Что такое ускоритель частиц? Как это работает?
Ускоритель частиц — это устройство, которое ускоряет субатомные частицы до высоких скоростей, используя электромагнитные поля. Он генерирует пучок заряженных частиц, который используется в многочисленных исследовательских целях.
История ускорителя частиц восходит к 1930 году, когда ученые разработали трансформатор на 200 000 вольт и ускоряли протоны по прямой траектории. Хотя машина не выполнила свое предназначение, она начала поиски ускорителей частиц более высокой энергии, которые продолжаются и по сей день.
Ускоритель частиц — это большое устройство, которое продвигает субатомные частицы на высоких скоростях, используя электрические и магнитные поля. Для более технически склонных умов это машина, которая ускоряет электрически заряженные частицы, близкие к скорости света, и удерживает их в четко определенных лучах, используя электромагнитные поля.
В 20-м веке ускорители частиц были названы атомными разрушителями. Название сохраняется, несмотря на то, что современные ускорители создают столкновения между двумя субатомными частицами, а не атомными ядрами.
Столкновения таких частиц могут помочь ученым понять, как работает Вселенная. Ускорители частиц высоких энергий чрезвычайно полезны для фундаментальных и прикладных исследований в различных областях, от электроники и медицины до международной безопасности.
Мы рассмотрели некоторые из наиболее интересных фактов и статистических данных о современных ускорителях частиц, которые пробудят в вас интерес к физике частиц. Давайте начнем с основного.
Типы ускорителей частиц
Существует два основных типа ускорителей:
1) Электростатические ускорители: используйте статические электрические поля для увеличения скорости заряженных частиц. Положительная частица притягивается к отрицательно заряженной пластине, а отрицательная частица притягивается к положительно заряженной пластине.
Они простые, менее дорогие и имеют ограниченный выход энергии, что означает, что они не могут разогнать частицы до чрезвычайно высоких скоростей. Максимальная кинетическая энергия частиц зависит от ускоряющего напряжения, которое ограничено явлением, называемым электрическим пробоем.
Генератор Ван де Граафа и генератор Кокрофта-Уолтона являются наиболее распространенным примером электростатических ускорителей. Катодно-лучевая трубка любого старого компьютерного монитора является небольшим примером ускорителя этого типа.
2) Электродинамические ускорители: используйте изменяющиеся электромагнитные поля (либо колеблющиеся радиочастотные поля, либо магнитную индукцию) для ускорения частиц.
В этих устройствах частицы пропускаются через одно и то же электромагнитное поле несколько раз, поэтому они могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем в электростатических ускорителях. Максимальная кинетическая энергия частиц не ограничена напряженностью ускоряющего поля.
Эти ускорители можно подразделить на два класса:
- Линейный, в котором частицы ускоряются по прямой
- Циркуляр, в котором частицы изгибаются на приблизительно круговой орбите с помощью магнитных полей. Частицы движутся по этой орбите, пока не достигнут достаточной энергии.
Как это работает?
На базовом уровне ускорители частиц генерируют пучок заряженных частиц, который используется для многочисленных исследовательских целей. Обычно пучок состоит из заряженных субатомных частиц (таких, как протоны и электроны), но в некоторых случаях используются целые атомы более тяжелых элементов (таких, как уран и золото).
Например, в кольцевых ускорителях частицы непрерывно ускоряются в круглой трубе. Напряженность электрического поля увеличивается с каждым проходом, повышая уровень энергии пучка частиц.
Когда частицы достигают необходимой скорости, цель (например, тонкий кусок металлического листа) помещается в их дорожку, где детектор частиц анализирует столкновение.
В целом, существует 6 ключевых компонентов в ускорителях частиц:
А) Частица S : обеспечивает ускорение частиц (таких, как электроны или протоны). Один баллон с газообразным водородом, например, может быть источником частиц. Один атом водорода содержит один электрон и один протон.
Б) Металлическая труба: содержит вакуум, в котором движется пучок частиц. Вакуум поддерживает беспыльную среду для беспрепятственного перемещения электрически заряженных частиц.
С) Электромагниты: контролируют движение частиц, когда они проходят через металлическую трубу.
Д) Электрические поля: регулярно переключаются с положительного на отрицательный. Это генерирует радиоволны, которые ускоряют заряженные частицы.
E) Цели: когда частицы достигают желаемой скорости, они сталкиваются с неподвижной целью. Иногда сталкиваются два пучка частиц.
F) Детекторы: регистрируют столкновение частиц и выявляют радиацию или субатомные частицы, генерируемые в процессе.
Самые большие ускорители частиц в мире
В настоящее время в мире действуют более 30 000 ускорителей частиц. Из них 44% используются для лучевой терапии, 41% для ионной имплантации, 9% для промышленной обработки и 4% для низкоэнергетических и биомедицинских исследований. Только 1% существующих ускорителей способны генерировать энергии свыше одного миллиарда электрон-вольт или 1 ГэВ.
В настоящее время Большой адронный коллайдер является самым мощным ускорителем частиц в мире. Он способен ускорять два пучка протонов до энергии 6,5 тера электрон-вольт. Когда эти два мощных пучка сталкиваются, они создают энергию центра масс 13 тераэлектронвольт (ТэВ).
Карта Большого адронного коллайдера| ЦЕРН
Машина лежит в туннеле глубиной 175 метров. Это 27 километров в окружности, и его кольцо магнитов может создавать магнитное поле 8.36 Тесла.
Структура содержит более 1000 дипольных магнитов, которые удерживают частицы, движущиеся почти со скоростью света: одна частица движется по 27-километровому кольцу 11 000 раз в секунду.
Он был разработан Европейской организацией ядерных исследований в сотрудничестве с более чем 10 000 исследователей и сотнями лабораторий и университетов из более чем 100 стран.
Частица бозона Хиггса, которую иногда называют «частицей Бога», была обнаружена в Большом Адронном Коллайдере в 2012 году. В том же году физики сформировали кварк-глюонную плазму, которая могла достигать 5,5 триллиона градусов по Цельсию — самой высокой температуры, зарегистрированной рукотворной машиной.
Бозон Хиггса впервые наблюдался во время экспериментов на Большом адронном коллайдере | Изображение предоставлено: Designua / Shutterstock
В ближайшие годы эта гигантская машина позволит физикам проверить различные теории физики элементарных частиц, включая анализ свойств бозонов Хиггса, поиск новых элементарных частиц, предлагаемых суперсимметричными теориями, а также других загадок во вселенной.
Применение
От промышленности до энергоснабжения, от здравоохранения до безопасности — помимо научных исследований, существует несколько областей, в которых технологии, связанная с ускорением частиц, положительно влияет на жизнь людей.
Применение в медицине. Ежегодно миллионы пациентов получают диагностику и лечение на основе ускорителей в клиниках и больницах по всему миру. Ускоренные частицы (такие, как протоны, электроны или более тяжелые заряженные частицы) используются для уничтожения раковых клеток и создания детального изображения изнутри тела.
Потребительские товары: ускорители частиц в настоящее время используются в различных промышленных процессах, начиная от сшивания пластмассы для термоусадочной пленки и заканчивая производством компьютерных чипов.
В частности, ускорители ионных пучков используются для изготовления электронных микросхем и упрочнения поверхностей материалов, подобных тем, которые используются в искусственных соединениях. Ускорители с электронным пучком, с другой стороны, обычно используются для изменения свойств материала, таких как пластические модификации для обработки поверхности.
Национальная безопасность: ускорители играют важную роль в управлении запасами, проверке грузов и характеристике материалов. Они в основном используются для сканирования контейнеров и предметов и помогают идентифицировать оружие и другие опасные материалы.
Что еще они могут сделать?
Анализ столкновений частиц высоких энергий может быть полезным для фундаментальных и прикладных исследований в науке. Это может помочь физикам решить некоторые фундаментальные проблемы в физике, включая глубокую структуру пространства-времени и взаимосвязь между общей теорией относительности и квантовой механикой.
Столкновение двух протонов создает поток частиц мусора | CERN
Вот четыре основных вопроса, на которые ученые надеются ответить в течение следующих нескольких десятилетий:
- Существуют ли дополнительные измерения, предсказанные моделями теории струн?
- Какова природа темной материи?
- Как выглядела ранняя вселенная?
- Почему мы видим асимметрию между веществом и антивеществом во вселенной?
По словам Стивена Хокинга, технология, основанная на ускорителе частиц, является самой близкой вещью к машинам времени. В 2010 году он написал статью, объясняющую, как можно путешествовать во времени.
Угроза для планеты или будущее физики: все о Большом адронном коллайдере
Адронный коллайдер — это ускоритель, разгоняющий частицы высокой энергии почти до скорости света с помощью воздействия электромагнитных полей. Такое название устройство получило потому, что работает с определенным классом частиц — адронами (составными частицами, подверженными сильному ядерному взаимодействию) — и в процессе сталкивает их (англ. collider — сталкиватель).
Первый в мире адронный коллайдер ISR был запущен в 1971 году Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Устройство было небольшим — 943 м в длину, а максимальная энергия частиц, до которой оно могло их разогнать, — 28 ГэВ. В 1980-х годах работу ISR остановили и направили финансовые средства, которые уходили на его содержание, на строительство более мощного электрон-позитронного коллайдера. Последний проработал до 2001 года, пока его не сменил Большой адронный коллайдер — на сегодняшний день самый мощный ускоритель адронов в мире.
БАК находится на границе между Францией и Швейцарией, возле города Женевы, в тоннеле глубиной 100 м. Длина ускорителя — почти 27 км, а максимальная энергия частиц, до которой он может их разогнать, — 7 ТэВ, что почти в 230 раз больше, чем у первого адронного коллайдера.
Большой адронный коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире — в строительстве, которое длилось почти 10 лет, принимало участие более 10 000 ученых и инженеров из 100 стран. Затраты на создание БАК оцениваются в €4,6 млрд.
Сотрудники ЦЕРН создали онлайн-карту Большого адронного коллайдера, с помощью которой можно увидеть туннель, в котором он находится, и часть ускорительного кольца.
Для чего нужен Большой адронный коллайдер
В физике элементарных частиц есть важный постулат — Стандартная модель. Это теория, описывающая, как взаимодействуют элементарные частицы нашего мира: кварки, бозоны, лептоны, барионы. Ученым интересны эти отношения, потому что в результате них могут появиться новые или очень редкие элементы, которые плохо или вообще не изучены. Это, в свою очередь, позволит узнать больше о мире и его материи.
Чтобы открывать новые частицы, нужно проводить эксперименты. В этом ученым и помогают коллайдеры. Установки воспроизводят процессы, которые в действительности происходят в природе, то есть сталкивают друг с другом заряженные частицы материи — протоны с протонами или электроны с позитронами. После этого собранные данные фиксируются и передаются на компьютер. У ученых есть возможность детально изучить результаты взаимодействия заряженных частиц: обнаружить следы распада мюонов, пи- и К-мезонов и другие события, возникшие в коллайдере.
Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий имени В. И. Векслера и А. М. Балдина в Дубне, один из ведущих экспертов по кольцевым ускорителям и коллайдерам:
«Строительство Большого адронного коллайдера в ЦЕРН вызвало закрытие нескольких небольших ускорительных лабораторий почти по всей Европе: в Голландии, в Швеции, во Франции. Но Национальное научное сообщество на это пошло, потому что это был общеевропейский проект — с ним Европа становилась лидером в области физики высоких энергий.
