Большая Советская Энциклопедия (АВ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 131

Автотрофные организмы

Автотро'фные органи'змы (от авто... и греческого trophē — пища), аутотрофные организмы, синтезирующие из неорганических веществ необходимые для жизни органические вещества. Роль А. о. в природе огромна, т. к. они создают все органические вещества, которые не могут синтезировать человек и почти все животные (см. Гетеротрофные организмы). К А. о. относятся высшие растения (кроме паразитных и сапрофитных), водоросли и некоторые бактерии. Высшие растения и водоросли, содержащие хлорофилл, являются фотосинтетиками; они синтезируют органическое вещество из простых соединений — углекислого газа и воды — за счёт солнечной энергии (см. Фотосинтез). Автотрофные бактерии — хемосинтетики — синтезируют органическое вещество из минеральных соединений за счёт энергии некоторых химических реакций (см. Хемосинтез). Например, почвенные бактерии Nitrosomonas и Nitrobacter окисляют аммиак до солей азотистой и азотной кислот и используют освобождающуюся энергию на построение тела; железобактерии используют энергию окисления закисных форм железа; серобактерии окисляют сероводород до солей серной кислоты (одни виды серобактерий бесцветны и являются типичными хемосинтетиками, другие, например пурпурные серобактерии, окрашены и способны к фоторедукции, т. е. фотосинтезу, при котором источником водорода для восстановления углекислого газа служит не вода, а сероводород). Исключительно велика роль А. о. в круговороте веществв природе.

  Лит.: Вернадский В. И., Живое вещество первого и второго порядка в биосфере, Избр. соч., т. 5, М., 1960, с. 63—71.

Автофазировка

Автофазиро'вка, явление, обеспечивающее ускорение электронов, протонов, альфа-частиц, многозарядных ионов до высоких энергий (от нескольких Мэв до сотен Гэв) в большинстве ускорителей заряженных частиц; открыто советским физиком В. И. Векслером в 1944 и независимо от него американским физиком Э. Макмилланом в 1945. Принципиальную роль это явление сыграло в повышении предела достижимых энергий в циклических ускорителях.

  В циклических ускорителях частицы совершают движение по орбитам в специальной вакуумной камере, помещенной в магнитное поле, и многократно проходят через ускоряющие электроды. Ускорение частиц происходит под действием высокочастотного электрического поля, приложенного к ускоряющим электродам. Для непрерывного ускорения частиц необходимо, чтобы в моменты ускорения направления движения частицы и электрического поля совпадали; для этого нужно обеспечить синхронизм (резонанс) между движением частиц и изменением электрического поля. Если амплитуда разности потенциалов между электродами равна V, то приобретаемая частицей с зарядом е энергия DЕ при каждом прохождении через ускоряющий промежуток равна DЕ =eVcosj, где (j — фаза электрического поля в момент прохождения частицы, отсчитываемая от его максимального значения. Фазу поля j, при которой частица пролетает через ускоряющий промежуток, называют для краткости фазой частицы.

  Чтобы частица двигалась синхронно с изменением ускоряющего поля, её частота обращения w должна быть равна или кратна частоте w электрического поля: w= qw, где q — целое число (кратность резонанса). Тогда частица будет проходить ускоряющие электроды при одном и том же значении фазы j и при каждом прохождении получать от поля одну и ту же энергию. Поэтому она будет всё время ускоряться.

  Такая ситуация выполняется в циклотроне — единственном резонансном ускорителе, который существовал до открытия принципа А. В циклотроне частицы движутся в постоянном магнитном поле Н с постоянной частотой обращения w = eH/mc (где m — масса частицы, с — скорость света). Поэтому при частоте ускоряющего электрического поля w= w для всех частиц наблюдается точный резонанс с полем.

  Однако при достижении достаточно большой энергии массу m уже нельзя считать постоянной: начинает сказываться эффект увеличения массы частицы с ростом энергии (см. Относительности теория). Возрастание массы приводит к уменьшению частоты обращения w и к нарушению резонанса между движением частицы и ускоряющим полем. Частицы перестают получать энергию от электрического поля и выпадают из режима ускорения. Поэтому в обычном циклотроне существует предельная энергия, выше которой ускорение невозможно. Для протонов этот предел энергии составляет примерно 20 Мэв.

  Для сохранения резонанса можно, например, медленно снижать частоту w ускоряющего поля в соответствии с уменьшением w или медленно изменять напряжённость магнитного поля Н, чтобы компенсировать уменьшение частоты w (или вместе и то и другое).

  Но в ускорителе одновременно ускоряются сотни и тысячи миллиардов частиц, имеющих разброс по энергиям, а значит, и по массам. Следовательно, частицы будут иметь различные частоты обращения w. Поэтому невозможно осуществить точный резонанс с ускоряющим полем для движения всего множества ускоряемых частиц. До открытия принципа А. эта трудность казалась непреодолимой.

  Векслер и Макмиллан показали, что именно благодаря зависимости частоты обращения частиц от их энергии (массы), приводящей к нарушению точного синхронизма движения частиц с ускоряющим полем, само поле будет автоматически осуществлять для большого количества частиц подстройку синхронизма в среднем. Иными словами, в случае, когда w зависит от энергии, ускоряющее поле частоты w (которая может и медленно меняться) заставляет частицы двигаться по орбитам с частотами, в среднем равными (или кратными) частоте w, т. е. реализует резонанс в среднем; при этом фазы частиц колеблются и концентрируются около одной фазы j (см. ниже), которая называется синхронной, или равновесной. Это явление и называется А.

  Т. о., А. приводит к тому, что частицы в среднем обращаются синхронно с изменением ускоряющего поля: wср = w.

  Рассмотрим, как осуществляется А. в циклическом ускорителе с однородным и постоянным во времени магнитным полем и при q = 1. Частота обращения частиц в таком ускорителе обратно пропорциональна их массе, а следовательно, их полной энергии (равной сумме энергии покоя и кинетической энергии). Синхронная частица (воображаемая частица, которая движется в точном резонансе с ускоряющим полем) будет ускоряться при одной и той же фазе j и каждый раз получать энергию eV cos j. Для того чтобы движение частиц по орбитам было устойчивым, т. е. чтобы частицы с фазами j¹j не выпадали из режима ускорения, синхронная фаза j должна быть положительной — находиться на спаде ускоряющего напряжения (рис. 1). Действительно, частица с меньшей энергией, для которой частота обращения w > w и которая в некоторый момент движется вместе с синхронной, в дальнейшем будет опережать синхронную, попадать в ускоряющий промежуток раньше и ускоряться при меньшей фазе j1<j. Следовательно, она получит большую энергию: eV cos j1 > eV cos j, и её частота начнёт уменьшаться, так что в какой-то момент наступит точный резонанс, w = w. Но этот резонанс является только мгновенным — ведь частица по-прежнему будет получать от поля большую энергию и её частота w будет некоторое время продолжать уменьшаться и станет меньше синхронной, w < w. Тогда частица начнёт отставать от синхронной, будет получать меньшую энергию от ускоряющего поля, чем синхронная частица, и её частота станет вновь расти.

  Аналогичный процесс происходит и с частицей, отставшей от синхронной и попадающей в ускоряющий промежуток несколько позже, при фазе j2>j. Такая частица будет получать от поля меньшую энергию, её частота начнёт расти, и частица будет догонять синхронную.