда одинаково красиво окрашенным.
А цветное стекло имело свои особенности, не зная которых стеклоделам было не легко бороться с неудачами. Нередко случалось так, что какое-нибудь стекло вдруг переставало удаваться, и тогда никто на всем заводе не знал, что надо делать, чтобы вновь его исправить.
Но так не могло продолжаться вечно. Владельцы тайн цветного стекла не могли навсегда остаться их собственниками. Нашлись люди, которые не только самостоятельно открыли все секреты цветного стекла, но и улучшили его, научившись владеть процессами и изучив природу окраски стекла. И первым, кто начал изучение цветного стекла и заложил научную основу в его производство, был наш великий русский ученый — Михаиле Васильевич Ломоносов.
Ломоносов был одновременно физиком, химиком, геологом, минерологом, астрономом, философом, историком, литератором, поэтом и художником. Но кроме всего этого он был еще и первым ученым-стекловаром.
Трудно представить себе, как могли в одном человеке совмещаться столь разнообразные таланты и интересы. И ведь в каждой из этих областей он был глубоким исследователем, в каждую из них он внес новые ценные вклады, прославив русскую науку и искусство. Цветное стекло, по словам самого Ломоносова, было одним из его главных увлечений. Цели, к которым стремился великий Ломоносов, были совсем другими, чем те, которые преследовали его предшественники за границей. Изучая стекло, он никогда не думал использовать результаты в своих интересах. Наоборот, он стремился как можно скорее поделиться с другими плодами своих трудов, сделать их достоянием народа и принести пользу своей Родине.
Но прекрасные стремления Ломоносова постоянно встречали противодействие со стороны руководства русской Академии наук, во главе которой в то время стояли невежественный бюрократ Шумахер и другие иноземцы, которым, по свидетельству самого Ломоносова, «... было опасно происхождение в науках и произвождение в профессоры природных россиян, от которых он [Шумахер] уменьшения своей силы больше опасался... Шумахер неоднократно так отзывался, я де великую прошибку в политике своей сделал, что допустил Ломоносова в профессоры».
Вот в какой враждебной обстановке пришлось работать Ломоносову. Но с исключительной энергией и настойчивостью он добивался возможности вести научную работу по химии и, в частности, по химии цветного стекла.
Странным кажется сейчас, что в то время руководство единственного научного учреждения в России считало занятия в лаборатории для ученого совершенно излишними. Будучи профессором химии, Ломоносов семь лет добивался разрешения на постройку химической лаборатории. Трижды он обращался в Академию наук с прошением об организации лаборатории, и три раза ему отказывал в этом Шумахер. Наконец он и другие русские ученые обратились с жалобой в сенат, и сенат разрешил построить при Академии наук химическую лабораторию.
И вот, наконец, первая в России химическая лаборатория была построена в Петербурге, на 2-й линии Васильевского острова, на участке «ботанического огорода» Академии наук. С жаром принялся Ломоносов за оборудование лаборатории. Всё в ней предусматривало возможность глубокого и всестороннего изучения многих химических явлений и в том числе процессов окрашивания стекла. В течение трех лет Ломоносов собственноручно сварил более двух тысяч опытных стекол, а всего за время работы по стеклу — более четырех тысяч. Результаты своих опытов Ломоносов тщательно записывал в лабораторных журналах. Часть из них сохранилась и дошла до нас.
Работы Ломоносова по цветному стеклу очень много дали для всей дальнейшей науки о стекле. Он глубже, чем все другие стеклотехники до него, изучил процессы окрашивания стекла различными металлами и способы получения прозрачных и непрозрачных цветных стекол.

0

48

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

ФАБРИКА В УСТЬ-РУДИЦЕ

Изучая цветное стекло в лаборатории, Ломоносов всё время думал о том, как использовать результаты своих работ на практике: дать возможность России избавиться от ввоза различных стеклянных изделий из-за границы, улучшить качество вырабатываемых на русских заводах стекол. Но для того, чтобы осуществить все эти намерения, необходима была уже не лаборатория, а специальная фабрика. В своем письме графу Шувалову (4 января 1753 года) Ломоносов писал, что созданием фабрики «кончаются все мои великие химические труды, в которых я три года упражнялся и которые бесплодно потерять мне будет несносное мучение...»

Но далеко не все влиятельные люди, от которых зависело воплощение в жизнь заветного желания Ломоносова, разделяли его стремление. Многие считали, что использование на практике результатов научных работ является неподобающей затеей, унизительной для ученого и для науки. Этим зачастую объяснялось нежелание оказать поддержку Ломоносову в его начинаниях. Значение стекла в жизни человека, в технике и науке было тогда мало известно не только простым людям, но и представителям «высшего общества» — дворянам и знатным, титулованным особам.

Поэтому Ломоносов решил рассказать в понятной для всех форме о свойствах и разнообразных применениях стекла и убедить окружавшее его общество в необходимости развития стеклоделия в России и постройки задуманной им фабрики. Для этого он написал длинное письмо в стихах на имя графа Шувалова, имевшего большое влияние при царском дворе и оказывавшего поддержку Ломоносову.

В этом письме Ломоносов прекрасно отразил и сущность стекла и все известные в то время виды его применения. «Письмо о пользе стекла» Ломоносов издал за свой счет в типографии Академии наук в большом числе экземпляров и разослал широкому кругу людей. Нет сомнения в том, что, прочитав это письмо, многие из тех, кто считал постройку фабрики цветного стекла причудой Ломоносова, изменили свое мнение об этом.

В сенат Ломоносов подал прошение, что он «... желает к пользе и славе Российской империи завесть фабрику делания изобретенных [им] разноцветных стекол и из них бисеру, пронизок [бус] и стеклярусу [крупного бисера] и всяких других галантерейных вещей и уборов, чего еще поныне в России не делают, но привозят из-за моря великое количество ценою на многие тысячи...»

На этот раз сенат поддержал предложение Ломоносова и дал ему разрешение на постройку фабрики. Теперь было необходимо получить подходящий участок из казенных (государственных) земель, имеющий всё необходимое для постройки и работы стекольной фабрики, то есть в первую очередь лес для топлива, песок как основную составную часть стекла, и воду как источник механической силы.

Такой участок Ломоносов также подыскал сам; это была деревня Усть-Рудица и несколько соседних с ней деревень, находящихся в 65—80 километрах от Петербурга, недалеко от города Ораниенбаума (теперь город Ломоносов). Этот участок и был отдан под фабрику, и Ломоносов с увлечением принялся за ее постройку. При постройке фабрики и во время ее работы он проявил себя как исключительно талантливый инженер. Проект фабрики был сделан им самим. Для кладки фундамента был необходим кирпич, — Ломоносов построил вблизи Усть-Рудицы кирпичный завод специально для этой цели, так как возить кирпич с ближайшего завода, с имевшимися в то время транспортными возможностями, обошлось бы намного дороже.

Для выполнения многих механических работ была построена на реке Рудица водяная мельница. Эта мельница размалывала крупные куски мрамора и других материалов для стекольных шихт, она же приводила в движение шлифовальные станки. По тем временам это было большим техническим прогрессом: на многих стекольных фабриках, принадлежавших помещикам и купцам, станки приводились в движение руками крепостных, тяжелый труд которых ничего не стоил.

Строилась фабрика около двух лет. За это время Ломоносов подготовил хороших мастеров, послав их учиться на другие стекольные заводы.

Фабрика начала работать и выпускать продукцию весной 1754 года. На ней изготовлялась разноцветная столовая и парфюмерная посуда: графины, кружки, блюдечки, чашки, стаканы, песочницы, чернильницы, цветники и т. д. Часть этих изделий украшали дополнительно гранением и резьбой. Там же изготовляли в больших количествах разноцветный бисер и стеклярус, запонки и серьги.

В 1757 году Московский университет решил издать собрание сочинений Ломоносова. Для этого издания по заказу графа Шувалова был написан французским художником Фессаром портрет Ломоносова. Портрет этот и до сих пор является самым известным портретом Ломоносова. На нем великий ученый изображен сочиняющим оду «ее императорскому величеству». Окружают его предметы, характеризующие его научную деятельность. А на заднем плане художник изобразил окно, в которое видно бурное море с двумя корабликами и сверкающей молнией над ними.

Художник хотел изобразить Ломоносова в образе придворного поэта. Но Ломоносову не понравилось такое изображение его деятельности. Он пригласил другого художника и попросил его переделать задний план на портрете. На исправленном варианте вместо корабликов и моря в окно видно любимое детище Ломоносова — Усть-Рудицкая фабрика «делания цветных стекол»; действующая печь (над крышей поднимается дым), водяная мельница и поленница дров, показывали, что фабрика хорошо обеспечена топливом. Так Ломоносов показал, что он не отделим от своего любимого дела, и подчеркнул свое стремление к реализации плодов своих научных трудов.

0

49

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

КАРТИНЫ ИЗ СТЕКЛА

Ломоносов интересовался не только прозрачным окрашенным стеклом; он страстно увлекался также смальтами — непрозрачными цветными стеклами для выкладывания мозаичных картин. Заинтересовался мозаикой Ломоносов так. Однажды у графа Шувалова он увидел привезенный из Италии мозаичный портрет. Его восхитила эта чудесная, составленная из разноцветных стеклянных кубиков картина.

Неужели нельзя делать такие же прекрасные вещи у нас в России? И Ломоносов решил сам взяться за составление мозаики.

При проведении работ по изучению окраски стекол в своей лаборатории Ломоносов очень много внимания уделял цветным смальтам. Огромное разнообразие цветов и оттенков сумел он получить в смальтах. После постройки фабрики в Усть-Рудице можно было начать на ней изготовление и цветных смальт. Как только было заготовлено необходимое количество кусочков цветных стекол, Ломоносов принялся за выполнение мозаичных картин. Как и все другие начинания, первые мозаичные картины были сделаны им собственноручно.

Первой мозаикой Ломоносова была икона, сделанная из четырех тысяч стеклянных кубиков. Затем он сделал мозаичные портреты Петра I, Елизаветы и Екатерины II. И здесь Ломоносов проявил себя талантливым художником. В 1764 году он был избран почетным членом Болонской (Италия) Академии художеств за его заслуги в мозаичном искусстве.

После мозаичных портретов Ломоносов, уже вместе со своими учениками, взялся за огромную — в 42 квадратных метра — мозаичную картину «Полтавская баталия». Этой картиной хотели украсить стену Петропавловского собора.

Такая большая мозаика требовала огромного набора стеклянных кубиков всех цветов. Ведь чем больше оттенков в распоряжении художника, тем лучшую картину он может создать. Нужно очень правильное и тонкое зрение, чтобы из всех этих оттенков выбрать самый подходящий. Непривычный к такой работе человек даже не заметит разницы между соседними оттенками — настолько она неуловима, — а мастер заметит и из множества кубиков выберет самый нужный.

Мозаичные картины делают по нескольку лет. Они требуют от художника необычайной тщательности, бесконечного терпения.

Почти пять лет работал Ломоносов над «Полтавской баталией» и закончил ее незадолго до своей смерти.

А затем картину постигла очень странная участь. В собор ее не повезли. Никто о ней не заботился. Огромная картина пропала без вести.

Прошло более полутораста лет. Произошла Великая Октябрьская социалистическая революция. И вот однажды, приводя в порядок подвалы Академии наук, рабочие наткнулись на какие-то большие, очень тяжелые ящики. Их было много. Открыли один из них, — в нем оказался кусок мозаики, изображавший голову петровского солдата. В другом ящике нашли другой кусок мозаики — штандарт Петра Первого. В остальных ящиках также лежали куски мозаики.

Эта была разрубленная на куски «Полтавская баталия».

В советской стране оценили по достоинству изумительный труд Ломоносова. Куски мозаики осторожно извлекли из ящиков, соединили их, выпавшие кусочки стекла заменили новыми.

Сейчас великолепная стеклянная картина, напоминающая нам о славных боевых делах русской армии, возвращена к жизни и украшает стену в главном здании Академии наук в Ленинграде.

Если так ценили в царской России труд стеклодела, который был одновременно и великим ученым, то понятно, чего могли ждать другие русские мастера по стеклу.

В наши дни искусство мозаики не забыто. Чудесные мозаичные картины и панно украшают стены и потолки станций московского метрополитена, рассказывая людям о великих подвигах и победах русского народа.

0

50

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

СТЕКЛА, ФИЛЬТРУЮЩИЕ СВЕТ

Почему же и как получаются стекла, окрашенные в различные яркие цвета: красные, голубые, зеленые, синие, желтые?

Вот, например, красивые красные стекла; похожие на драгоценные камни рубины; их так и называют рубинами. Еще в XVII веке умели делать искусственные рубины, для чего в стекло вводили золото. Мастер, знавший секрет золотого рубина, умер, а вместе с ним умер и способ получения рубина. И узнали его снова только в XIX веке.

А вот о том, что такие же рубиновые стекла можно получать, если вводить в стекло не дорогое золото, а дешевую медь, не знали долго, а между тем и в том и в другом случаях происходят одни и те же процессы.

Рубиновые стекла изготовляются следующим образом. Вначале при варке стекло с небольшим количеством меди и олова бесцветно, и изделия из этого стекла получаются также бесцветными. Их снова нагревают до определенной температуры, и вот тогда-то они расцвечиваются в красивые красные цвета, похожие на цвет драгоценного рубина.

Медные рубины более капризны, чем золотые, и потому часто случалось, что при варках медного рубинового стекла хорошее красное стекло не выходило. А иной раз стекло получалось совсем неокрашенным, и никакими способами не удавалось вызвать в нем красную окраску.

Много позже, когда варкой стекла стали интересоваться, ученые-химики, они разобрались во всех тонкостях производства всевозможных окрашенных стекол и избавили стеклоделов от многих досадных неудач.

