CC BY
20ISSN 0868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2016, том 26, № 2, c. 60-63 ФИЗИКА ПРИБОРОСТРОЕНИЯ ==
УДК 537.622.3-022.532:543.422.3- 74 © А. И. Жерновой, Ю. В. Улашкевич, С. В. Дьяченко
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФРАКРАСНОГО СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ (КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ)
Наблюдалось резонансное поглощение энергии инфракрасного излучения магнитной жидкостью, содержащей однодоменные наночастицы магнетита, при помещении ее в магнитное поле. Высказано предположение, что поглощение энергии излучения вызвано вынужденной переориентацией магнитных моментов однодоменных наночастиц в магнитном поле.
Кл. сл.: магнитная жидкость, однодоменные ферромагнитные наночастицы, поглощение энергии инфракрасного излучения
ВВЕДЕНИЕ
Магнитная жидкость — коллоидный раствор однодоменных ферромагнитных наночастиц, имеющих магнитные моменты Р порядка 10-19 Ам2, т. е. на пять порядков больше магнетона Бора. При помещении магнитной жидкости в магнитное поле с индукцией B ферромагнитные наночастицы приобретают дополнительную энергию W = -PB cosa, где а — угол между направлениями Р и В (по аналогии с дополнительной энергией атомов в магнитном поле назовем ее энергией Зеемана). При этом имеется два равновесных состояния, в которых на магнитные моменты на-ночастиц со стороны магнитного поля не действует вращающий механический момент: состояние 1 с энергией Зеемана Wi = -PB, когда а = 0, и состояние 2 с энергией Зеемана W2 = РВ, когда а = 180°. При пропускании через магнитную жидкость, находящуюся в магнитном поле, ИК-излу-чения с резонансной частотой ^рез, при которой фотоны имеют энергию hF^ = W2 - W1 (h —постоянная Планка), будут происходить вынужденные переходы магнитных моментов нано-частиц между состояниями 1 и 2. При вынужденном переходе наночастицы из состояния 1 в состояние 2 вынуждающий фотон поглощается, а при переходе наночастицы из состояния 2 в состояние 1 вынуждающий фотон удваивается. Так как вследствие распределения Больцмана количество наночастиц с энергией Зеемана W1 превышает количество наночастиц с энергией Зеемана W2, число переходов наночастиц из состояния 1 в состояние 2 превышает число обратных переходов, поэтому действие магнитного поля на магнитную жидкость должно уменьшать интенсив-
ность ИК-излучения с частотой ^рез. Это можно заметить по появлению при наложении на магнитную жидкость магнитного поля с индукцией В линии поглощения ИК-излучения с длиной волны Арез = с / FpK3 = с h / (2РВ) и волновым числом Крез = = 1 / Арез = 2РВ / (с h).
ЭКСПЕРИМЕНТ
Для проведения исследований был взят коллоидный раствор наночастиц магнетита в растворителе, слабо поглощающем инфракрасное излучение (керосине), стабилизированный солью олеиновой кислоты. Для получения ИК-спектра поглощения раствора был применен инфракрасный спектрометр PERKIN ELMER с диапазоном волновых чисел K от 500 до 5500 см-1. На рисунке приведены спектры поглощения магнитной жидкостью ИК-излучения без наложения внешнего магнитного поля (кривая 1) и при наложении внешнего магнитного поля с индукцией В0 = 0.075 Тл (кривая 2) и с индукцией В0 = = 0.085 Тл (кривая 3). Эти зависимости были получены вычитанием спектра пропускания магнитной жидкости, снятого без наложения поля, из спектров пропускания той же жидкости, снятых с наложением поля. По оси абсцисс отложено волновое число K, по оси ординат отложено уменьшение интенсивности прошедшего через магнитную жидкость ИК-излучения, вызванное наложением на нее магнитного поля. Применялась кювета с окошками и вкладышем из флюорита (CaF2) с толщиной слоя магнитной жидкости 0.11 мм.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНФРАКРАСНОГО СПЕКТРА ПОГЛОЩЕНИЯ.
