Можно ли извлечь железо из крови человека с помощью мощного магнита?
Магниты – повсюду. Они есть практически в каждом электронном устройстве, которым вы пользуетесь, включая динамики. Получив своё название от греческого острова Магнезия, магниты стали неотъемлемой частью нашего современного мира.
Как всем известно, в человеческом организме есть железо, которое выполняет различные функции, в том числе помогает кислороду перемещаться из лёгких к остальным частям тела через кровоток.
Поскольку мы регулярно подвергаемся воздействию магнитов, которые, как мы знаем, притягивают железо, возникает вопрос: можно ли извлечь железо из крови с помощью мощного магнита? Ещё нас интересует, можно ли сделать магнит, который был бы способен убить человека на месте (если да, то как), и какие магниты являются самыми мощными во Вселенной?
Прежде чем мы приступим к рассуждениям, важно понять, почему магниты воздействуют на железо в первую очередь.
Железо обладает свойством, которое называется ферромагнетизмом. Четыре непарных электрона во внешней оболочке каждого атома обладают квантовой конфигурацией, которая образует сильное магнитное поле и заставляет атомы железа действовать как микроскопические магниты. Полюса этих магнитных атомов выравниваются с внешним магнитом, создавая силу притяжения, поскольку противоположные полюса притягиваются и обращены друг к другу. Протоны и нейтроны в ядре атома также обладают собственными магнитными полями, но они намного слабее, чем то, что создаётся электронами, и не оказывают существенного влияния на общее магнитное поле атома.
Железо также обладает доменами, которые имеют около миллиметра в поперечнике и состоят из магнитно выровненных атомов. Если влияние магнитного поля будет достаточно сильным, магнитные поля атомов железа во всех доменах также выровняются. Если магнитное поле будет воздействовать достаточно долго, домены в железе будут оставаться выровненными даже после того, как магнит уберут, что приведёт к намагничиванию железа и созданию постоянного магнита. Есть также ряд других металлов, которые проявляют это ферромагнитное свойство (включая никель, кобальт и гадолиний, а также некоторые сплавы или смеси металлов) и могут быть превращены в постоянные магниты. На вашем холодильнике наверняка висит несколько таких магнитов.
Теперь поговорим о потенциально сверхмощных магнитах, которые могут или не могут извлечь железо из вашей крови или убить вас каким-либо другим способом. Итак, электромагниты.
Магнитное поле создаётся при ускорении электрического заряда. Электромагнит можно сделать самостоятельно, обмотав гвоздь проволокой и прикрепив её концы к аккумулятору. Ток, подаваемый аккумулятором, течёт по проволочной спирали вокруг гвоздя, создавая магнитное поле ввиду того, что подвергается центростремительному ускорению.
Индукция магнитного поля измеряется в гауссах. 10 000 гауссов называют теслой (в честь физика-изобретателя Николы Теслы). Для справки: индукция магнитного поля Земли на поверхности колеблется между 0,25 и 0,6 гаусса в зависимости от того, в какой точке вы находитесь. Это не очень много, но этого достаточно, чтобы манипулировать стрелкой компаса и позволить голубю найти путь домой. В обычном холодильнике сила магнита составляет около 50 гауссов, в электрических гитарах – примерно 100 гауссов, а промышленный электромагнит, который используется для поднятия металлолома на свалке, обладает силой 10 000 гауссов (или одна тесла)!
Что касается сверхпроводящих магнитов, то чем выше электрический ток, проходящий через катушку электромагнита, тем сильнее магнитное поле. Тем не менее, проволока, из которой состоит катушка, может быть электропроводной, но она всё равно обладает небольшим сопротивлением, а это значит, что часть электроэнергии от тока, проходящего через проволоку, превращается в тепло. Вот почему катушки в тостере, духовке или некоторых лампочках нагреваются и светятся.
Чтобы обойти эту проблему, используются сверхпроводники, которые представляют собой материалы, не имеющие электрического сопротивления, но работающие только при низких температурах. Их нужно охлаждать с помощью жидкого азота или гелия. Поскольку у них нет сопротивления, они могут справляться с большим электрическим током без нагревания; таким образом, можно создавать невероятно сильные магнитные поля.
Это подводит нас к одному из самых мощных магнитов, с которым простые смертные иногда взаимодействуют – магнитно-резонансная томография (МРТ). Одним из основных применений сверхпроводящих магнитов является МРТ-аппарат, который порождает индукцию от 15 000 до 94 000 гауссов. Такое невероятно сильное магнитное поле заставляет одиночные протоны в ядре атомов водорода, которые являются частью молекул воды в организме, прецессировать подобно тому, как дрожит стрелка компаса, когда вы подносите к ней магнит. Эта прецессия происходит на частоте, позволяющей протонам поглощать и передавать радиоволны, помогающие создать трёхмерное изображение, если магнитное поле распространяется в разных направлениях.
Всё это, наконец, подводит нас к тому, сколько железа находится в человеческой крови и почему оно не высасывается из нас во время прохождения процедуры МРТ или под влиянием подобных мощных магнитов?
В среднем человеческое тело содержит 3-4 грамма железа, большая часть которого заключена в таких молекулах, как гемоглобин. В гемоглобине, которого существует несколько типов, внешние электроны железа, определяющие ферромагнитные свойства, упомянутые ранее, находятся в другой конфигурации из-за координационно-ковалентных связей с другими атомами, такими как азот. Эти связи не позволяют электронам выравниваться с магнитным полем, делая атомы железа парамагнитными, то есть они становятся как большая часть атомов и молекул – со слабыми притягивающими свойствами. Кроме того, на молекулу гемоглобина приходится только один атом железа.
