Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

но судить о напряженности их магнитных полей. Например, именно по эффекту Зеемана астрофизикам удалось установить, что пятна на Солнце являются следствием возмущения мощных магнитных полей вблизи его поверхности — солнечных магнитных бурь.

2.18.5. Дихроизм

Входы: поляризованный свет. Выходы: световой поток.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.69.

Сущность

Дихроизм — это зависимость величины поглощения телами света от его поляризации. Это свойство, в той или иной мере, присуще всем поглощающим свет веществам, обладающим анизотропной структурой. Классический пример такого вещества — кристалл турмалина. Он обладает двойным лучепреломлением и, кроме того, очень сильно поглощает обыкновенный луч. Поэтому даже из тонкой пластины турмалина естественный свет выходит линейно-поляризованным. Дихроизм присущ не только кристаллам, но и многочисленным некристаллическим телам, обладающим естественной или искусственно созданной анизотропией (молекулярные кристаллы, растянутые полимерные пленки, жидкости, ориентированные в потоке и т. д.).

Эффект фотодихроизма состоит в возникновении дихроизма в изотропной среде под действием поляризованного света. Свет вызывает фотохимические превращения молекул вещества, изменяя коэффициент их поглощения. Поляризованный свет преимущественно взаимодействует

Рис. 2.69. Дихроизм: à — отсутствие поглощения; á — полное поглощение; â — частичное поглощение

141

с молекулами определенной ориентации, что и приводит к появлению анизотропии поглощения.

Математическое описание

Дихроизм поглощения

d D D , D D

ãäå D — оптическая плотность для линейно-поляризованного света определенной длины волны с плоскостью поляризации, соответствующей параллельному направлению;

D — оптическая плотность для линейно-поляризованного света определенной длины волны с плоскостью поляризации, соответствующей перпендикулярному направлению.

Применение

Дихроизм используется в поляризаторах оптического излучения, лазерах, измерительных и диагностических системах.

Пат. 3558215 США. Устройство для преобразования светового луча с произвольной плоскостью поляризации в луч света с медленно вращающейся плоскостью поляризации содержит не менее трех последовательно расположенных оптических элементов. В качестве этих элементов используют магнитоили электрооптические элементы. Хотя бы на один элемент накладывают электромагнитное поле. Если поле накладывают более чем на один элемент, то поля для соседних элементов сдвинуты по фазе на 90°.

2.19.Явления микромира

Êданной группе ФТЭ относятся электронный и акустический парамагнитный резонансы, а также ядерный магнитный резонанс.

2.19.1. Электронный парамагнитный резонанс

Входы: состав.

Выходы: спектр.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.70.

142

значения и вырождение снимается, т. е. происходит расщепление уровня энергии электронов E0. Расстояние между возникшими подуровнями зависит от напряженности поля Í (ñì. ðèñ. 2.70):

E1 E 2 E g Á H Z,

ãäå g — фактор спектроскопического расщепления;Á — магнетон Бора, Á = 9,274·10–24 Дж/Тл. Магнитная индукция

B 0 H ,

ãäå 0 — магнитная проницаемость свободного пространства,0 = 1,257·10–6 Ãí/ì.

Распределение электронов по подуровням подчиняется закону Больцмана, согласно которому отношение заселенностей подуровней

ãäå k — постоянная Больцмана; Ò — абсолютная температура.

Если на образец подействовать переменным магнитным полем с частотой v, такой, что

h g Á h,

(ãäå h — постоянная Планка), и направленным перпендикулярно H, то индуцируются переходы между соседними подуровнями, причем переходы с поглощением и испусканием кванта hv равновероятны. Поскольку на нижнем уровне число электронов больше в соответствии с распределением Больцмана, то преимущественно будет происходить резонансное поглощение энергии переменного магнитного поля (его магнитной составляющей).

Применение

В основе применения ЭПР лежит зависимость спектра вещества от его внутреннего строения.

Метод ЭПР практически незаменим при изучении радиационных изменений в структурах, в том числе и в биологических. Чувствительность метода очень велика и составляет 1010 парамагнитных молекул. На при-

144

менении ЭПР основаны поиск и проверка новых веществ для квантовых генераторов: явление ЭПР используется для генерации сверхмощных субмиллиметровых волн.

