загрузка...
загрузка...
На головну

Резонансні режими взаємодії поля з речовиною

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

В останні десятиліття широке поширення в вимірювальної техніки, а також при дослідженні властивостей речовин, що знаходяться в газоподібному, рідкому і твердому стані придбали резонансні методи. Набір цих методів постійно поповнюється завдяки відкриттю все нових різновидів резонансних проявів поведінки систем.

Слово «резонанс» має латинське походження, в перекладі - звучу у відповідь, відгукуюся. У широкому сенсі означає зростання відгуку коливальної системи на періодичне зовнішній вплив при зближенні частоти останнього з однією з частот власних коливань системи.

Коливальні системи, які здатні резонувати, можуть мати дуже розмаїту природу. У речовині такими системами можуть бути електрони, електронні оболонки атомів, магнітні та електричні моменти атомів, молекул, домішкових центрів в кристалах і т. П. Однак у всіх випадках загальна картина резонансу зберігається: поблизу резонансу зростають амплітуда коливань і енергія, передана коливальній системі ззовні . Це зростання припиняється, коли втрати енергії компенсують її приріст.

Кожна речовина має свій характерний тільки для нього набір частот власних коливань (частотний або енергетичний спектр). Власні частоти об'єктів можуть перебувати в широкому діапазоні частот. Цей набір частот є своебразной візитною карткою речовини, вивчаючи яку можна розпізнати хімічний склад, структуру, симетрію і інші характеристики речовини.

Резонансні методи вимірювання відносяться до найбільш чутливим методам. З їх допомогою було отримано великий обсяг інформації про хімічний склад, структуру, симетрії і внутрішніх взаємодіях між структурними одиницями речовини.

Мал. 5.1 Резонансні криві для різних значень добротності (Q) коливального контуру: >>.

При квантовому описі коливальна система характеризується набором дозволених квантовими законами значень енергії (енергетичним спектром). Цей спектр для систем зв'язаних часток може носити дискретний характер. Змінне електромагнітне поле можна розглядати як сукупність фотонів з різними енергіями. При збігу енергії фотона з різницею енергій будь-яких рівнів відбувається резонансне поглинання фотонів, що викликають квантовий перехід електронів з нижніх на верхні рівні. При цьому оптичним резонансом називають виборче поглинання речовиною ІК, видимого і УФ випромінювань.

У газоподібному речовині світло поглинається окремими атомами або молекулами, які практично не взаємодіють один з одним. Тому їх спектр поглинання (випромінювання) носить лінійчатий характер.

Енергетичний спектр молекул на відміну від спектра атомів має додаткові рівні в низькочастотному діапазоні, що відповідає за коливання і обертання атомів і молекул. Це призводить до появи додаткових резонансів в ІК-області, а також створює тонку структуру спектральних ліній у видимій області спектра. Ці лінії зливаються і утворюють смугастий спектр.

Спектри твердих тіл (кристалів) істотно відрізняються від лінійчатих, утворюючи більш-менш суцільне поглинання з провалами і піками. Так як кожен атом або молекула мають свій характерний для них енергетичний спектр, можна по оптичному спектру визначити хімічний склад речовини, структуру твердих тіл, характер внутрішніх взаємодій і ін.

Електрони, багато ядра і атоми з незамкненими електронними оболонками (парамагнітні атоми) володіють власним магнітним моментом. Якщо до речовини прикласти постійне магнітне поле, то магнітні моменти прецессируют навколо напрямку магнітного поля. Відповідно до законів квантової механіки, проекція вектора магнітного моменту на напрямок поля квантів, тобто може приймати дискретний ряд значень (зєємановських розщеплення). Інтервал між сусідніми підрівнями пропорційний напруженості магнітного поля. Якщо опромінювати речовина змінним електромагнітним полем, то на цих частотах буде відбуватися резонансне поглинання енергії змінного поля. На практиці зручніше частоту змінного електромагнітного поля зафіксувати, а міняти величину постійного магнітного поля. Тоді резонанс буде наступати за певних значеннях напруженості магнітного поля, яке можна вимірювати.

Дане явище називається магнітним резонансом. Знаючи магнітний момент електрона (магнетон Бора ), Можна обчислити частоту електронного магнітного резонансу. Ця частота при середніх значеннях магнітного поля відповідає СВЧ діапазону випромінювання. Так як маса протона в 1840 разів більше маси електрона, магнітний момент протона відповідно у стільки ж разів менше магнітного моменту електрона. Це призводить до того, що частоти ядерного резонансу потрапляють в радіохвильової область.

Мал. 5.2 Розщеплення енергетичного рівня системи в зовнішньому магнітному полі.

розрізняють електронний (ЕМР) і ядерний (ЯМР) магнітні резонанси. Електронний магнітний резонанс, в сою чергу, можна розділити на парамагнетичний (ЕПР) и антиферомагнітний (АФР).

У першому випадку резонують окремі парамагнітні іони. У двох інших порушуються колективні спінові хвилі в ферро- і антиферомагнетиках.

Спеціально вводяться в діамагнітниє кристали домішкові парамагнітні іони виявилися хорошими зондами для вивчення методом ЕПР локальної структури і симетрії, природи хімічних зв'язків примесного іона з кристалічним оточенням, електронно-коливальних рухів і т. П. Спостереження ЯМР служить джерелом інформації про нееквівалентний позиціях однакових атомів в молекулах (так званий хімічний зсув Ната), про непрямому спін-спиновом взаємодії ядер за посередництвом електронних оболонок.

