Электромагнитные поля в биосфере - Красногорская Н.В.
Скачать (прямая ссылка):
Исключение составляли только идеи об ориентирующем действии внешнего
магнитного поля на очень большие диамагнитные молекулы или на
микрокристаллы, содержащие 106-109 атомов. Для таких круп-ннх частиц из-
за анизотропии магнитной восприимчивости выигрыш энергии при их
расположении вдоль магнитных силовых линий может быть соизмеримым с
тепловой энергией в МП 0,1-1 Тл. Эти соображения теоретического характера
и невоспроизводимость большинства результатов по наблюдению влияния № на
химические реакции в ранних работах привели к тому, что к 60-м годам
большинство исследователей считало, что небольшое МП -до I Тл ие может
оказывать заметного влияния на ход реакций при комнатных температурах,
Д/.
Ситуация с тех пор коренным образом изменилась. В настоящее время имеются
убедительные экспериментальные факты о влиянии магнитных полей на
кинетику многих процессов, идущих на молекулярном уровне, в том числе на
скорость химических реакций, причем полей слабых в смысле 208
возможности их конкуренции с тепловым движением, т.е. действующих в
условиях, когда МН " кТ.
Основные экспериментальные и теоретические исследования в нашей стране, в
которых были открыты и обоснованы принципы влияния МП на ход
неравновесных процессов, проведены в Институте химической физики АН СССР,
где были обнаружены и изучены магнитные аффекты в органических твердых
телах /2, 3/ и в Институте химичеокой кинетики и горения СО АН СССР, где
впервые установлено влияние внешнего магнитного поля на скорость
радикальных химических реакций в жидких растворах /4, §7.
Рассмотрим, как современной теории удалось обойти, казалось бы,
убедительные аргументы о невозможности влияния слабых МП на ход процессов
с участием парамагнитных частиц.
Закон сохранения спина в реакциях. Тепловое движение молекул приводит к
тому, что магнитные моменты парамагнитных частиц с одинаковой
вероятностью ориентированы в любом направлении. В МП энергии магнитных
моментов, направленных вдоль поля и против него, различаются на величину,
меньшую кТ, и поэтому появляется лишь небольшая доля частиц,
ориентированных вдоль поля.
Ориентация чаотицы или ее магнитного момента по отношению к направлению
внешнего МП сама по себе еще не влияет на свойства парамагнитных частиц.
Но от изменения ориентации магнитных моментов взаимодействующих частиц по
отношению друг к другу эти овойства, в частности реакционная способность,
зависят. Примером может служить процесс образования молекулы водорода Н2
из атомов Н, поясненный на рис. 31: Н + Н.-*¦ Н2.
Каждый из атомов Н является свободным радикалом - имеет один неспаренный
электрон, обладающий моментом количества движения (спином): ?-1/2 к (где
к - постоянная Планка), и связанным с ним магнитным моментом: М = • 5
, где <3- ~ гиромагнитное отношение.
При столкновении частиц, в соответствии с принципами механики, должен
сохраняться момент количества движения. Поскольку у конечного продукта
реакции - молекулы водорода - спин равен нулю, то реакционноспособными
являютоя только такие пары атомов Н, которые в момент столкновения имели
противоположно направленные спины (и, следовательно, магнитные моменты).
Состояние пары радикалов, спины которых имеют диаметрально
противоположные направления и, следовательно, в сумме дают ноль,
называется синглетным. Состояния, в которых спины не компенсируют друг
друга, образуют 3 триплетных оостояния (рис. 32).
Исходя из того, что столкновения случайны, приходим к выводу, что
вероятности образования пары оталкивапцихся радикалов в синглетном или
триплетном состоянии относятся как 1:3. Следовательно, в нашем примере
только 1/4 всех столкновений атомов Н приведет к образованию синг-летных
пар. Ясно, что изменение относительной ориентации магнитных моментов у
сталкивающихся атомов привело бы к "переключению" каналов реакции -
вместо образования молекулы Н2 произошло бы рассеяние атомов друг на
друга.
14. Зак. 1898 209
н н н н
Р и с. 31. Зависимость'потенциальной энергии (И) двух атомов от
расстояния () между ними
Образование стабильной молекулы Н2 при сближении атомов Н происходит
только из пар атомов, имеющих противоположно направленные спины, т.е. из
синглетных пар. Атомы с одинаково направленными спинами, образующие
триплетные пары, после столкновения онова расходятся
Рис. 32. Различные спиновые состояния пары радикалов
Магнитный момент каждого радикала Mj и М2 прецеосирует вокруг направления
внешнего магнитного поля Ы. Если окорости прецесоии магнитных моментов в
паре и W2 различны, то состояния if и Т пе-
риодически переходят друг в друга. Для перехода между состояниями пары
Т+, Т_ и Т0 необходим поворот одного из магнитных моментов пары вокруг
горизонтальной оси
В общем случае при столкновении двух парамагнитных частиц Rj и Е2
(которыми могут быть свободные радикалы или ионы-радикалы) образуются как
синглентные, так и триплетные продукты реакции. Но и при этом, если
вероятности образования продуктов реакции по синглетному и по трип-
