Реферат: Резонансный метод исследования строительных материалов

Оптическим резонансом можно назвать избирательное поглощение инфракрасного, видимого или ультрафиолетового света веществом. В газообразном веществе свет поглощается отдельными атомами или молекулами, которые практически не взаимодействуют друг с другом, хотя и испытывают соударения. Поэтому спектр поглощения носит линейчатый характер, а частоты линий поглощения nik = (Ek - Ei)/ h отвечают квантовым переходам между энергетическими уровнями атомов или молекул. Поглощая фотон, атом (молекула) переходит в возбужденное состояние, а при столкновениях с другими атомами (молекулами) возвращается в основное состояние. Избыток энергии при этом превращается в кинетическую энергию движущихся частиц, то есть газ нагревается.

Энергетический спектр молекул в отличие от спектра атомов имеет дополнительные уровни в низкочастотном диапазоне, отвечающие колебаниям атомов в молекулах. Это не только приводит к дополнительным резонансам в инфракрасной области спектра, но и создает тонкую структуру спектральных линий в видимой области спектра. Дополнительные линии появляются потому, что одновременно с фотоном поглощается или излучается квант колебаний. Часто эти линии сливаются в полосы, и спектр приобретает полосатый характер. Кроме того, в формировании тонкой структуры спектра могут участвовать еще более низкочастотные кванты вращательных движений атомов.

Поскольку каждый атом или молекула имеет свой характерный для них энергетический спектр, можно по оптическому спектру устанавливать химический состав вещества. Это привело к возникновению спектрального анализа. Эффективность этого анализа видна хотя бы из того факта, что, исследуя спектр Солнца, ученые открыли новый химический элемент - гелий, который был получен в лабораторных условиях лишь позднее.

Спектры твердых тел (кристаллов) существенно отличаются от линейчатых, образуя более или менее сплошное поглощение, на фоне которого видны провалы и пики. При понижении температуры в спектре обычно проявляется тонкая структура. По характеру этих спектров можно судить о структуре, симметрии твердого тела и внутренних взаимодействиях в нем.

Оптический резонанс возможен не только при поглощении света, но и при его излучении (так называемое индуцированное излучение). Это обстоятельство было использовано при создании оптических квантовых генераторов (лазеров).

4) МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

Электроны, многие ядра и атомы с незамкнутыми электронными оболочками (так называемые парамагнитные атомы) обладают собственным магнитным моментом. Если к веществу приложить постоянное магнитное поле, напряженность которого обозначим H, то магнитные моменты прецессируют вокруг направления поля. Согласно законам квантовой механики, проекция mH прецессирующего магнитного момента m на направление поля H квантуется, то есть может принимать лишь дискретный ряд значений mH = gmm, где m - величина магнитного момента, g - фактор Ланде, m - целое число, принимающее значения - I, - I + 1, - I + 2, _, + I (I - спин частицы в единицах "). Каждой проекции магнитного момента отвечает дополнительная энергия [2-4]

DEm = - mHH = - g mHm,

то есть возникает зеемановское расщепление энергетического уровня. Интервал между соседними зеемановскими подуровнями, очевидно, DE = g mH.

Если облучать вещество переменным электромагнитным полем частоты n, то при частоте

будет происходить резонансное поглощение энергии переменного поля, которое можно экспериментально измерять. На практике удобнее частоту переменного поля (задаваемую генератором) зафиксировать, а менять величину постоянного магнитного поля H. Тогда резонанс наступает при определенном значении поля H, которое и измеряется. На рис. 2 показано расщепление энергетического уровня частицы со спином I = 1 в магнитном поле и указано положение резонанса. Следует заметить, что исходный энергетический уровень может быть слабо расщеплен благодаря различным возмущениям (так называемое начальное расщепление). Это приводит к возникновению нескольких резонансов вместо одного.

Описанное явление называют магнитным резонансом. Зная магнитный момент электрона (так называемый магнетон Бора) , нетрудно вычислить частоту электронного резонанса (здесь e - заряд электрона, M - его масса, c - скорость света). Эта частота при поле H ї 103-104 Э попадает в область радиоволн сверхвысоких частот (СВЧ). Поскольку масса протона M примерно 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 область длинных радиоволн. Поэтому различают электронный магнитный резонанс (ЭМР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

Электронный магнитный резонанс, в свою очередь, можно разделить на парамагнитный (ЭПР), ферромагнитный (ФР) и антиферромагнитный (АФР). В первом случае резонируют отдельные примесные парамагнитные ионы (то есть ионы со спином, отличным от нуля) в диамагнитных кристаллах. В двух последних возбуждаются коллективные спиновые волны в ферро- или антиферромагнетике. ЭПР был открыт российским физиком Е.К. Завойским в 1944 году, ЯМР впервые наблюдался американским физиком И.А. Раби в 1937 году на атомных и молекулярных пучках, а Э. Парселл и Ф. Блох с сотрудниками наблюдали ЯМР в конденсированных средах.

