Молекулярная акустика - раздел физической акустики, в котором структура и
свойства вещества и кинетика молекулярных процессов исследуются акустическими
методами. Основные методы молекулярной акустики - измерения скорости звука и коэф.
поглощения звука в зависимости от разл. физ. параметров: частоты звуковой
волны, температуры, давления, магн. поля и др. величин. Исследования, проводимые
такими методами, иногда объединяют в особый раздел эксперим. акустики - ультразвуковую
или акустическую спектроскопию. Методами молекулярной акустике можно исследовать газы,
жидкости, полимеры, твёрдые тела, плазму. На ранней стадии развития этой области
и в некоторых случаях до сих пор термин "молекулярная акустика" применяют лишь к исследованиям
молекулярной структуры газов и жидкостей.
Mолекулярная акустика как самостоят. раздел акустики возникла
в 30-х гг. 20 в., когда было выяснено, что процессы коле-бат. релаксации (см.
Релаксация акустическая)в газах вносят существенный вклад в поглощение
звука и приводят к появлению дисперсии звука. В дальнейшем было выяснено,
что эти процессы играют важную роль при распространении звука не только в газах,
но и в жидкостях и в др. веществах. Изучение релаксац. процессов в звуковой
волне позволило связать нек-рые свойства вещества на молекулярном уровне, а
также кинетич. характеристики молекулярных процессов с такими макроскопич. величинами,
как скорость и коэф. поглощения звука.
Скорость звука с определяется структурой
среды и взаимодействием между молекулами, поэтому измерения её величины дают
сведения о равновесной структуре жидкостей и газов. По скорости звука можно
определить адиабатич. сжимаемость вещества, отношение темплоёмкостей, модули
упругости твёрдого тела и др. Данные измерения скорости звука позволяют судить
о составе газовых и жидких смесей, в т. ч. и растворов. Данные по поглощению
звука позволяют определять коэф. сдвиговой и объёмной вязкости, времена релаксации
и др. параметры.
В газах по зависимости скорости звука от температуры
определяют параметры, характеризующие взаимодействие молекул при столкновениях.
В жидкостях, вычисляя скорость звука на основании той или иной модели жидкости
и сравнивая результаты расчёта с экспериментом, в ряде случаев можно оценить
правдоподобность используемой модели и определить энергию взаимодействия между
молекулами.
При наличии релаксац. процессов энергия поступат.
движения молекул в звуковой волне перераспределяется на внутр. степени свободы,
при этом появляется дисперсия скорости звука, а зависимость коэф. поглощения
от частоты отклоняется от классич. квадратичного закона: коэф. поглощения звука
на длину волны имеет максимум на нек-рой частоте wp
= 1/т, наз.
частотой релаксации. Величина дисперсии скорости
звука и значение коэф. поглощения на частоте wp зависят от того,
какие именно степени свободы возбуждаются под действием звука, а время релаксации
т связано со скоростью обмена энергией между разл. степенями свободы. Измеряя
скорость и поглощение звука в зависимости от частоты, можно судить о характере
молекулярных процессов и о том, какой из этих процессов вносит осн. вклад в
релаксацию. Методы M. а. позволяют исследовать возбуждение колебат. и вращат.
степеней свободы в газах и жидкостях, характер столкновений молекул в смесях
разл. газов, процесс установления равновесия при хим. реакциях, структурную
релаксацию в жидкостях, процессы сдвиговой релаксации в очень вязких жидкостях
и полимерах, разл. процессы взаимодействия звука с электронами проводимости,
магнонами, фононами и др. элементарными возбуждениями в твёрдых телах (см. Спин-фононное
взаимодействие, Акустоэлектронное взаимодействие). Методы M. а. могут использоваться
также для исследования кинетики молекулярных процессов в растворах и смесях,
в критич. области при фазовых переходах, в расслаивающихся полимерных системах.
Эти методы позволяют исследовать свойства стёкол в твёрдом и жидком состоянии,
включая область стеклования. В жидкости с пузырьками газа по характеру зависимостей
скорости и поглощения от частоты можно определить размеры пузырьков и концентрацию
газовой фазы, в биополимерах - характер межмолекулярных взаимодействий и перестройку
молекул биополимеров в растворе.
Область релаксации для жидкостей лежит, как правило,
в диапазоне более высоких частот, чем для газов. В очень вязких жидкостях, полимерах
и нек-рых др. веществах в поглощение и дисперсию может давать вклад целый набор
релаксац. процессов с широким спектром времён релаксации. Изучение влияния температуры
и давления на частотные зависимости скорости и поглощения звука позволяет разделить
вклад разл. релаксац. процессов.
В молекулярной акустике для исследований обычно применяется УЗ-
и гиперзвуковые волны: в газах - в диапазоне частот 104-105
Гц, а в жидкостях и твёрдых телах - в диапазоне 105 -1010
Гц. Использование оптич. методов, а именно: измерение смещения и ширины компонент
Мандельштама - Бриллюэна рассеяния и определение по ним скорости и коэф.
поглощения звука, позволило расширить диапазон применяемых частот вплоть до
десятков ГГц.
Методы молекулярной акустики могут использоваться также для исследования веществ, в к-рых взаимодействие звука с элементарными возбуждениями не ограничивается простейшими релаксац. процессами. Напр., исследование поглощения звука в металлах и полупроводниках при разл. темп-pax, магн. полях и др. воздействующих факторах позволяет получить информацию о поведении электронов, о структуре ферма-поверхностей и об особенностях электрон-фононного взаимодействия. Измерение затухания звука в диэлектриках, напр. в кварце, в зависимости от температуры и при разных условиях предварит. обработки позволяет судить о наличии тех или иных примесей или дефектов.
A. Л. Полякова
|
![]() |