Методы измерения с использованием резонансного взаимодействия электромагнитного поля с веществом

В последние десятилетия широкое распространение в измерительной технике, а также при исследовании свойств веществ, находящихся в газообразном, жидком и твердом состоянии приобрели резонансные методы. Набор этих методов постоянно пополняется благодаря открытию все новых разновидностей резонансных проявлений поведения систем.

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

Колебательные системы, способные резонировать, могут иметь самую разнообразную природу. В веществе такими системами могут быть электроны, электронные оболочки атомов, магнитные и электрические моменты атомов, молекул, примесных центров в кристаллах и т.п. Однако во всех случаях общая картина резонанса сохраняется: вблизи резонанса возрастают амплитуда колебаний и энергия, передаваемая колебательной системе извне. Это возрастание прекращается, когда потери энергии компенсируют ее прирост.

Каждое вещество имеет свой характерный только для него набор частот собственных колебаний. Частотные или энергетические спектры объектов могут иметь широкий диапазон. Такой набор частот является своебразной визитной карточкой вещества, изучая которую можно распознать химический состав, структуру, симметрию и другие характеристики вещества.

Резонансные методы измерения относятся к наиболее чувствительным методам. С их помощью получают большой объем информации о химическом составе, структуре, симметрии и внутренних взаимодействиях между структурными единицами вещества.

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

При квантовом описании колебательная система характеризуется набором разрешенных квантовыми законами значений энергии (энергетическим спектром). Этот спектр для систем связанных частиц может носить дискретный характер. Переменное электромагнитное поле можно рассматривать как совокупность фотонов с различными энергиями. При совпадении энергии фотона с разностью энергий каких-либо уровней происходит резонансное поглощение фотонов, вызывающие квантовый переход электронов с нижних на верхние уровни. При этом оптическим резонансом называют избирательное поглощение веществом ИК, видимого и УФ излучений.

В газообразном веществе свет поглощается отдельными атомами или молекулами, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому их спектр поглощения (излучения) носит линейчатый характер.

Энергетический спектр молекул в отличие от спектра атомов имеет дополнительные уровни в низкочастотном диапазоне, отвечающем за колебания и вращения атомов и молекул. Это приводит к появлению дополнительных резонансов в ИК-области, а также создает тонкую структуру спектральных линий в видимой области спектра. Эти лини сливаются и образуют полосатый спектр.

Спектры твердых тел (кристаллов) существенно отличаются от линейчатых, образуя более или менее сплошное поглощение с провалами и пиками. Так как каждый атом или молекула имеют свой характерный для них энергетический спектр, можно по оптическому спектру определить химический состав вещества, структуру твердых тел, характер внутренних взаимодействий и др.

Электроны, многие ядра и атомы с незамкнутыми электронными оболочками (парамагнитные атомы) обладают собственным магнитным моментом. Если к веществу приложить постоянное магнитное поле, то магнитные моменты прецессируют вокруг направления магнитного поля. Согласно законам квантовой механики, проекция вектора магнитного момента на направление поля квантуется, то есть может принимать дискретный ряд значений (зеемановское расщепление). Интервал между соседними подуровнями пропорционален напряженности магнитного поля. Если облучать вещество переменным электромагнитным полем, то на этих частотах будет происходить резонансное поглощение энергии переменного поля.

На практике удобнее частоту переменного электромагнитного поля зафиксировать, а менять величину постоянного магнитного поля. Тогда резонанс будет наступать при определенных значениях напряженности магнитного поля, которое можно измерять. Данное явление называется магнитным резонансом. Зная магнитный момент электрона - магнетон Бора (в системе СИ):

, (1.1)

можно вычислить частоту электронного магнитного резонанса. Эта частота при средних значениях магнитного поля соответствует СВЧ диапазону излучения. Так как 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 внешнем магнитном поле.

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

Специально вводимые в диамагнитные кристаллы примесные парамагнитные ионы оказались хорошими зондами для изучения методом ЭПР локальной структуры и симметрии, природы химических связей примесного иона с кристаллическим окружением, электронно-колебательных движений и т.п. Наблюдение ЯМР служит источником информации о неэквивалентных позициях одинаковых атомов в молекулах (так называемый химический сдвиг Ната), 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.

Данный метод используется для наблюдения сверхтонкой 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, что позволяет изучать распределение электронной плотности вокруг парамагнитных центров, сверхтонкие квадрупольные взаимодействия и т.п. Метод ДЭЯР сочетает большую чувствительность ЭПР с высокой разрешающей способностью метода ЯМР.

Параэлектрический рензонанс является электрическим аналогом магнитного резонанса. Он представляет собой резонансное поглощение электромагнитного излучения СВЧ веществом, помещенным в постоянное электрическое поле. 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 возникнуть 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 КСl c примесью Li при температурах Т < 10 К.

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

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

Циклотронный резонанс в проводниках. Если поместить проводник в постоянное магнитное поле, то электроны (дырки) проводимости при движении испытывают действие силы Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитном поле является винтовым: равномерным и круговым.

Если к проводнику приложить переменное электромагнитное поле, то при совпадении его частоты с циклотронной частотой наблюдается резкое увеличение поглощение 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).

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

Параметрический резонанс – избирательное возбуждение колебаний разной природы в веществе путем периодического изменения некоторых его параметров.

Рентгеновская спектроскопия – характеристическое поглощение или испускание рентгеновских волн веществом.

Гамма – резонанс – резонансное поглощение и рассеяние гамма – квантов ядрами атомов вещества. В спектре твердого тела этому резонансу могут отвечать очень узкие пики, если процесс излучения или поглощения гамма – кванта происходит без отдачи (эффект Мессбауэра). Такой процесс возможен, если энергия отдачи ядра меньше минимальной энергии фононов, так как в этом случае происходит бесфононный квантовый переход. Гамма – резонансное поглощение может быть использовано для определения структуры кристаллов. В связи с чрезвычайной узостью спектра этот эффект можно использовать для очень точного определения частоты.

Таким образом, резонансные методы измерения относятся к числу наиболее информативных, точных. С их помощью можно изучать химический состав, симметрию, структуру, энергетический спектр вещества, электрические и магнитные взаимодействия в нем.

С точки зрения обеспечения высокой чувствительности измерительных устройств, принцип работы которых основан на использовании физических эффектов взаимодействия электромагнитных полей с веществом, интерес представляет реализация резонансных явлений на молекулярном, доменном, атомарном, ядерном уровнях. Для управления такими процессами могут быть применено постоянное магнитное или электрическое поле, акустические и электромагнитные волны.

Гелиевый ионный микроскоп

Практическая реализация метода электронной микроскопии

MEMS-дисплеи.

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении