К вопросу о влиянии магнитных полей на вещества Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

К вопросу о влиянии магнитных полей на вещества

Шапкарин Игорь Петрович,

к.т.н., доцент, доцент кафедры физики, ФГБОУ ВО «РГУ им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)»,

Шпачкова Алена Владимировна

к.т.н., преподаватель, ФГбОу ВО « РГУ им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)».

Проанализировано широкое распространение электромагнитных эффектов в природе и систематизированы мишени, на которые сверхслабые комбинированные магнитные поля оказывает воздействие. Магнитное поле в среде действует на магнитные моменты ионов и на электронные и ядерные спины. Имея низкую интенсивность оно не оказывает значительного воздейстаия на объекты, находящиеся в тепловом равновесии со средой. Поэтому мишенью внешнего поля является магнитный момент со временем термализации большим периода внешнего поля. Основным возможным применением работы является теоретическое обоснование влияния на радикальные пары амплитудно-частотной модуляции магнитных воздействий, причем необходимые для эффекта параметры строго определяются радикальной парой. Отмечена немонотонная зависимость вероятности рекомбинации геминальной радикальной пары от величины постоянного магнитного поля и амплитуды и частоты колли-неарного ему переменного поля для случая спиновой эволюции радикальной пары по Ад-механизму. Ключевые слова: магнитные поля, вероятность рекомбинации радикальной пары, орбитальные моменты, ядерный спин.

Магнитные поля, воздействуя на токи, спины и орбитальные моменты ионов, атомов и молекул, влияют на свойства веществ (растворов, полимеров, кристаллов) в процессе их получения. Переменные магнитные поля, параллельные постоянному полю, не переворачивают спины и играют управляющую роль. Переворот спинов осуществляется взаимодействием между подсистемами. Этой управляющей роли достаточно, для изменения свойств вещества и направления происходящих в них процессов.

В данной статье рассмотрим радикальную пару, определяющую образование перекисных радикалов. Обсудим изменение свойств полимерных пленок при обработке комбинированными полями, изменение кристаллизации комплексов полимер-соль в момент кристаллизации в водных растворах. Одной из мишеней воздействия магнитных полей является жидкая вода («орто- пара-» переходы в ней). Магнитные поля широко используют в медицине и биологии без каких-либо обоснований. Там также необходимо определить цели воздействия и механизмы влияния. Начнем с рассмотрения простых реакций.

Радикальные пары. Цель - электронный спин.

Радикальная пара образуется в процессе разрыва химической связи и является сильно растянутой связью, два радикала которой слабо связаны между собой и могут находиться в синглетном (£) или триплетном (Т ) состояниях. Такая система имеет достаточно энергии, чтобы рекомбинировать, а управление рекомбинацией происходит через спиновые состояния. Рекомбинируют радикалы в £ - состоянии. В окончательной форме соотношение для вероятности рекомбинации радикальной пары (ВРРП) имеет вид [1]:

Ж5 =

К£

2(К5 + К, )

+ 0.5 J 0(Н2)

К£ (К£ + К, )

0У"2' Кю2 + (К£ + Ка)2

о

55 I» £

55 П П Н

I Jm(К)(

К£ (К + К,)

(И0 + 2т)2 ю2 + (К£ + Ка )2 К (К£ + К, )

-) +

(И0 - 2т)2 ю2 + (К£ + К, )2'

+

т=1

I Лт+^Х-

К (К + К, )

о ы

а

(К + 2т +1)2 ш2 + (К5 + Кл )2 К (К + К л)

(К - 2т -1)2ш2 + (К, + К,)

где3 п(К2) - функция Бесселя, И2 =

-),

Дкв.с

8 ош

К =

а

«

а б

А8ВоС Л

-, Д8 = ^2 - 81, где - Д8 - фактор,

8 ош

ш - частота переменного магнитного поля с амплитудой ВАС , ВоС амплитуда постоянного поля, К, - скорость рекомбинации радикалов по

синглетному каналу в отсутствии полей, К, -

скорость диссоциации РП. Увеличение ВРРП

возникает при резонансе, когда К0 = т (целому

числу частот переменного поля). Видно, что необходимы постоянное и переменное поля для возникновения эффекта сильного резонанса.

