авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Структурная интерпретация магнитооптических свойств вещества в конденсированном и газообразном состоянии (

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Верхозин

Анатолий Николаевич

СТРУКТУРНАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

МАГНИТООПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА В

КОНДЕНСИРОВАННОМ И ГАЗООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ

(01.04.07 Физика конденсированного состояния)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва

2008

Работа выполнена в Псковском государственном политехническом институте.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Розман Герман Аронович, Псковский государственный педагогический угиверситет им. С.М. Кирова.

доктор физико-математических наук, профессор Ганьшина Елена Александровна, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.

доктор технических наук, профессор Григорьев Александр Иванович, Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский политехнический университет

Защита состоится «26» июня 2008 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.155.07 при Московском государственном областном университете по адресу: 1105005, г. Москва, ул. Радио, 10а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного областного университета.

Автореферат разослан «__» ______________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук,

доцент Барабанова Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Изучение строения вещества немыслимо без традиционных и разработанных в последние десятилетия физико-химических и физических методов исследования. Применение лазеров и других оптических и электронных приборов позволило радикально усовершенствовать существующие и разработать принципиально новые методы [1, 2].

В основе многих физических методов лежит взаимодействие электромагнитного излучения или потока частиц с веществом, измерение и интерпретация результатов этого взаимодействия. Сюда относятся спектроскопические методы, в которых измеряется и анализируется зависимость интенсивности проходящего через вещество или рассеянного веществом излучения от частоты. Диапазон частот простирается от в ядерном магнитном резонансе до в - излучении. Резонансная частота отвечает переходу между уровнями с энергией и и определяется правилами отбора и известным боровским соотношением .

Громадный диапазон частот предполагает применение различных источников излучения (в том числе лазеров) и способов его регистрации. Каждый спектроскопический метод имеет свою «специализацию», т. е. область проблем, в которой его применение особенно эффективно. Например, анализ вращательных микроволновых спектров диамагнитных молекул позволяет получить информацию о ванфлековской компоненте диамагнитной восприимчивости. В колебательной спектроскопии определяются так называемые силовые постоянные, характеризующие силовое поле молекул, одинаковые в гомологических рядах. Электронные спектры позволяют изучать кинетику химических реакций, устанавливать наличие в молекуле определенных групп, изучать влияние заместителей, таутомерию и другие превращения. Метод ядерного магнитного резонанса, основанный на взаимодействии магнитного поля с ядрами, позволяет определить химический сдвиг, обусловленный строением молекулы, и изучать конформации молекул, эффекты взаимного влияния внутримолекулярных группировок и т. д.



В ряду спектроскопических методов занимает скромное место эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно-поляризованного света в продольном магнитном поле, хотя еще в 1884 году Дж. Г. Стокс утверждал, что «… вращение плоскости поляризации, вызываемое действием магнетизма, способно обнаружить и выявить тонкие различия в молекулярных группировках» [3].Только в 60-х гг. прошлого века было показано, что изучение частотной зависимости магнитного вращения, особенно в области электронных полос поглощения, может дать ценную информацию о структуре молекул [4], получить которую другим путем трудно или невозможно.

Определение изменения параметров излучения, поля или потока частиц (например, изменения интенсивности, степени поляризации, распределения частиц по энергиям и т. д.) при взаимодействии с веществом известного строения называется прямой задачей физического метода. Более важной практически является обратная задача – определение физических свойств вещества (например, параметров молекулы) по измеренным на опыте измененным параметрам излучения, поля или потока частиц.

Прямой задаче можно сопоставить уравнение

Qx = u,

где x – совокупность характеристик вещества;

Q – оператор, соответствующий воздействию излучения;

u - измеряемый результат, т. е. измененный за счет взаимодействия параметр излучения, поля или потока частиц.

x X, u U (X и Y – метрические пространства). Совокупности x и y – образуют множества, причем множество u определяется экспериментально.

