скачать (184.6 kb.)
Доступные файлы (1):
| Справочник физический эффектов.doc | 1067kb. | 04.10.2003 02:54 |  скачать |
Справочник физический эффектов.doc
^До сих пор мы рассматривали оптические явления в предположении, что интенсивность (вт. см2) световой волны никак не влияет на физику явления. Так оно и было до тех пор, пока в оптике оперировали со световыми волнами, напряженность электрического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению с внутренним электрическим полем (10 в девятой степени в/см), определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома. Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, интенсивность которых достигает NNNNN вт.см2,(электрическое поле световой волны соизмерно с внутриатомным, показали, что существует сильная зависимость характера оптических эффектов при достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.
Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем некоторые из них.
17.1. Вынужденное рассеяние света.
Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепловыми движениями молекул (тепловые акустичекие волны), рассеивают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности частот световой волны и тепловых акустичеких колебаний (спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интенсивности сателлитов интенсивности падающего излучения составляет лишь 10 в минус шестой степени.
При увеличении интенсивности падающего излучения выше порогового значения происходит следующее. Под действием электрического тока из-за явления электрострикации возникают импульсы избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес. тыс. атмосфер. Возникает акустическая волна давления (гипарзвук, 10 в 10-ой степени Гц), изменяющая показатель преломления по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и происходит рассеяние световой волны. При этом интенсивность сателлитов становися сравнимой с интенсивностью падающей волны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
При достаточно больших интенсивностях падающего излучения нелинейная среда стать может генератором звука со световой накачкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10 квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых телах.
Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние (см."Поглощение и рассеяние"). При вынужденном комбинационном рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде когерентные колебания молекул, на которых и происходит его рассеяние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота наиболее мощного из них меньше частотоы падающего света на частоту молекулярных колебаний.
Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой величины около 10 в 8-ой степени вт/см2, число компонентв рассеянном излучении настолько возрастает и их интенсивность настолько высока, что, луч, выходящий из газа, из красного становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, например, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные компоненты с различной длиной волны пространственно разделены и образуют на экране цветные кольца.
Вынужденное расеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основном, для последования структуры и свойств вещества, для изучения нелинейных процессов в средах. Используется также для накачки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами твердотельных ОКГ. Может использоваться для создания преобразователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолетовой, видимой и особено инфракрасной областях спектра
17.2. Генерация оптических гармоник.
При рассеянии интенсивного лазерного излучения в жидкостях и кристаллах, помимо описанных выше боковых спектральных компонент, обнаруживаются компоненты с частотами, в точности кратными частоте падающего излучения (двухкратными, трехкратными и т.д.), называемые оптическими гармониками. В некоторых кристаллах эти гармоники могут составлять до 50% рассеянного излучения. Таким образом, если направить красное излучение рубинового лазера (0,69 мкм) на кристалл дигидросфата калия, то на выходе можно получить невидимое ультрафиолетовое излучение (0,345 мкм).
17.3. Параметрическая генерация света.
Поместим нелинейный кристалл в оптический резонатор и направим на него мощное световое излучение накачки. Одновременно подадим на кристалл два слабых излучения с чатотами, сумма которых равна частоте излучения накачки. При этом в кристалле возникает генерация двух мощных когерентных световых волн, частота которых равна частотам этих двух слабых излучений. В действительности же, кроме волны накачки, нет необходимости ни в каких дополнительных излучениях, т.к. в кристалле всегда найдутся два спонтанно излучающих фотона с соответствующими частотами. Существенным является то, что при повороте кристалла в резонаторе, частоты генерируемых волн могут плавно перестраиваться, в сумме оставаясь равными частоте волны накачки. Это позволяет создавать оптические преобразователи, квантовые усилители и генераторы, плавно перекрывающие широкий диапазон излучений от видимого до далекого инфракрасного при фиксированной частоте накачки.
ФРГ патент 1 287 229: Преобразователь частоты содержит неинейный электрооптический двоякопреломляющий кристалл, через который когерентный входной световой сигнал пропускается под таким углом к оптичекой оси кристалла, что внутри кристалла возникают два колебания с другими частотами. Эти колебания согласованы между собой и в кристалле модулируются или регулируются по фазе одновременно.
Нелинейный кристалл расположен внутри оптического резонатора и подвергается не только электрооптической модуляции, но и регулировке по температуре с целью подстройки частоты.
17.4. Эффект насыщения.
Так называют эффект уменьшения интенсивности спектральной линии поглощения (или вынужденного излучения) при увеличении мощности падающего на вещество внешнего электромагнитного излучения. Причиной эффекта насыщения является выравнивание населенности двух уровней энергии, между которыми под действием излучения происходят вынужденные квантовые переходы "вверх" (поглощение) и "вниз" (вынужденное излучение). В случае поглощения при этом уменьшается доля мощности излучения, поглощенного веществом. Абсолютная величина поглощаемой мощности при этом, однако не падает, а увеличивается, стремясь к некоторому пределу. В случае активного вещества с инверсией населенностей эффект эффект насыщения приводит к уменьшению мощности вынужденного излучения, что ставит предел величине усиления в квантовых усилителях.
Однако эффекту нашли широкое применение в лазерной технике, где он используется для модуляции добротности оптических резонаторов с помощью просветляющихся под действием мощного излучения светофильтров. Кроме того, эффект насыщения используется для создания инверсии населенностей в трехуровневых квантовых системах.
17.5. Многофотонное поглощение.
Если эффект насыщения делает среду, непрозрачную для слабого светового поля, прозрачной для сильного, то для оптически прозрачных сред может иметь место обратная ситуация. Здесь интенсивное излучение может поглощаться гораздо сильнее чем слабое. Некая аналогия фотохромному эффекту, однако механизм совершенно иной. Он состоит в том, что при больших плотностях излучения и элементарном акте взаимодействия света с веществом могут одновременно поглощаться два или несколько фотонов, сумма энергий которых равна энергии перехода.
Эффект многофотонного поглощения используется, в основном, в так называемой многофотонной спектроскопии, дающей дополнительную информацию о строении вещества, недоступную для обычной спектроскопии.
17.5.1. Многофотонный фотоэффект.
Эффект состоит в том, что при высокой интенсивности светового поля ионизация атомов может производить под воздействием излучения, для которого энергия кванта меньше энергии ионизации. Это обьясняется тем, что происходит одновременное поглощение нескольких фотонов, сумма энергий которых больше энергии ионизации атомов. Здесь просматривается некая анология с антистоксовской люминесценцией (см."Люминесценция"). Следует отметить, что, например, для двухфотонного фотоэффекта величина тока в фотоэлементе пропорциональна квадрату мощности лазерного излучения.
17.6. Эффект самофокусировки.
Известно, что первоначально параллельный пучок света по мере рапространения в среде (включая и вакуум) расплывается за счет дифракционных явлений. Это справедливо при малых интенсивностях света, пока еще среда остается линейной. с увеличением мощности светового пучка его расходимость начинает уменьшаться. При некоторой критической мощности пучок может распространяться, вообще не испытывая расходимости (режим самоканализации), а при мощности, превышающей критическую, пучок скачком сжимается к оси и сходится в точку наа некотором расстоянии от места входа в среду ставшую теперь нелинейной. Происходит пройесс самофокусировки. Это расстояние, называемое эффективной длиной самофокусировки, обратно пропорционально квадратному корню из интенсивности пучка. Оно также зависит от его диаметра и оптических свойств среды. Открытие эффекта самофокусировки пренадлежит Г.А.Аскорьяну (открытие - 67).
Физические причины этого эффекта заключаются в изменении показателя преломления среды в сильном световом поле. В это изменение вносит свой вклад также эффекты, как электрострикция, высокочастотный эффект Керра и изменение преломления среды за счет ее нагрева в световом пучке. Вследствии этих эффектов, среда в зоне пучка становится оптически неоднородной; показатель преломления среды определяется теперь распределением интенсивности световой волны. Это приводит к явлению нелинейной рефракции, т.е. переферийные лучи пучка отклоняются к его оси, в зону с большей оптической плотностью. Таким образом нелинейная рефракция начинает конкурировать с дифракционной расходимостью. При взаимной компенсации этих процессов и наступает самоканализация, переходящая в самофокусировку при привышении критической мощности пучка. Процесс самофокусировки выделяется среди прочих нелинейных эффектов тем, что он обладает "лавинным" характером. Действительно, даже малое увеличение интенсивности в некотором участке светового пучка приводит к концентрации лучей в этой области, а следовательно и к дополнительному возрастанию интенсивности, что усиливает нелинейную рефракцию и т.д.
Отметим, что критические мощности самофокусировки относительно не велики (для ниробензола - 25 квт, для некоторых сортов оптического стекла - 1 вт), что создает реальные предпосылки использования описанного эффекта для передачи энергии на значительные расстояния.
Интересно, что при самофокусировке излучение импульсных лазеров в органических жидкостях пучок после "охлопывания" распространяется не ввиде одного пучка, а распадается на множество короткоживущих (10 в минус 10-ой степени сек.) узких (мкм) областей очень сильного светового поля (около 10 в 7-ой степени в/см) - световых нитей. Это явление обьясняют тем, что при самофокусировке лазерных импульсов нелинейная среда работает как линза с изменяющимися во времени фокусными расстояниями, и быстрое движение фокусов (скорости порядка 10 в 6-ой степени м/сек.) в сочетании с аберрациями "нелинейной линзы" может создать длинные и тонкие световые каналы.
В нелинейной оптике уже обнаружено множество интереснейших эффектов. Кроме описанных выше, к ним относятся такие эффекты как оптическое детектирование, гетеродинирование света, пробой газов мощным излучением с образованием т.н. "лазерной искры", светогидравлический удар, нелинейное отражение света и другие. Некоторые из эффектов уже нашли применение не только в научных исследованиях, но и в промышленности. Так например, светогидравлический удар (см."Гидравлические удары") применяется при штамповке, упрочнения материалов, для ударной сварки и т.д., что наиболее себя оправдывает в производстве микроэлектроники, в условиях особо чистых поверхностей.
17.7. Светогидравлический удар (открытие - 65)
Эффект заключается в том, что при пропускании мощного лазерного излучения через жидкость в ней возникают акустические волны с высоким давлением, достигающим миллиона атмосфер, сопровождающиеся вспышкой белого света и выбросом жмдкости на значительные расстояния, при этом тела, помещенные вблизи удара, подвергались сильным деформациям и разрушению. Точной теории эффекта еще нет, однако уже ясно, что это целый комплекс явлений. Здесь и самофокусировка, увеличивающая интенсивность световой волны в малом обьеме, и первоначальное ее поглощение, связанное с ВРМБ (см. 17.1) и усиленное поглощение света образующейся плазмой, что приводит к возникновению ударной волны и затем к авитации в жидкости. Предварительная фокусировка лазерного пучка и введение в жидкость поглощающих добавок значительно усиливают проявления эффекта.
17.8. Нелинейная оптика.
Нелинейная оптика - новая и постоянно развивающаяся наука. Многообразие ее эффектов далеко не исчерпано известными ныне. Так, совсем недавно были предсказания теоретически гистеризисные скачки отражения и преломления на границе нелинейной среды - целый класс новых эффектов нелинейной оптики. (Данных об эксперементальном подтверждении их существования пока нет.)
Суть эффектов заключается в следующем. Если под небольшим углом скольжения на границу раздела двух сред с близкими значениями диэлектрической проницаемости, одна из которых нелинейна, падает пучок мощного светового излучения, то при изменении интенсивности излучения (угол падения фиксирования), когда она достигает определенного значения, может произойти скачок от прохождения к полному внутреннему отражению, при обратном изменении интенсивности скачок от ПВО к прохождению произойдет уже при другом ее значении. Такие же скачки могут наблюдаться и при изменении угла падения, когда фиксировано значение интенсивности.
Если существование этих эффектов подтвердится, то они могут быть широко использованы для исследования нелинейных свойств веществаи в лазерной технике. Так, например, гистеризисная оптическая ячейка может служить идеальным затвором в лазере при генерации гигантских импульсов, т.к. в режиме ПВО практически не поглощает энергии; с помощью гистерезисных эффектов можно будет с большой точностью измерять интенсивность излучения, фиксируя скачки и т.д.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Квантовая электроника, Маленькая энциклопедия, изд. Советская энциклопедия, М., 1966.
2. Н.Бломберген, Нелинейная оптика, пер. с англ., М., 1966
3. М.Шуберт, В.Вильгельми, Введение в нелинейную оптику пер. с нем. "Мир", М., 1973.
4. Ф.Цернике, Дж.Мидвинтер, Прикладная нелинейная оптика, пер. с англ., "Мир", М., 1976
5. Ю.П.Конюшая, Открытия и начно-техническая революция, "Московский рабочий", М., 1974
6. Г.А.Аскарьян, ЖЭТФ, 42, 1567, 1962
7. А.Ю.Каплан, Письма в ЖЭТФ, 9, 58, 1969
8. А.К.Каплан, Письма в ЖЭТФ, том 24, вып. 3, 1976
^
18.1. Радиоактивность.
Под радиоактивностью обычно понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную и искуственную радиоактивность. Процессы, происходящие при естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и свойствах радиоактивных веществ.В настоящее время все большее значение получают процессы,связанные с искуственной радиоактивностью.Практически все вещества имеют радиоактивные изотопы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно его пометить, сделав часть ядер радиоактивными. Это позволяет с большей точностью следить за перемещением этого вещества или изучать его внутреннюю структуру.
А.с. 234 740: Способ определения концентрации пылевых частиц с осаждением этих частиц в осадительном устройстве, отличающийся тем, что с целью расширения диапазонав измерения, в исследуемый газ добавляют радиоактивный газ, например, радон, а после осаждения частиц определяют их радиоактивность по величчине которой судят о концентрации пылевых частиц в газе.
А.с. 242 324: Способ ускоренного определения годности защитно-моющих и лекарственных веществ наружного применения, при котором на кожу наносят слой исследуемого вещества, отличающийся тем, что с целью определения времени проникновения вещества сквозь кожу и времени выполнения им барьерных функций, в исследуемое вещество предварительно вводят радиоизотопы, например, йода, фояфора или серы, и проводят радиометрические измерения исследуемого обьекта.
18.2. Рентгеновское и гамма излучения.
Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном, имеет ту же электромагнитную природу, что гамма излучение испускаемые ядрами атомов радиоактивных элементов, поэтому оба вида изучения подчиняются одинаковым закономерностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключения в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.
18.2.1. Рентгеновское излучение возникает либо при торможении заряженных частиц (электронов) высокой энергии в веществе (сплошной спектр) (см. 18.4.3. "Тормозное излучение"), либо при высоко-энергетических переходах внутри атома (линейчатый спектр). Недавно установлено, что рентгеновское излучение может также возникать в результате явления адгезолюминесценции, которыая наблюдается при очень быстром отрыве от гладкой поверхности липкой ленты. Такой быстрый отрыв может происходить, например, при быстром качени по металлической поверхности цилиндра, покрытого липкой лентой. В этом случае пленка и металлическая поверхность образуют как бы обкладки микроскопического конденсатора, напряженность поля в котором может достигать сотни тысяч электрон вольт. Электроны, разогнанные в миниконденсаторе, тормозятся, затем в веществе, испуская при этом рентгеновское излучение.
18.2.2. Рентгеновские лучи применяют для просвещения различных веществ с целью выявления скрытых эффектов. При деформации неподвижного микрокристалла, на рентгенограммах наблюдается размытие в определенных направлениях интерференционных пятен (явление астеризма). Появление астеризма обьясняется тем, что монокристалл в процессе деформации разбивается на отдельные участки (фрагменты) размером 1-0,1 мкм. С увеличением деформации монокристалла интерференционные пятна удлиняются. По направлению и степени растяжения пятна можно судить о колличестве размере и форме фрагмента и исследовать характер протекания деформации.
Из других областей применения рентгеновских лучей можно назвать:
- рентгеновскую дефектоскопию; занимающеся просвечиванием твердых тел с целью установления размера и места нахождения эффекта внутри материала;
- рентгеновскую спектроскопию рентгено-спектральный анализ. Основная цель - исследование электронного строения веществ
по их рентгеновским спектрам. Области применения - исследования химического строения веществ, технологические процессы горнорудной и металлургической промышленности
- рентгеновскую микроскопию широко прменяющихся для исследования обьектов непрозрачных для видимого света и электронов (биология,медицина,минералогия,химия, металлургия).
А.с. 427 698: Способ измерения моментов инерции неоднородных, несвободных тел, заключающийся в поступательном перемещении исследуемого тела относительно пространственной оси, отличающийся тем, что с целью устранения влияния напряжения мускулатуры исследуемого, поперек оси перемещения исследуемого передвигают источник гамма излучения с детектором, регистрирующим интенсивность прошедшего через равные участки тела гамма излучения.
18.3. Взаимодействие рентгеновского и гамма излучения с веществом происходят посредством трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффекта), рассеяния и эффекта образования пар.
18.3.1. Фотоэффект. (см. так же 14.1.1.)
При фотоэффекте рентгеновский или гамма-квант передает всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает энергию, большую, чем энергияч связи его в атоме, то он вылетает из атома. Этот электрон называется фотоэлектроном. При потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в электронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внешних оболочек. Переход электронов на более близкую к ядру оболочку сопровождается испусканием кванта характреристического излучения, которое можно зарегистрировать, например, фотоэммульсией.
США патент 3 580 745: Способ и устройство для маркировки банок в контейнере путем облучения чувствительной эммульсией. Перед упаковкой с траспортировочной картонный контейнер, торец каждой банки покрывают чувствительной к облучению эммульсией. Банки, упакованные в контейнер облучают рентгеновскими или гамма- лучами. При этом, покрытие эммульсией торцы банок облучаются через экран с прорезями, имеющими форму маркировочных обозначений (например цены). Таким образом, маркировка упакованных в картонный контейнер банок осуществляется без вскрытия этого контейнера и последующей индивидуальной маркировки каждой банки.
При малых энергиях квантов (Е 0,5 Мэв) фотоэлектроны вылетают преимущественно в направлениях, перпендикулярных направлению распространения излучения. Чем выше энергия квантов, тем ближе к их первоначальному направлению движение выбрасываемых фотоэлектронов. Процесс образования фотоэлектронов приводит к ионизации облучаемого вещества, что находит большее применение для интенсификации различных технологических процессов.
А.с. 241 010: Способ получения политокарбонилфторида полимиризацией тиокарбонилфторида, отличающийся тем, что с целью упрощния процесса и получения более чистого полимера, полимиризацию осуществляют под действием гамма излучения Со
60.
А.с. 375 295: Способ получения алтилгалогенидов германия взаимодействия четырехгалоидного германия с триалкалгерманием при нагревании, отличающийся тем, что с целью увелечения выхода и чистоты целевого продукта, процесс ведут при гамма облучении.
18.3.2. Рассеяние рентгеновского и гамма излучения.
Различают два основных процесса рассеяния: комптновское или кекогерентное (камптон эффект) и корентное рассеяние.
При камптон-эффекте происходит упругое соударение первичного кванта со свободным электроном вещества. камптоновское рассеяние представляет собой взаимодействие кванта с электроном, при котором, в отличии от фотоэффекта, квант передает электрону не всю энергию, а только ее часть, отклоняясь при этом от своего первоначального направления в некоторый угол а электрон, получивший некоторое количество энергии, начинает двигаться под углом к напрвлению движения рентгеновского или гамма-кванта. В результате камптон-эффекта появляется рассеянный квант
большей длиной волны, изменившей первоначальное направление, и электрон отдачи (камптоновский электрон), получивший часть энергии кванта. Камптоновские электроны характеризуются непрерывным спектром от ничтожномалых значений до максимальной величины (если они выбрасываются в направлении движения кванта).
18.3.3. В случае, если энергия кванта сравнима с энергией связи электрона в атоме, происходит когерентное рассеяние квантов. При этом, когда электромагнитная волна встречается с электроном, последний начинает колебаться с частотой этой волны и излучает: энергию ввиде рассеянной волны. Энергия кванта при этом не изменяется. Движение электронов в атоме взаимосвязано, поэтому излучение, рассеянное одним электроном, будет интерферировать с излучением, рассеяным другими электронами этого же атома. Рассеянные гамма кванты несут информацию о структуре облучаемого вещества, поэтому рассеянное излучение можно использовать для различных измериельных целей.
А.с. 120 675: Способ определния угла смачивания и поверхностного или межфазового натяжения непрозрачных систем при высоких температурах фотографирование контура, которое осуществляется в пучках мягких гамма лучей полученных от радиоактивных изотопов, например иридин, 192, тулия 170 или европия 154 или 156.