Метод ЭПР дает информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решетку, от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: о валентности, координации, локальной симметрии, гибридизации электронов, во сколько структурных положений и в какие он входит, какое ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. Кроме того, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров

âобластях кристалла с разной структурой.

À.с. 292101. Способ текущего контроля условной вязкости гудронов и жидких битумов, отличается тем, что с целью непрерывности определения пропускают контролируемую струю по трубопроводу через резонатор спектрометра ЭПР и регистрируют условную вязкость по амплитуде линии спектра парамагнитного поглощения.

À.с. 510203. Способ определения пола огурцов путем исследования семян, отличается тем, что с целью повышения производительности труда

âселекционном процессе измеряют спектр электронного парамагнитного резонанса и по величине сигнала судят о степени выраженности и принадлежности к полу: при величине сигнала электронного парамагнитного резонанса 0,56–0,68 относительных единиц и слабом свечении растения будут преимущественно мужского типа, а при сигнале 0,48–0,56 относительных единиц и интенсивном свечении — женского типа.

À.с. 516643. Способ оценки стабильности пластичных смазок путем сравнения свойств исходной и проработавшей в узле трения смазки, отли- чается тем, что с целью сокращения времени проведения испытаний микроколичества смазки в исходную и проработавшие смазки вводят стабильный азотокислый радикал, снимают спектр ЭПГ, по параметрам спектра ЭПР определяют частоты вращательной диффузии радикала и по их отношению оценивают стабильность смазки.

2.19.2. Акустический парамагнитный резонанс

Входы: акустическая волна. Выходы: энергетический спектр.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.71.

145

Рис. 2.71. Схема спектрометра для изучения акустического парамагнитного резонанса

Сущность

Акустический парамагнитный резонанс (АПР) — поглощение энергии акустических волн определенной частоты (избирательное поглощение фононов) системой электронных спинов парамагнетика, которое возникает при совпадении частоты акустической волны (энергии фонона) с интервалом между энергетическими уровнями парамагнитного иона в приложенном магнитном поле. АПР можно рассматривать как акустический аналог электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Передача энергии электромагнитных колебаний парамагнитным частицам при ЭПР происходит непосредственно, в то время как передача акустической энергии при АПР происходит посредством спин-фононного взаимодействия.

Акустический парамагнитный резонанс можно наблюдать при помощи спектрометра. Возбужденные СВЧ-генератором 1 (см. рис. 2.71) акустические импульсы распространяются через образец, многократно отражаясь от его торцов. Акустические импульсы излучаются и принимаются пьезоэлектрическими пленочными преобразователями 2 (см. рис. 2.71), нанесенными на противоположные плоскопараллельные концы образца 3. Серия эхо-сигналов поступает в приемник 4, где и регистрируется.

Математическое описание

Коэффициент, характеризующий поглощение звука

2Whnp gV 2 ,

146

ãäå W — вероятность перехода; h — константа;

— частота;

n — разность населенностей спиновых уровней, n N n N m ; g — плотность образца;

V — объем образца;

— скорость распределения акустической волны.

Применение

С помощью АПР определяют энергетические спектры парамагнитных ионов, исследуют механизмы спин-фононного взаимодействия, изучают динамику электронно-ядерных взаимодействий и нелинейных процессов.

Как спектроскопический метод, АПР существенно дополняет и расширяет возможности ЭПР, поскольку при акустическом резонансе разрешены практически все переходы между энергетическими уровнями спинов, а в ЭПР — только магнитные дипольные переходы. Наиболее важно изучение с помощью АПР энергетических спектров ионов с четным числом электронов (Cr2 , Fe2 и др.), для которых характер спектра определя-

ется Яна — Теллера эффектом. Использование акустических фононов с частотами 1012 Гц позволило определить особенности энергетических спектров ионов с большим начальным расщеплением уровней во внутрикристаллическом поле. Исследовано большое число парамагнитных ионов, содержащихся в диамагнетиках, полупроводниках и магнетиках, имеющих синглетное, дублетное и триплетное орбитальные состояния.

