Лаборатория Диэлектрической Спектроскопии
Руководитель - профессор А.А.Белов, комн.2-68
В группе ведутся работы по исследованию и применению уникальных свойств радиофизических систем с переменными реактивными элементами. Центр тяжести этих работ лежит в области создания сверхчувствительных экспериментальных установок и проведении с их помощью оригинальных измерений. В частности, на основе проведенного теоретического и экспериментального поиска были впервые в мире предложены и опробованы на опыте новые типы газовых радиоспектрометров широкого применения. Не менее важным направлением является также создание установок с рекордными параметрами для исследования жидких диэлектриков, в частности, воды. Электрические и магнитные свойства орто- и пара-воды.
Нет на свете вещества, более известного и распространенного, чем вода. Казалось бы, это очень простое вещество. Но вода обладает совершенно уникальными свойствами, которые во многом способствовали образованию жизни именно в воде. "Жизнь есть одушевленная вода", - говорил французский биолог Рауль Дюбуа. И неудивительно, что изучение воды было и остается важной задачей науки. Одно из новейших направлений в изучении свойств воды связано с исследованием орто- и пара-воды. Орто- и пара-вода - это две составляющие обычной природной воды, различающиеся тем, что у молекул орто-воды спины ядер водорода параллельны, а у молекул пара-воды - антипараллельны. В результате общий спин ядер водорода у молекулы орто-воды равен единице, а у молекулы пара-воды - нулю. Хотя при нормальной температуре разность энергий орто- и пара-состояний много меньше энергии теплового движения, вероятность превращения орто-молекул в пара-молекулы и обратно ничтожно мала, так как такой переход запрещен законами квантовой механики. Поэтому орто- и пара-составляющие воды сосуществуют как две различные жидкости. Тип образующейся молекулы определяется законами квантовой статистики. Вследствие этого соотношение концентраций орто- и пара-разновидностей в природной воде является устойчивым. Это подтверждается исследованиями вращательных спектров водяного пара, находящегося в равновесии с жидкостью.
О существовании орто- и пара-модификаций воды стало известно в конце 20-х годов. Тогда же возникла проблема практического получения в чистом виде орто- и пара-модификаций различных веществ. Первым веществом, которое удалось разделить, был водород. Оказалось, что при низкой температуре (около 20 К) газообразный водород на поверхности древесного угля почти полностью переходит в пара-состояние, причем свойства пара-водорода заметно отличаются от свойств обычного водорода. Однако технология, примененная для разделения водорода, оказалась неприменимой для воды, так как уже при нуле градусов по Цельсию вода замерзает. Практически решить проблему разделения орто- и пара-модификаций воды удалось лишь несколько лет назад нашим коллегам из Института общей физики РАН. К настоящему времени установлены следующие различия в свойствах орто- и пара-молекул: а) различие их вращательных спектров, б) различие в способности абсорбироваться на поверхности твердого тела из газовой фазы, в) различие во влиянии магнитного поля на абсорбцию орто- и пара-молекул. Все эти различия обнаружены у молекул в газообразном состоянии, когда их взаимодействие пренебрежимо мало. Естественно предположить, что различие свойств изолированных молекул должно приводить и к различию свойств орто- и пара-воды в жидкой фазе.
На кафедре в содружестве с коллегами из ИОФ РАН ведутся работы по исследованию свойств орто- и пара-воды радиофизическими методами. Уже установлено, что диэлектрическая проницаемость этих разновидностей воды одинакова с точностью до тысячных долей процента. В настоящее время изучается влияние магнитных полей на свойства орто- и пара-воды. Эти исследования представляют особый интерес в связи с тем, что слабые переменные магнитные поля оказывают влияние на биологические объекты. Сложилось целое научное направление - биомагнетизм. Следует учитывать, что в процессе длительной эволюции все живые организмы приспособились к физическим свойствам обычной воды и любое изменение свойств воды может чутко восприниматься живыми организмами и существенно влиять на их жизнедеятельность. Исследование свойств орто- и пара-воды может дать интересную и важную информацию для выяснения механизмов и последствий этого влияния на состояние людей, животных, растений.