РАЗДЕЛ 2
НИЗКОИНТЕНСИВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ КАК ФАКТОР, УПРАВЛЯЮЩИЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ ВОДЫ ПОСРЕДСТВОМ ВЛИЯНИЯ НА РАЗМЕРЫ ВОЗДУШНЫХ ПУЗЫРЬКОВ.
(ОБОСНОВАНИЕ ВЕДУЩЕЙ ИДЕИ ИССЛЕДОВАНИЯ)
2.1. Электродинамические характеристики диэлектрических жидких сред
Выше были приведены экспериментальные данные, согласно которым ЭМ волны низких
(«нетепловых») интенсивностей, воздействуя на обычные жидкости (вода, спирты,
водные растворы и т.п.), изменяют их некоторые параметры на достаточно
продолжительное время, а воздействуя на биологические объекты, обеспечивают
заметные ответные реакции. Поскольку в состав живых объектов входит вода
(составляя большую их часть), представляется необходимым сначала
проанализировать процессы, которые происходят при ЭМ облучении воды, чтобы
затем полученные результаты использовать для рассмотрения процессов в более
сложных системах, включая биологические среды.
Для целостности изложения дальнейшего материала представляется целесообразным
привести ниже ряд общеизвестных положений.
Макроскопическая электродинамика сплошных сред описывается уравнениями
Максвелла
rot E = - ¶B / ¶t ; rot H = ¶D / ¶t + j ; (2.1)
div D = r ; div B = 0.
Здесь Е – вектор напряженности электрического поля; Н – вектор напряженности
магнитного поля; D – вектор электрической индукции; В - вектор магнитной
индукции; r - свободный заряд единицы объема среды; j – плотность тока.
В классической линейной макроскопической электродинамике принимается, что между
величинами E, H, D, B и j существуют линейные соотношения
D = e0 e E ; B = m0 m H; j = l E , (2.2)
где e и m - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды,
соответственно; l - ее электропроводность; e0 - электрическая постоянная;
m0 ? магнитная постоянная. Проницаемости e , m , и электропроводность l
являются комплексными величинами
e = eў - i eўў ; m = mў - i mўў ; l = lў - i lўў. (2.3)
Электродинамика прохождения лучистой энергии через среды (дисперсия и
поглощение ЭМ волн) строго описывается квантовой теорией. Результаты
квантово-механического рассмотрения показывают, что в отношении дисперсии и
поглощения энергии волн атомы и молекулы ведут себя так, как если бы среда
представляла собой набор осцилляторов (с различными собственными частотами и
коэффициентами затухания), подчиняющимся классическим уравнениям Ньютона. Это
обусловлено тем обстоятельством, что взаимодействие между атомом и ЭМ волной
можно учесть в хорошем согласии с опытом, если рассматривать атом как
совокупность гармонических осцилляторов. Такой подход дает модель
диспергирующей среды, которая приводит к правильным окончательным результатам,
если к ней применить законы классической механики.
Естественно, что прохождение излучения через образец, ведя к возникновению
колебаний электронов среды под действием ЭМ поля волны, сопровождается потерей
энергии последней, затрачиваемой на возбуждение указанных колебаний. Частично
эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, посылаемых
электронами, частично же она превращается в тепло. Если ЭМ поле имеет частоту
w, то в единице объема облучаемого образца ежесекундно выделяется тепловая
энергия [239]:
qv = w [ e0 eўў (Е2)ср + m0 mўў (Н2)ср]. (2.4)
Здесь Е и Н – напряженности электрической и магнитной компонент поля волны в
среде, а индекс «ср» означает усреднение по времени.
В случае, если среда является диэлектриком (например, вода), можно положить mўў
= 0. Тогда
qv = w e0 eўў (Е2)ср = w eўў (с n )-1 I . (2.5)
Здесь с – скорость света в вакууме; n – показатель преломления диэлектрика
(воды); I – интенсивность поля волны в среде. Один из механизмов превращения
энергии ЭМ поля волны в тепло (предложенный Лоренцом для газовой фазы [240])
состоит в том, что атомы, внутри которых происходят колебания электронов
(стимулированные полем волны), в ходе теплового движения претерпевают
столкновения друг с другом. При каждом столкновении резко и произвольно
меняются амплитуды и фазы гармонических колебаний электронов; происходит
переход в тепло энергии регулярных колебаний, т. е. поглощение ЭМ энергии
средой. В случае конденсированных сред (жидкости и твердые тела) передача
энергии от возбужденного атома или молекулы тем более облегчена в силу тесного
расположения частиц среды и сильного их взаимодействия.
Рассмотрим поток электромагнитной энергии Ф, падающий на площадку ds
элементарного объема жидкости dv = dsЧdL; излучение проходит слой толщиной dL.
Очевидно, что количество энергии dФa , поглощенное этим слоем, будет
пропорционально мощности Ф и длине пути dL :
dФa = - a Ф dL . (2.6)
Коэффициент a принято называть показателем поглощения; «минус» указывает на
факт поглощения. Запишем полученное выражение в чаще употребляемой символике,
перейдя от потока энергии Ф к его плотности (интенсивности I). Для этого
разделим обе части уравнения (2.6) на площадь ds. Имеем
dIa = - a I dL . (2.7)
Поскольку dIa / dL = qv , то согласно (2.5),
a = w eўў (с n )-1 . (2.8)
Существуют и другие причины (помимо поглощения), уменьшающие интенсивность
прошедшего через образец (толщиной L) излучения. В силу статистической природы
теплового движения молекул жидкости, в ней возникают флуктуации плотности Dr.
Эти флуктуации, в свою очередь, ведут к флуктуациям диэлектрической
проницаемости e; они представляют собой оптическую неоднородность среды,
обеспечивающую молекулярное рассеяние света. Эйнштейн [240] рассмотрел
рассеяние света (длина волны l) в чистой жидкости (размер молекул а), вызванное
флуктуациями плотности и темпера
- Київ+380960830922