Развитие исследований по АПР и спиновой динамике привело к созданию квантовых усилителей и генераторов ультразвука. Если усиление превосходит затухание упругих волн в кристалле, наступает самовозбуждение системы, сопровождающееся генерацией когерентных фононов. Увеличение мощности распространяющихся через образец акустических импульсов в условиях АПР позволило обнаружить ряд новых явлений, имеющих место в когерентной оптике,— ультразвуковые спиновое эхо и самоиндуцированную прозрачность. Значительно большее время прохождения акустического импульса через среду по сравнению с оптиче- ским импульсом дает возможность получить в этих случаях более точную информацию о механизмах взаимодействия волн различной природы со средой. При исследовании АПР в кристаллах с параэлектрическими центрами обнаружено взаимодействие гиперзвука с параэлектрическими центрами — модуляция диполь-дипольных связей.

147

2.19.3. Ядерный магнитный резонанс

Входы: состав.

Выходы: спектр.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.72.

Сущность

ЯМР — это резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер. Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле H0, на которое накладывается слабое переменное магнитное поле H H 0 (см. рис. 2.72). Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих магнитным моментом.

Математическое описание

Магнитный момент ядра

= I,

ãäå I — ñïèí ÿäðà;

— Планка постоянная.

Частота, на которой наблюдается ЯМР,

0 = H0.

Рис. 2.72. Резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом

148

Применение

В основе применения ЯМР лежит зависимость спектра вещества от его состава и внутренних свойств.

На применении ЯМР основан принцип работы приборов для стабилизации и точнейших измерений магнитных полей, а также для анализа смесей по их изотопному составу. Сильный сигнал ЯМР наблюдается в присутствии ядер изотопа C13, что предопределило применение ЯМР

èего разновидности — ядер изотопа квадрапульного резонанса — в химии углеводородов, особенно природных (нефть). ЯМР — один из методов радиоспектроскопии.

À.с. 550669. Способ измерения проницаемости пористых материалов, основанный на явлении ограниченной самодиффузии молекул жидкости, включающий в себя ядерно-магнитные резонансные измерения с импульсным градиентом магнитного поля, причем интервал времени между импульсами градиента устанавливают больше, чем время, необходимое для диффузии молекул на расстоянии, равное размеру пор в образце, измеряют сигнал этого образца; отличается тем, что с целью получения достоверного значения проницаемости увеличивают интервал времени между импульсами градиента при фиксированной их амплитуде, повторяют измерение амплитуды сигнала эха и по зависимости амплитуды эха от интервала между импульсами градиента судят о проницаемости.

À.с. 256340. Способ определения ферромагнитных примесей в диэлектрической среде, например в кристаллах синтетических алмазов, методом ферромагнитного резонанса, отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности определения испытуемый образец нагревают и по температуре исчезновения линий ферромагнитного резонансного поглощения судят о типе примесей.

À.с. 344275. Способ измерения расхода жидкостей, отличающийся тем, что с целью упрощения устройства, измеряют скорость затухания сигнала ЯМР при движении жидкости в неоднородном магнитном поле

èпо ней судят о расходе.

2.20. Фотофорез, стробоскопический, электрореологический и акустоэлектрический эффекты

К данной группе относятся ФТЭ, не вошедшие в вышеперечисленные группы.

149

2.20.1. Фотофорез

Входы: световой поток. Выходы: движение частиц.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.73.

Сущность

Если аэрозоль осветить интенсивным направленным пучком света (см. рис. 2.73), то аэрозольные частицы начинают совершать упорядо- ченное движение, причем некоторые из них в направлении распространения света (положительный фотофорез), а другие — навстречу ему (отрицательный фотофорез). Наиболее сильно фотофорез проявляется на окрашенных частицах. Тип фотофореза зависит от цвета и от их размера.

В основе явления лежит совместное действие на частицу светового давления и термофоретических сил. Преобладание одного из этих факторов определяет тип фотофореза. Так, для мелких частиц основным фактором является световое давление, оно и обусловливает в данном случае положительный фотофорез.

Интенсивное явление фотофореза обнаружено в аэрозолях селеновой и железной пыли. В этих системах под влиянием светового потока аэрозольные частицы начинают двигаться в направлении, перпендикулярном направлению распространения света.

Рис. 2.73. Фотофорез

150