Почему же медные рубиновые стекла получаются не всегда одинаково удачно? Оказалось, что не всегда медь ведет себя в стекле одинаково. Чтобы получить красивый рубин, надо, чтобы медь не соединялась с другими составными частями стекла, а находилась в нем в виде мельчайших кристалликов металлической меди, которые равномерно распределены по всему стеклу. При варке медного рубина сначала частицы меди очень малы, и их присутствие в стекле ничем не обнаруживается. Поэтому быстро остывшее стекло бесцветно. Но стоит только это стекло нагреть и подержать при температуре в 600—700°, как начинает появляться красная окраска и стекло превращается в рубин.

Что же здесь происходит? Оказывается, что при этих температурах, хотя стекло еще твердое, в нем уже возможно некоторое движение, и вот частицы меди приближаются друг к другу, собираются вместе и выстраиваются в определенном порядке. Эти кристаллики уже настолько велики, что не могут пропустить весь попадающий на них свет; они образуют как бы сетку, в которой застревают лучи света всех цветов, кроме красного.

Красным же лучам удается пробраться через эту сетку, и поэтому стекло становится красным. О них так и говорят, что они пропускают красные лучи и поглощают все остальные: они как бы фильтруют свет, как фильтруют химики в лаборатории свои растворы. Осадок остается на фильтре, а раствор свободно проходит через него. Этим-то свойством пропускать или поглощать лучи разного цвета и объясняется окраска всех без исключения стекол. Цветные стекла, которые используются для выделения лучей какого-нибудь одного цвета, так и называют светофильтрами.

Конечно, свет фильтруется, через стекло не совсем так, как фильтруются растворы. В зависимости от того, какое вещество вводится в стекло, меняется цвет стекла, то есть через одни стекла проходят только синие лучи, а через другие — только зеленые. При этом только в рубиновых стеклах введенные частицы металла находятся в виде кристалликов, а в большинстве других стекол металл так же хорошо в них растворен, как сахар или соль в воде, и образует со стеклом вполне однородную массу. Однако способность поглощать или пропускать лучи разных цветов остается. Больше того, та же самая медь, если она будет находиться в стекле не в виде кристалликов, а растворится в нем и соединится с другими его частями, окрасит стекло уже не в красный, а в сине-зеленый цвет.

Теперь уже очень хорошо известно, какие металлы окрашивают стекло в тот или другой цвет. Например, никель окрашивает стекло в фиолетовый или коричневый цвет, хром — в желто-зеленый, кобальт — в синий, марганец — в фиолетовый. Если ввести в стекло одновременно 2 или 3 красителя, можно получить промежуточные цвета. Так, для того, чтобы получить зеленое стекло, надо ввести в стекло вместе и медь и хром.

Однако далеко не все красители можно смешивать в стекле. Если в шихту стекла ввести марганец и железо, то окраска марганца совсем пропадет, он обесцветится. Наоборот, хром при внесении его в стекло вместе с марганцем очень усиливает окраску последнего. Составные части самого стекла также очень сильно влияют на окраски, производимые одними и теми же красителями.

Советские химики и инженеры умеют получать стекло любых цветов и оттенков и по своему усмотрению менять их лучше, чем это делали в старину самые опытные мастера, и уж, конечно, не делают из этого секретов. В деле создания отечественного производства стекла для светофильтров очень много сделал советский ученый, профессор В. В. Варгин.

Каких только стекол не делают теперь на наших заводах! Разнообразие их, пожалуй, больше, чем разнообразие красок в палитре художника. Цветные стекла используются теперь не только для изготовления красивой посуды, картин и украшений зданий. Они служат также для всевозможных научных и технических целей. Цветные светофильтры используются в прибоpax для выделения из белого света лучей какого-либо одного цвета, для поглощения вредных или мешающих лучей.

Везде мы видим цветные стекла. Как ярко светятся в темноте красные, зеленые и желтые сигнальные огни! Красные фонари в фотографических лабораториях предохраняют от порчи светочувствительные пластинки и бумагу. Желтые светофильтры употребляются для фотографии и аэрофотосъемки.

Есть еще черные стекла, выделяющие невидимые ультрафиолетовые или инфракрасные лучи, и стекла, которые, наоборот, поглощают эти лучи и пропускают видимые.

Можно было бы привести еще много примеров применения светофильтров, но мы расскажем только о некоторых из них.

0

51

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

РАЗГОВОР ЦВЕТНЫХ ОГНЕЙ

Когда наступает вечер и темнота надвигается на землю, кипучая жизнь большого города не затихает. Всё так же много людей на улицах. Несутся автомашины, трамваи и троллейбусы; они развозят людей по домам после трудового дня или в театры, кино и концертные залы. Всем им надо поскорее добраться до места. Но видеть в темноте на больших расстояниях невозможно. Кто же предупреждает людей о приближении транспорта и оберегает их от опасности? Это цветные сигнальные огни.

Как отчетливо и ярко светятся в темноте красные, зеленые и желтые огни светофоров, регулируя уличное движение! На трамваях горят разноцветные огоньки в разных сочетаниях. Мы видим издалека, какой номер трамвая приближается к остановке. У каждой автомашины сзади горит красный фонарик, который не позволяет наскочить на нее машинам, едущим за ней вслед. Свободное такси зажигает зеленый фонарик.

Все эти цветные огоньки и делают безопасным и удобным передвижение по улицам. Если бы не было цветных сигналов, уличное движение в большом городе пришло бы в полный беспорядок. Можно не сомневаться, что число несчастных случаев возросло бы во много раз, а скорость передвижения транспорта в несколько раз замедлилась. Ни шоферы, ни водители трамваев, ни пешеходы не знали бы, когда и в каком направлении можно безопасно идти и ехать.

Сигнальные огни на железных дорогах издалека сообщают машинисту паровоза, свободен или занят путь впереди. Пассажиры поездов спят спокойно; они знают, что дежурные обходчики, стрелочники и диспетчеры следят за исправностью путей и зажигают зеленые огни, если всё в порядке, и красные — если поезд надо задержать.

На морских и речных путях также горят сигнальные огни. Красные и зеленые фонарики на бакенах указывают безопасный фарватер речным судам. Сигнальные огни зажигаются на мачтах и бортах судов, чтобы встречные пароходы не только видели их издалека, но и знали, с какой стороны их надо обходить.

На аэродромах зажигают огни, которые разрешают или запрещают самолетам посадку. Огни указывают, где и в каком направлении должен приземляться самолет.

Почему же основными сигналами выбраны зеленый и красный огни?

Это сделано не случайно; а по вполне определенным причинам, для того, чтобы сигналы были далеко и хорошо видны и чтобы их нельзя было спутать между собой и с другими огнями. Например, если бы огонь, говорящий о том, что путь впереди безопасен, был не зеленый, а белый или желтый, его можно было бы легко спутать с огнями обычных уличных фонарей и светящимися окнами домов. Между собой красный и зеленый цвета огней также различаются наиболее сильно. Даже издалека их никто не спутает между собой.