В первую очередь от Большого адронного коллайдера ожидали обнаружение бозона Хиггса (элементарная частица с нулевым моментом импульса и нулевым зарядом, которая играет важную роль в Стандартной модели, и чье существование было предсказано задолго до обнаружения. — РБК Тренды). Но, конечно, ради одной частицы его строить не стоило. Основные серьезные надежды физики связывали с тем, что БАК откроет что-то неожиданное. Так, помимо изучения хиггсовского механизма, одной из задач был поиск микроскопических черных дыр. К сожалению, пока их не нашли».
Помимо поиска черных дыр и обнаружения бозона Хиггса, перед адронным коллайдером стоит еще несколько задач:
-
, то есть подтверждение теории о том, что у каждой элементарной частицы Вселенной есть суперсимметричный партнер. Если БАК сможет доказать это явление, то подтвердится, что Стандартная модель — не единственная теория устройства элементарных частиц, а лишь часть большой системы микромира. — самых тяжелых элементарных частиц. Их свойства недостаточно изучены и потому интересны физикам. , которая возникает при столкновении ядер свинца. Исследование этого явления поможет ученым построить более совершенные теории сильных взаимодействий частиц.
Как работает Большой адронный коллайдер
Большой адронный коллайдер — это ускорительное кольцо окружностью 27 км, оборудованное огромным количеством установок, каждая из которых выполняет свою функцию. Ускорительное кольцо можно условно разделить на восемь секторов, через которые проходят пучки частиц.
Пучки частиц поступают в Большой адронный коллайдер из предварительного ускорителя SPS — протонного суперсинхротрона, который их формирует, а затем впрыскивает в специальный отсек БАК. Внутри коллайдера протоны начинают циркулировать в противоположных направлениях по двум вакуумным трубам. По мере своего движения они пролетают через следующие установки ускорительного кольца:
- Ускорительная секция. Протонные пучки впрыскиваются в БАК на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри коллайдера. С каждым новым оборотом через ускорительную секцию протоны получают дополнительную энергию.
- Система сброса пучка. Эта установка останавливает и выводит из БАК протонный пучок, если он отклоняется от заданной траектории.
- Чистка пучка. По мере движения протонного пучка по вакуумной трубе некоторые его частицы могут отклониться. Система очистки пучка отсекает их, не задевая основную часть пучка.
- Детекторы. Основная задача этих установок — зафиксировать результат взаимодействия частиц и передать соответствующую информацию в цифровом виде в центр управления ЦЕРН.
Анатолий Сидорин:
«Детектор — это огромное количество электроники, по сигналам которой можно отследить сорта частиц, образованные при столкновении пучков протонов, а также их параметры: энергию, направление движения и так далее.
Все данные получаются в виде потока информации — около 20 Гб в секунду. Такой объем информации просто так сохранить невозможно, поэтому есть дополнительная сортировка. Из всего объема информации, которая идет от электроники детектора, отбираются только те сигналы, по которым можно реконструировать события — возникновение частиц.
Дальше вся информация записывается на диск. Полный объем данных, поступающий с Большого адронного коллайдера, хранится в вычислительном центре ЦЕРН. Есть еще 12 центров более низкого уровня, на которых размещены резервные фрагменты этих данных, например у нас, в Дубне. То есть данные распределяются по всему миру».
Для того чтобы удерживать протонные пучки внутри ускорителя, на них необходимо воздействовать магнитным полем. Для этого на Большом адронном коллайдере установлено несколько тысяч мощных магнитов.
Кто обслуживает Большой адронный коллайдер
Все органы управления БАК находятся в центре управления ЦЕРН. В постоянном штате примерно 1,5 тыс. человек: инженерный научный персонал, который обеспечивает работу ускорительного комплекса, сотрудники, занимающиеся развитием, ремонтом и модернизацией установки и так далее.
Другая категория сотрудников на БАК — приглашенные группы ученых, которые проводят эксперименты. Они приезжают на определенное время и изучают данные, полученные с детектора. Помимо этого, физики из других стран помогают контролировать работу БАК: выходят на смены и следят за его приборами и системами.
Большой адронный коллайдер работает круглосуточно — выключать его нельзя. Это связано с тем, что он постоянно потребляет большое количество энергии, в основном на поддержание низкой температуры. Наблюдать за коллайдером тоже нужно постоянно, поэтому сутки разделены минимум на три рабочие смены.
Что открыли на Большом адронном коллайдере
На сегодняшний день бозон Хиггса — единственное открытие, сделанное на Большом адронном коллайдере. Эта элементарная частица была необходима ученым, чтобы объяснить нарушение электрослабой симметрии, в результате которой другие частицы, которые изначально ничего не весили, приобрели массу.
Чтобы объяснить нарушение симметрии, в 1970-х годах Питер Хиггс и еще несколько ученых выдвинули теорию, согласно которой Вселенную пронизывает некое поле, при взаимодействии с которым частицы приобретают массу. Позже его назвали полем Хиггса. Для подтверждения теории ученым нужно было найти и доказать существование бозона Хиггса — основы материи поля Хиггса.
Несколько десятков лет Франсуа Энглерт и Питер Хиггс путем экспериментов пытались обнаружить бозон Хиггса, но все было безрезультатно. Эту частицу сложно увидеть, потому что она нестабильна, а появившись, сразу распадается — нужно было мощное оборудование, которое сможет запечатлеть следы ее распада. Однако с помощью экспериментов на электрон-позитронном коллайдере ученые смогли определить примерную массу бозона Хиггса, что значительно облегчило поиски.
Работы были продолжены на Большом адронном коллайдере, и в 2012 году экспериментаторы объявили, что каждый из них наблюдал новую частицу, которая своей массой и другими признаками похожа на бозон Хиггса. В 2013 году находку ученых официально признали, а Франсуа Энглерт и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию за свои открытия.