В обратной задаче по найденному u определяется x, оператор Q считается известным. Именно так ставится задача структурной интерпретации опытных данных при рассмотрении прохождения поляризованного света через намагниченную молекулярную среду. Как правило, обратная задача (определение x) оказывается некорректной. Действительно, корректно поставленная задача предполагает выполнение ряда требований:

1. Существование решения.

2. Устойчивость решения.

3. Однозначность (единственность) решения.

Разрешимость обратной задачи (первое требование) связана с существованием обратного оператора Q-1:

x = Q-1u.

В результате эксперимента всегда получается приближенное значение u. При этом может оказаться, что найденное с помощью обратного оператора значение x не является решением. По этой же причине возникает неустойчивость решения (второе требование), т. е. сильная зависимость результата от малейших изменений измеряемой величины. А это приводит к неоднозначности решения в пределах заданной или достижимой точности (третье требование).

Классическим методом решения некорректных задач является, например, метод регуляризации А.Н.Тихонова, суть которого состоит в использовании дополнительных априорных предположений о характере решения. Таким предположением обычно является требование максимальной гладкости функции, представляющей решение задачи. Регуляризирующие алгоритмы оказываются устойчивы по отношению к ошибкам входных данных. Для расчетов используются средства вычислительной техники. Сложная проблема решения некорректной задачи возникает и при структурной интерпретации опытных данных по эффекту Фарадея.

Сложность структурной интерпретации экспериментальных результатов усугублялась отсутствием стандартных (серийных) приборов, позволяющих регистрировать магнитное вращение. В лабораторных установках использовались громоздкие и дорогие постоянные электромагниты, создающие поля с индукцией порядка 1 Тл. В области прозрачности эффект Фарадея использовался ограниченным кругом специалистов (главным образом, французских) для проверки структурных формул и идентификации химических соединений. Зная структурную формулу химического соединения, с помощью искусственной аддитивной схемы можно было рассчитать удельное магнитное вращение [5]. Вклад различных механизмов в «модули связей», на основании которых производился расчет, не рассматривался. До 60-х гг. использовались некогерентные источники света с присущими им недостатками.

Мало применяется в структурных исследованиях еще одно магнитооптическое явление – эффект Коттона-Мутона – двойное лучепреломление в поперечном магнитном поле. Этот эффект позволяет определить анизотропию диамагнитной восприимчивости, если известна анизотропия оптической поляризуемости [6]. Эффект слабый, наблюдать его трудно, теория сложна [7]. Связь этого тонкого явления со структурой вещества может также представлять большой интерес и стать предметом отдельного исследования.

Таким образом, актуальна задача создания новых методов исследования структуры вещества, отвечающих смыслу квантовой теории магнитооптических эффектов, а также разработка экспериментальных приемов, позволяющих уверенно регистрировать их не только в конденсированном веществе, но и в газах при нормальном давлении и в разбавленных растворах.

В качестве объекта исследования рассматривается взаимодействие лазерного и нелазерного излучения с намагниченным веществом. Предметом исследования является связь наблюдаемых магнитооптических эффектов со строением вещества.

Цель работы заключалась в разработке нового магнитооптического метода изучения структуры вещества, основанного на сопоставлении эффекта Керра и квантовой теории эффекта Фарадея с результатами эксперимента, а также в создании оригинальных измерительных методик уверенной регистрации магнитооптических эффектов. Для достижения поставленной цели выполнен комплекс следующих исследований.

- Разработан и применен магнитооптический метод изучения маг-

нитной структуры ферромагнетиков в объемах порядка 1 мкм 3.