Красный огонь всегда означает сигнал тревоги или предупреждает об опасности. Это тоже не случайно. Оказывается, что только красный цвет глаз человека воспринимает сразу, как только его увидит, как красный. Все же другие огни на больших расстояниях кажутся белыми. Для безошибочного определения их цвета необходимо еще значительно приблизиться к ним, после того, как человек их заметит.

Кроме основных сигналов во многих случаях для более полных сведений, которые надо сообщить водителям транспорта, вводятся еще дополнительные сигналы: желтый, белый и синий. Все они также имеют вполне определенные назначения и должны иметь точно заданный цвет и яркость. Сигнальные стекла, как видно, не простые цветные стекла, а точные светофильтры. Их цвет и количество пропущенного света должны быть выдержаны точно и могут быть выражены в числах.

0

52

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

ТЕМНЫЕ СТЕКЛА

Если смотреть на солнце незащищенными глазами, то можно сильно испортить зрение. Поэтому для наблюдения солнечного затмения рекомендуют всем смотреть на солнце только через закопченное стекло. Черная сажа, ложась тонким слоем на стекло, сильно ослабляет солнечный свет. При этом все солнечные лучи проходят через такое стекло одинаково ослабленными, и стекло получается темносерым.

Но закопченное стекло не очень-то удобно. Сажа быстро смазывается со стекла и оказывается на пальцах и на носу наблюдателя.

А темные стекла нужны не только для наблюдения такого редкого явления, как солнечное затмение. Они нужны везде, где люди имеют дело с очень яркими источниками света, слепящими глаза.

Конечно, необходимо было придумать такой светофильтр, который мог бы заменить закопченное стекло.

Оказалось, что это сделать совсем не сложно. Вводя в стекло сразу несколько металлов, главным образом никель и железо, можно получить серые стекла; они поглощают почти одинаково лучи всех цветов.

Темные стекла необходимы для многих целей.

Через темное стекло смотрят на ослепительно яркое пламя вольтовой дуги при электросварке. Без такого стекла сварщик очень скоро ослепнет.

Темные стекла вставляют в очки, которые носят люди с больными глазами. Для них даже обычный дневной свет слишком ярок и может сильно утомлять глаза, а иногда даже вызвать слепоту.

Путешественники и туристы, которые проводят много времени на освещенных солнцем снежных пространствах, также должны предохранять свои глаза от ослепительно яркой белизны снега.

Темносерые стекла ослабляют лучи всех цветов равномерно. Сквозь обычные темные очки всё видно, как в сумерки, а в сумерки все цвета теряют свою чистоту и меньше отличаются друг от друга.

Иногда же бывает необходимо совершенно отчетливо разглядеть всё, что находится на освещенных солнцем, ослепительно ярких пространствах воды, неба или снежных равнин. Тогда применение обычных серых очков уже не поможет. Для этого случая нужны были бы такие очки, которые и глаза защищают и в то же время не сглаживают, а, наоборот, усиливают различие в окраске предметов.

Оказалось возможным справиться и с этим. Удалось получить такие стекла, которые имеют серую окраску, — значит, защищают глаза и в то же время не ослабляют, а, наоборот, делают более заметным различие в цвете. Для этого надо, чтобы не все цвета ослаблялись одинаково, а только некоторые, называемые дополнительными. Эти стекла назвали цветоконтрастными.

0

53

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

ДНЕВНОЙ СВЕТ ВЕЧЕРОМ

Конечно, все замечали, что вечерний электрический свет, даже и очень яркий, всё-таки отличается от дневного, солнечного света. Это происходит потому, что электрические лампочки, в которых свет получается за счет накаливания металлической нити, дают много красных и желтых лучей и мало синих. Поэтому электрический свет, желтый, а не белый.

При электрическом свете многие краски выглядят не так, как при дневном.

Если художник напишет картину при электрическом свете, то днем она будет выглядеть совсем иначе. Может случиться, что тело вместо розового получится лиловатым; трава будет не зеленая, а синезеленая, не похожая на натуральную зелень, и всё в таком роде.

Наоборот, то, что должно рассматриваться при вечернем свете, например декорации для театра, надо и писать вечером, чтобы цвета не искажались и оставались такими, какими их хотел изобразить художник.

Это не очень-то удобно. Нельзя же писать отдельные картины для дневного и электрического освещения и любоваться ими в специальных вечерних или дневных картинных галереях.

Здесь пришла на помощь наука о светофильтрах.

Ученые точно установили, сколько и каких лучей не хватает в электрическом свете по сравнению с солнечным. Когда это стало известно, то удалось сделать такое стекло, которое поглощает определенное количество красных и желтых лучей в электрическом свете и пропускает целиком все синие. Дневной свет через такое стекло выглядит голубым. Если же из него сделать колпак на обычную электрическую лампу, то свет от нее будет совсем белый, как дневной.

Такими стеклами пользуются везде, где надо вечером создать впечатление дневного света. Их так и назвали стеклами дневного света.

0

54

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

СТЕКЛО СЕВЕРА И СТЕКЛО ЮГА

В 1800 году английский астроном Гершель решил узнать, какие лучи несут больше всего тепла. Он пропустил солнечный свет через призму, так что получился спектр. Затем в различных местах спектра он положил термометры.

А один из термометров он положил за красной полоской спектра, там, где было темно.

Вскоре все термометры нагрелись.

В зеленой полоске спектра ртуть термометра поднялась на три градуса, в фиолетовой — на два. А больше всего — почти на семь градусов — поднялась она в том термометре, который лежал в темноте.

Это было очень странно.

Много раз повторяли этот опыт, и каждый раз больше всего нагревался тот термометр, который оставался в темноте, за красной полоской.

Это можно было объяснить только так: спектр на самом деле шире, чем его видят наши глаза. По соседству с красными лучами имеются еще какие-то, невидимые нами, лучи. И эти-то лучи несут больше всего тепла.

Так были открыты невидимые лучи, лежащие за красной полоской спектра. Назвали эти лучи инфракрасными.

Не прошло и года, как были открыты другие невидимые лучи, те, что находятся за другим краем спектра, по соседству с фиолетовой полоской.

На эти лучи указал не термометр: ультрафиолетовые лучи несут очень мало тепла. Их уловила фотопластинка: она потемнела там, где ее коснулись эти лучи.

Кто бы мог подумать прежде, что кроме видимого нами света есть еще и такой, который мы не видим?

Инфракрасных лучей мы не видим, но всё же мы их чувствуем: ощущаем их теплоту. Ультрафиолетовые лучи мы не ощущаем никак. А между тем эти лучи — очень сильные: они, например, убивают бактерии.

Человеку такие лучи — конечно, не в чрезмерном количестве — полезны. Недаром их называют «лучами жизни».

И вот, оказывается, эти «лучи жизни» не могут проникнуть к нам в комнаты. Стены домов задерживают большую часть всего солнечного света, а стекла в окнах, пропуская видимые лучи, задерживают примерно половину ультрафиолетовых. Значит, в комнаты проникает ультрафиолетового света во много раз меньше, чем содержится его в солнечных лучах, доходящих до земли. Понятно, что человек, не выходящий из комнаты, не может загореть, даже если комната считается солнечной.