Почему люди боятся Большого адронного коллайдера
БАК и микроскопические черные дыры
Согласно одной из теорий, во время столкновения протонов на Большом адронном коллайдере могут появиться черные дыры. Если они окажутся стабильными и не распадутся, то попадут в центр Земли, поглотят ее материю и разрушат планету. Начало этим предположениям положил гаваец Уолтер Вагнер — он подал иск с требованием остановить строительство БАК и провести дополнительные тесты, чтобы доказать безопасность установки. После суда стали переживать и остальные. Так, группа неизвестных угрожала расправой ученым, которые работали над БАК.
Но устрашающий сценарий невозможен. То, что происходит в БАК, также происходит в природе, только в гораздо больших масштабах и на огромных мощностях. А значит, микроскопические черные дыры уже давно бы возникли. Кроме того, согласно теории относительности Эйнштейна, микроскопические черные дыры не могут возникнуть на БАК, потому что частицы, которые могли бы их образовывать, моментально распадаются.
Анатолий Сидорин:
«Если микроскопические черные дыры найдут на Большом адронном коллайдере, это будет революция в науке. Какова их судьба? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить механизм Хокинга, описывающий принцип испарения черной дыры: чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она исчезает. Микроскопическая черная дыра будет жить микроскопическое время — после появления она тут же испарится».
БАК и страпельки
Последователи другой теории предполагают, что во время работы БАК могут появиться страпельки — часть странной материи, которая состоит из странных кварков. Если эти частицы попадут в обычную материю, то начнется цепная реакция и вся планета превратится в комок странной материи, непригодный для жизни.
Осложняется все тем, что странная материя до сих пор плохо изучена и никто из ученых не может сказать, как она себя поведет (отсюда и ее название).
Однако многолетние эксперименты показали, что за все время работы БАК в нем не возникло ни одной страпельки. Найти эти части пытались и физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке на другом коллайдере, но поиски, которые начались еще в 2000 году, на сегодняшний день не дали результатов.
БАК и магнитные монополи
Магнитные монополи — гипотетически существующие частицы с одним магнитным зарядом: либо северным, либо южным. Согласно некоторым теориям, если эти элементы действительно существуют, они могут вызвать распад протонов — одних из основных частиц материи — и, как следствие, разрушение материи и мира.
Люди опасаются, что в БАК могут производиться магнитные монополи. Но это не так: специалисты ЦЕРН доказали, что если монополи и существуют, они имеют слишком большую массу — даже для БАК. Но даже имея подходящий для ускорителя вес, они уже давно бы появились: космические лучи, попадающие в атмосферу Земли, произвели бы их намного раньше.
Анатолий Сидорин:
«Мифы о Большом адронном коллайдере возникают из-за гипертрофированного антропоцентризма. Многие думают, что человек — самая мощная сила на планете, и он может уничтожить планету. На самом деле это не так.
Все ускорители, которые работают на текущий момент, производят в тысячи, если не в миллионы раз меньше событий, чем космическое излучение, падающее на Землю. Все, что делают коллайдеры, происходит со значительно большей частотой в течение всего времени существования планеты в атмосфере и на поверхности земли.
Поэтому все мифы о том, что во время работы коллайдера может возникнуть что-то, что уничтожит землю, — это просто переоценка возможностей человечества, оно не обладает такими способностями».
Будущее Большого адронного коллайдера
Большой адронный коллайдер отработал на первоначальных настройках и в 2018 году был приостановлен. Сделано это для того, чтобы повысить его светимость, то есть увеличить производительность в 10 раз. Это поможет БАК обнаруживать больше эпизодов возникновения новых частиц.
В режиме повышенной светимости Большой адронный коллайдер отработает примерно до 2040 года — дата сдвигается из-за пандемии коронавируса и задержки реализации проекта. К этому времени ускоритель наберет достаточный объем данных по бозону Хиггса, а после еще минимум 50 лет ученые будут их обрабатывать.
После того как БАК соберет все данные, он будет приостановлен, а ЦЕРН начнет строить новый циклический коллайдер — Future Circular Collider. Предполагается, что эта экспериментальная установка будет длиной примерно 100 км, а по энергии столкновений частиц будет превосходить БАК минимум в 7 раз. А Большой адронный коллайдер, в свою очередь, начнет выполнять функцию инжектора и «впрыскивать» пучки частиц в новую экспериментальную установку.
double_break
Нервная система.
Следует начать рассмотрение с клетки. Она не только представляет собой самостоятельную хозяйственную единицу практически со всеми функциями живого организма, но и является началом начал. В первой, единственной пока клетке, из которой впоследствии должен развиться организм, заложена вся информация как о ходе этого строительства, так и о свойствах будущего организма. Более того, в самое последнее время ученые на основании электромагнитных исследований приходят к выводу, что практически все об организме можно узнать, изучая исключительно только клетку.
Так что же представляет собой клетка живого организма?
Клетка окружена мембраной, функции клеточных мембран очень серьёзные, от них в организме зависит очень многое. В настоящее время сформировалась целая наука, которая изучает мембраны клеток, — мембранология. Внутри клетки находится ядро. В клетке имеются колонии, окруженные двойной мембраной, которые называются лизосомами. Если лизосомы выберутся за пределы своей колонии, то они начнут разрушать все попадающиеся им на пути вещества, из которых состоит клетка. Через короткое время они способны уничтожить и саму клетку.
Зачем же клетке нужны лизосомы, которые содержатся в специальных изоляторах за двойной мембраной? Они нужны на тот случай, если понадобится убрать ненужные разлагающиеся вещества в клетке. Тогда они по команде из ядра делают это. Часто эти пузырьки в клетке называют мусорщиками. Но если по какой-либо причине мембрана, которая их сдерживает, будет разрушена, эти мусорщики могут превратиться в могильщиков всей клетки. Забегая вперед, скажем, что таким разрушителем мембран может быть меняющееся магнитное поле во время магнитных бурь. Когда под его действием мембраны клеток разрушаются, лизосомы обретают свободу и делают свое черное дело. Имеются и другие факторы, способные разрушить эти мембраны, но их мы рассматривать здесь не будем.