18.3.4. Эффект образования пар.
При взаимодействии с атомами ядра
кванты рентгеновского и гамма излучения достаточно высокой
энергии (не менее 1,02 Мэв) вызывают одновременное появление
электронов и позитронов. Процесс образования электронно-позитронных пар происходит в поле атомного ядра или поле электрона. Позитрон существует лишь очень короткий промежуток времени; вслед за образованием пары наблюдается явление аннигиляции - исчезновение позитрона и какого либо электрона среды, сопровождаемое излучением двух квантов с энергией 0,51 Мэв.
18.4. Взаимодействие электронов с веществом.
Различают следующие виды взаимодествия: упругое и неупругое рассение электронов на атомных ядрах и электроных оболочек и торможение электронов в кулоновком поле атомных ядер.
18.4.1. Упругое рассеяние имеет место при таких столкновениях, при которых происходят лишь изменения направления движения сталкивающихся частиц, тогда как их общая энергия остается неизменной. Основную роль в россеянии электронов играет упругое рассеяние на атомных ядрах, хотя электроны рассеиваются и на электронах атомных оболочек. Вследствии малой массы электронов они отклоняются на углы от 0 градусов до 180 градусов, причем на малые углы электроны отклоняются с большей вероятностью. При отклонении на ьольшие углы электроны несут информацию о строении вещества рассеивателя, что может быть использовано в различных измерительных приборах.
США патент 3 560 742: Портативное устройство для измерения обратно рассеянного фета-излучения предназначено для эффективных измерений толщины покрытия обрабатываемой детали. Устройство содержит зажим для монтажа постоянного зондирующего элемента. Этот зажим является составной частью устройств, регулирующих положение зондирующего элемента относительно обрабатываемой детали с тем, чтобы они контактировали друг с другом. В другом варианте выполнения изобретения, устройство содержит укосину, которая фиксирована относительно обрабатывающей детали. Зажим у укосина предназначен для удержания зондирующего элемента в плотном контакте с поверхностью обрабатываемой детали, т.е. в положении измерения толщины покрытия нанесенного на поверхность обрабатываемой детали.
18.4.2. Неупругое рассеяние элктронов происходит в основном в результате их сталкивания с орбитальными электронами. При столкновении электронов с электронами атомных оболочек часть энергии электронов передается связанному электрону атома. В зависимости от количества переданной энергии происходит возбуждение или ионизация атомов вещества. В этом и другом случае воздействующий электрон теряет свою энергию. Большая часть вторичных электронов обладает незначительно кинетической энергией. Процесс возбуждения сопровождается испусканием характеристического излучения. Процесс неупругого рассеяния, посколько он сопровождается ионизацией может использоваться для интенсификации различных технологических процессов:
Патент СНГ 454 752: Способ приготовления пульпы из древесной цепи путем облучения древесной щепы с последующей варкой, отличающийся тем, что с целью повышения выхода пульпы и улучшения ее качества, облучение щепы производят электронами дозой не менее 1,0 Мрад.
Патент США 3 820 015: Устройство для измерения концентрации кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, содержит источник бетта-электронов, обладающих низким уровнем энергии для ионизации молекул кислорода. Указанный источник расположен во вторичном контуре выхлопной трубы. В этот контур выхлопной газ подается с определенной скоростью при помощи насоса постоянной производительности. На выходе источника бетта-электронов в ниспадающей части потока газов установлена коллекторная пластина. При этом между источником бетта-электронов и коллекторной пластинкой поддерживается определенная разность потенциалов, под действием которой ионизированные молекулы кислорода отделяются от молекул других газов и ударяются о коллекторную пластину. Концентрация кислорода выхлопных газов определяется путем измерения заряда, накапливающегося на коллекторной пластинке.
18.4.3. Тормозное излучение.
Помимо потерь на ионизацию и возбуждение атомов вещества, электроны могут терять свою энергию на образование тормозного излучения. Проходя вблизи атомного ядра, под действием его электрического поля электроны испытывают торможение. Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии они будут испускать электромагнитное (тормозное) излучение. В тормозное излучение может преобразоваться любая часть кинетической энергии электрона вплоть до ее максимального значения. Поэтому энергетический спектр тормозного излучения непрерывный. Примером тормозного излучения является рентгеновское излучение возникающее при торможении электронов на аноде рентгеновской трубки. Это используется в рентгеновских аппаратах.
18.4.4. Совместные действия облучания электронами и светом.
Особенность эффекта состоит в том, что вещество не поглощает свет до облучения электронами, но в процессе облучения или после него свет поглощается короткоживущими частицами: радикалами, возбужденными молекулами, возбуждение или диссоциация которых приводит к химическим превращениям. Например, вещества: твердые растворы бензола и нафталина в метилцинклогекоане и этаноле.
18.5. Взаимодествие нейтронов с веществом.
