28. Магнітний резонанс

МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС, резонансне (виборче) поглинання радіочастотного випромінювання деякими атомними частинками, поміщеними в постійне магнітне поле. Більшість елементарних частинок, подібно дзигою, обертаються навколо власної осі. Якщо частка має електричним зарядом, то при її обертанні виникає магнітне поле, тобто вона веде себе подібно крихітному магніту. При взаємодії цього магнітика із зовнішнім магнітним полем відбуваються явища, що дозволяють отримати інформацію про ядра, атомах або молекулах, до складу яких входить дана елементарна частинка. Метод магнітного резонансу являє собою універсальний інструмент досліджень, застосовуваний в настільки різних областях науки, як біологія, хімія, геологія та фізика. Розрізняють магнітні резонанси двох основних видів: електронний парамагнітний резонанс і ядерний магнітний резонанс. Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР). ЕПР був відкритий в 1944 російським фізиком Е.К.Завойскім. Електрони в речовинах ведуть себе як мікроскопічні магніти. У різних речовинах вони переорієнтуються по-різному, якщо помістити речовина в постійне зовнішнє магнітне поле і впливати на нього радіочастотним полем. Повернення електронів до вихідної орієнтації супроводжується радіочастотним сигналом, який несе інформацію про властивості електронів і їх оточенні. Такий метод, що являє собою один з видів спектроскопії, застосовується при дослідженні кристалічної структури елементів, хімії живих клітин, хімічних зв'язків в речовинах і т.д.

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР). ЯМР був відкритий в 1946 американськими фізиками Е.Перселлом і Ф. Блох. Працюючи незалежно один від одного, вони знайшли спосіб резонансної «настройки» в магнітних полях власних обертань ядер деяких атомів, наприклад водню та одного з ізотопів вуглецю. Коли зразок, який містить такі ядра, поміщають в сильне магнітне поле, їхні ядерні моменти «шикуються» подібно залізним тирсі поблизу постійного магніту. Цю загальну орієнтацію можна порушити радіочастотним сигналом. За виключенні сигналу ядерні моменти повертаються в початковий стан, причому швидкість такого відновлення залежить від їх енергетичного стану, типу оточуючих ядер і ряду інших чинників. Перехід супроводжується випусканням радіочастотного сигналу. Сигнал подається на комп'ютер, який обробляє його. Таким шляхом (метод комп'ютерної ЯМР-томографії) можна отримати зображення. (При зміні зовнішнього магнітного поля малими ступенями досягається ефект тривимірного зображення.) Метод ЯМР забезпечує високу контрастність різних м'яких тканин на зображенні, що вкрай важливо для виявлення хворих клітин на тлі здорових. ЯМР-томографія вважається більш безпечною, ніж рентгенівська, оскільки не викликає ні руйнування, ні роздратування тканин (див. також рентгенівське випромінювання). ЯМР дозволяє також вивчати живі клітини, не порушуючи їх життєдіяльності. Тому слід очікувати, що застосування ЯМР в клінічній медицині буде розширюватися.

29. Магнітоопір.

Магнітоопір (магніторезистивного ефекту) - зміна електричного опору матеріалу в магнітному полі. Вперше ефект був виявлений в 1856 Вільямом Томсоном. У загальному випадку можна говорити про будь-яку зміну струму через зразок при тому ж доданому напрузі і зміні магнітного поля. Всі речовини в тій чи іншій мірі володіють магнетоопору. Для надпровідників, здатних без опору проводити електричний струм, існує критичне магнітне поле, яке руйнує цей ефект і речовина переходить в нормальний стан, в якому спостерігається опір. У нормальних металах ефект магнітоопору виражений слабкіше. В напівпровідникахвідносна зміна опору може бути в 100-10 000 разів більше, ніж у металах, і може досягати сотень тисячвідсотків.

Магнітоопір речовини залежить і від орієнтації зразка відносно магнітного поля. Це пов'язано з тим, що магнітне поле не змінює проекцію швидкості частинок на напрямок магнітного поля, але завдяки силі Лоренца закручує траєкторії в площині, перпендикулярній магнітному полю. Це пояснює, чому поперечне поле діє сильніше поздовжнього. Тут ^[ де? ] мова піде в основному про поперечному магнетоопорудвовимірних систем, коли магнітне поле орієнтовано перпендикулярно до площини руху частинок.

На основі магніторезистивного ефекту створюють датчики магнітного поля.

30. Лазери та їх застосування.Індуковане випромінювання.

Лазери є унікальними джерелами світла. Їх унікальність визначають властивості, якими не володіють звичайні джерела світла. На противагу, наприклад, звичайної електричної лампочки, електромагнітні хвилі, що зароджуються в різних частинах оптичного квантового генератора, віддалених один від одного на відстані макроскопічні, виявляються когерентні між собою. Це означає, що всі коливання в різних частинах лазера відбуваються узгоджено. Щоб розібрати поняття когерентності в деталях, потрібно згадати поняття інтерференції.Інтерференція - це взаємодія хвиль, при якому відбувається складання амплітуд цих хвиль.Якщо вдається відобразити процес цієї взаємодії, то можна побачити так звану інтерференційнукартину (вона виглядає як чергування темних і світлих ділянок). Інтерференційну картину здійснити досить важко, тому що звичайно джерела досліджуваних хвиль породжують хвилі неузгоджено, і самі хвилі при цьому будуть гасити один одного. У цьому випадкуінтерференційна картина буде надзвичайно розмита або ж не буде видно зовсім. Процес взаємного гасіння схематично представлений на рис.1 (а) Отже, вирішення проблеми отримання інтерференційної картини лежить у використанні двох залежних і узгоджених джерел хвиль. Хвилі від узгоджених джерел випромінюють таким чином, що різниця ходу хвиль буде дорівнювати цілому числу довжин хвиль. Якщо ця умова виконується, то амплітуди хвиль накладаються один на одного і відбувається інтерференція хвиль рис. 1 (б). Тоді джерела хвиль можна назвати когерентними.

Когерентність хвиль, і джерел цих хвиль можна визначити математично. Нехай Е1 - напруженість електричного поля, що створюється перша пучком

світла, Е2 - другим. Припустимо, що пучки перетинаються в деякій точці простору А. Тоді згідно з принципом суперпозиції напруженість поля в точці А дорівнює

Е = Е1 + Е2

Так як в явищах інтерференції і дифракції оперують відносними

значеннями величин, то подальші операції будемо виробляти з величиною - інтенсивність світла, яка позначена за I і дорівнює

I = E2

Змінюючи величину I на певну раніше величину Е, отримуємо

I = I1 + I2 + I12,

де I1 - інтенсивність світла першого пучка,

I2 - інтенсивність світла другого пучка.

Останній доданок I12 враховує взаємодію пучків світла і називається інтерференційнихчленом. Це складова одно

I12 = 2 (E1 * E2)

Якщо взяти незалежні джерела світла, наприклад, дві електричні лампочки, то повсякденний досвід показує, що I = I1 + I2, тобто результуюча інтенсивність дорівнює сумі інтенсивностей накладаються пучків, а тому інтерференційний член звертається в нуль. Тоді кажуть, що пучки некогерентних між собою, отже, некогерентних і джерела світла. Однак, якщо накладаються пучки залежні, то інтерференційний член не звертається в нуль, а тому I <> I1 + I2. У цьому випадку в одних точках простору результуюча інтенсивність I більше, в інших - менше інтенсивностей I1 і I2. Тоді й відбувається інтерференція хвиль, а значить, джерела світла виявляються когерентними між собою. З поняттям когерентності також пов'язане поняття просторової когерентності. Два джерела електромагнітних хвиль, розміри і взаємне розташування яких дозволяє отримати інтерференційну картину, називаються просторово когерентними. Інший чудовою рисою лазерів, тісно пов'язаної з когерентністю їх випромінювання, є здатність до концентрації енергії - концентрації в часі, в спектрі, у просторі, у напрямку розповсюдження. Перше означає те, що випромінювання оптичного генератора може тривати всього близько сотні мікросекунд. Концентрація в спектрі припускає, що ширина спектральної лінії лазера дуже вузька. Це монохроматичность. Лазери також здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності. Як правило, це значення досягає 10-5 радий. Це означає, що на Місяці такий пучок, посланий з Землі, дасть пляма діаметром близько 3 км. Це є проявом концентрації енергії лазерного променя в просторі і у напрямку розповсюдження.

Для деяких квантових генераторів характерна надзвичайно висока ступінь монохроматичности їх випромінювання. Будь-який потік електромагнітних хвиль завжди має набір частот. Випромінювання і поглинання атомної системи характеризується не тільки частотою, але і деякою невизначеністю цієї величини, званої шириною спектральної лінії (або смуги). Абсолютно монохроматичного одноколірного потоку створити не можна, однак, набір частот лазерного випромінювання надзвичайно вузький, що і визначає його дуже високу монохроматичность. Потрібно відзначити, що лінії лазерного випромінювання мають складну структуру і складаються з великого числа надзвичайно вузьких ліній. Застосовуючи відповідніоптичні резонатори, можна виділити і стабілізувати окремі лінії цієї структури, створивши тим самим одночастотний лазер.

Лазери є найбільш потужними джерелами світлового випромінювання. У вузькому інтервалі спектра (протягом проміжку часу, тривалістю близько 10-13 с) у деяких типів лазерів досягається потужність випромінювання порядку 1017 Вт/см2, в той час як потужність випромінювання Сонця дорівнює лише 7 * 103 Вт/см2, причому сумарно по всьому спектру. На вузький ж інтервал l = 10-6 см (це ширина спектральної лінії лазера) припадає у Сонця всього лише 0,2 Вт/см2. Якщо завдання полягає в подоланні порогу в 1017 Вт/см2, то вдаються до різних методів підвищення потужності.