61
—1--1-'-1-'-1-'-1--1-'-1--г1-^ ]
геоо 13«! 2000 2200 К см
ИК-спектр поглощения магнитной жидкости во внешнем магнитном поле с индукцией В0. Кривая 1 — при В0 = 0 Тл, кривая 2 — при В0 = 0.075 Тл, кривая 3 — при В0 = 0.085 Тл
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты, приведенные на рисунке, показывают, что наложение магнитного поля на магнитную жидкость вызывает уменьшение интенсивности луча проходящего через нее ИК-излучения. Затухание луча возрастает с увеличением индукции В и с увеличением К. Возрастание затухания инфракрасного излучения при наложении магнитного поля можно объяснить его рассеянием на конгломератах наночастиц, образующихся в магнитной жидкости при наложении магнитного поля. Усиление рассеяния при увеличении волнового числа К можно объяснить проявлением закона Рэлея. Для того чтобы на рисунке обнаружить линии резонансного поглощения инфракрасного излучения, оценим, при каких значениях волнового числа Крез это поглощение можно ожидать. Измеренное способом, описанным в работе (см. ссылку), значение среднего магнитного момента наночастицы в исследуемой магнитной жидкости Р ~ 2- 10-19 Ам2. Подставив это значение Р в выражение Крез = 2РВ0 / ^с), где h — постоянная Планка, с — скорость света, получаем для В0 = 0.075 Тл (см. рисунок, кривая 2) Крез = 1515 см4 и для В0 = = 0.085 Тл (см. рисунок, кривая 3) Крез = 1717 см-1. На экспериментальных кривых на рисунке, полу-
ченных с наложением на жидкость магнитного поля, имеются одиночные линии поглощения с максимумами при близких к ожидаемым значениям волновых числах К ~ 1550 (кривая 2) и К ~ 1650 (кривая 3) (максимумы этих линий указаны стрелками). Однако на этих экспериментальных кривых можно заметить также более широкие одиночные линии с максимумами при волновых числах К ~ 2050 (кривая 2) и К ~ 2250 (кривая 3) (эти максимумы также указаны стрелками). Появление при одной индукции внешнего магнитного поля В0 двух резонансных линий можно объяснить тем, что часть наноча-стиц совершает переход в создаваемом магнитом внешнем магнитном поле с индукцией В0, а другая часть наночастиц совершает переход в магнитном поле с индукцией В, равной сумме индукции В0 и индукций магнитных полей, создаваемых соседними наночастицами. Можно предположить, что переориентация магнитного момента относительно индукции магнитного поля В0 происходит у одиночных наночастиц, а переориентация магнитного момента относительно индукции магнитного поля В происходит у наночастиц, связанных в конгломераты с другими наночастицами. Судя по площадям линий резонансного поглощения, свободных наночастиц значительно меньше, чем
62
А. И. ЖЕРНОВОЙ, Ю. В. УЛАШКЕВИЧ, С. В. ДЬЯЧЕНКО
связанных в конгломераты с другими наноча-стицами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Присутствие в магнитной жидкости линии поглощения ИК-излучения с резонансной частотой, увеличивающейся с ростом индукции внешнего магнитного поля, подтверждает возможность наблюдения магнитного резонанса однодоменных наночастиц. Положение и форма линии, возникающей в результате переориентации магнитных моментов наночастиц во внешнем магнитном поле с известной индукцией В0, дают возможность исследовать функцию распределения магнитных моментов наночастиц, а положение и форма второй линии позволяют исследовать функцию распределения локальных магнитных полей в конгломератах наночастиц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Жерновой А.И., Наумов В.Н., Рудаков Ю.Р. Получение кривой намагничивания дисперсии парамагнитных наночастиц путем нахождения намагниченности и намагничивающего поля методом ЯМР // Научное приборостроение. 2009. Т. 19, № 3. С. 57-61. URL : http://213. 170.69.26/mag/2009/full3/Art8.pdf.
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
Контакты: Жерновой Александр Иванович, [email protected]
Материал поступил в редакцию: 15.04.2016
ISSN 0868-5886
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2016, Vol. 26, No. 2, pp. 60-63
MAGNETIC FLUID IN MAGNETIC FIELD INFRARED ABSORBTION SPECTRA INVESTIGATION
(SHORT MESSAGE)
A. I. Zhernovoy, Yu. V. Ulashkevich, S. V. Diyachenko
Saint-Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Russia
The appearance of resonant energy absorbtion of infrared electromagnetic radiation in magnetic fluid, containing single-domain magnetite nanoparticles, was observed, when placed in a magnetic field. It is suggested, that the energy absorption caused by the forced reorientation of the magnetic moments of nanoparticles in an external magnetic field.
Keywords: magnetic fluid, single-domain ferromagnetic nanoparticles, absorption of energy of infrared radiation
REFERENСES mentation], 2009, vol. 19, no. 3, pp. 57-61. URL:
http://213.170.69.26/mag/2009/full3/Art8.pdf.
Zhernovoy A.I., Naumov V.N., Rudakov Yu.R. [Paramagnetic nanoglobules dispersion curve definition via magnetization and magnetizable field using NMR method]. Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instru-
Contacts: Zhernovoy Aleksandr Ivanovich, Article received in edition: I5 04-20!6