Нейтрон представляет собой электрически нейтральную частицу с массой покоя, равной преблизительно массе покоя протона, вместе с которым они образуют ядра всех элементов. Посколько нейтрон электрически нейтрален, он может вызывать различные ядернве реакции, в частности цепные реакции деления тяжелых ядер (теория, урана, плутония) осуществляемые в ядерных реакторах. По кинетической энергии нейтроны делятся на быстрые, промежуточные и тепловые. в зависимости от этой энергии нейтроны по разному взаимодействуют с веществом Тепловые нейтроны взаимодействуют пратически со всеми ядрами элементов, а в тяжелых вызывают реакцию деления. Промежуточные также поглощаются ядрами, но при некоторых значениях энергии нейтроны хуже поглощаются ядрами, а гораздо лучше неупруго рассеиваются (замедляются), теряя при этом кинетическую энергию. Особенно интенсивно быстрые нейтроны рассеиваются на водосодержащих веществах (замедлителях), что используется для замедления быстрых нейтронов до тепловых энергий в тепловых реакторах.
Патент США 3 794 843: Контрольно измерительный прибор для определения весового содержания влаги в насыпном материале, содержит источник излучения, облучающий влажный насыпной материал быстрыми нейтронами и гамма-лучами; прошедшее излучение регистрируют двумя детекторами, причем первый регистрирует гамма-излучение, а второй тепловые нейтроны, возникающие при замедлении быстрых нейтронов на ядрах водорода, содержащихся во влаге насыпного материала; оба сигнала от детектора поступают на электрическую схему, с целью получения сигнала, скоррелированного с весовым процентным содержанием влаги в материале.
Патент США 3 558 888: Сопособ нейтронного каротажа скважин для измерения количества нефти в зоне скважин, пробуренной в земной породе, с использованием радиоактиного излучения, согласно которому измеряется поперечное сечение захвата тепловых нейтронов в буровом растворе; Величина этого сечения определяется содержанием воды в этой геологической формации, а количество нефти, содержащееся в зоне скважин измеряется как функция макроскопического поперечного захвата тепловых нейтронов в породе.
Патент США 3 562 523: Способ определениясодержания остаточных масел в формации после подачи воды или заводнения нейтеносоного пласта состоит в измерении рапада тепловых нейтронов сначала при наличии воды, содержащейся в данной формации, а затем после замены этой воды водой, которая имеет существенно отличающееся сечение захвата и которая берется из зоны, содержащей по крайней мере, в радиусе действия регистрирующего инструмента.
18.5.1. При очень интенсивном облучении быстрыми нейтронами различных веществ наблюдается так называемые явления нейтронного раскупания - увеличение обьема вещества, что может быть использовано, например, для правки массивных металличеких деталей (А.с.395147) или в устройствах для измерения деформации ядерного горючего (заявка Великобритании 1359759) (см. 2,3).
18.6. Взаимодействие альфа-частиц с веществом.
Альфа-частицы (ядра гелия 4) состоят из двух протонов и двух нейтронов. Посколько альфа-частицы заряжены, то их очнь просто ускорять и облучать этим потоком различные вещества, которые при этом сильно ионизируются. Ионизированные атомы через какой-то промежуток времени захватывают свободные электроны и превращаются в нейтральные, излучая при этом характеристическое излучение, по которому можно судить о составе исследуемого вещества.
А.с. 223 948: Способ раздельного определения аллюминия и кремния по облучению пробы протоком альфа-частиц и одновременной регистрации возбужденного в ней суммарного характеристического излучения аллюминия и кремния, отличающийся тем, что с целью увеличения чувствительной и разрешающей способности, сразу после прекращения облучения пробы измеряют наведенную активность пробы и по соотношению измеряемых величин суммарного характеристического излучения аллюминия и кремния и наведенной активности судят о концентрации алююминия и кремния в пробе.
18.6.1. Эффект увеличения коррзийной стойкости металлов.
Если металлическую пластину облучать в течении нескольких минут альфа-частицами, то в силу короткого пробега частицу в веществе основная масса частиц останется в тонком поверхностном слое отдав при этом ему всю кинетическую энергию. Эксперементально установлено, что если после такого облучения пластину выдержать в атмосфере паров концентрированной соляной и серной кислот, то поверхность металла сохраняет первоначальную структуру и блеск. Этот эффект можно обьяснить так же, как и в случае сверхнизкого трения (см. раздел 1.3.1.) перестройкой структуры поверхностного слоя и удалением паров воды.
18.7. Радиотермолюминесценция.
Если какое-либо твердое вещество при низкой температуре подвергнуть воздействию электронов рентгеновских или гамма-лучей, то при нагреве, даже самом незначительном, вещество начинает светиться. Причем, при плавном нагревании твердых органических веществ температура, при которой наблюдается наибольшее термолюминесцеция, совпадает с температурой структурных переходов (плавления, размягчения и т.д.). Это явление (открытие - 168) позволило создать новый эффективный метод исследования вещества.
А.с. 381 983: Способ исследования структурных переходов в органических веществах, основанный на регистрации радиотермолюминесценции образца, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса облучают поверхностный слой образца пучком электронов с энергией 5-30 Кэв.
В общих чертах метод радиотермолюминесценции или сокращенно РТД, заключается в следующем: образец исследуемого органического вещества облучают при низкой температуре (77-100 градусов К) в полной темноте. Пригодны любые источники ионизирующего излучения: нейтронные, гамма, бетта-источники, ускорители заряженных частиц рентгеновские установки. Мощность дозы не играет существеной роли. Важно только, чтобы полная так называемая экспозиционная доза достигала 0,1-2 Мрад. Такие дозы, как правило не изменяют температуры структурного перехода. Затем образец плавно нагревают 10-20 градусов С в минуту. Свечение образца регистрируют с одновременной регистрацией температуры. Получают зависимость интенсивности РТЛ от температуры - кривую высвечивания. Пики, изломы кривой, их высота и ширина несут информацию об исследуемом веществе и прежде всего, позволяют оценить температуру структурных переходов. Абсолютная точность определения достигает около 1 градуса (см. 15.6.)