При К2 = 0 кривая ВРРП гладкая и резонансы не наблюдаются. При К0 = 0 возникают широкие резонансы от функции Бесселя вида

К

=-2-(1 + 30(К2)).

5 2(К, + К,^ 2"

Процессы рекомбинации радикалов и образования радикальнаой пары имеют место при всех видах радиационной обработки материалов, при механических воздействиях, при облучении ультразвуком, в процессе дробления и слипания частиц, в процессах разрушения и старения материалов за счет концентрирования дислокаций и т.п. В этих случаях целью воздействия магнитных полей является радикальная пара.

Полимеры. Цель - межцепочечная связь.

При обработке полимеров (например, готовых пленок) комбинированным магнитным полем изменяется структура полимера. Он делается более эластичным, вероятно, в результате разрыва ослабленных связей между цепями в результате образования на поверхности пленки перекисных радикалов и последующей диффузии их внутрь пленки. Оба процесса [2] зависят от магнитного поля.

Кристаллизация. Цель - под вопросом.

Рассмотрен процесс кристаллизации соль -полимерных систем под действием комбинированных магнитных полей. В качестве объектов исследования выбраны кристаллизующиеся соли и полимерные компоненты как зародыши кристаллизации, способные к образованию ком-

плексов полимер-соль с необходимой морфологией кристаллов (иглообразные, чётко различимые). В работе использовали водные растворы солей дициандиамин 13%,хлорид аммония 35%. Показано, что имеет место изменение формы кристаллов [3].

Кристаллизация в контрольных, не обработанных магнитным полем, образцах, отличается от кристаллизации в образцах, обработанных магнитным полем. Механизм действия поля в этом случае неизвестен, хотя некоторые предположения могут быть сделаны.

Обработка воды. Цель - межкластерная связь.

Одной из возможных целей, воспринимающих магнитное поле, является вода. Вода представляет собой бесконечно длинный полимер, уложенный в кристаллические клубки размером 1000 А с промежутками между ними из аморфной фазы толщиной примерно 100 А, в которой находятся примеси (Н+, НО- и другие ионы и молекулы примесей). Обработка воды комбинированными полями приводит к увеличению размеров кристаллического клубка, имеющего большой суммарный диполь и увеличивает концентрацию примесей в межклубковом пространстве [4].

Электрическое поле не влияет на кристаллический клубок, так как не может пронизать толщу воды из-за большого поглощения, а магнитное поле - может. Переменное магнитное поле, проникая вглубь воды, создает внутри объема переменное электрическое поле, которое раскачивает полимерную цепь воды так, что разделяет положительные и отрицательные ионы. Наиболее подвижными будут ионы Н+ и НО-, которые, концентрируясь отдельно, создают нано-области кислоты и щелочи. При выключении магнитного поля они взаимно нейтрализуются. Внутри этих областей происходит усиленное образование радикала НО2 из растворенного в воде кислорода. Появление радикала НО2 приводит к укрупнению кристаллов льдоподобной воды (рис.1).

% масс 20 _|

10 -

10

I

100 мкм

Рис. 1. Изменение кристаллов льдоподобной воды от концентрации радикала НО2*

т=1

+

Вытеснение органических люминесцирующих примесей в межклубковые области и увеличение их концентрации уменьшает тушение водой и приводит к люминесценции при обработке воды комбинированным магнитным полем.

Активные формы кислорода. Цель - ядерный спин протона.

