Автореферат за темою магістерської роботи

Розробка методики побудови приладу виборчого контролю виду речовини

Вступ

Принцип роботи приладу заснований на методі ядерного квадрупольного резонансу.

Резонансні методи придбали в останні десятиліття широке поширення при дослідженні речовини в газоподібному, рідкому і твердому стані. Набір цих методів постійно поповнюється завдяки відкриттю все нових видів резонансу. Особливо багатообразні види резонансу в твердих тілах.

Слово "резонанс" (від фр. rosonance, лат. resono – звучу у відповідь, окликаюся) в широкому сенсі означає зростання відгуку коливальної системи на періодичну зовнішню дію при зближенні частоти останнього з однією з частот власних коливань системи. Найбільш відомий простий вид механічного резонансу: зростання амплітуди коливань маятника при періодичному "підштовхуванні" з частотою ν, коли ν наближається до частоти  ν власних коливань маятника.

Коливальні системи, які здатні резонувати, можуть мати вельми різну природу. У речовині такими системами можуть бути електрони, електронні оболонки атомів, магнітні і електричні моменти атомів, молекул, домішкових центрів в кристалах і так далі. Проте у всіх випадках спільна картина резонансу зберігається: поблизу резонансу зростають амплітуда коливань і енергія, що передається коливальній системі ззовні. Це зростання припиняється, коли витрати енергії (тертя, теплове розсіяння) компенсують її приріст.

Кожна речовина має свій характерний тільки для нього набір частот власних коливань (частотний або енергетичний спектр  ). Власні частоти  ν можуть знаходитися в широкому діапазоні частот (від 10^2 до 10^22 Гц). Цей набір частот є своєрідною візитною карткою речовини, вивчаючи яку можна розпізнати хімічний склад, структуру, симетрію і інші характеристики речовини.

Найбільш зручним і поширеним видом періодичної зовнішньої дії є електромагнітне випромінювання. Частоти електромагнітних хвиль тягнуться від 10^2 Гц (радіохвилі) до 10^9 Гц (радіохвилі ЗВХ), 10^13-10^14 Гц (інфрачервоне світло), 10^15 Гц (видиме світло), 10^15-10^16 Гц (ультрафіолетове світло), 10^17-10^20 Гц (рентгенівське випромінювання) и 10^20-10^22 Гц (γ-випромінювання).

Залежно від діапазону частот використовують різні способи генерації (радіопередавачі, лампи накалювання, рентгенівські трубки, радіоізотопи і так далі) і детектування (радіоприймачі, болометри, фотоелементи, фотоплівки, лічильники Гейгера і так далі). Таким чином, з'явилися такі різні області фізики, як радіоспектроскопія, оптична спектроскопія, рентгенівська спектроскопія і так далі. Хоча у всіх цих областях вивчають резонансну взаємодію електромагнітного випромінювання з речовиною, природа такої взаємодії різна.

Резонансні методи, мабуть, можна віднести до найбільш чутливих і точним методів дослідження речовини. З їх допомогою був отриманий великий об'єм коштовної інформації про хімічний склад, структуру, симетрію і внутрішні взаємодії між структурними одиницями речовини.

Загальний опис резонансу

Класичний опис резонансу зводиться до рішення задачі про один або декілька лінійних гармонійних осциляторів. Власні коливання такого осцилятора викликаються початковим поштовхом і дією повертаючої сили, пропорційної відхиленню m від положення рівноваги, і можуть бути описані рівнянням

,

       де m – маса частки, що коливається,

           ω0 – кругова частота власних коливань.  

Вирішення цього рівняння описує гармонійні коливання.

.

Якщо осцилятор схильний до дії періодичної зовнішньої сили    і сили тертя (опори), пропорційної швидкості, то рівняння руху має вигляд

Вирішення цього диференціального рівняння, що описує сталі коливання, є

,

де амплітуда і фаза визначаються відповідно як

,

.

Залежність  амплітуди коливань  x0 від частоти ω0  представлена на мал.1 при різних значеннях добротності . Чим більше добротність, тим гостріше резонансний пік залежності . Напівширина піку пов'язана з добротністю. Висока добротність сприяє дозволу близьких резонансних піків.

Рисунок 1 – Резонансні криві x0(ω) для різних значень добротності Q 

Анімація: GIF Animator, 10 кадрів, 5 циклів повторення, 45.3 КБ.

При квантовому описі коливальна система характеризується набором дозволених квантовими законами значень енергії (енергетичним спектром). Цей спектр (або його частка) для систем зв'язаних часток може носити дискретний характер. Змінне електромагнітне поле частоти ν можна також розглядувати як сукупність фотонів з енергіями   ( h – постійна Планка). При збігу енергії фотона з різницею енергій яких-небудь двох рівнів

настає резонанс, тобто різко зростає число фотонів, що поглинаються системою, викликають квантові переходи з нижнього рівня  Ei на верхній Ek.

 Ядерний квадрупольний резонанс

Ядерний квадрупольний резонанс (ЯКР) є одним з чутливих методів дослідження внутрішньомолекулярної структури речовини, його фізико-хімічних властивостей. ЯКР широко використовують при вивченні природи хімічних зв'язків, міжмолекулярних з'єднань, внутрішніх рухів, фазових переходів, дефектів в кристалах і так далі. Отримавши зачало більше сорока років тому в роботах Демельта і Крюгера, цей метод спектроскопії зайняв, завдяки розширенню класу досліджуваних з'єднань, одне з провідних місць. Вдосконалення елементної бази радіоелектроніки і включення в експеримент комп'ютерної техніки дозволили розповсюдити сферу застосування методу на ряд нових наукових і прикладних завдань, що вирішуються в рамках інших галузей науки. До таких завдань слід віднести пошук і ідентифікацію наркотичних і вибухових речовин за допомогою локального ЯКР дистанційний контроль багажу і так далі.

Про важливість досліджень з даної тематики свідчить присудження 12 Нобелівських премій фахівцям по радіоспектроскопії, роботи яких стосувалися цього розділу фізики.

Ядерний квадрупольний резонанс, резонансне поглинання електромагнітної енергії в кристалах, обумовлене переходами між енергетичними рівнями, що утворюються в результаті взаємодії ядер, що володіють електричним квадрупольним моментом, з електричним кристалічним полем. ЯКР є окремим випадком ядерного магнітного резонансу (ЯМР) в кристалах. Так званий "чистий" ЯКР спостерігається у відсутності постійного магнітного поля.

Суть явища полягає в наступному. Ряд елементів таблиці Менделєєва мають несферичний розподіл позитивного заряду в ядрі. Ступінь несферичності оцінюється особливим параметром, який називається квадрупольним моментом. Якщо довкола такого ядра існує неоднорідне локальне електричне поле, створене що оточують це ядро електричними зарядами, то спостерігається явище ЯКР. При дії на речовину зовнішнього електромагнітного поля певної частоти має місце резонансне поглинання енергії. Після закінчення дії відбувається випромінювання енергії на частоті ЯКР. Частота ЯКР залежить від формули хімічної сполуки, в яку входить квадрупольний елемент.

У число квадрупольних входять ізотопи наступних елементів:
"азот-14", "хлор-35", "хлор-37", "бор-10", "бор-11", " йод -127", " кисень -17", "натрій-23", " мідь -63", "мідь-65" і багато інших.

Всього таких елементів близько 100.

Слід підкреслити, що ЯКР можливий тільки за наявності двох чинників: квадрупольного моменту ядра і неоднорідності електричного поля, що його оточує (наявність градієнта). Класичний приклад – куховарська сіль. Обидва елементи, що входять до складу молекули, є квадрупольними. Проте NaCl не володіє ЯКР, унаслідок того, що ядра в кристалічній решітці розташовані просторово симетрично і електричне поле довкола кожного ядра однорідно (градієнт відсутній).

Речовина може володіти не одній, а декількома частотами ЯКР. Кількість частот ЯКР і інтенсивність сигналу залежить від кількості ядер даного квадрупольного елементу у формулі хімічної сполуки, їх хімічної еквівалентності, з'єднання з атомами інших елементів. Особливістю ЯКР є наступне: в даний час досліджено більше 10000 хімічних сполук, і серед них немає жодної пари речовин, ЯКР частоти яких збігалися б. Тому частота ЯКР є як би паспортом хімічної сполуки (речовини).

Таким чином, збудивши речовину, що містить в своєму хімічному складі квадрупольний елемент, радіоімпульсом певної частоти і отримавши у відповідь ЯКР сигнал на даній частоті, можна однозначно говорити про наявність в досліджуваному об'єкті саме даної речовини. Тобто метод ЯКР є таким, що не лише виявляє, але і ідентифікує.

Речовина, що виявляється, може бути розподілене за всім обсягом або знаходитися в механічній суміші з іншими речовинами – це не впливає на сигнал, що приймається. Домішки інших речовин впливають на ширину спектральної лінії і можуть трохи зміщувати частоту ЯКР, проте, радикального впливу на характеристики виявлення вони не роблять. Мало того, в деяких випадках по характеру зміни лінії ЯКР спектру можна визначити виробника даного зразка речовини.

Сигнал ЯКР, як правило, досить малий, тому для накопичення сигналу ЯКР і виділення його на тлі перешкод застосовується лава спеціальних методів, розроблених в рамках статистичної радіотехніки і радіолокації. Для накопичення сигналу проводиться дія на досліджуваний об'єкт не одним радіоімпульсом, а спеціальною послідовністю радіоімпульсів. Сигнал ЯКР слабо залежить від потужності зондуючого сигналу, він прямо пропорційний числу резонуючих ядер, а отже, масі досліджуваного зразка.

Для виявлення конкретної речовини потрібно насамперед знати його ЯКР частоти. Частоти ЯКР різних хімічних сполук лежать в діапазоні від сотень кілогерц до сотень мегагерц.

Детектування сигналів ЯКР

Всі існуючі методи детектування сигналів ЯКР можна розділити на стаціонарні і імпульсні.

Стаціонарні методи спостереження дозволяють отримати безпосередньо частотний спектр, тоді як імпульсні зазвичай дають тимчасову картину. Для отримання частотної залежності в останньому випадку необхідно виконати перетворення Фурьє від сигналу індукції.

Не дивлячись на те, що імпульсні методи вимагають вживання складнішого устаткування, ніж стаціонарні, перевага перших при дослідженні спін-спінових і спін-решіточних взаємодій в твердих тілах цілком очевидно:

• імпульсна апаратура є універсальною; вона не лише дозволяє вести упевнений пошук сигналів ЯКР, але має очевидні переваги при вимірах релаксацій.

• початкова амплітуда сигналів відгуків не залежить від величини неоднорідного розширення при виконанні деяких обмежень, що накладаються на тривалості імпульсів, що зондують зразок.

• прийом сигналів відгуку відбувається в моменти, коли не працює високочастотний генератор, тобто шум-чинник приймального пристрою імпульсного спектрометра набагато кращий, ніж шум-чинник регенеративних або суперрегенеративних схем.

• відсутні низькочастотні шуми, пов'язані з частотною або магнітною модуляцією.

Внаслідок того, що коефіцієнти поглинання радіохвиль в твердих тілах малі, і сигнали ядерного резонансу легко можуть бути втрачені в шумах підсилювачів, до апаратури, вживаної для спостереження явища, пред'являються високі вимоги по чутливості.

У спектроскопії ЯКР для реєстрації спектрів найбільшого поширення набув метод з двома радіочастотними імпульсами – метод квадрупольного відлуння спіну Хана. Сигнал відгуку системи спостерігається після дії  імпульсів ("луна-сигнал").

Висновок

Резонансні методи дослідження речовини можна віднести до найбільш інформативних і точних. З їх допомогою можна вивчати хімічний склад, симетрію, структуру, енергетичний спектр речовини, електричні, спін-орбітальні, магнітні, надтонкі і супернадтонкі взаємодії в неї. Ці методи можуть вдало доповнювати один одного. Вони знайшли широке застосування у фізиці, хімії, біології і медицині.

При написанні цього автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2009 р.

Список літератури

1. В.С. Гречишкин. Ядерные квадрупольные взаимодействия в твёрдых телах. – М.: Наука, 1973. – 264 с.

2. В.С. Гречишкин. Ядерный квадрупольный резонанс. Успехи физических наук. 1959. №2, с. 189-216. / Электронный архив: http://ufn.ru/ru/articles/1959/ 10/b/

3. В.И. Черепанов. Резонансные методы исследования вещества. Соросовский образовательный журнал. 1997. №9, с.86-90. / Электронный архив: http:// www.pereplet.ru/cgi/soros/readdb.cgi?f=ST362

4. Л.В. Вилков, Ю.А. Пентин. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы. – М: Высш. шк., 1989. – 288 с.

5. Ю.И. Белый, О.А. Поцепня, Г.К. Семин. Аппаратура для борьбы с терроризмом на основе эффекта ЯКР. Специальная техника. 2002. №2 /Электронный архив: http://st.ess.ru/publications/2_2002/semin/semin.htm

6. Н.М. Шахмаев. Физика. – М.: Высш. шк. Ч. 2: Колебания и волны. Оптика. Строение атома. – 1977. – 303 с.

7. Э. Эндрю. Ядерный магнитный резонанс/Пер. с англ. Н.М. Померанцева и Е.Н. Скубур. – М.: 1957. –  296 с.

8. Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов. Физическая химия.– М.: Высш.шк., 1990. – 416 с.

9. Электрические эффекты в радиоспектроскопии / Под ред. М.Ф. Дейгена. – М.: Наука, 1981.– 332 с.

10. В.С. Гречишкин, Н.Я. Синявский. Локальный ЯКР в твердых телах. Успехи физических наук. 1993. №10, с. 95-119.