18.8. Эффект Мессбауэра.
Суть эффекта состоит в упругом испускании или поглощении гамма-квантов атомными ядрами связанными в твердом теле. Причина "упругости" процесса (при упругом процессе внутреняя энергия тела не изменяется, т.е. атом остается в том же состоянии), в том, что если атом поглотитель (или излучатель входит в состав кристаллической решетки, то перестает выполняться однозначное соответствие между импульсом гамма-кванта и энергии отдачи атома. При Мессбауэровском процессе отдача атома вообще не имеет место (не происходит возбуждение фонона), и импульс гамма-кванта воспринимается всей решеткой, т.е. всем криссталлом. Благодаря этому ширина Мессбауэровских линий поглощение и испускания очень мала (весьма острая резонансная кривая); соответственно сдвиг линий очень чувствителен к параметрам, как самого излучения, так и твердого тела. В настоящее время на основе этого эффекта проведена масса очень тонких физических экспериментов, весьма важных, в частности, для физики и химии твердого тела. Малая ширина линий поглощения и следовательно, почти фантастическая точность измерений с помощью эффекта Мессбаэура позволило разработать ряд методов для технического экспресс анализа веществ, содержащих Мессбауэровские ядра.
А.с. 297 912: Способ фазового анализа руд, содержащих Мессбауэровские элементы спектр которых частично перекрываются, основанные на резонансном гамма-поглощении, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности измерений при анализе, последовательно определяют величину эффекта Мессбауэра на исследуемой руде с разными источниками, число которых равно числу соединений в ряде и мессбауэроские спектры коороых совпадают со спктрами соединений в руде, сопоставляют с результатами колибровки и по совокупности величин эффекта мессбауэра определяют содержание исследуемых соединений в руде.
А.с. 446 007: Способ фазового анализа вещества, включающий измерение эффекта Мессбауэра по линии спектра, соответствующей исследуемой фазе и последующее определение содержания фазы с помощью градуировочной зависимости, отличающийся тем, что с целью повышения точности и чувствительности анализа, измеряют эффект Мессбауэра на исследуемой линии в присутствии фильтра полного резонансового поглощения со спектром, не перекрывающимся с линией определяемой фазы, и эффект Мессбауэра на линии спектра упомянутого фильтра в присутствии исследуемого образца и по отношению измереных эффектов определяют содержание исследуемой фазы.
Применение эффекта Мессбауэра для контроля железной руды при ее магнином обогащении и использованием в качестве источника гамма-излучения кобальта-57 позволяет быстро и надежно определять содержание железа в рудном порошке, что способствует повышению качества железного концентрата.
18.9. Электронный парамагнитный резонанс (открытие-85).
"Установлено неизвестное ранее явление квантовых переходов между электронными энергетическими линиями парамагнитных тел под влиянием переменного магнитного поля резонансной частоты (явление электронного парамагнитного резонанса - ЭПР)"
Суть явления: постоянно в магнитном поле электронные уровни энергии парамагнитных атомов расцепляются на несколько подуровней; энергетическая разность подуровней определяется величиной поля и свойствами вещества; соответствующие квантовые переходы между этими подуровнями иницируются в переменном (высокочастотном) магнитном поле.
Открытие ЭПР послужило толчком для развития резонансных методов изучения вещества, в частности акустического парамагнитного резонанса ферро и атиферромагнитного резонанса магнитного резонанса.
При явлении акустического парамагнитного резонанса переходы между подуровнями иницируются наложением высокочастотных звуковых колебаний; в результате возникает резонансное поглощение звука.
При ферромагнитном резонансе происходит избирательное поглощение энергии электромагнитного поля: Эта энергия расходуется на возбуждение коллективных колебаний магнитоупорядоченной структуре ферромагнетика (или антиферромагнетика) (см.
8.7.).
Применение метода ЭПР дало ценные данные о строении стекол, кристаллов растворов; в химии этот метод позволил установить строение большого числа соединений изучить цепные реакции и выяснить роль свободных радикалов (молекул), обладающих свободной валентностью в протекании химических реакций. Тщательное изучение радикалов привело к решению ряда вопросов молекулярной и клеточной биологии.
Метод ЭПР - очень мощный, он практически не заменим при изучении радиационных изменений в структурах, в том числе и в биологических. Чувствительность метода очень высока и составляет 10 в 10-ой и 10 в 11-ой парамагнитных молекул. На применении ЭПР основан поиск и проверка новых веществ для квантовых генераторов; явление ЭПР используется для генерации сверхмощных субмиллиметровых волн.
А.с. 292 101: Способ текущего контроля условной вязкости гудронов и жидких битумов, отличающийся тем, что с целью непрерывности определения пропускают контролируемую струю по трубопроводу через резонатор спектрометра ЭПР и регистрируют условную вязкость по амплитуде линии спектра парамагнитного поглощения.