В среде магнитное поле действует на магнитные моменты ионов и на электронные и ядерные спины. Имея низкую интенсивность, оно не оказывает значительного воздействия на объекты, находящиеся в тепловом равновесии со средой. Также, частота переменного поля много меньше частоты химических реакций, то есть переходы между уровнями невозможны. Поэтому целью внешнего поля является магнитный момент со временем термализации большим периода внешнего поля. Это спин ядра Н (время термализации 10 с). Спины, более вероятно, ориентированы по комбинированному

магнитному полю B(t) = BDC + BAC cosat и

изменяют ориентацию только при взаимодействии с радикалом. Чтобы средняя проекция ядерного спина зависела от времени через B(t) , обратная частота поля должна быть больше времени взаимодействия. Время примерно 10 8 с между последовательными столкновениями радикала с окружающей средой (вода) удовлетворяет этому условию.

В качестве постоянного поля используют магнитное поле Земли, равное 42-45 мкТл. Рассмотрим влияние переменного внешнего поля на ориентацию ядерного спина Н, входящего в состав воды. Локальная добавочная намагниченность среды от ядерного спина водорода равна

ц , 4^Bac cos at у

< I >= — th AC-« — Bf

у

cos ct, где

а а

у = 2ц, ц - магнитный момент ядра, а -параметр сверхтонкого взаимодействия.

Особый интерес представляет изучение влияния внешнего сверхслабого поля на изменение концентраций активных форм кислорода (АФК), которые существенно влияют на химические и биологические системы. Рассмотрим [4]

R * +O2 = ROO *

поле

реакцию

Б(/) = БДС + ВАС ообю/ для трех электронов

(спинов). Эти электроны могут находиться в восьми состояниях (четыре дублета и четыре квартета). Продукт реакции имеет спин ЛА и происходит из Д1 и 1 состояний. Квантовый

2 2

выход на эти уровни может быть только из состояний Q1 ^ Д1 , Q 1 ^ Д 1 . Потенциал

обменного взаимодействия Ф в процессе реакции возрастает от нуля до 10 эВ.

10 12 14 1Б 18 20

8

Рис. 2. Вероятность выхода ROO * (8 = yBACС 1)

В результате, в конце реакции a < I > Ф-1 ^ 0, а в начале реакции оно равно a < I > и заселенность уровня D1 будет быст-

2

ро меняться только на начальном этапе реакции и имеет вид [4] (если в процессе участвуют N протонов):

p(t) = — sin2 N í < I(t) > dt = 4(1 - cos(NyBAC sinct))

9 9 c

9

c

Это приводит, после усреднения по времени, к результату для вероятности выхода ROO * (рис.2)

,=4(1 - j „(^)),

9 a

что хорошо согласуется с опытными данными, приведенными на рис.3.

О 55 I» £

55 т

ti

Рис. 3. Корелляция опытных данных и теории (сплошная линия - теория, точки - эксперимент, N = 4 )

p

2

2

2

2

Биологические эффекты. Цель - перекись водорода.

АФК является одной из определяющих величин, создающих биологический эффект. Изучалась [5] зависимость гравитропической реакции в сегментах стеблей льна от соотношения амплитуд переменной и постоянной компонент поля, а также от частоты переменной компоненты поля. Результаты приведены на рис.4.

ного постоянного поля 42 мкТл) обладает выраженной противоопухолевой активностью. Воздействие этими магнитными полями нарушает развитие опухолевого процесса у мышей с трансплантированной внутрибрюшинно асцит-ной карциномой Эрлиха. Эффект проявляется в удлинении сроков жизни таких животных. Наибольшей противоопухолевой активностью обладает [7] суммарный поличастотный сигнал.

О ы

а

s

«

а б

Рис.4. Зависимость гравитропической реакции в сегментах стеблей льна от соотношения амплитуд переменной и постоянной компонент поля, частоты переменной компоненты поля ^=35.8 Гц, Бос=46,5 мкТл).

Анализ проведенных экспериментов показал следующее: при реализации эффектов слабых магнитных полей имеют существенное значение обе компоненты магнитного поля (постоянная и переменная). Отсутствие одной из компонент может привести к смене знака эффекта на противоположный; эффект «нулевого» поля значим и сопоставим [6] по величине с эффектами на резонансных полях. Время жизни животных, носителей опухоли, показано на рис.5.