 Подвійний електронно-ядерний резонанс (ДЕЯР) є детектування квантових переходів між ядерними магнітними підрівнями по їх впливу на інтенсивність сигналів ЕПР. Даний метод використовується для спостереження надтонкою структури енергетичного спектра парамагнітних домішкових іонів в напівпровідниках і діелектриках. Ця структура обумовлена спін-спінові взаємодіями електронів парамагнітного іона з власним ядром і ядрами оточуючих атомів, що дозволяє вивчати розподіл електронної щільності навколо парамагнітних центрів, надтонкі квадрупольні взаємодії і т. П. Метод ДЕЯР поєднує велику чутливість ЕПР з високою роздільною здатністю методу ЯМР.

 параелектріческой рензонанс є електричним аналогом магнітного резонансу. Він являє собою резонансне поглинання електромагнітного випромінювання НВЧ речовиною, поміщеним в постійне електричне поле. Цей резонанс виникає в результаті переорієнтації електричних дипольних моментів молекул або домішкових центрів в кристалах з одного рівноважного положення в інше під дією електричної компоненти змінного електромагнітного поля. Рівноважні положення можуть бути розділені невисокими потенційними бар'єрами, що створює можливість тунелювання між ними. Це туннелирование змінює енергетичний спектр, створюючи додаткові розщеплення рівнів. Зовнішнє електричне поле зміщує і розщеплює рівні, змінюючи частоти переходів.

Оскільки елементарні частки не мають електричним дипольним моментом, останні можуть виникнути в іонних кристалах завдяки зміщенню центрального іона в одне з нецентральних рівноважних положень або при введенні в кристал домішкових молекул з постійним електричним дипольним моментом. Параелектріческой резонанс спостерігався, наприклад, в кристалах КСl c домішкою Li при температурах Т <10 К.

Мал. 5.3 Надтонка структура енергетичних рівнів парамагнітного центру і відновлення сигналу ЕПР при опроміненні зразка електромагнітним полем частоти ЯМР.

Параелектріческой спектроскопія привела до подальшого розширення інформативних можливостей радиоспектроскопии і має також практичні застосування (електричне адіабатичне охолодження, створення фононних генераторів і ін.).

 Циклотронний резонанс в провідниках. Якщо помістити провідник в постійне магнітне поле, то електрони (дірки) провідності при русі відчувають дію сили Лоренца. Рух зарядженої частинки в магнітному полі є гвинтовим: рівномірним і круговим.

Якщо до провідника докласти змінне електромагнітне поле, то при збігу його частоти з циклотронною частотою спостерігається різке збільшення поглинання цього поля, тобто настає циклотронний резонанс (ЦР). Він може спостерігатися за умови, що носії заряду встигають зробити багато оборотів між зіткненнями з іншими частинками. У металах ЦР має свою специфіку в зв'язку з тим, що електромагнітна хвиля проникає в метал на малу глибину (скін-шар). ЦР широко застосовується у фізиці твердого тіла для вивчення енергетичного спектру, вимірювання знака заряду і ефективної маси електронів (дірок).

Акустичний парамагнітний резонанс - Виборче поглинання енергії акустичних хвиль високих частот (гіперзвук) в парамагнітних кристалах, поміщених в постійне магнітне поле.

параметричний резонанс - Виборче порушення коливань різної природи в речовині шляхом періодичної зміни деяких його параметрів.

рентгенівська спектроскопія - Характеристичне поглинання або випускання рентгенівських хвиль речовиною.

 Гамма - резонанс - Резонансне поглинання і розсіяння гамма - квантів ядрами атомів речовини. В спектрі твердого тіла цього резонансу можуть відповідати дуже вузькі піки, якщо процес випромінювання або поглинання гамма - кванта відбувається без віддачі (ефект Мессбауера). Такий процес можливий, якщо енергія віддачі ядра менше мінімальної енергії фононів, так як в цьому випадку відбувається без- фононного квантовий перехід. Гамма - резонансне поглинання може бути використано для визначення структури кристалів. У зв'язку з надзвичайною вузькістю спектру цей ефект можна використовувати для дуже точного визначення частоти.

Таким чином, резонансні методи вимірювання відносяться до числа найбільш інформативних, точних. З їх допомогою можна вивчати хімічний склад, симетрію, структуру, енергетичний спектр речовини, електричні і магнітні взаємодії в ньому.

З точки зору забезпечення високої чутливості вимірювальних пристроїв, принцип роботи яких заснований на використанні фізичних ефектів взаємодії електромагнітних полів з речовиною, особливий інтерес представляє реалізація резонансних явищ на молекулярному, доменному, атомарному, ядерному рівнях. Для управління такими процесами можуть бути застосоване постійне магнітне або електричне поле, акустичні та електромагнітні хвилі.

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

пропріоцептори

СХЕМА ЕКСПЕРИМЕНТУ

Виробництво і методи очищення консолей

тактильна чутливість

Пристрій і принцип роботи СТМ

емісійна електроніка

ефект Зеемана

Растровиий едектронний мікроскоп

фулерени

Скануючий СКВІД-мікроскоп

Інтерференційні і дифракційні явища при русі частинок

ємнісний иммуносенсор

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua