Исследование инфракрасного спектра поглощения магнитной жидкости в магнитном поле (краткое сообщение)

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 cosα, где α — 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 наночастиц cо стороны магнитного поля не действует вращающий механический момент: состояние 1 с энергией Зеемана W1 = –PB, когда α = 0, и состояние 2 с энергией Зеемана W2 = РВ, когда α = 180°. При пропускании через магнитную жидкость, находящуюся в магнитном поле, ИК-излучения с резонансной частотой Fрез, при которой фотоны имеют энергию hFрез = W2 – W1 (h —постоянная Планка), будут происходить вынужденные переходы магнитных моментов наночастиц 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 Fрез. Это можно заметить по появлению при наложении на магнитную жидкость магнитного поля с индукцией В линии поглощения ИК-излучения с длиной волны λрез = с / Fрез = с h / (2РВ) и волновым числом Kрез = = 1 / λрез = 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 В 0 = 0.075 Тл (кривая 2) и с индукцией В 0 = = 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 (CaF 2 ) с толщиной слоя магнитной жидкости 0.11 мм.

ИК-спектр поглощения магнитной жидкости во внешнем магнитном поле с индукцией В 0 .

Кривая 1 — при В 0 = 0 Тл, кривая 2 — при

В 0 = 0.075 Тл, кривая 3 — при В 0 = 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 K. 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 K можно объяснить проявлением закона Рэлея. Для того чтобы на рисунке обнаружить линии резонансного поглощения инфракрасного излучения, оценим, при каких значениях волнового числа Kрез 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 Kрез = 2РВ0 / (hс), где h — постоянная Планка, с — скорость света, получаем для В0 = 0.075 Тл (см. рисунок, кривая 2) Kрез = 1515 см–1 и для В0 = = 0.085 Тл (см. рисунок, кривая 3) Kрез = 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 K ≈ 1550 (кривая 2) и K ≈ 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 K ≈ 2050 (кривая 2) и K ≈ 2250 (кривая 3) (эти максимумы также указаны стрелками). Появление при одной индукции внешнего магнитного поля В0 двух резонансных линий можно объяснить тем, что часть наночастиц 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 связанных в конгломераты с другими наночастицами.

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 В 0 , дают возможность исследовать функцию распределения магнитных моментов наночастиц, а положение и форма второй линии позволяют исследовать функцию распределения локальных магнитных полей в конгломератах наночастиц.