  • Проведен анализ квантовомеханического выражения постоянной Верде (удельного магнитного вращения) диамагнетика.
  • Осуществлена аппроксимация дисперсии магнитного вращения в области прозрачности, отвечающая современной теории явления.
  • Установлена связь измеряемых на опыте оптических и магнитооптических величин со структурой молекулы.
  • Разработана новая методика измерения эффектов Фарадея и Коттона-Мутона.
  • Изучены магнитооптические свойства соединений с ординарными и кратными связями.
  • Магнитооптические характеристики сопоставлены с диа- и парамагнитной восприимчивостью, найденной по методу Дорфмана.
  • Изучено магнитооптическое поведение молекулярного кислорода.
  • Для расчета магнитооптических характеристик применена системы компьютерной математики Mathcad 2000.

Достоверность и научная обоснованность полученных результатов и выводов обеспечивались сопоставлением их с результатами родственных методик (аддитивная схема Паскаля, полуэмпирический метод Дорфмана, аддитивная схема магнитного вращения Галле и др.), корректностью использования экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов измерений, применением современных методов математической обработки экспериментальных данных, критическим анализом литературных источников по проблеме исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем.

  • Предложен новый физический метод исследования структуры молекул, позволяющий путем несложного поляриметрического измерения определить структурно-чувствительные величины, характеризующую молекулу: габаритный фактор и фактор магнитооптической аномалии.
  • Впервые дана новая интерпретация опытных данных по эффекту Фарадея в молекулярной среде, соответствующая смыслу квантовомеханической теории явления.
  • Разработаны новые динамические методики измерения магнитооптических эффектов Фарадея и Коттона-Мутона.

Практическая ценность работы заключается в возможности применения предложенной методики для решения самых различных структурных проблем (изучение неупорядоченных структур, свойств и строения химической связи, процессов диссоциации, комплексообразования и пр.). Описанная нестандартная аппаратура может быть легко воспроизведена в любой физической или химической лаборатории. Предложенные методы дают результаты, которые получить другим путем затруднительно или невозможно.





На защиту выносятся следующие положения:

  • Аппроксимация дисперсии магнитного вращения в области прозрачности диамагнетиков формулой, соответствующей квантовомеханическому выражению постоянной Верде:

,

где А, В, , - постоянные, зависящие от структуры моле-

кулы.

  • Способ разделения экспериментально измеренной постоянной Верде на две компоненты, одна из которых обусловлена снятием вырождения возбужденных энергетических уровней молекулы в магнитном поле, а другая – смешением основного и возбужденных состояний в магнитном поле магнитным дипольным моментом перехода.
  • Способ расчета структурно чувствительных величин, фактора магнитооптической аномалии и габаритного фактора , и связь их со структурой молекул.
  • Методика измерения магнитооптических эффектов в конденсированных и газообразных средах, а также в разбавленных растворах.
  • Оценка вклада магнитных дипольных переходов во вращение диамагнетиков и определения мультиплетности основного состояния молекулы (на примере парамагнитных молекул кислорода).

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 2-ом научно-методическом семинаре преподавателей физики вузов прибалтийских республик и Белорусской ССР (Тарту, 1970), на 13-ой зональной научно-методической конференции преподавателей физики, астрономии и общетехнических дисциплин педвузов Урала, Сибири и Дальнего Востока (Тюмень, 1971), на конференциях ПФ ЛПИ им. М.И.Калинина (Псков, 1977, 1979, 1982, 1987, 1989), на всесоюзном семинаре «Молекулярная физика и биофизика водных систем» (СПб., 1987), на семинаре по физике твердого тела (Варшава, 1989), на 7-ой, 10-й и 11-й Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПб., 2003, 2006, 2007), на 14-й Международной научно-методической конференции «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в образовании и науке» (СПб., 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, в том числе три монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, восьми глав, Заключения и Выводов. Основной текст изложен на 286 страницах, включает 54 рисунка и 12 таблиц. Список литературы содержит 207 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дана классификация магнитооптических явлений, говорится об открытии эффекта Фарадея и различных аспектах этого явления.

Магнитооптические явления – это эффекты, происходящие при взаимодействии света с веществом в присутствии внешнего магнитного поля. Сюда относятся:

  • эффект Фарадея (1845);
  • эффект Керра (1876);
  • эффект Зеемана (1896);
  • эффект Коттона-Мутона (1898);
  • эффект Ханле (1924);
  • обратный эффект Фарадея (1967).

Магнитооптическое поведение вещества обусловлено его структурой. Поэтому все названные эффекты могут быть использованы для изучения структуры атомов и молекул. Наибольшую известность получили родственные эффекты Фарадея и Зеемана, сыгравшие решающую роль, соответственно, в утверждении электромагнитной теории света и квантовой механики. Эффект Фарадея сводится к обратному эффекту Зеемана. Принцип наблюдения магнитного вращения показан на рис. 1.

Молекулярные спектры полосатые, а зеемановское расщепление очень невелико, поэтому наблюдать эффект Зеемана в спектрах молекул невозможно. Эффект Фарадея также обусловлен расщеплением энергетических уровней, но не в спектрах испускания, а в спектрах поглощения. Поэтому магнитное вращение – это универсальное свойство всех без исключения веществ. Обнаружив эффект, Фарадей записал в своем дневнике: «… мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую линию». Впоследствии было выяснено, что магнитное вращение обусловлено воздействием магнитного поля на поляризуемость молекулы, а слова Фарадея нужно понимать лишь как образное выражение. Эффект невелик. Лишь в тонких прозрачных слоях ферромагнитных металлов наблюдается чрезвычайно сильное вращение (в пленке Fe толщиной при индукции магнитного поля 1 Тл угол поворота составляет 20). Знак вращения (по часовой стрелке или против) устанавливается для наблюдателя, смотрящего навстречу распространяющейся волне.

В первой главе дан обзор литературы по магнетохимии диамагнетиков. Здесь рассматривается аддитивная схема Паскаля, обсуждается взаимосвязь оптических, электрических и магнитных свойств диамагнитных молекул, описывается магнитооптическая аддитивная схема Ф.Галлэ.

Рис. 1. Схема установки для наблюдения эффекта Фарадея.

Сопоставим магнитооптику и магнетохимию диамагнетиков. Французский химик Паскаль построил в 1910 году аддитивную схему диамагнитной восприимчивости, связывающую магнитные свойства диамагнитных молекул с их строением и позволяющую проверять структурные формулы органических соединений. Аналогичную аддитивную схему магнитного вращения создали в 60-х гг. XX в. французские специалисты (группа Галлэ, Тулузский ун-т), рассчитавшие магнитное вращение, относящееся к наиболее известным химическим связям. Зная структурную формулу соединения и так называемые модули связей, можно с большой точностью рассчитать его магнитное вращение. Таким образом можно осуществлять проверку структурных формул и производить идентификацию химических соединений.

Шаг вперед от работ Паскаля в мегнетохимии диамагнетиков сделал Дорфман, давший физическую интерпретацию измеряемой диамагнитной восприимчивости и указавший простой способ определения ланжевеновской и ванфлековской компонент. По Дорфману измеряется экспериментально диамагнитная восприимчивость . Ланжевеновская компонента диамагнитной восприимчивости рассчитывается по «полуклассической» формуле Кирквуда, ванфлековская компонента находится как разность и . и особенно характеризуют габариты и симметрию электронного облака молекулы. Эти величины применяются для решения многих проблем структурной химии. Недостаточная обоснованность формулы Кирквуда, трудность измерения диамагнитной восприимчивости (особенно в случае газов), явная неприменимость в некоторых случаях (Н2О, NH3 и др.) – недостатки метода Дорфмана.

Аналогичный шаг вперед от работ Галлэ необходимо сделать и в магнитооптике диамагнетиков.

Вторая глава посвящена классической и квантовой теории эффекта Фарадея. Выпишем некоторые соотношения, характеризующие магнитное вращение.

, (1)

где l – длина намагниченного участка;

B – индукция магнитного поля;



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.