А.с. 510 203: Способ определения поля у огурцов путем исследования семян, отличающийся тем, что с целью повышения производительности труда в селекционном процессе, измеряют активный сигнал электронного парамагниного резонанса и определяют характер люминесценции семян по величине сигнала и интенсивности свечения судят о степени выраженности и принадлежности к полу: при величине активного сигнала электронного парамагнитного резонанса 0,66-0,68 относительных единиц и слабым свечением растения будут преимущественно мужского типа, а при сигнале 0,48-0,56 относительных единиц и интенсивном свечении - женского типа.
А.с. 516 643: Способ оценки стабильности пластичных смазок путем сравнения свойств исходной и проработавшей в узле трения смазки, отличающийся тем, что с целью сокращения времени проведения испытаний микроколичеств смазки, в исходную и проработавшую смазки вводят стабильный радикал, снимают спектр ЭПР, определяют частоты вращательной диффузии радикала и по их отношению оценивают стабильность смазки.
18.10. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
Парамагнетизм вещества может быть обусловлен не только строением электронных оболочек атомов, но и магнетизмом ядер. Магнетизм ядер, также, как и магнетизм оболочек, может вызвать резонансное поглощение энергии в твердрдом, жидком или газообразном состоянии. Резонансные частоты метода ЯМР лежат в области 1-100 МГц, чувствительность метода составляет от 10 в 17-ой степени до 10 в 21-ой степени ядер. На применении ЯМР основан принцип работы приборов для стабилизации и точнейших измерений магнитных полей, а также для анализа смесей по их изотопному составу. Сильный сигнал ЯМР наблюдается в присутствии ядер изотопа углерод-13, что предопредилило применение ЯМР и его разновидности - ядерного квадрупольного резонанса - в химии углеродов, особенно природных (нефть).
А.с. 178 511: Способ измерения расхода жидкостей, основанный на явлении ЯМР, отличающийся тем, что с целью измерения расхода жидкости, обладающих сильным сигналом магнитного резонанса используют свободную процессию ядер в магнитном поле земли.
А.с. 344 275: Способ измерения расхода жидкости по А.с. 179511, отличающийся тем, что с целью упрощения устройства измеряют скорость затухания сигнала ЯМР при движении жидкости в неоднородном магнитном поле и по ней судят о расходе.
А.с. 550 669: Способ измерения проницаемости пористых материалов, основанный на явлении ограниченной самодиффузии молекул жидкости, включающий ядерно-магнитные резонансные измерения с импульсным градиентом магнитного поля, причем интервал времени между импульсами градиента устанавливают больше, чем время, необходимое для диффузии молекул на расстояние, равное размеру пор в образце, измеряют сигнал эха образца, отличающийся тем, что с целью получения достоверного значения проницаемости увеличивают интервал времени между импульсами градиента при фиксированной их амплитуде, повторяют измерение амплитуды сигнала эха и по зависимости амплитуды эха от интервала между импульсами градиента судят о проницаемости.
18.11. Эффект Оверхаузера-Абрагама.
В том случае, если в атоме имеет место и ядерный, и электронный парамагнетизм, то их взаимодействие приводит к изменению интенсивности сигнала ЯМР. При возрастании насыщения электронного парамагнитного резонанса и образце с парамагнитными ядрами наблюдается значительное увеличение интенсивности ЯМР (Оверхаузер 1953). Этот эффект был использован для разработки метода динамической поляризации ядер; вещество с поляризованными ядрами очень чувствительно как к величине магнитного поля, так и ее изменению. Это свойство и лежит в основе практически: применений эффекта.
Патент США в 3 559 045: Магнитный градиометр, служащий для измерения разницы между магнитными полями в двух зонах, содержит два ядерных фильтра - по одному в каждой зоне. Каждый из ядерных фильтров является фильтром такого типа, в котором исползуется эффект Обрхаузера-Абрагама, и выдает выходной сигнал, который усиливается иподводится к одному из входов операционного усилителя. Выходной сигнал усилителя расщепляется и подводится к входной катушке двух фильтров. Фазометр измеряет разность фаз входных сигналов операционного усилителя, который может быть суммирующего или дифференциального типа, что определяется фильтром ядерного фильтра (с перекрещивающимися или параллельными катушками). Разность фаз находится в прямой зависимости от разности между полями.
Л И Т Е Р А Т У Р А
18.6. А.Хирный и др., Эффект увеличения коррозионной стойкости металлов, облученных ионами гелия. Доклады АН СССР, Т.214, НР-1, 1974.
18.7. Л.Мельников. Свет из ловушки. "Химия и жизнь",нр-1,1976
18.8. В.И.Гольданский. Эффект Мессбауэра и его применение в химии, изд. АН СССР, 1964
А.с. 181752, 247424, 297912, 346693.
18.9. Парамагнитное поглощение звука, УФН, 1961, Т.75, нр-3
Дж.Пейк. Парамагнитный резонанс. М., "Мир", 1965
18.10. И.В.Александров, Теория ядерного магнитного резонанса.
М., 1964
А.Абрагам. Ядерный магнетизм. М., ИЛ, 1963
А.Каррингтон и др. Магнитный резонанс и его применение в химии. М., "Мир", 1970
18.11. Г.Хуцишвили. УФН., 1960, т.71.
Скачать файл (184.6 kb.)