Исследование зависимости ИК-спектра магнитной жидкости от индукции внешнего магнитного поля

В предыдущих наших работах[1–3] было показано, что ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле является дискретным и имеет колеба-тельно-вращательнную структуру, отличающуюся от похожей структуры молекулярных спектров тем, что расстояния между колебательными линиями сравнимы с расстояниями между вращательными линиями и имеют величину порядка нескольких электронвольт. В настоящей работе исследуется зависимость положений спектральных линий от индукции внешнего магнитного поля.

ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛОЖЕНИЙ

КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ И ВРАЩАТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ ИК-СПЕКТРА МАГНИТНОЙ

ЖИДКОСТИ ОТ ИНДУКЦИИ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В Приложении на рис. П1–П3 приведены ИК-спектры магнитной жидкости, полученные на ИК-спектрометре Perkin Elmer при трех значениях индукции внешнего магнитного поля: В 1 = = 300 мТл, В 2 = 700 мТл, В 3 = 800 мТл. Как было показано в работе [3], на этих спектрах имеются линии, похожие по их взаимному расположению на колебательные и вращательные линии молекулярных спектров. Максимумы колебательных линий регистрируются при резонансных волновых числах K n0 , где n — колебательные квантовые числа, а максимумы вращательных линий при резонансных волновых числах K nJ и K n-J , где индексами J и -J обозначены вращательные квантовые числа при ориентациях магнитного момента под углами соответственно больше и меньше π /2 к направлению В .

Из рисунков можно сделать следующие заключения.

• 1)    В первой колебательно-вращательной серии (n = 1) на всех трех рисунках резонансное колебательное волновое число K ₁₀ = 1300 см^–1 одинаково, т. е. при изменении индукции внешнего магнитного поля оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа ⁱK nJ (верхний левый индекс означает номер рисунка) меняются, принимая значения ¹ K 11 = 1600 см^–1, ¹ K 12 = 2200 см^–1, ¹ K 13 = 3420 см^–1 ( В = В 1 ); ² K 11 = 1880 см^–1, ² K 12 = 3350 см^–1 ( В = В 2 ); ³ K 11 = 2120 см^–1, ³ K 12 = 3700 см^–1 ( В = В 3 ).

• 2)    Во второй колебательно-вращательной серии (n = 2) на всех трех рисунках резонансное колебательное волновое число K 20 = 2370 см^–1 одинаково, т. е. при изменении магнитной индукции В оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа ⁱK 2J при увеличении индукции В меняются, принимая значения ¹ K ₂₁ = 2600 см^–1, ¹ K _2-1 = = 2100 см^–1, ¹ K 22 = 3100 см^–1, ¹ K 2-2 = 1600 см^–1, ¹ K 23 = 4600 см^–1 ( В = В 1 ); ² K 21 = 3020 см^–1, ² K 2-1 = 1730 см^–1, ² K 22 = 4320 см^–1 ( В = В 2 ); ³ K 21 = 3150 см^–1, ³ K 2-1 = 1580 см^–1, ³ K 22 = 4700 см^–1 ( В = В 3 ).

• 3)    В третьей колебательно-вращательной серии (n = 3) на всех трех рисунках резонансное колебательное волновое число K 30 = 3430 см^–1 одинаково, т. е. при увеличении магнитной индукции В оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа ⁱK 3J при увеличении магнитной индукции В меняются, принимая значения ¹ K ₃₁ = 3680 см^–1, ¹ K 3-1 = 3180 см^–1, ¹ K 32 = 4180 см^–1, ¹ K 3-2 = 2670 см^–1 ( В = В 1 ); ² K 31 = 4030 см^–1, ² K 3-1 = 2830 см^–1, ² K 3-2 = 1570 см^–1 ( В = В 2 ); ³ K 31 = 4200 см^–1, ³ K 3-1 = = 2640 см^–1 ( В = В 3 ).

• 4)    В четвертой колебательно-вращательной серии (n = 4) на всех трех рисунках резонансное колебательное квантовое число K 40 = 4420 см^–1 одинаково, т. е. при возрастании магнитной индукции В оно не меняется, а резонансные вращательные волновые числа ⁱK 4J при увеличении магнитной индукции В меняются, принимая значения ¹ K ₄₁ = = 4650 см^–1, ¹ K 4-1 = 4170 см^–1, ¹ K 42 = 5170 см^–1, ¹ K 4-2 = 3670 см^–1 ( В = В 1 ); ² K 41 = 5080 см^–1, ² K 4-1 = = 3750 см^–1, ² K 4-2 = 2470 см^–1 ( В = В 2 ); ³ K 4-1 = = 3630 см^–1, ³ K 4-2 = 2050 см^–1( В = В 3 ).

ОБЪЯСНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Можно отметить следующие полученные в предыдущем параграфе результаты.

• 1)    Представленные в Приложении на рис. П1– П3 ИК-спектры магнитной жидкости обусловлены действием на ферромагнитные наночастицы магнитного поля, т. к. они получены вычитанием спектров, снятых при действии и без действия на магнитную жидкость магнитного поля.

• 2)    Резонансные колебательные волновые числа K n0 от индукции приложенного магнитного поля не зависят.

• 3)    Резонансные вращательные волновые числа K nJ (J ˃ 0) при изменении индукции внешнего магнитного поля линейно меняются. Первый результат (появление колебательно-вращательного ИК-спектра магнитной жидкости только при действии на нее внешнего магнитного поля) можно объяснить тем, что ИК-спектр возникает при взаимодействии ИК-излучения с конгломератами наночастиц, возникающими в магнитной жидкости при действии на нее внешнего магнитного поля. Результат второй — независимость резонансных колебательных волновых чисел от индукции внешнего магнитного поля — можно объяснить тем, что колебания, возбуждаемые действием резонансного ИК-излучения, возникают в квазиупру-гом поле обменных сил, которые от индукции В приложенного магнитного поля практически не зависят, поэтому и резонансная частота вынужденных колебаний, определяющая резонансное колебательное волновое число, не зависит от В . Результат третий — линейную зависимость резонансных вращательных волновых чисел от индукции внешнего магнитного поля В — можно объяснить тем, что при резонансных вращательных волновых числах фотоны ИК-излучения вызывают освобождение магнитных моментов однодоменных ферромагнитных наночастиц от сил обменного взаимодействия и их переориентацию относительно направления внешнего магнитного поля. Энергия, затрачиваемая на преодоление об-

• менного взаимодействия, не зависит от В, а энергия, затрачиваемая на переориентацию магнитного момента, пропорциональна В, поэтому значения резонансных волновых чисел линейно связаны с индукцией В. Можно предположить, что преодоление сил обменного взаимодействия происходит за счет энергии колебательных уровней, которая превышает энергетическую температуру Кюри. Проверим это.

СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГИЙ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ УРОВНЕЙ С ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

ТЕМПЕРАТУРОЙ КЮРИ

Энергия первого колебательного уровня Е 1 = = h ·с· K 10 = 6.6·10^–34·3·10⁸·1.3·10⁵ = 25.7·10^–21 Дж = = 0.16 эВ.

Энергия второго колебательного уровня Е ₂ = = h ·с·¹ K 20 = 6.6·10^–34·3·10⁸·2.37·10⁵ = 46.7·10^–21 Дж = = 0.29 эВ.

Энергия третьего колебательного уровня Е 3 = = h ·с·¹ K 30 = 6.6·10^–34·3·10⁸·3.43·10⁵ = 68·10^–21 Дж = = 0.42 эВ.

Температура Кюри магнетита Т к = 858 К. При этом энергетическая температура Кюри (энергия тепловых колебаний при температуре Кюри) Е об = kТ к = 1.38·10^–23·858 = 11.8·10^–21 Дж = = 0.074 эВ ( k — постоянная Больцмана). Сравнение показывает, что энергии всех колебательных уровней превышают тепловую энергию при температуре Кюри магнетита. Следовательно, вызванные ИК-излучением колебания магнитных моментов однодоменных наночастиц могут преодолеть силы обменного взаимодействия, вызывающие образование конгломератов, препятствующих переориентации магнитных моментов отдельных наночастиц в магнитном поле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные в настоящей работе ИК-спектры магнитной жидкости получены вычитанием спектров, измеренных без действия на магнитную жидкость внешнего магнитного поля, из спектров, измеренных при действии на магнитную жидкость магнитного поля. Следовательно, положительные пики, наблюдаемые на рисунках в Приложении, возникают в результате поглощения энергии ИК-излучения при действии на магнитную жидкость магнитного поля. При резонансных колебательных волновых числах энергия фотонов затрачивается на возникновение колебаний наночастиц в поле сил межчастичного взаимодействия, а при резонансных вращательных волновых числах на переориентацию магнитных моментов наночастиц во внешнем магнитном поле. Поглощение магне- тиками электромагнитного излучения ИК-лазера наблюдалось экспериментально [4], однако оно не связывалось с действием внешнего магнитного поля. Зависимость положений вращательных ли- ний от индукции внешнего магнитного поля, по-видимому, можно использовать для определения магнитных моментов наночастиц.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. П1. ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле с индукцией В 1 = 300 мТл

Рис. П2. ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле с индукцией В 2 = 700 мТл

Рис. П3. ИК-спектр магнитной жидкости в магнитном поле с индукцией В 3 = 800 мТл