В ядре клетки, которое занимает примерно третью часть всей клетки, размещен весь "управленческий аппарат". Это прежде всего знаменитая ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Она предназначена для хранения и передачи информации при делении клетки. Ядро содержит и значительное количество основных белков — ги-стонов, и немного РНК (рибонуклеиновой кислоты).
Клетки работают, строят, размножаются. Это требует энергии. Клетка сама же и вырабатывает нужную ей энергию. В клетке имеются энергетические станции. Они занимают площадь в 50—100 раз меньшую, чем площадь ядра клетки. Энергетические станции также обнесены двойной мембраной. Она предназначена не только для ограничения станции, но и является ее составной частью. Поэтому конструкция стенок отвечает технологическому процессу получения энергии.
Энергию клетки вырабатывают в системе клеточного дыхания. Она выделяется в результате расщепления глюкозы, жирных кислот и аминокислот. Но самым главным поставщиком энергии в клетке является глюкоза. Процесс превращения глюкозы в углекислоту, при котором выделяется энергия, идет с участием электрически заряженных частиц— ионов. Этот процесс называется биологическим окислением. Можно сказать, что энергия в клетке производится по электрической технологии. Поясним, что собой представляет частица ион.
Любой атом или молекула является электрически нейтральной частицей. Каждый атом имеет такой же по величине положительный электрический заряд (он расположен в ядре атома), как и отрицательный. Последний несут на себе электроны, вращающиеся вокруг ядра. Пока положительные заряды скомпенсированы отрицательными— атом является электрически нейтральным. Если от атома оторван один (или больше) электрон, то в нем преобладают положительные заряды ядра. Говорят, что атом при этом превратился в положительно заряженный ион. Атом становится отрицательным ионом в том случае, если к нему "прилипнет" лишний электрон. То же самое относится и к молекулам, то есть имеются положительные и отрицательные молекулярные ионы. В организме человека имеются как разные (положительные и отрицательные) ионы, так и электроны.
В процессе биологического окисления участвуют не только ионы (имеющие положительный электрический заряд), но и электроны (имеющие отрицательный электрический заряд) . Этот процесс на своем последнем этапе образует молекулы воды. Если же по какой-то причине на этом заключительном этапе не окажется атомов кислорода, то конечный продукт — вода — образоваться не сможет. Водород, предназначенный для образования воды, останется свободным и будет накапливаться в виде электрически заряженных ионов. Тогда дальнейшее протекание процесса биологического окисления, то есть процесса образования энергии, прекратится. Прекратится работа электрической станции и наступит энергетический кризис.
__________
По поводу воды — добавление в комментах.
_________
Очень интересно, что для удобства потребления энергия в клетке вырабатывается малыми порциями. Процесс окисления глюкозы включает в общей сложности до 30 реакций. При протекании каждой из этих реакций выделяется небольшое количество энергии. Такая "расфасовка" очень удобна для использования энергии. Клетка при этом имеет возможность наиболее рационально использовать освобождающуюся малыми порциями энергию на текущие нужды, а избыток запасенной энергии откладывается клеткой в виде АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).
Энергия, запасенная клеткой в виде АТФ, — это своего рода неприкосновенный запас (НЗ) .
АТФ— сложное соединение, в молекулу которого входят три остатка фосфорной кислоты. На присоединение каждого из остатков затрачивается энергия в количестве около 800 кал. Этот процесс называется фосфорилированием. Эта энергия может быть взята обратно (востребована) из АТФ. Для этого АТФ надо разложить на два других вещества: АДФ (аденозиндифосфат) и неорганический фосфат. Аналогично при расщеплении сложных атомных ядер выделяется энергия. Конечно, эта аналогия не полная, так как расщепление (гидролиз) молекул АТФ оставляет неизменными атомные ядра. Расщепление АТФ происходит в присутствии специального вещества — фермента. В этом случае, то есть при расщеплении АТФ, ферментом является аденозинтрифосфаза (АТФаза) . Это вещество бывает различных видов и встречается повсеместно, где протекают реакции с потреблением энергии.
АТФ является универсальной формой хранения энергии. Его используют все клетки не только животных (в том числе и человека) , но и клетки растений.
АТФ образуется в процессе биологического окисления из тех же веществ, на которые он расщепляется при обратном процессе— фосфорилировании, а именно: неорганического фосфата и АДФ. Поэтому, для того чтобы протекал процесс биологического окисления, необходимо наличие на всех стадиях этого процесса АДФ и неорганического фосфата. Но эти вещества по мере протекания процесса окисления непрерывно расходуются, поскольку из них образуется запас энергии в виде АТФ.
Процесс окислительного фосфорилирования протекает одновременно с процессом биологического окисления. Оба эти процесса тесно связаны между собой и протекают благодаря участию электрически заряженных частиц (ионов и электронов). С этими электрическими процессами связана вся технология получения энергии в клетках. Чёткая, сбалансированная сопряженность этих процессов является залогом существования и нормального функционирования клетки. Но если по каким-либо причинам в клетке создаются такие условия, что процесс биологического окисления может протекать независимо от процесса фосфорилирования, то нормальное функционирование и существование клетки становится невозможным. Дело в том, что процесс производства энергии при этом оказывается никак не связанным с процессом её потребления. Поскольку магнитное поле оказывает влияние на заряженные частицы (ионы и электроны), участвующие в этих процессах, то тем самым оно может влиять и на ход самого процесса образования энергии внутри клетки.
Вторым жизненно важным вопросом для клетки является вопрос её общения с внешним миром, то есть регулирование входа в клетку и выхода из нее через мембрану, окружающую клетку. И этот вопрос решен с использованием технологии, созданной на электрической основе. Другими словами, вход в клетку и выход из неё регулируются электричеством. Этот вопрос исключительно важен в смысле влияния космических факторов на здоровье человека. Чтобы заострить внимание читателя на этом вопросе, скажем здесь, забегая вперед, что под действием космических факторов происходит изменение в пропускной системе через мембраны клеток, то есть меняется проницаемость биологических мембран. То, что такие незапланированные изменения режима входа в клетку и выхода из неё происходят в периоды магнитных бурь, не может не сказаться на нормальной работе клетки, а значит, и на работе всего организма. Легко понять, что если из клетки из-за увеличения проницаемости мембраны вышли хотя бы частично нужные клетке вещества, то ничего хорошего в этом нет.
