книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

спиновая волна такой же частоты: ^ магнетон

щуюся энергию спиновой волны для усиления звуковой волны сжатия.

9. ЭНЕРГИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Одним из следствий перемещения частиц между различными уровнями потенциальной энергии молекул является испускание веществами электромагнитного излучения. Частота излучения, испускаемого при переходе частиц с более высоких квантовых уровней энергии на более низкие уровни, определяется соот­

ношением Эйнштейна.

Электромагнитное излучение содержит электрическую и маг­ нитную составляющие, которые в процессе распространения излучения взаимно поддерживают одна другую благодаря вза­ имодействию между осциллирующими электрическим и магнит­ ным полями.

Основные характеристики электромагнитного излучения — это его частота, фаза, направление распространения и направ­ ление поляризации. Плоскость, в которой происходят колебания электрической составляющей электромагнитного поля, назовем

плоскостью поляризации.

Рисунок 9.1, на котором изображена только электрическая составляющая поля, иллюстрирует распространение энергии из­ лучения в «чистом виде». Здесь монохроматическое (имеющее одну постоянную частоту) излучение распространяется синфазно, так что плоскость поляризации для каждого фотона параллельна плоскости поляризации для всех других фотонов. Такое излучение, характеризующееся когерентностью по частоте,

электромагнитного излучения, можно наблюдать различные эф­ фекты, связанные со свойствами электромагнитного излучения в присутствии внешнего магнитного поля.

Ниже указаны физические процессы и соотношения между веществом и энергией излучения, которые в принципе могут зависеть от магнитных полей.

1.Энергия излучения выделяется всеми веществами при температурах выше абсолютного нуля.

2.Излучение может быть поляризованным или неполяризованным.

3.Излучение в определенной степени отражается от по­

верхностей объекта, поглощается его молекулярной структурой и пропускается через него, из какого бы вещества ни состоял объект.

4.Энергия излучения, поглощенная веществом, может ис­ пускаться вторично с исходной частотой или на более низких частотах.

5.Излучение, отраженное от поверхности вещества, может

стать поляризованным; если же оно уже было поляризовано, то в результате отражения может измениться угол поляризации.

6.Излучение может быть дифрагировано с использованием

вкачестве дифракционной решетки тонкой пленки с периоди­ ческой молекулярной структурой.

7.Излучение, прошедшее через вещество, может испытать преломление.

8.Излучение, прошедшее через вещество, может испытать

двойное или даже тройное преломление.

9. Излучение, прошедшее через вещество, может стать поля­ ризованным; если же оно уже было поляризовано, то в резуль­ тате пропускания может измениться угол поляризации.

I. 0. Скорость распространения энергии излучения в некоторых веществах зависит от угла поляризации.

II. Взаимодействие излучения с веществом зависит от соот­ ношения между длиной волны излучения и размерами тонкой пленки или же периодичностью кристаллической структуры.

12.Взаимодействие двух идентичных волн излучения может привести либо к их усилению, либо к ослаблению. Если две идентичные волны сдвинуты одна относительно другой по фазе на 180°, то их действие полностью взаимно уничтожается.

13.Луч — это прямолинейная траектория в однородной сре­

де, вдоль которой распространяется электромагнитная энер­ гия. Хотя направления лучей почти всегда распределены слу­ чайно, возможны и такие условия, когда их направления парал­ лельны. Явление образования параллельных лучей называют

коллимацией.

14. Пучком называется совокупность многих лучей, имею­ щих приблизительно одно и то же направление. В случае кол-

лимированного пучка все лучи направлены параллельно. При взаимодействии пучка с неоднородными средами он может быть полностью разрушен вследствие рассеяния составляющих его лучей.

Все вышеуказанные явления происходят в результате взаи­ модействия энергии излучения с веществом, зависящего как от расположения молекул в веществе, так и от активности самих этих молекул. Поскольку магнитные поля могут в принципе влиять и на расположение, и на активность молекул, эти поля соответственно оказывают влияние и на перечисленные выше физические процессы и явления.

