том.
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