Тот, кто проводит большую часть времени в помещении, расплачивается за это — особенно, если он живет на севере,— малокровием. Еще хуже приходится детям: кости у них не крепнут и ножки становятся кривыми. И всё это из-за недостатка ультрафиолетовых лучей!

Как, было бы хорошо, если бы можно было создать «искусственное солнце» в комнате, то есть источник света, излучающий необходимые человеку ультрафиолетовые лучи!

Ультрафиолетовых лучей очень много содержится в лампах, в которых свет дают пары ртути, когда через них проходит электрический ток. Но для того, чтобы эти лампы могли заменить солнечный свет, их стеклянная трубка должна хорошо пропускать ультрафиолетовые лучи.

Оказывается, такое стекло можно сварить не из обычной смеси соды, извести и песка, а из кварца.

Лампы из кварцевого стекла изливают целые потоки ультрафиолетового света.

В каждой больнице имеются теперь специальные лампы из этого стекла; их называют «горным солнцем». Болезни боятся их света: раны быстрее затягиваются, воспаление проходит, малокровие исчезает.

Из кварцевого стекла делают в больших количествах трубки для ртутных ламп, а большие тонкие листы делать еще не научились. А хорошо было бы по возможности пропустить ультрафиолетовую часть солнечного света через оконные стекла в комнаты. Нельзя ли всё же сделать оконное стекло прозрачным для ультрафиолетовых лучей?

Это была не легкая задача, но химики ее разрешили.

Химики начали с того, что попытались узнать, какое же вещество из тех, что составляют стекло, задерживает ультрафиолетовые лучи. Оказалось, что ни песок, ни известь, ни сода в этом не виновны. Виновно железо, — ничтожная примесь железа имеется в стекле.

Наоборот, примесь борной кислоты облегчает ультрафиолетовым лучам прохождение сквозь стекло.

Узнав это, химики составили особый рецепт стекла, такого стекла, в котором почти нет железа и много борной кислоты. Это стекло назвали увиолевым.

Так химики разрешили трудную задачу: создали стекло, прозрачное для ультрафиолетовых лучей.

Казалось бы, недалеко то время, когда в окна можно будет вставлять увиолевое стекло и в комнату впервые за тысячи лет вольется настоящий, оздоравливающий солнечный свет.

Но, к величайшему огорчению ученых и врачей, оказалось, что в больших городах, над которыми всегда поднимается дым и копоть многочисленных заводов, утьтрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются в атмосфере, и до нас доходит солнечный свет, почти лишенный целебных ультрафиолетовых лучей.

Так что вставлять в окна городских домов увиолевые стекла бесполезно. Но зато за городом, в больницах и санаториях, где лечатся и отдыхают больные, конечно, надо стараться использовать весь ультрафиолетовый свет. Особенно это важно на севере, где солнце не так щедро и его свет надо ловить и ценить.

Но только разрешили ученые, задачу получения стекол, пропускающих ультрафиолетовые лучи, как перед ними встала другая, обратная: создать стекло, совершенно не пропускающее эти лучи.

Мы уже говорили, что обычное стекло пропускает очень мало ультрафиолетового света. Но даже и это малое количество невидимого света может иногда натворить большие беды.

В витрине магазина выставлены красивые пестрые ткани. Их заливают потоки солнечного света. Не пройдет и десяти дней, как краски заметно поблекнут, дорогие ткани «выгорят». Это сделали ультрафиолетовые лучи.

В просторных залах библиотеки имени Ленина в Москве бережно хранятся рукописи и письма великих русских писателей: Пушкина, Гоголя, Толстого, Горького. В широкие окна льется солнечный свет, а с ним и ультрафиолетовые лучи. Чернила бледнеют и выцветают, сама бумага желтеет. Если не принять мер, то через месяц вместо драгоценного документа у нас окажется простой листок бумаги: все, что на нем было написано, исчезнет бесследно.

Можно ли сделать стекло совершенно непрозрачным для ультрафиолетовых лучей?

Казалось бы, проще всего сварить стекло с большой примесью железа; ведь именно железо задерживает эти лучи. Но такое стекло было бы зеленым, оно плохо пропускало бы и видимый свет.

Химики нашли среди «редких земель» такие, которые задерживают ультрафиолетовый свет еще сильнее, чем железо. Сварили стекло с примесью этих веществ. Получилось стекло бесцветное и не пропускающее невидимых лучей.

Такое стекло изготовляют теперь специально для музеев и библиотек.

Инфракрасные лучи тоже причиняют подчас большие неприятности.

Больному делают сложную операцию. Над столом висит очень мощная лампа: хирургу надо отчетливо видеть все кровеносные сосуды и нервы, идущие к больному органу. Но всякая лампа дает не только обычные, а еще и инфракрасные, тепловые лучи. И вот в операционной становится жарко, как в бане, хирургу работать тяжело, лампа обжигает и сушит рану.

Нужно было как-то обезвредить лампу: придумать фильтр, который задерживал бы тепловые лучи. Конечно, таким фильтром могло быть только стекло.

Химики сумели создать и такое стекло.

В этом случае железо сослужило полезную службу. Ни один другой металл не задерживает инфракрасные лучи так хорошо, как железо, если одновременно с железом в стекло добавить немного угля и металлического олова или цинка. При этом железо окрашивает стекло довольно слабо в зеленовато-голубой цвет. Поэтому теплозащитное стекло, избавляя от теплового действия инфракрасных лучей, почти не искажает окраску рассматриваемых через него предметов.

Такое стекло нужно не только в операционных. Теплозащитные светофильтры используются, например, в кинопроекционных аппаратах. Дело в том, что цветные киноленты менее прозрачны, чем черно-белые, и для того, чтобы цветное изображение на экране было достаточно ярким, надо иметь в кинопроекторе очень мощный источник света. Но такие источники света вместе с мощным потоком света излучают и очень много тепла.

Сильный перегрев очень вреден для цветной пленки: она пересыхает, краски ее выцветают. Понятно, что при таких условиях пленка очень быстро портится, а ведь картина должна жить как можно дольше, чтобы ее посмотрели во всех уголках страны. Как же сохранить кинопленку? И здесь также помогло теплозащитное стекло; его ставят между источником света и кинолентой. Стекло поглощает почти все тепловые лучи, и пленка не перегревается.

Очень полезны теплозащитные стекла и тогда, когда людям приходится работать рядом с печами, от которых пышет жаром.

Но у всех теплозащитных стекол есть один существенный недостаток. Ведь когда стекло поглощает тепло, оно само нагревается. Чем дольше находится теплозащитное стекло на пути тепловых лучей, тем сильнее оно нагревается. Наконец температура стекла становится настолько высокой, что оно само делается источником тепла.

