Методы измерения с использованием резонансного взаимодействия электромагнитного поля с веществом

В последние десятилетия обширное распространение в измерительной технике, также при исследовании параметров веществ, находящихся в газообразном, водянистом и жестком состоянии заполучили резонансные способы. Набор этих способов повсевременно дополняется благодаря открытию все новых разновидностей резонансных проявлений поведения систем.

Слово «резонанс» имеет латинское происхождение, в переводе – озвучу в ответ, откликаюсь. В широком смысле значит возрастание отклика колебательной системы на периодическое наружное воздействие при сближении частоты последнего с одной из частот собственных колебаний системы.

Колебательные системы, способные резонировать, могут иметь самую различную природу. В веществе такими системами могут быть электроны, электрические оболочки атомов, магнитные и электронные моменты атомов, молекул, примесных центров в кристаллах и т.п. Но во всех случаях общая картина резонанса сохраняется: поблизости резонанса растут амплитуда колебаний и энергия, передаваемая колебательной системе снаружи. Это возрастание прекращается, когда энергопотери компенсируют ее прирост.

Каждое вещество имеет собственный соответствующий только для него набор частот собственных колебаний. Частотные либо энерго диапазоны объектов могут иметь широкий спектр. Таковой набор частот является своебразной визитной карточкой вещества, изучая которую можно распознать хим состав, структуру, симметрию и другие свойства вещества.

Резонансные способы измерения относятся к более чувствительным способам. С помощью их получают большой объем инфы о хим составе, структуре, симметрии и внутренних взаимодействиях меж структурными единицами вещества.

Рис. 1.1 Резонансные кривые для разных значений добротности (Q) колебательного контура: >>.

При квантовом описании колебательная система характеризуется набором разрешенных квантовыми законами значений энергии (энергетическим диапазоном). Этот диапазон для систем связанных частиц может носить дискретный нрав. Переменное электрическое поле можно рассматривать как совокупа фотонов с разными энергиями. При совпадении энергии фотона с разностью энергий каких-то уровней происходит резонансное поглощение фотонов, вызывающие квантовый переход электронов с нижних на верхние уровни. При всем этом оптическим резонансом именуют избирательное поглощение веществом ИК, видимого и УФ излучений.

В газообразном веществе свет поглощается отдельными атомами либо молекулами, которые фактически не ведут взаимодействие вместе. Потому их диапазон поглощения (излучения) носит линейчатый нрав.

Энергетический диапазон молекул в отличие от диапазона атомов имеет дополнительные уровни в низкочастотном спектре, отвечающем за колебания и вращения атомов и молекул. Это приводит к возникновению дополнительных резонансов в ИК-области, также делает узкую структуру спектральных линий в видимой области диапазона. Эти лини соединяются и образуют полосатый диапазон.

Диапазоны жестких тел (кристаллов) значительно отличаются от линейчатых, образуя более либо наименее сплошное поглощение с провалами и пиками. Потому что каждый атом либо молекула имеют собственный соответствующий для их энергетический диапазон, можно по оптическому диапазону найти хим состав вещества, структуру жестких тел, нрав внутренних взаимодействий и др.

Электроны, многие ядра и атомы с незамкнутыми электрическими оболочками (парамагнитные атомы) владеют своим магнитным моментом. Если к веществу приложить неизменное магнитное поле, то магнитные моменты прецессируют вокруг направления магнитного поля. Согласно законам квантовой механики, проекция вектора магнитного момента на направление поля квантуется, другими словами может принимать дискретный ряд значений (зеемановское расщепление). Интервал меж примыкающими подуровнями пропорционален напряженности магнитного поля. Если облучать вещество переменным электрическим полем, то на этих частотах будет происходить резонансное поглощение энергии переменного поля.

На практике удобнее частоту переменного электрического поля зафиксировать, а поменять величину неизменного магнитного поля. Тогда резонанс будет наступать при определенных значениях напряженности магнитного поля, которое можно определять. Данное явление именуется магнитным резонансом. Зная магнитный момент электрона — магнетон Бора (в системе СИ):

, (1.1)

можно вычислить частоту электрического магнитного резонанса. Эта частота при средних значениях магнитного поля соответствует СВЧ спектру излучения. Потому что масса протона в 1840 раз больше массы электрона, магнитный момент протона соответственно во столько же раз меньше магнитного момента электрона. Это приводит к тому, что частоты ядерного резонанса попадают в радиоволновую область.

Рис. 1.2 Расщепление энергетического уровня системы во наружном магнитном поле.

Различают электрический (ЭМР) и ядерный (ЯМР) магнитные резонансы. Электрический магнитный резонанс, в сою очередь, можно поделить на парамагнитный (ЭПР) и антиферромагнитный (АФР). В первом случае резонируют отдельные парамагнитные ионы. В 2-ух других возбуждаются коллективные спиновые волны в ферро- и антиферромагнетиках.

