Эффект дальнодействия при облучении светом в системе «кремний- водный раствор NaCl»

Следующая серия опытов посвящена исследованию ЭД в системе «кремний- водный раствор NaCl». Схема опыта показана на рис. 3. Постановка эксперимента была такой: пластина Si (в дальнейшем обозначаемая термином «образец-источник») размером 5х5 мм², расположенная на кювете с водным раствором NaCl, вблизи ее левого края, подвергалась облучению светом в «стандартном» режиме : t_обл =100 с, r=7 см, а детекторами дистанционного влияния облучения в системе служили две другие пластины Si, одна из которых была расположена под кюветой напротив облученного образца (нижний датчик), а другая – на верхней крышке кюветы в поджатом к ней состоянии, причем в разных опытах этой серии расстояние R между облучаемым кристаллом и верхним кристаллом-детектором варьировалось. Размеры кристаллов-детекторов составляли 2х2 мм². На верхнем детекторе после облучения микротвердость измерялась на прилегающей к кювете (полированной) стороне, на нижнем – с обеих сторон.

Оказалось, что на верхнем образце-детекторе в результате облучения образца-источника при концентрации NaCl 1% (физиологический раствор) произошло изменение микротвердости на 9%, а на нижнем изменение в пределах погрешности отсутствовало (в дальнейшем, где это специально не оговорено использовался физиологический раствор). Чтобы выяснить роль раствора NaCl, провели контрольный опыт: поместили два образца Si на снятую с кюветы крышку, один из них облучили, а второй (детектор) во время облучения был в тени. Оказалось, что в этом случае на образце-детекторе микротвердость не изменилась. Более того, такой же нулевой результат был и в том случае, когда в кювету вместо раствора NaCl была залита дистиллированная вода. Следовательно, именно раствор NaCl , а не дистиллированная вода или воздух, служит той средой, которая обеспечивает перенос волнового сигнала, генерируемого образцом-источником при его облучении светом.

В табл. 1 приведены величины ΔН/Н на кристалле-детекторе от расстояния R, отсчитываемого от середины образца-источника.

Табл. 1. Значения величины ΔН/Н в зависимости от расстояния R.

Видно, что в пределах погрешности ΔН/Н не зависит от R, т.е. затухания сигнала при его распространении в водном растворе в латеральном направлении в пределах изменения R до 5 см не происходит. По-видимому, длина затухания L, действующего на кристалл-детектор сигнала в латеральном направлении существенно превышает диаметр кюветы. Примечательно, что на нижнем кристалле-детекторе, расстояние которого от облучаемого равно 0,5 см, т.е. на порядок меньше максимального значения R для верхнего детектора, сигнал при данной интенсивности света не зарегистрирован, т.е. ΔН/Н≈0. После того, как мы увеличили интенсивность света в ~2 раза (путем снижения расстояния от лампы до кюветы с 7 до 5 см), на нижней стороне нижнего образца изменение Н появилось (на 9%).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что в латеральном направлении сигнал, идущий от облучаемого образца, распространяется гораздо дальше (с меньшим затуханием) по сравнению с распространением вдоль нормали.

Чтобы выяснить природу волн – электромагнитная (КВЧ) или гиперзвуковая (ГВ), распространяющихся от образца-источника в водном растворе и вызывающих изменения Н на детекторе, мы провели облучение в условиях наличия малого (~1 мм) зазора между образцом-источником и крышкой кюветы. Для КВЧ такой зазор не является препятствием , а ГВ не могут проникать через воздушный зазор, так как в воздухе длина волны ГВ была бы λ=ν/f≈ 3∙10⁴/10¹¹=3∙10^-7 см, т.е. меньше среднего расстояния между молекулами воздуха, что лишено физического смысла. ( Здесь ν – скорость звука, f – типичная частота ГВ). Следовательно, кристалл-детектор воспринимает именно гиперзвуковые волны, генерируемые в облучаемом образце, и передаваемые в нашей системе по водной среде.