9.2. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Различные соотношения между частицами атома определяют­ ся их энергетическими состояниями, соответствующими квантам потенциальной энергии. Частица, находящаяся в каком-либо из этих состояний, может быть описана при помощи параметров, отражающих характерное количество, или уровень, энергии. Если условия изменяются в результате перемещения частицы с одного из разрешенных уровней потенциальной энергии на другой, то энергия либо излучается, либо поглощается в форме электро­ магнитного фотона с определенной частотой. Вещества, которые испускают фотоны не под влиянием высокой температуры, а под влиянием иных факторов, называются люминесцентными.

Частота фотона определяется разностью уровней энергии, соответствующей изменению состояния частицы. Поскольку раз­ ности энергии — квантовые величины, такими же являются и частоты фотонов. В основе представления о так называемой «корпускулярной» природе фотона, введенного несколько лет тому назад, лежит тот факт, что каждое изменение уровня энергии отражает отдельное «событие», происходящее за весьма короткий промежуток времени. Событие такого типа характерно также для эффекта Гейгера, когда испускается импульс света в момент прекращения движения быстрой элементарной час­ тицы при ее столкновении с какой-либо молекулярной струк­ турой. Каждый такой импульс связан с одиночным столкнове­ нием как с элементарным событием.

Непрерывное электромагнитное излучение с одной постоянной частотой формируется из очень большого числа идентичных событий, происходящих на протяжении некоторого длительного промежутка времени. Количество лучистой энергии определяется как числом фотонов, появляющихся в этом интервале времени,

дого типа. Единственно возможное изменение соотношения между ядром и электроном — это переход электрона с одной орбиты на другую. Фотоны, возникающие при таких переходах, могут иметь только частоты, которые соответствуют разности энергий двух орбит, между которыми осуществляется переход электрона. Вследствие этого отдельный атом может излучать электромагнитную энергию лишь на нескольких фиксированных частотах. Такие частоты находят отражение в виде дискретных линий рефракционного или дифракционного спектра.

Если имеется одноатомный газ при низком давлении, то частоты излучения отдельных атомов остаются неизменными. Нагретый или возбужденный каким-либо иным способом одно­ атомный газ излучает электромагнитную энергию на тех же частотах, которые характерны для отдельных его атомов. При повышении давления газа возникает взаимодействие между со­ седними атомами, и спектральные линии уширяются. Расширен­ ные спектральные линии говорят о том, что при тесном сбли­ жении двух или большего числа атомов энергия каждой орбиты несколько изменилась.

При объединении атомов в молекулы соотношения между орбитальными электронами и различными атомными ядрами становятся намного более сложными. Число допустимых энер­ гетических уровней значительно возрастает по сравнению с таковым для отдельных атомов. В результате этого молекуляр­ ные газы испускают электромагнитную энергию на значительно большем числе частот, чем одноатомные газы. Однако для молекулярных газов число частот излучения также конечно, и расположение соответствующих линий на рефракционных и дифракционных спектрах является по-прежнему характерным для молекул конкретного типа, составляющих данный газ.

Если молекулы объединены в структуры, которые представ­ ляют собой кристаллические твердые тела, то возникает такое большое число возможных энергетических уровней, что спектры излучения из дискретных превращаются в более или менее не­ прерывные, занимающие определенные частотные полосы. Если эти полосы перекрываются, как это бывает у металлов, то энер­ гия излучения распределена по частотам непрерывно на протя­ жении широкого спектрального диапазона. В случае изоляторов частотные полосы не пересекаются и энергия излучения сосре­ доточена в более узких частотных интервалах, разделенных промежутками, в пределах которых излучение отсутствует.

Когда несколько ядер объединены в молекулы или в более сложные кристаллические структуры, возможны некоторые сме­ щения одного ядра относительно других. Ядро может колебаться в пределах, определяемых его химическими связями, асиммет­ ричная молекула может вращаться в зависимости от ее хими­ ческих связей. Эти движения создают дополнительные кван­

товые формы энергии излучения, имеющие более низкие частоты, чем излучение, обусловленное переходами электронов между атомными орбитами.

Вообще говоря, справедливо следующее положение (которое, возможно, сформулировано здесь не вполне строго): перевора­ чивающиеся асимметричные молекулы порождают микрорадио­ волны; колеблющиеся ядра — инфракрасное излучение; электро­ ны, движущиеся между внешними орбитами,— видимый свет; электроны, движущиеся на внутренних орбитах,— рентгеновское излучение и расщепляющиеся ядра — гамма-излучение.

Вследствие того что возможны чрезвычайно разнообразные условия существования молекулярных структур, энергия излуче­ ния в окружающей среде представлена более или менее непре­ рывным спектром, хотя этот спектр состоит из отдельных со­ ставляющих. Разрывность спектра описывают через частоты фотонов и числа событий появления фотонов.

9.3. ВОЗБУЖДЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

Все вещества генерируют электромагнитную энергию при температурах выше абсолютного нуля. Эта энергия выделяется

врезультате квантовых движений атомных частиц, участвующих

втепловой активности различных типов. При низких температу­

рах переход из одного квантового энергетического состояния в другое характеризуется небольшими приращениями энергии, поэтому соответствующее электромагнитное излучение имеет низкую частоту. При высоких температурах тепловая активность значительно усиливается, в нее чаще вовлекаются более высокие энергетические уровни, и генерируемая энергия содержит больше высокочастотных составляющих.

Можно вычертить график, показывающий зависимость энергии от частоты. Тогда полная энергия системы будет выражаться площадью под этим графиком в пределах от нулевой до бес­ конечно большой частоты, т. е. интегралом, значение которого определяется законом Стефана—Больцмана.

При повышении температуры интенсивность излучения уве­ личивается на всех частотах, причем частота, соответствующая максимуму кривой распределения энергии излучения Стефана— Больцмана, смещается в сторону более высоких частот. Это смещение, описываемое законом Вина, объясняет, почему вещества при температуре 700° С называются «нагретыми до­ красна». При этой температуре максимум кривой распределения энергии по длине волны излучения лежит вблизи длины волны 700 нм. Излучение с такой длиной волны воспринимается глазом человека как красное.

Когда температура возрастает до 1500° С, становятся значи­ мыми составляющие излучения с более короткой волной —

около 400 нм, и вещество при этой температуре называют «нагретым добела». Совокупность всех составляющих излучения с длинами волн в пределах от 400 до 700 нм приблизительно соответствует спектру видимого излучения. Если в нем присут­ ствуют составляющие всех частот — от красной до фиолетовой, то излучаемая энергия для человека выглядит как белая. Ве­ щества, генерирующие энергию в диапазоне частот видимого света при повышении температуры, называют инкандесцентными (светящимися от нагрева).

Излучения с определенными частотами можно возбуждать путем воздействия на вещество фотонными, электронными или ионными пучками. Поскольку пучки в отличие от теплового излучения обычно имеют ограниченный энергетический состав, они возбуждают лишь отдельные части общего электромагнит­ ного спектра. Вследствие этого люминесцентная энергия имеет меньше частотных составляющих, чем инкандесцентная.

Тормозным излучением называют рентгеновское излучение, которое возникает при замедлении пучка электронов или других быстрых частиц в поглощающей среде.

Энергетическая щель — это интервал между энергиями час­ тицы, находящейся в одном и в другом из двух возможных кван­ товых состояний. Если воздействующая на вещество энергия пучка превышает энергию щели, то может произойти переход между соответствующими состояниями, причем генерируется электромагнитное излучение. В противном случае, когда энергия пучка меньше, чем энергия щели, электромагнитная энергия не генерируется. Это приводит к закону Стокса, который утверж­ дает, что длина волны излучения, возбуждаемого под влиянием пучка, может быть равна или больше длины волны поглощаемой

под влиянием не электромагнитного, а какого-либо иного воз­ буждения, называется фосфоресценцией, если оно продолжается в течение значительного времени после прекращения возбуж­ дающего воздействия, и флюоресценцией, если оно по окончании возбуждения не продолжается. Эти явления могут происхо­ дить на любой частоте — как на частотах видимого, так и на частотах невидимого излучения. Например, при взаимодейст­ вии некоторых веществ с рентгеновским излучением относи­ тельно высокой частоты происходит флюоресценция, причем испускается рентгеновское излучение более низкой частоты; некоторые материалы при возбуждении ультрафиолетовым излу­ чением начинают испускать видимый свет.

Возможности генерации электромагнитного излучения в ре­ зультате взаимодействия вещества и энергии весьма разнообраз­ ны; они нередко реализуются в довольно экзотических формах.

Эффект Гаддена—Пола заключается в возникновении мгно­ венной вспышки света в момент приложения электрического поля к некоторым люминофорам или, наоборот, в момент пре­ кращения действия электрического поля на люминофор. Эффект Черенкова состоит в том, что вода люминесцирует, испуская «таинственные» голубоватые лучи, если возбуждать ее гаммаизлучением (например, от атомного реактора) или же элект­ ронным пучком.

Некоторые вещества также могут люминесцировать под влия­ нием механических деформаций, электрических напряжений или определенных химических процессов. Триболюминесценция обус­ ловлена механическими деформациями, электролюминесценция — электрическими напряжениями, хемилюминесценция — химиче­ скими реакциями, биолюминесценция — биологическими процес­ сами и гальванолюминесценция — процессами, происходящими в электрических выпрямителях определенных типов. В некоторых растворах при формировании кристаллов наблюдается кристаллолюминесценция.

9.4. ПОВЕРХНОСТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Прозрачные вещества характеризуются тем, что в них не происходит каких-либо существенных энергетических взаимо­ действий между соседними молекулами в частотном диапазоне прозрачности. Любая энергия, подаваемая на вещество с часто­ той прозрачности, проходит через него, не претерпевая скольконибудь значительных изменений.

Энергия излучения, испускаемая с поверхности тела, которое состоит из прозрачного вещества, должна генерироваться не­ которым источником в глубине этого тела. Хотя угол поляриза­ ции такого излучения может измениться при его прохождении через прозрачное вещество, в других отношениях излучение опре­ деляется только источником и не зависит от вещества.

В то же время для непрозрачных веществ существуют та­ кие частоты обмена молекулярной энергией, при которых фотон, испускаемый одной молекулой, сразу же поглощается сосед­ ней молекулой. При частоте непрозрачности фотон никогда не перемещается в веществе на большое расстояние. Передача энергии в таких веществах осуществляется только путем поднятия энергетического уровня одной молекулы выше энергетических уровней соседних с ней молекул. Тогда между этой высоко­ энергетической молекулой и соседними молекулами происходит взаимный обмен энергией, который продолжается до тех пор, пока все они не достигнут одного и того же энергетического уровня.

Если данная конкретная молекула непрозрачного вещества окружена со всех сторон средой с одинаковыми свойствами,

то обмен энергией происходит в виде процесса, равномерно рас­ пределенного по всем направлениям. Однако для молекул, рас­ положенных у поверхности вещества, условия обмена энергией по разным направлениям не одинаковы. Фотон, испускаемый

а распространяется во внешнем пространстве как квант электро­ магнитного излучения.

Прохождение энергии излучения через прозрачную среду не оказывает влияния на эту среду. В отличие от этого потеря фотона поверхностной молекулой в. результате излучения умень­ шает энергию среды, а приход фотона на поверхность, конечно, повышает ее энергетический уровень.

Вся энергия, излучаемая с поверхности непрозрачного ве­ щества, генерируется в результате активности очень небольшого числа молекул и электронов, расположенных в непосредственной близости от поверхности. Эта активность поверхностных моле­ кул, в свою очередь, определяется количеством энергии, которую они получают в результате обмена с внутренними молекулами. Чем выше частота излучения и чем больше степень непро­ зрачности вещества, тем тоньше слой поверхностных молекул, участвующих в генерации излучаемой энергии.