Специально вводимые в диамагнитные кристаллы примесные парамагнитные ионы оказались неплохими зондами для исследования способом ЭПР локальной структуры и симметрии, природы хим связей примесного иона с кристаллическим окружением, электронно-колебательных движений и т.п. Наблюдение ЯМР служит источником инфы о неэквивалентных позициях схожих атомов в молекулах (так именуемый хим сдвиг Ната), о непрямом спин-спиновом содействии ядер через посредство электрических оболочек.

Двойной электронно-ядерный резонанс (ДЭЯР) представляет собой детектирование квантовых переходов меж ядерными магнитными подуровнями по их воздействию на интенсивность сигналов ЭПР.

Данный способ употребляется для наблюдения сверхтонкой структуры энергетического диапазона парамагнитных примесных ионов в полупроводниках и диэлектриках. Эта структура обоснована спин-спиновыми взаимодействиями электронов парамагнитного иона с своим ядром и ядрами окружающих атомов, что позволяет учить рассредотачивание электрической плотности вокруг парамагнитных центров, сверхтонкие квадрупольные взаимодействия и т.п. Способ ДЭЯР соединяет огромную чувствительность ЭПР с высочайшей разрешающей способностью способа ЯМР.

Параэлектрический рензонанс является электронным аналогом магнитного резонанса. Он представляет собой резонансное поглощение электрического излучения СВЧ веществом, помещенным в неизменное электронное поле. Этот резонанс появляется в итоге переориентации электронных дипольных моментов молекул либо примесных центров в кристаллах из 1-го сбалансированного положения в другое под действием электронной составляющие переменного электрического поля. Сбалансированные положения могут быть разбиты низкими возможными барьерами, что делает возможность туннелирования меж ними. Это туннелирование изменяет энергетический диапазон, создавая дополнительные расщепления уровней. Наружное электронное поле сдвигает и расщепляет уровни, изменяя частоты переходов.

Так как простые частички не владеют электронным дипольным моментом, последние могут появиться в ионных кристаллах благодаря смещению центрального иона в одно из нецентральных сбалансированных положений либо при внедрении в кристалл примесных молекул с неизменным электронным дипольным моментом. Параэлектрический резонанс наблюдался, к примеру, в кристаллах КСl c примесью Li при температурах Т < 10 К.

Рис. 1.3 Сверхтонкая структура энергетических уровней парамагнитного центра и восстановление сигнала ЭПР при облучении эталона электрическим полем частоты ЯМР.

Параэлектрическая спектроскопия привела к предстоящему расширению информативных способностей радиоспектроскопии и имеет также практические внедрения (электронное адиабатическое остывание, создание фононных генераторов и др.).

Циклотронный резонанс в проводниках. Если поместить проводник в неизменное магнитное поле, то электроны (дырки) проводимости при движении испытывают действие силы Лоренца. Движение заряженной частички в магнитном поле является винтообразным: равномерным и радиальным.

Если к проводнику приложить переменное электрическое поле, то при совпадении его частоты с циклотронной частотой наблюдается резкое повышение поглощение этого поля, другими словами наступает циклотронный резонанс (ЦР). Он может наблюдаться при условии, что носители заряда успевают сделать много оборотов меж столкновениями с другими частичками. В металлах ЦР имеет свою специфику в связи с тем, что электрическая волна просачивается в металл на малую глубину (скин-слой). ЦР обширно применяется в физике твердого тела для исследования энергетического диапазона, измерения знака заряда и действенной массы электронов (дырок).

Акустический парамагнитный резонанс – избирательное поглощение энергии акустических волн больших частот (гиперзвук) в парамагнитных кристаллах, помещенных в неизменное магнитное поле.

Параметрический резонанс – избирательное возбуждение колебаний разной природы в веществе методом повторяющегося конфигурации неких его характеристик. Рентгеновская спектроскопия – характеристическое поглощение либо испускание рентгеновских волн веществом.

Палитра – резонанс – резонансное поглощение и рассеяние палитра – квантов ядрами атомов вещества. В диапазоне твердого тела этому резонансу могут отвечать очень узенькие пики, если процесс излучения либо поглощения палитра – кванта происходит без отдачи (эффект Мессбауэра). Таковой процесс вероятен, если энергия отдачи ядра меньше малой энергии фононов, потому что в данном случае происходит бесфононный квантовый переход. Палитра – резонансное поглощение может быть применено для определения структуры кристаллов. В связи с чрезвычайной узостью диапазона этот эффект можно использовать для очень четкого определения частоты.

Таким макаром, резонансные способы измерения относятся к числу более информативных, четких. С помощью их можно учить хим состав, симметрию, структуру, энергетический диапазон вещества, электронные и магнитные взаимодействия в нем.

Исходя из убеждений обеспечения высочайшей чувствительности измерительных устройств, механизм работы которых основан на использовании физических эффектов взаимодействия электрических полей с веществом, энтузиазм представляет реализация резонансных явлений на молекулярном, доменном, атомарном, ядерном уровнях. Для управления такими процессами могут быть использовано неизменное магнитное либо электронное поле, акустические и электрические волны.