Найдены параметры низкочастотной (1; 4,4; 16,5 Гц или сумма этих частот) очень слабой (300; 100; 150-300 нТл, соответственно частотам) переменной компоненты комбинированных магнитных полей, которая на фоне коллинеар-

Рис 5. Время жизни исследуемых обьектов (1 - контроль; 2 - 1 Гц, 300 нТл; 3 - 16,5 Гц, 150 нТл; 4 - 4,4 Гц, 100 нТл; 5 -сумма частот).

Литература

1. О.А. Пономарев, С.И. Кубарев, И.С. Куба-рева, и др. //Химическая физика, 2004, т.23, №6. С.9-16.

2. В.О. Пономарев, В.В. Новиков, А.В. Карнаухов, О.А. Пономарев, // Биофизика, 2008,т.53, вып.2, С.197.

3. О.А. Федулова, О.А. Пономарев, А.И. Копылов. Труды международной конференции «Актуальные проблемы электромагнитной обработки материалов» МЭИ. 2012, С. 45-56.

4. С.И. Кубарев, А.П. Кирьянов, О.А. Пономарев, И.П. Шапкарин, Спин-селективные процессы в наноструктурах и методы определения их параметров. М.: ИИЦ МГУДТ, 2009.-158с.

5. О.А.Пономарев, Е.Е.Фесенко. //Биофизика. 2000.Т.45, №3. С. 389-398.

6. В.О. Пономарев, В.В. Новиков, А.В. Карнаухов, О.А. Пономарев, // Биофизика, 2008,т.53, вып.2, С.197.

7. В.О. Пономарев, В.В. Новиков// Биофизика, 2009,т.54, вып.2, С. 235.

On the question of the effect of magnetic fields on

substances Shapkarin I.P., Shpachkova A.V.

RSU them. A.N. Kosygina

The wide distribution of electromagnetic effects in nature is analyzed and the targets on which ultra-weak combined magnetic fields have an impact are systematized. The magnetic field in the medium acts on the magnetic moments of ions and on the electronic and nuclear backs. Having a

low intensity, it does not have a significant impact on the objects that are in thermal equilibrium with the medium. Therefore, the target of an external field is a magnetic moment with a thermalization time greater than the period of the external field. The main possible application of the work is the theoretical substantiation of the influence on radical pairs of amplitude-frequency modulation of magnetic effects, and the parameters necessary for the effect are strictly determined by the radical pair. The nonmonotonic dependence of the probability of recombination of a radical pair on the magnitude of a constant magnetic field and the amplitude and frequency of the collinear alternating field for the case of spin evolution of a radical pair by ENU-g mechanism is noted.

Key words: magnetic field, the probability of recombination of the radical pair, orbital moments, nuclear spins.

References

1. O.A. Ponomarev, S.I. Kubarev, I.S. Kubareva, et al. //Chemical physics, 2004, vol. 23, No. 6, P. 9-16.

2. V.O. Ponomarev, V.V. Novikov and A.V. Karnaukhov, O.A.

Ponomarev, // Biophysics, 2008, vol. 53, issue.2, P.197.

3. O.A. Fedulova, O.A. Ponomarev, A.I. Kopylov. Proceedings of the

international conference "Actual problems of electromagnetic processing of materials" MEI. 2012, P. 45-56.

4. S.I. Kubarev, A.P. Kir'yanov, O.A. Ponomarev, I.P. Shapkarin.

Spin-selective processes in nanostructures and methods of determining their parameters. M.: IIC MSUDT, 2009.

5. O.A. Ponomarev, E.E. Fesenko. //Biophysics. 2000.Volume

45, number 3, P. 389-398.

6. V.O. Ponomarev, V.V. Novikov, A.V. Karnaukhov, O.A. Ponomarev // Biophysics, 2008,vol. 53, issue.2, P. 197.

7. V.O. Ponomarev, V.V. Novikov/ / Biophysics, 2009, vol. 54,

vol.2, P. 235.