На рис. 7 приведена кривая релаксации величины ΔН/Н для кристалла-детектора после воздействия светом на кристалл-источник (t_обл.=100 с, r= 7 см, R=4 см). Там же для сравнения приведена кривая релаксации для случая облучения одиночного образца Si при тех же условиях. Видно, что кинетика релаксации весьма сходна. Это служит дополнительным свидетельством единства механизмов изменения микротвердости при непосредственном воздействии света и при воздействии волн, излучаемых кристаллом-источником при облучении его светом.

Рис. 7. Синяя - кривая релаксации величины ΔН/Н для кристалла-детектора после воздействия светом на кристалл-источник, красная - кривая релаксации для случая облучения одиночного образца Si.

На основе проведенных экспериментов можно предположить следующую модель. Как было сказано в разделе 1, вода состоит из кластеров молекул Н₂О. Сами молекулы Н₂О и их кластеры нейтральны, но в растворах NaCl ионы Na окружены молекулами Н₂О , рис. 8 [31].

Рис. 8. Конфигурация натриевого кластера в окружении 8 молекул воды.[31]

Таким образом, образуются диполи, которые при прохождении ГВ колеблются в такт с колебаниями в акустической волне. Если диполи имеют преимущественную ориентацию, то колебания одного диполя передаются соседним, т. е. возникает эстафетная передача энергии волнового поля. Это способствует увеличению длины затухания волны.

Чтобы этот процесс имел место, диполи должны иметь близкие ориентации. В ряде работ показано [5], что такое ориентирование (структуризация) действительно имеет место в тонких слоях водной среды, прилегающих к некоторым твердотельным материалам, в частности фторопласту. В результате в слое нашей кюветы, прилегающем к верхней крышке, возникает своеобразный волновод для ГВ. Это и обуславливает преимущественно латеральное распространение ГВ.

Как уже было сказано выше, при использовании дистиллированной воды вместо физиологического раствора, дальнодействующего распространения сигнала от кристалла-источника не наблюдалось. Это можно объяснить отсутствием кластеров в дистиллированной воде.

Чтобы выяснить влияние концентрации (С) соли в растворе, эксперимент по латеральному распространению сигнала был выполнен при разных значениях концентрации (С=0; 0,1; … 10%).

На рис. 9 приведена зависимость ΔН/Н для кристалла – детектора (R=4 см) от концентрации «С» при «стандартных» условиях засветки кристалла – излучателя ГВ (t_обл =100 с, r=7 см). Видно, что зависимость немонотонна: до величин С=0,3% имеет место увеличение ΔН/Н , в области от 0,3 до 5 % зависимость ΔН/Н (С) слабая, а при С>5% наблюдается резкое снижение ΔН/Н до 0.

Рис. 9. Зависимость ΔН/Н от концентрации NaCl.

Результаты данного опыта говорит о том, что, хотя наличие соли есть необходимое условие для ЭД в водной среде, при слишком больших концентрациях соли возрастает затухание сигнала. Изучение механизма затухания выходило за пределы нашей работы. По-видимому, при больших концетрациях диполей расстояние между ними таково, что им энергетически не выгодно выстраиваться параллельно друг другу из-за кулоновского отталкивания, в результате исчезает эстафетная передача энергии. Интересно наличие резкого концентрационного порога ЭД, что наводит на мысль о фазовом переходе 1-го рода в приповерхностном слое раствора (вероятно, это переход из параллельного в антипараллельное упорядочение).

Интересно, что область концентраций, в которой наблюдается дальнее распространение волн, включает в себя концентрацию соли NaCl в физиологическом растворе (~1%), соответствующую концентрации соли в живых организмах. Согласно литературе, квч играют важную роль в жизненных функциях животных, растений и человека (они обеспечивают энергоинформационный обмен между клетками) [5]. В этом случае становится понятным, почему эволюция привела к оптимизации концентрации солей в жидких средах живых существ, когда сигналы КВЧ могут распространяться на достаточно большие расстояния, и такой обмен энергий и информацией между клетками становится возможным.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: