[по имени амер физика И. А. Раби (I. I. Rabi)], резонансный метод исследования магн моментов ядер, атомов и молекул и внутримол

Вид материала

Документы

Содержание Резонатор акустический Рейнольдса число Рейнольдса число магнитное В. Н. Колесников. Э. М. Эпштпейн. Релаксационные колебания X; от равновесных значений уменьшаются в е Микроскопическая теория Р. Релаксация и фазовые переходы. С приближением к точке фазового перехода II рода (происходящего при темп-ре Т Обменное взаимодействие) Магнитная вязкость) М. И. Наганов.

Подобный материал:

• 32. Эволюция понятия элементарная частица. Неизменность свойств ядер, атомов, молекул, 827.07kb.
• Молекулярная физика и термодинамика статистический и термодинамический методы Молекулярная, 12.67kb.
•  Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел, 156.85kb.
• X международная конференция Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул ampl, 299.2kb.
• Магнитные свойства молекул, 29.04kb.
• Моделирование структур молекул по Огжевальскому, 61.04kb.
• Десятая новая лекция аксиомы единства канарёв, 209.76kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности, 79.71kb.
• Молекулярная физика и термодинамика. Лекция №1 Молекулярно-кинетическая теория Основные, 10053.18kb.
• Вегето- резонансный тест Оценка по методу Кузьменко (метод Накатани) Диабат (метод, 12.28kb.

^ РЕЗОНАТОР АКУСТИЧЕСКИЙ (ре­зонатор Гельмгольца), сосуд, сооб­щающийся с внеш. средой через не­большое отверстие или трубку (горло). Характерная особенность Р. а. в том, что длина волны его низкочастотных собств. колебаний значительно больше размеров Р. а. Собств. частота Р. а. с горлом f₀=(с/2)(S/lV), где с — скорость звука в воздухе, S — пло­щадь поперечного сечения, l — длина трубки, V — объём сосуда. Если Р. а. поместить в гармонич. звук. поле с частотой f₀, в нём возникают колеба­ния с амплитудой, во много раз пре­вышающей амплитуду поля (резо­нанс). В негармонич. звук. поле Р. а. реагирует только на колебания с час­тотой f₀. Поэтому набор резонаторов с различными собств. частотами может применяться для анализа звука. При наличии трения в горле резонатора в нём возникает сильное поглощение звука на частоте f₀, что используется для создания т. н. резонансных звукопоглотителей в архитектурной аку­стике. Р. а., помещённые на стенках звукопроводов, применяются как эле­менты резонансных отражателей для уменьшения передачи НЧ шума по звукопроводам. Пузыри в жидкости и возд. полости в нек-рых др. средах (напр., резине) также явл. Р. а., по­этому наличие большого числа пу­зырей в воде вызывает сильное погло­щение звука, что препятствует рас­пространению звук. волн.

Теория Р. а. была разработана нем. учёным Г. Гельмгольцем (I860) и англ. учёным Дж. Рэлеем (1877—78).

^ РЕЙНОЛЬДСА ЧИСЛО [по имени англ. учёного О. Рейнольдса (О. Rey­nolds)], один из подобия критериев для течений вязких жидкостей и газов, характеризующий соотношение между инерц. силами и силами вязкости: Re=vl/, где  — плотность,  — коэфф. динамич. вязкости жидкости или газа, v — характерная скорость потока, l — характерный линейный размер. Так, при течении в длинных цилиндрич. трубах обычно l=d, где d — диаметр трубы, a v=v_ср — сред­няя по поперечному сечению скорость течения; при обтекании тел l — дли­на или поперечный размер тела, а

631


v = v_ — скорость невозмущённого потока, набегающего на тело.

Р. ч. является также одной из ха­рактеристик течения вязкой жидкости (газа). Для каждого вида течения существует такое критич. Р. ч. RE_кр, что при Reкр возможно только ламинарное течение, а при Re>Re_кр течение может стать турбулентным. Напр., для течения вязкой несжи­маемой жидкости в круглой цилинд­рич. трубе Re_кр=2300.

^ РЕЙНОЛЬДСА ЧИСЛО МАГНИТНОЕ, см. в ст. Магнитная гидродинамика.

РЕКОМБИНАЦИЯ (от лат. re — сно­ва, опять и позднелат. combinatio -соединение), 1) Р. ион-электронная, элем. акт воссоединения положит. иона (с зарядом Z+1) и свободного эл-на, приводящий к образованию иона с зарядом Z. В частном случае (при Z=0) образуется нейтр. атом (или молекула). Известно неск. кана­лов Р.

При р а д и а ц и о н н о й Р. иона A(Z+1), обычно рассматриваемого в осн. состоянии, с эл-ном, обладаю­щим кинетич. энергией ξ, образуется ион A (Z, ) в состоянии  (основном или возбуждённом), а избыточная энергия излучается в виде кванта h=Е_и+ξ, где  — частота излу­чения, а E_и— энергия ионизации из состояния у:

A (Z+1)+е A(Z, )+hv.

В случае д и э л е к т р о н н о й Р. происходит возбуждение иона и одно­временно захват им эл-на на уровень энергии, превышающий норм. энер­гию ионизации, так что образующийся ион A (Z, ') оказывается в автоионизованном состоянии '. Такая Р. может быть устойчива, если эл-н достаточно быстро переходит после захвата на более низкий уровень 7 с испусканием кванта h=E_'-E_:

A (Z+1)+<A (Z, ') (Z, )+h.

Д и с с о ц и а т и в н а я Р. про­исходит, если рекомбинирующий ион явл. молекулярным и в результате захвата им эл-на образуется молекула в неустойчивом состоянии Г, к-рая затем диссоциирует. Напр.:

АВ⁺+е<АВ(Т)А(₁)+В(₂).

При тройном вз-ствии иона A(Z+1), эл-на и к.-л. третьей ч-цы (эл-на, ато­ма, иона), когда избыточная энергия уносится этой третьей ч-цей, происхо­дит ударная Р. Напр.:

A(Z+1)+е+еA(Z, )+е.

Акты Р. происходят как в объёме плазмы, так и на поверхности стенок, ограничивающих этот объём. В первом случае они наряду с ионизацией и процессами переноса (см. Переноса явления) определяют баланс заряж. ч-ц в объёме плазмы. Эффективность

того или иного канала Р. зависит от условий (плотности, энергии ч-ц, их состава, внеш. воздействий и т. д.). В разреженной плазме (плотность n10¹³ см^-3) при отсутствии много­зарядных ионов наиболее эффективны процессы радиац. Р. По мере роста n всё большую роль играют процессы ударной Р. и при n>10¹⁷ см^-3 они явл. определяющими. Диссоциатив­ная Р. важна в мол. низкотемпера­турной плазме, а диэлектронная — в «горячей» плазме, когда имеются мно­гозарядные ионы.

Объёмная Р. существенно влияет на скорость деионизации среды в раз­рядном промежутке и потому должна учитываться при выборе конструк­ции и режима работы газоразряд­ных приборов. Искусственно уско­ряя Р., можно получить инверсию населённости возбуждённых уровней атомов (ионов), что используется для создания лазеров на рекомбинирующей плазме (см. Газовый лазер).

• Атомные и молекулярные процессы, под ред. Д. Бейтса, пер. с англ., М., 1964; Гордиец Б. Ф., О с и п о в А. И., Шепепин Л. А., Кинетические процес­сы в газах и молекулярные лазеры, М., 1980.

^ В. Н. Колесников.

2) Р. электронов и дырок в ПП, исчезновение пары электрон проводи­мости — дырка в результате пере­хода эл-на из зоны проводимости в валентную зону. Избыток энергии может выделяться в виде излучения (излучательная Р.); возможна также безызлучательная Р., при к-рой энер­гия расходуется на возбуждение ко­лебаний крист. решётки или переда­ётся подвижным носителям заряда при тройных столкновениях (ударная Р.). Р. может происходить как при непосредств. столкновении эл-нов и дырок, так и через примесные центры (центры Р.), когда эл-н сначала захва­тывается из зоны проводимости на примесной уровень в запрещённой зоне, а затем переходит в валентную зону. Скорость Р. (число актов Р. в ед. времени) определяет концентрацию неравновесных носителей заряда, соз­даваемых внеш. воздействием (светом, быстрыми заряж. ч-цами и т. п.), а также время восстановления равно­весной концентрации после выключе­ния этого воздействия. Излучатель­ная Р. проявляется в люминесценции кристаллов и лежит в основе действия полупроводниковых лазеров и светоизлучающих диодов.

• См. лит. при ст. Полупроводники.

^ Э. М. Эпштпейн.

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, процесс об­разования и роста (или только роста) структурно более совершенных кри­сталлич. зёрен поликристалла за счёт менее совершенных зёрен той же фазы. Скорость Р. экспоненциально возраста­ет с повышением темп-ры и сильно за­висит от хим. и фазового состава мате­риала. Р. протекает особенно интенсив­но в пластически деформированных (на 1—10%) материалах. Различают 3 стадии Р.: первичную, когда в деформированном материале образуются новые неискажённые зёрна, которые растут, поглощая зёрна, искажён­ные деформацией; собирательную Р.— неискажённые зёрна растут за счёт друг друга, вследствие чего средняя величина зерна увеличивает­ся, и вторичную Р., к-рая отличается от собирательной тем, что способно­стью к росту обладают только немно­гие из неискажённых зёрен. В ходе вторичной Р. структура характери­зуется разл. размерами зёрен.

Р. устраняет структурные дефекты, изменяет размеры и ориентацию зёрен и иногда их кристаллографич. ори­ентацию (текстуру). Р. переводит в-во в состояние с большей термодинамич. устойчивостью: при собирательной и вторичной Р.— за счёт уменьшения суммарной поверхности границ между зёрнами, при первичной Р.— также за счёт уменьшения искажений, вне­сённых деформацией. Р. изменяет все структурно-чувствительные свойства материала и часто восстанавливает исходную структуру, текстуру и свойства (до деформации). Иногда структура и текстура после Р. отли­чаются от исходных, соответственно отличаются и свойства.

• Горелик С. С., Рекристаллиза­ция металлов и сплавов, 2 изд., М., 1978.

С. С. Горелик.

^ РЕЛАКСАЦИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ, колебания, возникающие в нелиней­ных системах, в к-рых существенную роль играют диссипативные силы: внеш. или внутр. трение — в меха­нич. системах, сопротивление - в электрических. Обычно о Р. к. говорят применительно к автоколебат. си­стемам. Каждый период Р. к. может быть разделён на неск. резко разгра­ниченных этапов, соответствующих медленным и быстрым изменениям состояния системы, в к-рой проис­ходят Р. к., что позволяет рассмат­ривать Р. к. как разрывные колеба­ния.

Простейший пример электрич. Р.к.— колебания, возникающие в схеме с газоразрядной лампой, к-рая обла­дает св-вом зажигаться при нек-ром напряжении U_З и гаснуть при более низком напряжении U_Г. В этой схеме периодически осуществляется зарядка конденсатора С от источника тока Е через сопротивление R до напряже­ния зажигания лампы, после чего лампа зажигается, и конденсатор бы­стро разряжается через лампу до напряжения гашения лампы. В этот I момент лампа гаснет и процесс начи­нается вновь. В течение каждого пе­риода этих Р. к. происходят два медленных изменения силы тока I при заряде и разряде конденсатора и два I быстрых — скачкообразных — изменения тока I_с, когда лампа зажигается и гаснет (рис.).

Упрощённое рассмотрение механизма возникновения Р.к. основано) на пренебрежении параметрами си­стемы, влияющими на характер бы-

632


стрых движений. Методы нелинейной теории колебаний позволяют иссле­довать не только медленные, но и бы­стрые движения, не пренебрегая параметрами, от к-рых характер быст­рых движений существенно зависит, и не прибегая к спец. постулатам о характере быстрых движений. В за­висимости от св-в системы возможно



большое разнообразие форм Р. к. от близких к гармоническим до скачкооб­разных и импульсных.

Электрич. Р. к. применяются в из­мерит. технике, телеуправлении, ав­томатике и др. разделах электроники. Для их создания существуют разнооб­разные генераторы Р. к., напр. блокинг-генераторы, мультивибраторы, RC-генераторы.

•Андронов А. А., В и т т А. А., Хайкин С. Э., Теория колебаний, [2 изд.], М., 1981, гл. 4, 9; М е е р о в и ч Л. А., Зеличенко Л. Г., Импульсная техника, 2 изд., М., 1954, гл. 14; Капчинский И. М., Методы теории коле­баний в радиотехнике, М.— Л., 1954.

РЕЛАКСАЦИЯ (от лат. relaxatio -ослабление, уменьшение), процесс установления равновесия термодина­мического в макроскопич. физ. систе­мах (газах, жидкостях, тв. телах). Состояние макроскопич. системы оп­ределяется большим числом парамет­ров, и установление равновесия по каждому из параметров может проте­кать различно. Количеств. хар-кой Р. служит в р е м я р е л а к с а ц и и. Строго говоря, время t, необходимое для установления полного термодина­мич. равновесия, бесконечно велико, т. к. в процессе Р. всегда наступает период т. н. линейной Р., когда пара­метры X_i, описывающие состояние системы (плотность , темп-ра Т и др.), лишь незначительно отличаются от своих равновесных значений X^~i, а скорости их изменения со временем X^._i=dX_i/dt, пропорц. отклонениям Х_i от Х^~_i:



за времена _i малые отклонения пара­метров ^ X; от равновесных значений уменьшаются в е раз; _i наз. временами P., a 1/_i=_i — частотами Р. Значения _i определяются св-вами системы, зависят от её состояния и внеш. условий. Напр., эл-ны провод­ников приходят в состояние равно­весия за 10^-13 — 10^-14 с, а прибли­жение к равновесию крист. структур в земной коре длится геол. эпохи. Физ. система может, достигнув рав­новесного состояния по одним пара­метрам, остаться неравновесной по другим, т. е. находиться в состоянии

частичного равновесия. Релаксирующая система проходит, как правило, че­рез состояния частичного равновесия.

Все процессы Р.— неравновесные процессы, сопровождающиеся воз­растанием энтропии системы, их исследованием занимается кинетика физическая.

^ Микроскопическая теория Р. ба­зируется на молекулярно-кинетической теории, рассматривающей процессы в макроскопич. системах как проявле­ние движения и вз-ствия атомных и субатомных ч-ц. Теория Р. наиб. разработана применительно к газам, в к-рых равновесие устанавливается благодаря столкновению ч-ц газа. При столкновениях ч-цы обмениваются энергиями и импульсами. Частоты столкновений и эффективность обме­на выражаются через вероятности столкновений. Вероятности обмена энергиями и импульсами при столкно­вениях для ч-ц разл. сортов могут существенно отличаться, что сказы­вается на релаксац. процессах в системе. В электронно-ионной плазме, напр., различие масс эл-нов и ионов приводит к тому, что эти ч-цы легко обмениваются импульсами, но обмен энергией между подсистемами эл-нов и ионов затруднён. В самих же под­системах (при электрон-электронных и ион-ионных столкновениях) обмен импульсами и энергиями идёт в одном темпе. В результате быстро устанав­ливается равновесие в ионной и элект­ронной подсистемах плазмы в отдель­ности, но равновесие в плазме в целом устанавливается медленнее. Анало­гичная ситуация наблюдается в газах из многоатомных молекул, где под­системами явл. поступат. и внутр. степени свободы. Обмен энергией меж­ду этими видами степеней свободы затруднён. Быстрее всего устанавли­вается равновесие по поступат. сте­пеням свободы, потом — по внутренним и медленнее всего — между поступат. и внутренними. В этих условиях частично равновесное состояние может быть описано введением разл. темп-р подсистем. Самый медленный процесс— выравнивание темп-р подсистем -последний этап Р. Хар-ками столкно­вений в газе явл. ср. время свободного пробега ч-ц _пр и его длина l=v_пр (v — ср. скорость ч-ц). По порядку ве­личины _пр совпадает с временем установления локального равновесия в объеме газа ~l³ (б ы с т р а я Р.). Локально-равновесное состояние опи­сывается макроскопич. параметрами (Т,  и др.), к-рые различны для раз­ных локально-равновесных частей системы, но выравниваются, когда система приходит в полное равнове­сие. Газ можно считать макроскопич. системой, если l << L, где L — харак­терное расстояние (напр., размер со­суда). Переход от локального к пол­ному равновесию (выравниванию темп-р, плотности) требует макроско­пически большого числа столкнове­ний (м е д л е н н а я Р.) и из-за

случайности столкновений имеет диф­фузионный хар-р. Этот этап Р. описы­вается ур-ниями гидродинамики, диффузии, теплопроводности и т. п., содержащими релаксац. и кинетич. коэффициенты. Кинетич. коэфф. могут быть выражены через частоты Р. и длины свободного пробега (или через вероятности столкновений). Так, напр., время выравнивания темп-ры _TL²/, где ~lv — коэфф. темпера­туропроводности; ф-ле можно придать вид _T  _пр(L/l)², из к-рого следует, что Р. темп-ры происходит в резуль­тате (L/l)² столкновений.

Медленная Р. в жидкостях и тв. телах также описывается ур-ниями гидро­динамики, диффузии, теплопроводно­сти и т. д., однако релаксац. и кине­тич. коэфф. в случае обычных жидко­стей не могут быть в общем случае выражены через вероятности микро­скопич. процессов. В случае кванто­вых жидкостей и кристаллов кинетич. коэфф. выражаются через вероятно­сти столкновений квазичастиц. Напр., теплопроводность диэлектрика про­порц. длине свободного пробега фо­нонов, а электропроводность метал­лов и ПП — длине пробега эл-нов проводимости. Квазичастицы имеют конечные времена жизни, к-рые могут служить для оценки времён Р. в тв. телах (напр., время Р. полупроводни­ка после выключения освещения опре­деляется временем рекомбинации эл-нов и дырок).

Связь между кинетич. коэфф. и хар-ками столкновений ч-ц и квази­частиц устанавливается на основе ур-ний (кинетического уравнения Больцмана, в сложных случаях — квантового кинетич. ур-ния, ур-ния для матрицы плотности, с привлече­нием метода функций Грина и т. п.).

Релаксация и резонансное поглоще­ние энергии. Р. в экспериментах проявляется, как правило, косвен­но в затухании макроскопич. движений, в ограничении потоков ч-ц и теплоты, возникающих в телах под воздействием внеш. сил, а также в зависимости кинетич/ коэфф. (элект­ропроводности, внутр. трения и др.) от частоты (о, если вынуждающая сила периодически изменяется во времени. Частотная зависимость (дис­персия) кинетич. коэфф.— одно из наиболее непосредств. проявлений релаксац. процессов. Сопротивление среды (её стремление остаться в сос­тоянии равновесия, несмотря на воз­действие внеш. силы) приводит к уменьшению эффективности воздей­ствия с ростом . Если при статич. силе f_i отклонение X_i от положения равновесия составляет X_i=_if_i, то при перем. силе той же амплитуды, f_i(t)~f_icost, отклонение X_i=



633


Эфф. уменьшение воздействия с ростом частоты  и сдвиг по фазе между f_i и Х_i приводят, как правило, к немонотонной зависимости от  поглощённой за период энергии Q() ~_i/(1+(_i)²). Наличие у Q() максимума при _i=1 наз. к и н е м а т и ч е с к и м (релаксационным) р е з о н а н с о м. Исследование кинематич. резонанса — удобный метод измере­ния времени Р. Обнаружение неск. максимумов на кривой Q() свиде­тельствует о существовании неск. ме­ханизмов Р. Связь Р. с частотной за­висимостью кинетич. коэфф. проявля­ется особенно отчётливо в тех случаях, когда в системе наблюдается резонанс­ное поглощение эл.-магн. или звук. энергии: ширина резонансной кривой  пропорц. частоте Р. резонирую­щего параметра (~_i).

^ Релаксация и фазовые переходы. Р. может сопровождаться фазовым переходом. Если переход из нерав­новесного в равновесное состояние -фазовый переход I рода, то сначала система перейдёт в метастабильное состояние, выйти из к-рого она может, только преодолев межфазовый потенц. барьер путём образования и роста (вплоть до критич. размеров) зароды­шей стабильной фазы. Необходимость достижения критич. зародышами мак­роскопич. размеров часто делает Р. из метастабильной фазы в стабильную столь медл. процессом, что метастабильные фазы ведут себя как равно­весные (см. Аморфное состояние, Неупорядоченные системы).

^ С приближением к точке фазового перехода II рода (происходящего при темп-ре Т_с] параметр порядка , характеризующий различие св-в фаз, стремится к нулю, что приводит к увеличению его времени P. (_ при Т -T_c0). Замедление релаксац. процессов вблизи Т_с наклады­вает отпечаток на все кинетич. хар-ки тел в этой области темп-р (см. Крити­ческие явления).

Магнитная Р. Сравнительно слабая связь спинов атомных и субатомных ч-ц с движением ч-ц (колебаниями крист. решётки, орбитальным движе­нием эл-нов проводимости в кристал­ле) делает систему спинов квазинеза­висимой подсистемой тела. В силу это­го равновесие внутри спиновой систе­мы магнитоупорядоч. сред (ферро- и антиферромагнетиков) наступает, как правило, раньше, чем всё тело прихо­дит в состояние равновесия. В этих условиях спиновой подсистеме можно приписать темп-ру (спиновая темп-ра), к-рая будет отличаться от темп-ры тела, обусловленной движением ато­мов и молекул. Процесс установления равновесия в спиновой подсистеме тела наз. м а г н и т и о й Р. Магн. Р. усложняется существованием сил

разл. природы, действующих между спинами. Обменные силы (см. ^ Обменное взаимодействие), наибольшие по ве­личине, не могут изменить ср. магн. момента системы, даже если он имеет неравновесное значение, но вырав­нивают темп-ру в спиновой подсисте­ме. Релятив. силы вз-ствия между спинами (спин-орбитальные, магнитодипольные и др., см. Ферромагнетизм) ответственны за Р. ср. магн. момента, причём разные компоненты магн. мо­мента релаксируют с разной скоро­стью.

Р. в парамагнетиках компонента магн. момента, к-рый перпендикуля­рен приложенному магн. полю, свя­зана со спин-спиновым вз-ствием (время P. ₁), а Р. продольного ком­понента — со спин-решёточным (спин-фононным) вз-ствием (время Р. ₂). Обычно ₁>₂, а разл. природа Р. проявляется не только в числ. разли­чии времён Р., но и в разных зависи­мостях от темп-ры. Магн. Р. яд. спи­нов обладает особенностями, обуслов­ленными их сравнительно слабым вз-ствием с др. степенями свободы тв. тела и друг с другом. Из-за этого вре­мя ядерной Р., как правило, превосхо­дит др. времена Р.

Магн. Р. проявляется в процессах намагничивания и перемагничивания (см. ^ Магнитная вязкость), она опре­деляет ширину линий магн. резонансов и дисперсию магн. восприимчи­вости. Магн. Р. ограничивает приме­нимость магнетиков в технике и в физ. эксперименте. Т. к. магн. Р. (как и др. релаксац. процессы) существенно зависит от структуры тела и его хим. состава (в кристаллах — от нали­чия дислокаций и др. дефектов), то время магн. Р. можно изменять технологич. обработкой (легированием, закалкой и т. п.).

• Зубарев Д. Н., Неравновесная статистическая термодинамика, М., 1971; Фудзита С., Введение в неравновесную квантовую статистическую механику, пер. с англ., М., 1969; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П., Физическая ки­нетика, М., 1979.

^ М. И. Наганов.