Кроме того, некоторые другие молекулы обладают отталкивающими диамагнитными свойствами, включая воду, которой в вашем организме гораздо больше, чем железа. Таким образом, даже супермощный магнит, как в МРТ, оказывает лишь незначительное воздействие на железо, если таковое имеется, поэтому вам безопасно находиться внутри аппарата.
Однако, если у вас есть какие-либо металлические имплантаты, то ситуация обстоит как раз наоборот. Сталь, которую обычно используют в штифтах, пластинах и протезах, содержит ферромагнитное железо. Во время процедуры МРТ металлические имплантаты может вырвать с огромной силой, и они разлетятся в разных направлениях, причинив вред пациенту, оборудованию и тем, кто находится в помещении.
Но, что если вы употребляете в пищу много продуктов с высоким содержанием железа или вам ввели его в большом количестве?
Железо быстро расщепляется в организме, в частности в тонком кишечнике. Железо в злаках находится в элементарной форме и сохраняет свои ферромагнитные свойства, но не вызывает катастрофических последствий, упомянутых выше, даже если оно всё ещё находится в желудке, ожидая всасывания. Этого мало, чтобы вызвать проблему, описанную на примере МРТ; к тому же, железо имеет диспергированный вид. Кроме того, вы почти наверняка заработаете отравление, если проглотите или каким-либо иным образом введёте в свой организм количество железа, достаточное, чтобы вызвать ферромагнитные эффекты, прежде чем оно расщепится.
Перед процедурой МРТ пациентам иногда вводят гадолиний, чтобы увеличить контраст ткани, которую необходимо исследовать. Гадолиний ферромагнитен, поэтому он хорошо виден на снимке МРТ и используется в качестве контрастного красителя. Однако этого недостаточно, чтобы вызвать какие-либо проблемы с магнитным полем.
Итак, несмотря на то, что железо в человеческом теле не обладает ферромагнитными свойствами, есть ещё ряд менее известных последствий, которые магниты могут вызывать в особенно сильном поле.
Например, маленькие животные, такие как лягушки и мыши, могут левитировать в очень сильных магнитных полях, потому что, когда магнитное поле достаточно сильно, вода и другие элементы (включая железо), которые обычно не магнитны, попадают под воздействие отталкивающих диамагнитных и притягивающих парамагнитных сил. Эти силы намного слабее, чем ферромагнитная сила, которая притягивает железо, поэтому она становится очевидной только в случае с очень мощным магнитом, таким как тот, что находится в Национальной лаборатории сильного магнитного поля в Университете штата Флорида. Он обладает силой более 100 000 гауссов; этого вполне достаточно, чтобы поднять и притянуть небольшое животное к центру катушки, называемой соленоидом. К сожалению, магнитов, обладающих достаточной мощностью и большим соленоидом и способных поднять человека, на Земле не существует... пока.
Мы плавно подошли к рассмотрению вопроса о том, существует ли магнит, который способен убить нас?
Ну… Для этого нам придётся отправиться в межзвёздное путешествие. Когда большая звезда, масса которой в 1,5-3 раза превышает массу Солнца, умирает, она делает это красиво. Война между ядерным синтезом и гравитацией подходит к концу, и последняя побеждает в итоге. Все частицы притягиваются к центру, сталкиваясь вместе и приводя к огромному взрыву, называемому сверхновой. Если массы не хватит, чтобы образовать чёрную дыру, то оставшаяся материя, которая не рассеется по Вселенной в результате взрыва, так тесно свяжется с гравитацией, что большая часть электронов объединится с протонами и сформирует нейтроны, создав то, что мы называем нейтронной звездой. Она имеет массу больше, чем Солнце, но это делает её чрезвычайно плотной: одна чайная ложка нейтронной звезды весила бы более миллиарда тонн!
Нейтронные звёзды обычно быстро вращаются – до сотен оборотов в секунду, и поскольку все протоны и электроны объединились в нейтронную звезду, они могут вызывать электрические токи вокруг быстро вращающейся поверхности, создав мощное магнитное поле, обладающее индукцией в триллион (1012) гауссов. Этого достаточно, чтобы нарушить химические реакции и нервную систему, которые поддерживают жизнь внутри человека. Оказывается, магнитное поле вокруг нейтронной звезды настолько мощное, что может убить вас, хотя это не то, о чём вам следует беспокоиться.
И, прежде чем завершить эту статью, давайте немного поговорим о довольно увлекательном феномене, известном как магнетары. Примерно одна из десяти нейтронных звёзд обладает чрезвычайно мощным магнитным полем с индукцией в квадриллион (1015) гауссов. Мы называем её магнетаром, и самым близким к Земле является AXP 1E 1048-59, он находится примерно в 9000 световых годах от нас. Если вы приблизитесь к магнетару на расстояние, скажем, несколько сотен километров, и, предположим, сможете пережить излучение, его чрезвычайно мощное магнитное поле притянет электроны в вашем теле, заставив атомы удлиниться параллельно магнитному полю. Это, в свою очередь, вызовет разрушение молекулярных связей, удерживающих ваши клетки вместе, и разорвёт вас на части атом за атомом. Ваши останки разлетятся по космосу или же притянутся к сверхмассивному магнетару, в конечном итоге став его частью.
Отсюда напрашивается вопрос: насколько силён Магнето и может ли он соперничать с магнетаром? Если кто-нибудь знает ответ, не стесняйтесь просветить нас всех в комментариях ниже.