Специально вводимые в диамагнитные кристаллы примесные парамагнитные ионы оказались прекрасными зондами для изучения методом ЭПР локальной структуры и симметрии, природы химических связей примесного иона с кристаллическим окружением, электронно-колебательных взаимодействий и т.д. Наблюдение ЯМР служит источником информации о неэквивалентных позициях одинаковых атомов в молекулах (так называемый химический сдвиг Найта), о непрямом спин-спиновом взаимодействии ядер через посредство электронных оболочек.

Двойной электронно-ядерный резонанс (ДЭЯР) представляет собой детектирование квантовых переходов между ядерными магнитными подуровнями по их влиянию на интенсивность сигналов ЭПР [6]. ДЭЯР был открыт Г. Феером (США) в 1956 году и наблюдается следующим образом: сначала под влиянием СВЧ-излучения частоты ne насыщается сигнал ЭПР, то есть выравниваются населенности нижнего и верхнего уровней (например, 1 и 4 на рис. 3), в результате чего сигнал ЭПР исчезает, затем подается радиочастотное поле частоты ЯМР nr , которое приводит к изменению населенностей и появлению сигнала ЭПР (рис. 3).

Метод ДЭЯР используют для наблюдения сверхтонкой и суперсверхтонкой структуры энергетического спектра парамагнитных примесных ионов в полупроводниках и диэлектриках. Эта структура обусловлена спин-спиновыми взаимодействиями электронов парамагнитного иона с собственным ядром и ядрами окружающих атомов. Это позволяет изучать распределение электронной плотности вокруг парамагнитных центров, сверхтонкие и квадрупольные взаимодействия и т. д. Метод ДЭЯР сочетает большую чувствительность ЭПР с высокой разрешающей способностью метода ЯМР.

5) ПАРАЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС

Параэлектрический резонанс является электрическим аналогом магнитного резонанса. Он представляет собой резонансное поглощение электромагнитного излучения СВЧ веществом, помещенным в постоянное электрическое поле [5]. Этот резонанс возникает в результате переориентации электрических дипольных моментов молекул или примесных центров в кристаллах из одного равновесного положения в другое под действием электрической компоненты переменного электромагнитного поля. Равновесные положения могут быть разделены невысокими потенциальными барьерами, что создает возможность туннелирования между ними. Это туннелирование изменяет энергетический спектр, создавая дополнительные расщепления уровней. Внешнее электрическое поле смещает и расщепляет уровни, изменяя частоты переходов.

Поскольку элементарные частицы не обладают электрическим дипольным моментом, последние могут возникать в ионных кристаллах благодаря смещению центрального иона в одно из нецентральных равновесных положений или при введении в кристалл примесных молекул с постоянным электрическим дипольным моментом. Параэлектрический резонанс наблюдался, например, в кристаллах KCl с примесью Li+ при температурах T # 10 K.

Параэлектрическая спектроскопия привела к дальнейшему расширению информативных возможностей радиоспектроскопии и имеет также практические применения (электрическое адиабатическое охлаждение, создание фононных генераторов и др.).

6) ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС В ПРОВОДНИКАХ

Если поместить проводник в постоянное магнитное поле напряженности H, то электроны (дырки) проводимости при движении под углом к H испытывают действие силы Лоренца [7]

где q - заряд, а n - скорость электрона (дырки), c - скорость света, B - магнитная индукция, B = mH, m - магнитная проницаемость (в немагнитных проводниках m = 1). Движение заряженной частицы в магнитном поле является винтовым: равномерным в проекции на B и круговым в проекции на плоскость, перпендикулярную B. Полагая

находим радиус окружности

и круговую частоту вращения

Здесь m - масса частицы, n' - проекция скорости частицы на указанную выше плоскость, а wc - циклотронная частота. Обычно wc ~ 1010-1012 Гц при B ~ 1-100 кГс.

Если к проводнику приложить переменное электромагнитное поле, то при совпадении его частоты с циклотронной частотой наблюдается резкое увеличение поглощения этого поля, то есть наступает циклотронный резонанс (ЦР). Он может наблюдаться при условии, что носители заряда успевают сделать много оборотов между столкновениями с другими частицами. В металлах ЦР имеет свою специфику в связи с тем, что электромагнитная волна проникает в металл на малую глубину (скин-слой). ЦР широко применяется в физике твердого тела для изучения энергетического спектра, измерения знака заряда и эффективной массы электронов (дырок).

Виды резонансов чрезвычайно многообразны, и в краткой статье нет возможности остановиться на всех. Перечислим еще некоторые из них

Акустический резонанс - избирательное поглощение энергии акустических волн высоких частот (гиперзвук) в парамагнитных кристаллах, помещенных в постоянное магнитное поле.