Мембрана клетки построена в два слоя из молекул фосфолипида. Образованная тонкая пленка находится в постоянном движении. К этой стенке с обеих сторон (изнутри и снаружи) примыкают белковые молекулы. Можно сказать, что стенка из молекул фос-фолипидов выстлана молекулами белков, которые не упакованы плотно, а составляют сравнительно редкий узор (кружева). Этот узор имеет одинаковую форму у всех клеток однородной ткани, скажем ткани печени. Клетки почек имеют другой узор, клетки сердца — третий и т. д. По этой причине разнородные клетки не слипаются между собой. В каждом из таких узоров имеются пустоты, дырочки, поры. Через эти поры, проходы в узорах, могут проникать в клетку крупные молекулы, способные растворяться в жирах, из которых состоит мембрана.
Белки вырабатываются внутри клетки. Поэтому снаружи клетки они имеются в том случае, если в самой мембране (а не в узоре из белка) имеются проходы. Через эти проходы в мембране молекулы белка пробираются наружу. Эти проходы очень маленькие, но размер их не произволен. Он подобран точно таким, что соответствует размеру атомов и молекул, которые надо выпустить из клетки наружу. Эти проходы, или, как их называют, поры, служат для вывода из клетки ненужных молекул и ионов. Эти поры напоминают туннели: длина их в 10 раз больше их ширины. В мембране клетки таких проходов мало, у некоторых клеток они занимают по площади только одну миллионную часть всей поверхности мембраны. Эти проходы устроены таким образом, что они способны пропускать одни молекулы и ионы и задерживать другие. Паролем при проходе служит размер молекул и ионов, а для ионов также их электрический заряд. Дело в том, что сама мембрана находится под электрическим напряжением, как будто к ней подключена электрическая батарейка минусом на внутреннюю сторону мембраны, а плюсом— на ее внешнюю, наружную сторону. Что собой представляет эта электрическая батарейка? Она создается электрическими зарядами, которые несут на себе ионы калия и ионы натрия, растворенные в воде и находящиеся по обе стороны мембраны. Если в любом месте раствора имеется одинаковое количество положительных и отрицательных электрических зарядов, то суммарный электрический заряд в этом месте (объёме) равен нулю. Электрический потенциал в этом случае также равен нулю, то есть батарейка оказывается не заряженной. Для того чтобы она зарядилась, надо в одном месте собрать больше положительно заряженных частиц (ионов) , а в другом больше отрицательно заряженных частиц. Эти места и будут не что иное, как полюсы батарейки — плюс и минус.
Как же создается и функционирует эта батарейка в клетке?
Внутри клетки содержатся в водном растворе в основном ионы калия, а вне её — ионы натрия. Однако внутри клетки наряду с ионами калия имеются (в меньшем количестве) и ионы натрия, поскольку те и другие проходят через мембрану клетки. Но поскольку ионы калия гораздо меньше ионов натрия, то они проходят через проходы в мембране наружу легче, чем ионы натрия, которые проходят через мембрану извне клетки внутрь. Внутри клетки остается столько же отрицательных зарядов, сколько ионов калия скопилось на наружной стороне мембраны. Поэтому в мембране (поперёк её) создается электрическое поле. Оно возникает в результате разности концентраций калия внутри и вне клетки. Это электрическое поле поддерживает разность потенциалов, которая не меняется с перемещением ионов натрия, так как проницаемость мембраны для них ничтожно мала. Возникшее таким путем электрическое поле увеличивает поток ионов калия внутрь клетки и уменьшает их поток наружу. Когда внутрь клетки будет входить столько же ионов калия, сколько их выходит наружу, наступит динамическое равновесие. При этом на наружной стороне мембраны имеется плюс, а на внутренней — минус.
Таким образом, не только технология образования энергии в клетке, но и регулировка ее общения с внешним миром происходит благодаря действию электрического потенциала, создаваемого движением и определенным распределением электрических зарядов.
Нелишне здесь описать, как клетка реагирует на раздражающий сигнал извне.
Так, если на клетку в результате внешнего раздражения поступает импульс электрического тока (то есть биотока), то мембрана на непродолжительное время увеличивает свою проницаемость для ионов натрия. Они получают возможность проходить через мембрану. До этого во внеклеточном пространстве ионов натрия было примерно в 100 раз больше, чем ионов калия. При увеличении проницаемости мембраны клетки ионы натрия устремляются внутрь клетки. Так как их электрический заряд положительный и внутри клетки их становится большинство, то на внутренней стенке мембраны вместо минуса (который создавали отрицательные ионы калия) образуется плюс за счет ионов натрия. Происходит переполюсовка электрической батарейки, электроды которой подключены к внешней и внутренней сторонам мембраны клетки. Через некоторое время после прекращения действия на клетку внешнего раздражителя увеличивается проницаемость мембраны для ионов калия, а условия прохода ионов натрия через мембрану ухудшаются. Поэтому восстанавливается такое же положение, какое было до действия раздражителя, а именно: к внутренней стороне мембраны приложен минус, а к наружной— плюс. Таким положение остается до начала действия следующего раздражителя.
Главный для нас вывод из всего вышесказанного состоит в том, что проходы в мембранах, через которые идет обмен клетки с внешним миром, изменяются под действием электрических (биологических) токов, и они по-разному пропускают ионы в зависимости от величины этих токов.
Внешнее магнитное поле может действовать на электрические токи и на движение зарядов (ионов). Значит, оно способно влиять на процесс общения клетки с внешним миром. Оно может нарушать этот процесс, а значит, и условия функционирования и даже существования клетки.