Многие, не учитывая собственного нагревания теплозащитных стекол, считали, что на юге, где летом очень жарко, надо вставлять в окна домов и веранд теплозащитные стекла, и тогда в помещениях будет приятная прохлада. Однако это не совсем так. Поглощая солнечные лучи, стекла постепенно накалятся, и от них начнет излучаться тепло, как от жарко натопленных печек. Ясно, что в этом случае значительной защиты от тепловых лучей не получится.

Для защиты помещений от перегрева солнцем было бы значительно интереснее иметь стекла, которые не поглощают, а отражают тепловые лучи. Обыкновенное зеркало получается при нанесении на стекло тончайшего слоя алюминия или другого металла. Блестящая поверхность металла отражает почти весь падающий на нее видимый свет. Можно найти и нанести на стекло такие пленки, которые будут пропускать все видимые лучи и отражать тепловые.

Такие инфракрасные зеркала почти не нагреваются и смогут служить надежной защитой от тепловых лучей как угодно долго.

0

55

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

НЕВИДИМЫЙ СВЕТ

Но не всегда инфракрасные лучи излишни. Бывают и такие случаи, когда нам нужны именно эти лучи, а не видимый свет.

Инфракрасными лучами пользуются, например, на войне. На фотопластинке, чувствительной к этим лучам, можно снять — в полной темноте — военный лагерь противника, город, военный корабль. Через туман невидимые инфракрасные лучи проникают лучше, чем видимые, и они противнику незаметны.

Их пускают узким пучком, как луч прожектора, и такую передачу сигналов противнику очень трудно перехватить. Во всех таких случаях нужна лампа, дающая только инфракрасные лучи.

Однако лампы, которая давала бы лишь одни эти лучи, нет. Всякая лампа испускает и видимые и невидимые лучи. А ведь если к пучку невидимых лучей примешаются видимые, сигнализация сразу станет заметной, ее увидит неприятель.

Надо, значит, задержать на этот раз видимый свет, а пропустить одни только инфракрасные лучи. Это делает особое, черное — с добавкой марганца и хрома — стекло — марблит. Лампа, сделанная из этого стекла, совсем не светит, хотя бы она была светосилой в тысячи свечей. Марблит задерживает видимый свет. Зеркальный отражатель с таким стеклом пропустит только инфракрасные лучи.

Не менее важным стеклом, открывшим перед учеными новые возможности, оказалось стекло, которое поглощает все лучи, кроме ультрафиолетовых. Если через такое стекло смотреть даже на ярко освещенные предметы, то их будет совсем не видно, а ультрафиолетовые лучи оно будет пропускать очень хорошо. Этим стеклом воспользовались, чтобы отфильтровать — выделить один только ультрафиолетовый свет.

Если источник света, например ртутную дугу, заключить в фонарь с таким стеклом, то в комнате будет почти совершенно темно, конечно, если перед этим закрыть черными шторами окна. Но вот вы вошли в комнату, немного присмотрелись и привыкли к темноте, и тогда вы будете наблюдать очень интересные явления. Прежде всего вы увидите, что на темном фоне лиц окружающих вас людей светятся яркими голубовато-белыми пятнами белки глаз и зубы, а также ногти на руках. Некоторые предметы, за которыми раньше, при обычном свете, не наблюдалось ничего особенного, также начинают светиться необычным, каким-то совсем особенным, волшебным светом, и при этом окраска его очень разнообразна.

Многие кристаллические вещества, природные минералы, растворы органических красителей, а также многие сорта стекол светятся голубым, зеленым, желтым, красным, — словом, всеми цветами спектра. Это так красиво, что те, кто видят это замечательное явление в первый раз, обычно не могут оторвать глаз от волшебной игры красок.

Особенно замечательно то, что светится вся глубина вещества, а не только его поверхность. Это явление свечения различных веществ при освещении их ультрафиолетовым светом называется люминесценцией.

Наука о люминесценции многим обязана крупнейшему советскому физику, академику С. И. Вавилову и его ученикам.

Люминесценцию сейчас очень часто можно видеть в театрах. Никакими другими световыми эффектами и техническими приспособлениями нельзя изобразить всевозможные сказочные превращения и волшебства так красиво и просто, как с помощью люминесценции. Если на темной сцене вдруг распускаются чудесные светящиеся цветы или вырастают роскошные дворцы, — это значит, что в рампе зажгли ртутные лампы, закрытые черным стеклом, пропускающим только ультрафиолетовые лучи. Цветы же и дворцы были нарисованы на декорациях заранее особыми составами, которые светятся под действием ультрафиолетовых лучей, а при обычном свете их совсем не видно.

Люминесценция не только эффектное, красивое зрелище. Это целый огромный мир, который открылся ученым совсем недавно, всего лишь несколько десятилетий назад. А сейчас наука о люминесценции бурно развивается и проникает в самые разнообразные отрасли науки, промышленности и искусства.

С помощью люминесценции изучают законы строения вещества и изменений, происходящих в них. Открывают ничтожные тримеси различных металлов в рудах. По характеру и цвету люминесценции различают совершенно одинаковые по внешнему виду материалы, обнаруживают дефекты в металлических деталях, определяют всхожесть семян и т. д.

Очень важные результаты дала науке микроскопия в ультрафиолетовых лучах. Оказалось, что многие микроорганизмы и клетки, если их рассматривать под микроскопом в ультрафиолетовом свете, становятся очень хорошо видны благодаря тому, что они сильно люминесцируют различными цветами. При рассмотрении же в обычном белом свете их часто совсем нельзя различить, потому что они не отличаются по цвету от окружающей среды.

С помощью люминесцирующих веществ даже превращают энергию ультрафиолетовых лучей в видимый свет.

Что же это за черное стекло, с помощью которого можно видеть невидимый свет и выделять одни только ультрафиолетовые лучи из солнечного света или другого источника света? Это стекло прежде всего должно быть изготовлено из очень чистых материалов, таких же чистых, как те, из которых изготовляют бесцветные, прозрачные для ультрафиолетовых лучей стекла. К такому чистому стеклу добавляют довольно много никеля и кобальта, которые так сильно окрашивают стекло, что оно кажется совсем черным, но для ультрафиолетовых лучей оно остается еще очень прозрачным.

Есть еще лучи Рентгена. Ими просвечивают тело насквозь, так что становятся видны внутренние органы и кости. Кроме того, они излечивают многие болезни.

Однако эти лучи в то же время очень опасны.

Первой жертвой их был ученый Халл-Эдуарс. Он начал исследования рентгеновских лучей в 1896 году, вскоре после того, как они были открыты.

Спустя некоторое время доктор Халл-Эдуарс заметил на своей руке небольшую язву. Затем появились одна за другой еще несколько язв. Лечение не помогало. Язв становилось всё больше, он начал сильно страдать.

Только тогда он понял, как лукавы эти новые лучи. Они исцеляли пациентов, но уничтожали мышцы и кости врача. В конце концов ему пришлось отнять руку.

С тех пор врачи, работающие у рентгеновских аппаратов, стали защищаться свинцовым экраном: свинец — это как бы защитная броня, он не пропускает рентгеновских лучей. Но через свинец ничего не увидишь. Нужна была прозрачная броня.