Для підвищення потужності випромінювання необхідно збільшити число атомів, що беруть участь у посиленні світлового потоку за рахунок індукованого випромінювання, і зменшити тривалість імпульсу. Застосування лазерів.Одночасно зі створенням перших лазерів почали розвиватися різні напрями їх застосувань. Створення лазерів ліквідувало якісну відмінність оптики від радіоелектроніки. Таким чином, всі радіотехнічні методи принципово можуть бути здійснені і в оптичному діапазоні, причому трохи довжини хвилі лазерного випромінювання відкриває ряд додаткових перспектив. Лазерів великої потужності дозволяють вивчати різноманітні явища при взаємодії світла великої інтенсивності з середовищем, раніше зовсім недоступні для експерименту. У дослідженнях молекулярного розсіювання світла лазерні джерела значно розширили можливості експериментальної техніки, зокрема дозволили досліджувати властивості рідкого і твердого гелію, провести перші дослідження кінетики руху деяких біологічних об'єктів, наприклад найпростіших бактерій. За допомогою коротких і надкоротких імпульсів можна вивчати надзвичайно швидкі релаксаційні процеси в конденсованих середовищах з часом релаксації ~ 10^-13сек. Можливість формувати надкороткі імпульси світла 10^-11- 10^-12сек має також дуже важливе значення для швидкісної фотографії та ряду ін методів дослідження бистропротекающих процесів. За допомогою гелій-неонового лазера, що володіє високою стабільністю частоти, можливе створення єдиного оптичного стандарту довжини (довжина хвилі) і часу (частота). Для вимірювання абсолютного значення частоти гелій-неонового лазера (3,32 мкм) ця частота після перетворення вимірюється в од. частоти клістрона (0,074230^{жовтнем}1912 Гц). Це дозволяє отримати найбільш точне значення швидкості світла с = 2,997924562 + 1,1 м / сек.

Вимушене, або індуковане, випромінювання фотонів частоти v ₂₁ = v _0, при якому атоми переходять з порушеної верхнього стану Е ₂ на нижнє Е ₁ під дією зовнішнього світлового поля. Швидкість цього процесу буде

dN _2вин / dt = B ₂₁ p (v) N _2.

Головною особливістю цих переходів є те, що випромінюється під дією зовнішнього поля квант повністю когерентних з цим полем, тобто має ту ж частоту, фазу, поляризацію і поширюється по тому ж напрямку. Таким чином, вимушене випромінювання є когерентним по відношенню до зовнішнього поля. Імовірнісні коефіцієнти_{Ейнштейна,}B₂₁і B₁₂пов'язані між наступним чином:

B ₁₂ = B _21, A ₂₁ = (8п hv ³ / c ³⁾ * B _12.

У звичайних умовах середовищ, близьких до рівноваги, має місце послаблення розглянутої хвилі за законом Бугера: I = I ₀ e ^{- kx,} N _1> N _2, k <0,тобто відбувається вимушене (позитивне) поглинання. Якщо в середовищі створити умоваN _2> N _1,то в цьому випадкуk> 0і середовище буде посилювати проходить хвилю, тобто буде спостерігатися негативного поглинання. Середовища, у яких виконується ця умова, називаються середовищами зінверсією заселеностіабо активними середовищами.

Коли в умовах інверсії заселеності рівнів електрон переходить на нижній рівень, випускаючи фотон, то останній, проходить через безліч навколишніх його збуджених атомів і здатний викликати випромінювання фотона у якого-небудь з них. Обидва фотона переміщуються в одному і тому ж напрямку і до того ж вони практично когерентні. Кожен з цієї пари фотонів може повторити той же процес, і через дуже нетривалий час завдяки свого роду ланцюгової реакції утворюється фотонна лавина, в якій всі фотони мають одну і ту ж саму частоту, всі рухаються в одному напрямі і все оптично когерентні. Ця лавина фотонів може бути значно посилена з допомогою одного оптичного трюку. Якщо всю систему помістити у резонатор (між двома не повністю відображають дзеркалами), то у високому ступені когерентний і направлене світло буде багаторазово проходити всередині області інверсією заселеності. Оскільки швидкість світла дуже велика, весь процес багаторазового відбиття світла з постійно наростаючою інтенсивністю відбувається за дуже малий проміжок часу, і при дотриманні необхідних умов виникає дуже інтенсивний і дуже короткочасний світловий імпульс, що володіє скоєно особливими властивостями. Лазерні промені суворо монохроматичного і когерентні, мають дуже малу кутову расходимость, мають величезну потужність випромінювання.

Таким чином, для отримання лазерного випромінювання необхідно мати частинки, в яких може бути створена інверсна заселеність, резонатор і пристрій, що забезпечує отримання інверсного стану. Частинки, в яких може бути створена інверсна заселеність, називають активними речовинами лазера. Сукупність же елементів, які забезпечують отримання інверсної заселеності, називають пристроєм або системою накачування.