В ответ на внешний раздражитель клетка моментально переключает полюса своей электрической батареи. Это приведет к возникновению электрического импульса.
Зачем клетке этот импульс?
Чтобы предупредить центральную нервную систему о внешнем раздражителе. Но импульс должен дойти до того места, где его зарегистрируют . Для этого должен быть проводник, способный проводить электрические сигналы. Он в организме тоже есть. Это нерв. Таким образом, мы уже встретили в человеческом организме электростанции (точнее, электрохимические генераторы), батареи, обеспечивающие определенный электрический потенциал, а теперь нам предстоит ознакомиться с проводниками электрического тока в организме человека — нервами, которые вместе составляют нервную систему. Как они устроены?
Проводящий электрические импульсы проводник сконструирован из клеток, которые вытянуты в виде проводов . Каждая такая нервная клетка называется нейроном . Она имеет определенную структуру — состоит из тела и отростков, наподобие ствола дерева с отростками. Это нужно для того, чтобы успешно собирать информацию с помощью электрических импульсов с как можно большего пространства, с определенной части организма. Множество исходящих из тела клетки-нейрона отростков являются короткими. Они называются дендритами ("дендро"— дерево) . Один из отростков, как правило, имеет большую длину и называется аксоном . Аксон заполнен студенистой жидкостью, которая постоянно создается в клетке и медленно перемещается по аксону-волокну. От основного ствола аксона отходит множество боковых нитей, которые вместе с нитями соседних нейронов образуют сложные сети. Эти нити выполняют функции связи, как и дендриты. По ним текут электрические токи. Аксоны не располагаются по отдельности, сами по себе. Близлежащие аксоны, направленные в одну сторону, собраны вместе в жгуты, которые называют волокнами. Точно так же проводки, собранные вместе и покрытые общей изоляцией, образуют электрический кабель.
Таким образом, мы обнаруживаем в организме не только проводники электрического тока, но и многожильные кабели. Главное условие, которое предъявляется к проводнику (а значит, и к кабелю) , предназначенному для передачи по нему электроэнергии,— это его небольшое сопротивление электрическому току. Если это сопротивление будет очень большим, то электрический сигнал не сможет дойти до места назначения. Его энергия по пути будет израсходована на преодоление этого сопротивления и в конце концов превратится в тепло.
Электрические же импульсы в организме человека приходится передавать на большие (по этим масштабам) расстояния. Так, например, аксоны двигательных клеток коры головного мозга имеют длину около 1 м. Скорость распространения электрического тока по нервному волокну зависит от поперечного сечения проводника (волокна) , а также от оболочки волокна (оплетки кабеля) . Чем тоньше нервное волокно, тем скорость распространения по нему электрического импульса меньше. Это свойство волокон организм использует для решения очень непростой проблемы, которая перед ним возникает. Проблема состоит в том, что распоряжения из центра управления организмом должны достигать любой его точки строго одновременно. Ведь только так организм может выполнять любую команду из центра как единое целое, то есть все его органы начнут действовать одновременно. Но так как расстояния до центра различные, то выход может быть только в одном: надо, чтобы гонцы бежали с разной скоростью с таким расчетом, чтобы все достигли своих конечных пунктов одновременно. Так в организме все и сконструировано. Те волокна, по которым электрическому импульсу надо бежать дальше всего, сделаны более толстыми, поэтому по ним импульс бежит быстрее. Но обратите внимание, эти толщины (а значит, и скорости) строго-настрого выверены. Они не могут быть ни меньше, ни больше нужной величины. В противном случае работа организма будет разбалансирована.
Для различных целей организм использует кабели-волокна , имеющие различные свойства, то есть различные типы кабелей. Так, для обеспечения быстрой двигательной реакции, для обеспечения организму немедленного приспособления нужны высокоскоростные кабели-волокна, по которым электрические сигналы распространяются со скоростями в пределах 50—140 м/с. Поперечный размер этих нервных волокон составляет 16—2 0 миллионных долей метра (микрометров, сокращенно мкм) . Такими являются волокна соматических нервов. Снаружи они покрыты изоляцией из миелина— миелиновой оболочкой. Это тип А .
Кроме этого типа нервных волокон в организме имеются и менее быстрые, а значит, и менее толстые волокна. Это волокна типа В . Поперечник их находится в пределах 5—12 мкм, они обеспечивают скорость распространения электрических импульсов в пределах 10—35 м/с. Эти волокна также имеют внешнюю изоляцию из миелина. Они предназначены для тех магистралей связи в организме, где надо обеспечить чувствительную иннервацию внутренних органов. Эти нервные волокна специалисты называют висцеральными.
В организме имеются и еще более тонкие волокна, скорость распространения по которым электрических сигналов еще меньше. Поперечник их составляет всего около 2 мкм, электрические сигналы по ним распространяются со скоростью всего 0,6—2 м/с. Собственно, это не кабели, а голые провода без изоляции. Их относят к типу С . Эти нервные волокна-провода связывают нервные клетки симпатических ганглиев с внутренними органами, сосудами, сердцем.
Хотя мы и сравнивали нервные волокна с кабелями и проводами, но на самом деле они намного совершеннее кабелей. Они устроены специальным образом так, чтобы оптимально обеспечить распространение электромагнитных импульсов . Изучать их устройство было непросто. Недаром за исследование работы нейронов ученым была присуждена Нобелевская премия. Рассмотрим кратко, как работает нейрон.
Миелиновая оболочка вокруг нервного волокна является не просто изоляцией. Она выполняет и более сложные функции. Образована она специальными клетками так, что они многократно обвиваются вокруг нервного волокна и образуют своего рода муфту. В этих местах, где находится муфта, содержимое из клетки выдавливается. Соседний участок нервного волокна (аксона) изолируется тем же способом, но уже другой клеткой, поэтому миелиновая оболочка систематически прерывается. Таким образом, между соседними муфтами сам аксон не имеет изоляции и его мембрана контактирует с внешней средой. Эти участки между муфтами получили название перехватов Ранвье (по имени исследовавшего их учёного). Эти перехваты играют исключительно важную роль в процессе распространения электрических импульсов. 