На помощь опять пришли химики-стеклотехники. Они сварили стекло с большой примесью свинца. Плитки из такого стекла прозрачны для световых лучей и непроницаемы для рентгеновских.

0

56

Ц В Е Т Н О Е   С Т Е К Л О

РУБИНОВЫЕ ЗВЕЗДЫ И ЗОЛОТОЙ ШПИЛЬ

На старинных башнях московского Кремля день и ночь сверкают пять рубиново-красных пятиконечных звезд. Эти звезды неразрывно связаны с Москвой — столицей Советского Союза. Они являются как бы символом свободы и могущества великого советского социалистического государства.

Рубиновые звезды зажглись в 1937 году и являются выдающимся достижением техники.

Стекло играет немаловажную роль в этом сооружении. Звезды сделаны из яркокрасного рубинового стекла. Это рубиновое стекло получается путем введения в его состав не дорогого золота или капризной меди, а селена в комбинации с другими химическими соединениями. Его и называют селеновым рубином.

Селеновые рубиновые стекла обладают очень красивой, яркой окраской и имеют одно очень важное и интересное свойство. Меняя соотношение между количествами красителей, можно получать желтые, оранжевые, красные и совсем темно-красные стекла. Селеновые стекла много дешевле, чем золотые, а по красоте цвета не уступают золотым и значительно превосходят медные. Селеновые рубины узнали и научились варить совсем недавно, каких-нибудь три десятка лет назад, а сейчас они уже почти полностью вытеснили старые золотые и медные рубины.

Для того, чтобы звезды были красивого красного цвета не только ночью, но и днем, их сделали из светлокрасного стекла и положили на слой молочно-белого стекла.

Стекла вставлены в металлический каркас. Размер звезд в поперечнике достигает 3 — 4 метров. Внутри каждой звезды установлена лампа мощностью в 5000 ватт. Чтобы звезда светилась равномерно по всей поверхности, свет лампы направляется в каждый луч звезды системой стеклянных призм, подобных тем, которые применяются в маяках. А чтобы лампа и стекла не перегревались, снизу их обдувают специальные вентиляторы.

Таких красивых, постоянно действующих сооружений из стекла нет нигде в мире.

Нельзя не рассказать еще об одном интересном и новом опыте применения цветного стекла для оформления архитектурного сооружения.

В прежнее время некоторые здания венчались шпилями, сверкавшими, на солнце своей позолотой. Такими золочеными шпилями украшены здания Адмиралтейства и Петропавловской крепости в Ленинграде. Нелегко поддерживать в порядке эти шпили. Тонкий слой позолоты сходит довольно быстро, и шпиль тускнеет и темнеет. А производить золочение на месте очень сложно. Поэтому теперь золоченых шпилей не делают.

Но архитектура новых зданий иногда требует завершения острым, уходящим в небо шпилем. Из чего же можно сделать шпиль, более дешевый и прочный, чем золоченый, и не уступающий ему по красоте? Конечно, из стекла. Такой стеклянный золотой шпиль и увенчал высотное здание Дворца науки — Московского университета имени М. В. Ломоносова.

Красителей, окрашивающих стекло в золотой цвет, нет.

Каким же образом сделали золотой стеклянный шпиль?

Очень просто. Грани шпиля сделали из яркожелтых стекол, а их внутреннюю поверхность покрыли тонким слоем алюминия. Получилось золотое, сверкающее зеркало.

Глядя на шпиль университета снизу, никто и не догадается, что это не золото, а стекло.

Этот шпиль даже красивее золотого, потому что больше блестит. А жить этот шпиль будет много дольше, чем золотой. Ведь наружный слой стекла хорошо предохраняет зеркало от дождя и снега, и оно всегда будет оставаться блестящим.

Как видно, возиться с позолотой теперь совсем не нужно. Наверное, такой способ украшения зданий со временем будет широко использоваться.

Вот как высоко забрались цветные стекла и как они исправно служат на своих местах.

0

57

Ф а ц е т

http://sa.uploads.ru/t/lCfsc.jpg

Фацет - это декоративный вид обработки кромки стекла и зеркала путем снятия фаски под углом.

Фацет представляет собой снятие фаски заданной ширины под определенным углом.

Фацет может быть полированным или шлифованным

Угол фацета может быть от 5 до 20 градусов, а его ширина - от 10 до 45 мм.

Кроме того, возможно нанесение фацета с двух сторон
Лучи света, проходящие через скошенную грань, преломляются и тем самым создают изумительные визуальные эффекты.

Комбинация нескольких изделий с такой кромкой позволяет осуществить интересные дизайнерские решения.

0

58

Все о хрустальной посуде

Ни одно торжество, и, тем более, праздник Новый Год, не обходится без красивой сервировки стола элегантными бокалами. Если в советские времена посуда из хрусталя и стекла считалась дефицитом, то сейчас ее могут позволить все. Однако сегодня хрусталь не так популярен как раньше и на его место пришла более прочная и легкая утварь. С чем это связано? И все ли мы знает о благородном хрустале?

https://winestreet.ru/off-line/article/450/1.jpg

Хрусталь — это

Хрусталь является одной из разновидности стекла. Хрусталем можно назвать также и чистое качественное стекло. Современному стеклоделию более чем 5 тысяч лет, а технология производства осталась все такая же и не претерпела особых изменений. Любой алкогольный напиток — вино или шампанское — приобретает совсем иное «звучание», когда им наполняется хрустальный бокал.

История возникновения хрусталя начинается с XVII века в Англии. Здесь в состав стекла стали добавлять свинец, который придавал хрусталю прочность и блеск. Стенки сосуда обладали большим коэффициентом преломления света, а потому можно было наблюдать все цвета радуги. Благодаря своей прочности хрусталь легко поддается огранке. Обычно все сырьевые компоненты варятся при температуре 1500 градусов по Цельсию. После жидкую форму стекла обрабатывают вручную или при помощи специальных машин.

Обычное же стекло получают путем соединения окиси разных металлов с кварцем. Главный составной элемент — это двуокись кремния, которую получают из кварцевого песка. Раньше также добавляли либо мел, либо известь, чтобы стекло было тонким и имело лучший блеск. Сейчас данная технология не применяется или в редких случаях.

Традиционно хрустать обрабатывают алмазной гранью, так как материал более мягкий и лучше поддается изменениям. Применяют и метод украшения — гравировку, а полученный при этом рисунок нельзя полировать. Любой нанесенный узор никак не отражается на вкусе алкоголя.