Полупрозрачные вещества по своим характеристикам за­ нимают промежуточное положение между прозрачными и не­ прозрачными. Энергия излучения полупрозрачных веществ также генерируется вследствие активности поверхностных молекул, однако в отличие от непрозрачных веществ, здесь поверхност­ ный слой имеет значительную толщину, которая и определяет степень полупрозрачности.

В случае тонких пленок, когда толщина слоя полупрозрачности больше, чем толщина самой пленки, энергия излучения, выделяемая ее поверхностью, зависит от толщины пленки. Это ‘явление в принципе можно использовать для измерения тол­ щины пленки.

9.5. ЧАСТОТНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Люминесцентные вещества испускают энергию, когда возбуж­ денные частицы переходят с одного разрешенного для них энер­ гетического уровня на другой и обратно. Каждый переход час­ тицы с более высокого на более низкий дискретный энергетиче- ^ский уровень порождает один фотон с определенной дискретной ■частотой.

В условиях теплового возбуждения ориентации магнетонов в

.каждый момент времени распределены случайным образом, при­ чем со временем каждый магнетон непрерывно изменяет свою ориентацию. Такая случайная структура совокупности магнето­ нов характеризуется минимальной энергией.

Если воздействовать на эти хаотически движущиеся магне­ тоны внешним магнитным полем, то некоторые из них окажутся упорядоченными по направлениям осей на достаточно длитель­ ное время, чтобы произошло взаимодействие между их торо­ идальными полями. Возможны два варианта такого взаимодейст­ вия: один характеризуется несколько большей энергией, чем случайная структура, другой — несколько меньшей энергией. Эти условия иллюстрируются на рис. 8.3 и 8.4 (наряду с дублетами, обусловленными ядерным магнитным резонансом).

Эффект Зеемана, как и ядерный магнитный резонанс, осно­ ван на том, что упорядочение ориентаций магнетонов под влия­ нием внешнего магнитного поля вызывает расщепление излу­ чения с одной частотой, обусловленной случайной активностью частиц, на две составляющие с частотами, значения которых расположены симметрично по обе стороны от исходной, или, центральной частоты, соответствующей случайной активности. Отклонения этих двух частот от исходной частоты пропорцио­ нальны напряженности приложенного магнитного поля.

Эффект Пашена—Бака заключается в том, что под действием сильного магнитного поля энергетические уровни смещаются в большей степени, чем при эффекте Зеемана.

Эффект Штарка состоит в аналогичном расщеплении спект­ ральных линий вследствие упорядочения ориентаций электриче­ ских диполей на молекулярном уровне под влиянием внешнего электрического поля.

Эффект Дюфора — это аномальный эффект Зеемана, на­ блюдаемый в направлении приложенного магнитного поля, ког­ да волны с круговой поляризацией при помощи пластинок в четверть волны преобразованы в плоскополяризованные волны.

Фактически здесь имеют место два эффекта Зеемана: один может наблюдаться в направлении приложенного поля, а дру­ гой — в перпендикулярных ему направлениях. Поскольку в боль­ шинстве случаев с помощью лабораторных приборов довольно трудно осуществлять наблюдение в направлении поля, чаще всего именно проявления этого эффекта в перпендикулярном на­ правлении называют «эффектом Зеемана».

При наблюдении вдоль направления поля излучение, порож­ даемое случайной активностью, не является поляризованным; однако две составляющие со смещенными частотами поляри­ зованы, причем одна поляризована в продольном направлении, другая — в поперечном.

Иная причина смещения частоты возникает в случае, если изменяется расстояние между источником излучения и местом наблюдения. Согласно принципу Допплера — Физо спектральная линия смещается по частоте на интервал, пропорциональный скорости относительного движения источника излучения и точки его наблюдения.