Проследим механизм распространения нервного электрического импульса. Нервный импульс входит внутрь нервного волокна в возбужденном перехвате Ранвье и выходит из волокна через невозбужденный перехват. Если же выходящий ток превышает некоторую минимальную (пороговую) величину, то перехват под действием этого тока возбуждается и посылает новый электрический импульс по волокну. Таким образом, перехваты Ранвье являются генераторами импульсов электрического тока. Они играют роль промежуточных усилительных станций (ретрансляторов). Каждый следующий генератор возбуждается импульсом тока, который распространяется от предыдущего перехвата и посылает новый импульс дальше.
Перехваты Ранвье значительно ускоряют распространение нервных импульсов. В тех же нервных волокнах, которые не имеют миелиновой оболочки, распространение нервного импульса происходит медленнее из-за высокого сопротивления электрическому току.
Из всего сказанного выше ясно, что движущие силы нервного электрического импульса обеспечиваются разностью концентраций ионов. Электрический ток генерируется за счёт избирательного и последовательного изменения проницаемости мембран для ионов натрия и калия, а также вследствие энергетических процессов.
Заметим ещё одно обстоятельство. Клетки возбуждаются только в среде, в которой присутствуют ионы кальция. Величина нервного электрического импульса и особенно величина прохода (поры) в мембране зависят от концентрации ионов кальция. Чем меньше ионов кальция, тем меньше порог возбуждения. И когда в среде, окружающей клетку, кальция совсем мало, то генерацию электрических импульсов начинают вызывать незначительные изменения напряжения на мембране, которые могут возникать в результате теплового шума. Это, конечно, не может считаться нормальным.
Если ионы кальция полностью удалить из раствора, то способность нервного волокна к возбуждению теряется. При этом концентрация калия не меняется. Следовательно, ионы кальция обеспечивают мембране избирательную проницаемость для ионов натрия и ионов калия. Это происходит таким образом, что ионы кальция закрывают поры для ионов натрия. При этом маленькие ионы калия проходят через другие поры или проникают возле ионов кальция (между створками ворот) . Чем больше ионов кальция, тем больше закрытых (закупоренных) для натрия пор и тем выше порог возбуждения.
Нервная система состоит из вегетативного отдела (который подразделяется на симпатический и парасимпатический) и соматического отдела. Последний подразделяется на периферический (нервные рецепторы и нервы) и центральный (головной и спинной мозг).
Головной мозг анатомически разделяется на пять разделов — передний мозг с полушариями большого мозга, промежуточный мозг, средний мозг, мозжечок и продолговатый мозг с варолиевым мостом . Наиболее важным отделом центральной нервной системы является передний мозг с полушариями большого мозга. Слой серого вещества, покрывающий полушария головного мозга, состоит из клеток и образует кору — самую сложную и совершенную часть головного мозга.
В толще головного мозга также имеются скопления нервных клеток, называемых подкорковыми центрами. Их деятельность связана с отдельными функциями нашего организма. Белое вещество ткани мозга состоит из густой сети нервных волокон, которые объединяют и связывают различные центры, а также из нервных путей, которые выходят из клеток коры и входят в неё.
Кора больших полушарий мозга связана нервными путями со всеми нижележащими отделами центральной нервной системы, а через них и со всеми органами. Поступающие с периферии импульсы доходят до той или иной точки коры головного мозга. В коре происходит оценка информации, поступающей с периферии по различным путям, её сопоставление с предшествующим опытом, принимаются решения, диктуются действия.
Электрические (нервные) импульсы, возникающие в результате внешних воздействий, передаются по чувствительным проводникам в составе соматических нервов в спинной мозг, который представляет собой главный кабель организма. По восходящим путям спинного мозга нервное возбуждение поступает в головной мозг, а по нисходящим следуют команды на периферию. Двигательные нервные проводники, как правило, достигают органов в составе тех же соматических нервов, по которым идут чувствительные проводники. Во внутренней части спинного мозга сгруппированы многочисленные тела нервных клеток, которые образуют похожее на бабочку (в поперечном разрезе) серое вещество. Вокруг него и располагаются лучи и канатики, составляющие мощную систему восходящих и нисходящих проводящих путей.
Пути, по которым идут указания из центра на периферию, идут не только по соматическим нервам, но и по симпатическим и парасимпатическим нервам. При этом симпатические нервные клетки, аксоны которых формируют эти нервы, сгруппированы в симпатических узлах (ганглиях), которые располагаются вдоль позвоночника с двух сторон в виде цепочек. Парасимпатические нейроны образуют узлы уже в самих иннервируемых ими органах или вблизи них (кишечник, сердце и т. д.).
Таламус (зрительный бугор) является главным информационным центром головного мозга. Он связан со всеми другими отделами мозга и с корой больших полушарий. Таламус — наиболее массивное и сложное подкорковое образование больших полушарий, куда поступает множество импульсов. Здесь они как бы фильтруются, и в кору мозга поступает только небольшая их часть. На большинство импульсов ответ даёт сам таламус, причем нередко через расположенные под ним центры, называемые гипоталамусом, или подбугорьем. В гипоталамусе сконцентрировано более 150 нервных ядер, имеющих многочисленные связи как с корой больших полушарий, так и с другими отделами головного мозга. Это позволяет гипоталамусу играть ключевую роль в регуляции основных процессов жизнедеятельности и поддержании необходимых условий существования.
В гипоталамусе происходит переключение нервных импульсов на эндокринно-гуморальные механизмы регуляции . Так проявляется тесная связь нервной и эндокринно-гуморальной регуляции.