Виды хрусталя

    Свинцовый. В составе присутствует окись свинца до 36%. Этот тип хрусталя появился около 350 лет назад в Лондоне. Имеет неоспоримые преимущества: невозможно разрушить кислыми жидкостями или содержащими в составе щелочь или спирт, абсолютно безопасен для здоровья и не выделяет вредных веществ. Варится он при температуре 1500 градусов.
    Горный. Самый природный кварц, который нашли высоко в горах и принимали по началу за окаменевший лед. Горный хрусталь отличается своим блеском, прочностью, прозрачностью и привлекательным внешним видом. Не зря сейчас этот вид благородного камня применяется для изготовления линз, ювелирных изделий и дорогой утвари. Существует и так называемый Дымчатый хрусталь или Раухтопаз, имеющий серо-коричневые оттенки. Морион — интереснейший вид черного хрусталя.
    Бариевый. По своему составу и качествам напоминает свинцовый, только здесь вместо свинца — барий.
    Богемский. Хрусталь, не содержащий свинец, и являющийся калиево-кальциевым стеклом.

https://winestreet.ru/off-line/article/450/3.jpg

Что придает цвет?

Хрусталь может быть как прозрачным, так и цветным. Свою оттеночную окраску он получает с помощью специальных добавок в свой состав. Например, синий получается благодаря добавлению кобальта, красный — кадмия или золота, если добавить кремний, то получится розовый хрусталь, если железо — желтый или голубовато-зеленый, окись меди и оксилы марганца дают фиолетовый и зеленый оттенки. При добавлении чистого марганца получим ярко-желтый цвет, травянисто-зеленый — при хроме, желто-зеленый — при уране.

Для украшения хрусталя применяют некоторые виды декорирования. Это в первую очередь украшение с помощью золота (самый распространенный). Берется фольга и вплавляется внутрь стекла или покрывается снаружи. Более простой способ и бюджетный — роспись окисью золота. Вторым способом декорирования является травление (сатинирование). Травлению подвергают или всю поверхность, или только рисунок. В основе техники — обработка плавиковой кислотой, которая делает стекло более блестящим. Для любителей матовой поверхности применяют технику матирования с помощью острозернистого песка.

https://winestreet.ru/off-line/article/450/4.jpg

Уход и меры предосторожности

Как и любая хрупкая посуда, бокалы из хрусталя требуют ухода. Чтобы не потерять блеск и цвет всегда оставался таким ярким необходимо следовать некоторым советам:

    При небольших загрязнениях подойдет обычное средство для посуды и мягкая безворсовая ткань.
    Если в воду добавить пару капель уксуса или спирта и протереть этим раствором хрусталь, то он снова засверкает как новый. Протирать рекомендуется тканью из вельвета или бархата. Они не оставят разводов.
    Хрусталь, который долго не вынимался из серванта и покрылся толстым слоем пыли нужно положить в воду, где ранее варился картофель. После насухо вытереть.
    Мутные разводы поможет убрать раствор из соли и уксуса. Это касается в первую очередь хрустальных ваз, где стояли цветы.
    Запомните! Чтобы хрусталь не помутнел — не мойте его в горячей воде.
    Налет от вина можно убрать, если в графин налить немного теплой мыльной воды. Добавить чуть соды и дать настояться. После хорошенько встряхнуть и ополоснуть.
    Во избежание подтеков на посуде, ее не оставляют сушиться, а тщательно протирают салфеткой или полотенцем.

0

59

Декантер http://sf.uploads.ru/t/zdmYq.gif

Декантер (англ. Decanter) — стеклянный  графин для подачи вина с налетом шика.
http://sa.uploads.ru/t/SxfR1.jpg

Зрелые вина нуждаются в декантации для отделения пигментационного осадка, выпавшего со временем хранения на дно бутылки.
Декантеры представляют собой графины из стекла, применяемые в процессе декантации вина. Декантация — это процесс переливания вина из бутылки в специализированный сосуд. Декантация или декантирование решает такие вопросы:

    Возможность получить очищенный продукт, без осадка (который содержит смешение продуктов распадов различных составляющих).
    Позволяет несозревшим винам дополнительно окислиться, что благоприятно сказывается на их органолептических свойствах.  Напиток получит наиболее тонкий вкус и станет приятней при дегустации.
    Делает из сервировки вина эстетическое действо. В изысканном стеклянном графине оно выглядит головокружительно.

http://sf.uploads.ru/t/zdmYq.gif

В преддверии новогодних праздников, когда невозможно обойтись без бокала хорошего вина, предлагаем обсудить некоторые процессы употребления этого чудесного напитка, который называют «солнце в бокале». Чтобы быть, так сказать поближе к уже готовому вину, давайте поговорим о последних стадиях процесса. Для очистки вина от суспензии применяют специальный тип стеклянного графина, который называется декантер - загадочный для многих сосуд.

http://winessa.ru/images/product_images/popup_images/1945_2.jpg

Какая форма декантера предпочтительна для определенных вин и почему

Огромное значение при декантации имеет форма декантера. В настоящее время производят декантеры самых разнообразных, порою даже причудливых форм. Созревшие красные и белые вина, которые выдерживали много лет, естественно, содержат осадок (наиболее часто — «винный камень»). Конечно, выпавший на дно бутылки осадок лишний раз доказывает, что напиток имеет многолетнюю историю, но при этом все-таки несколько ухудшается внешний вид. Вот тут декантер окажется весьма кстати. Декантеры, которые предназначены для таких вин, всегда делают с узким горлом, а основание выполняют шарообразной формы.

http://theposuda.ru/upimg/small/76102.jpg
http://static-eu.insales.ru/images/products/1/6747/55966299/dekanter-dlya-vina-900-ml-riedel-duck-avstriya-s-vinom.jpg

К этой форме относят декантеры в виде утки, похожие на классический «пузатый» графин со стеклянной пробкой.

Декантеры, имеющие горло в виде воронки и с широким основанием, предназначаются для молодых красных вин, еще не проявивших своих возможностей. Перелитое вино должно располагаться не выше уровня широчайшей части емкости. При переливке вино смешивается с кислородом воздуха, что позволяет раскрыться вкусу и аромату. Декантеры для таких вин выпускаются без пробок и крышек. Вкус и аромат переливаемого напитка напрямую зависит от площади, которая находится в контакте с кислородом воздуха.

https://reywood.ru/netcat_files/340/539/ultradecant_1_2.jpg

0

60

Немного об истории появлении декантера http://s3.uploads.ru/t/NnCuR.gif

Удивительно, но такими сосудами любители вина пользовались еще до нашей эры. Тогда декантеры изготавливали из керамики. Это были всем известные амфоры. Их наполняли вином, перед подачей на стол. Археологические раскопки дают повод утверждать, что стеклянными декантерами охотно пользовались в Древнем Риме. После того как толпы варваров пошатнули, а потом разгромили Римскую империю, производство стеклянных сосудов резко упало. Посуду из стекла стали заменять бронзовой, медной или фарфоровой. Центр стеклопроизводства потихоньку переместился в Венецию. Местные мастеровые с большим успехом улучшили процесс производства стекла. Их стекло высоко ценилось и было отменного качества.

    Венецианцы додумались изготовить необычную бутыль с широким низом и длинным горлышком. Такую емкость стали использовать для очищения вина.

http://s5.uploads.ru/t/9py8j.jpg

Декантер, имеющий именно такую форму, до сей поры считают традиционным и применяют повсеместно.

0