Биогенный магнетит и магниторецепция. Новое о биомагнетизме. Том 1 - Киршвинк Дж.
ISBN 5-03-001274-5
Скачать (прямая ссылка):
Идеальную остаточную намагниченность мы сравним с термоостаточной в разд. 5.4. До сих пор (поскольку идеальная остаточная намагниченность сопоставлялась с нормальной) постоянное магнитное поле средней напряженности (1-100 Э) всегда давало идеальную остаточную намагниченность, гораздо большую нормальной. Это связано с тем, что при формировании идеальной остаточной намагниченности постоянное поле «помогает» переменному. Значения #гс, соответствующие идеальной и нормальной остаточным намагниченностям, также различны. Так, если сравнивать нормированные кривые размагничивания в переменном поле состояний с идеальной и нормальной остаточными намагниченностями, полученными при постоянном поле одной и той же величины, то окажется, что состояние с идеальной остаточной намагниченностью в магнитном отношении значительно «тверже», т. е. имеет большую величину #гс, и для его размагничивания требуется переменное поле большей амплитуды. Это обстоятельство можно использовать с тем, чтобы по кривым размагничивания в переменном поле состояний с идеальной и нормальной остаточными намагниченностями выявлять в образце фракции с большими и малыми значениями #гс соответственно.
5.3. Химическая остаточная намагниченность
Чтобы пояснить происхождение химической остаточной намагниченности (Chemical Remanent Magnetization, CRM), обратимся к введенному выше понятию суперпарамагнетизма. Намагниченность однодоменной частицы магнетита достигает своего термодинамически равновесного значения в процессе релаксации, описываемом временем релаксации т, которое удовлетворяет соотношению
-=/0ехр(— АЕ/кТ),
X
где /„ -частотный фактор (~ 109Гц), АЕ энергетический барьер, разделяющий состояния с противоположными направлениями намагниченности Js, к -постоянная Больцмана, Г-температура. В отсутствие внешнего магнитного поля энергия АЕ в магнетите определяется главным образом анизотропией формы, т. е. фактором размагничивания N. Когда образец представляет собой правильный шар, основной вклад в энергию АЕ вносит уже магнитокристаллическая анизотропия. В любом случае АЕ пропорциональна объему образца «, и время релаксации т, таким образом, зависит от этого объема и от температуры Т.
На рис. 2.9 приведены экспоненциальные температурные зависимости времени релаксации т для двух значений объема v — v2 > и,. Точкой А отмечено состояние частицы магнетита, имеющей характерный размер d «4s (максимальный размер суперпарамагнитной частицы) и поэтому не обладающей остаточной намагниченностью. Если же вследствие какого-нибудь физико-химического процесса (например, окисления, гидролиза или дегидратации) объем частицы увеличится от vt до v2, то точка, отвечающая ее состоянию, перейдет из А в В, где, предположим, время релаксации значительно больше времени эксперимента (т »г)ксп) и новый размер частицы d»d%. Где-то между точками А и В будет достигнут так называемый объем блокировки иь (размер блокировки db), когда возникнет остаточная намагниченность, а в точке В, если т будет достаточно велико, эта остаточная намагниченность (называемая химической) уже станет стабильной во времени, а также по отношению к воздействию температуры и магнитного поля. Химическая остаточная намагниченность, возникающая в описанном процессе роста частиц, будет существенно больше нормальной. Экспериментально было показано (Kobayashi, 1959), что химическая остаточная намагниченность магнетита, образующегося в результате окисления гематита, также значительно устойчивее к размагничиванию в переменном магнитном поле, чем нормальная остаточная намагниченность. Химическая оста-
?г
Температура Т
А
Рис 2 9 Схематическое изображение температурных зависимостей времени релаксации магнитного момента частиц магнетита различных объемов (»2 > vi)-
точная намагниченность однодоменных частиц пропорциональна внешнему постоянному полю Я и обратно пропорциональна энергии анизотропии при температуре формирования этой остаточной намагниченности. Эти обстоятельства будут обсуждаться ниже, в разделе, посвященном термоостаточной намагниченности.
Из описания процесса возникновения химической остаточной намагниченности становится ясно, что остаточная намагниченность однодоменных частиц магнетита биологического происхождения является химической. Именно поэтому такие частицы представляют собой хороший объект для исследования указанного типа остаточной намагниченности.
После гибели бактерий, для которых характерен магнитотаксис, содержащиеся в них кристаллы магнетита выпадают в осадок, который тем самым приобретает некоторую седиментационную или постседи-ментационную остаточную намагниченность (DRM и PDRM). Подтвержденных случаев такого явления, однако, еще мало (см., например, Kirschvink, 1982).
5.4. Термоостаточная намагниченность
Опишем происхождение термоостаточной намагниченности (Thermoremanent Magnetization, TRM) с использованием понятия суперпарамагнетизма аналогично тому, как это было сделано выше для химической остаточной намагниченности. Показано, что химическая остаточная намагниченность возникает, когда время релаксации т становится больше времени эксперимента гэксп в результате того, что объем частицы превышает величину vb-объем блокировки (рис. 2.9). Тот же эффект, т. е. возникновение остаточной намагниченности, может быть достигнут при охлаждении образца ниже температуры блокировки Ть, что будет соответствовать, например, переходу из точки А в точку С вдоль линии постоянного объема. Термоостаточной и называется остаточная намагниченность, которая «замораживается» в образце, когда описанный процесс происходит в магнитном поле. Температура блокировки здесь может зависеть и от скорости охлаждения, и от напряженности поля, при этом увеличение скорости охлаждения приводит к росту температуры блокировки (York, 1978; Dodson, McClelland-Brown, 1980; Halgedahl et al.,
