МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ АКУ́СТИКА

МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ АКУ́СТИКА, раз­дел физи­че­ской аку­сти­ки­, в ко­то­ром атом­но-мо­ле­ку­ляр­ное строе­ние и фи­зич. свой­ства ве­ще­ст­ва ис­сле­ду­ют­ся на ос­но­ве дан­ных о ско­ро­сти и по­гло­ще­нии аку­стич. волн (зву­ка). Ско­рость зву­ка не­по­сред­ст­вен­но свя­за­на с рав­но­вес­ной струк­ту­рой ве­ще­ст­ва и взаи­мо­дей­ст­ви­ем мо­ле­кул. Ко­эф. по­гло­ще­ния зву­ка оп­ре­де­ля­ет­ся ре­лак­са­ци­он­ны­ми про­цес­са­ми в ве­ще­ст­ве (см. Ре­лак­са­ция аку­сти­че­ская), т. е. ки­не­ти­кой меж- и внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ных про­цес­сов. Экс­пе­рим. ос­но­вой М. а. яв­ля­ют­ся ме­то­ды аку­сти­че­ской спек­тро­ско­пии. М. а. мож­но счи­тать так­же од­ним из под­раз­де­лов мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки.

Пер­вые ис­сле­до­ва­ния по М. а. про­веде­ны в 1910 в ла­бо­ра­то­рии П. Н. Ле­бе­де­ва – бы­ло по­ка­за­но, что по­гло­ще­ние зву­ка в воз­ду­хе су­ще­ст­вен­но пре­вы­ша­ет зна­че­ние, пред­ска­зан­ное клас­сич. гид­ро­ди­на­ми­кой (см. На­вье – Сто­кса урав­не­ния). В 1920–30-х гг. об­на­ру­же­на дис­пер­сия зву­ка в жид­ко­стях и га­зах и от­кло­не­ние ко­эф. по­гло­ще­ния зву­ка от клас­сич. за­ко­на про­пор­цио­наль­но­сти квад­ра­ту час­то­ты. Эти яв­ле­ния бы­ли объ­яс­не­ны влия­ни­ем мо­ле­ку­ляр­ных ре­лак­са­ци­он­ных про­цес­сов, что по­зво­ли­ло свя­зать мо­ле­ку­ляр­ные свой­ст­ва ве­ще­ст­ва с его аку­стич. па­ра­мет­ра­ми. В ра­бо­тах Л. И. Ман­дель­шта­ма и М. А. Ле­он­то­ви­ча (1937) раз­ра­бо­та­на тео­рия ре­лак­са­ци­он­ных про­цес­сов в зву­ко­вой вол­не, со­став­ляю­щая тео­ре­тич. ос­но­ву мо­ле­ку­ляр­ной аку­сти­ки.

Внутр. строе­ние ве­ще­ст­ва мож­но оха­рак­те­ри­зо­вать не­ко­то­рым па­ра­мет­ром $ξ$ (он мо­жет оз­на­чать, напр., кон­цен­тра­цию воз­бу­ж­дён­ных мо­ле­кул, ко­ли­че­ст­во ас­со­циа­тов или др. эле­мен­тов струк­ту­ры жид­ко­сти). При ло­каль­ных из­ме­не­ни­ях дав­ле­ния $p$ и темп-ры $T$, имею­щих ме­сто в аку­стич. вол­не, ини­ции­ру­ет­ся боль­шин­ст­во воз­мож­ных в дан­ном ве­ще­ст­ве мо­ле­ку­ляр­ных пре­вра­ще­ний. При этом рав­но­вес­ное зна­че­ние па­ра­мет­ра $ξ$ (со­от­вет­ст­вую­щее дан­ным $p$ и $T$) дос­ти­га­ет­ся не мгно­вен­но, а с не­ко­то­рым за­пa­здыва­ни­ем, по­это­му про­ис­хо­дит про­цесс са­мо­про­из­воль­но­го из­ме­не­ния па­ра­мет­ра $ξ$ по на­прав­ле­нию к рав­но­вес­но­му зна­че­нию (ре­лак­са­ция), ко­то­рый яв­ля­ет­ся не­об­ра­ти­мым и со­про­во­ж­да­ет­ся пре­вра­ще­ни­ем энер­гии аку­стич. ко­ле­ба­ний в энер­гию те­п­ло­во­го дви­же­ния, т. е. по­гло­ще­ни­ем зву­ка, а так­же дис­пер­си­ей зву­ка. За­ви­си­мость про­из­ве­де­ния ко­эф. по­гло­ще­ния на дли­ну вол­ны от цик­лич. час­то­ты $ω$ име­ет мак­си­мум при зна­че­нии $ω=1/τ$, где $τ$ – вре­мя ре­лак­са­ции. Этой же час­то­те со­от­вет­ст­ву­ет макс. на­клон час­тот­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти зву­ка. Из­ме­ре­ние ско­ро­сти и по­гло­ще­ния зву­ка в за­ви­си­мо­сти от час­то­ты при разл. внеш­них ус­ло­ви­ях (темп-ра, дав­ле­ние, внеш­ние по­ля и т. д.) по­зво­ля­ет су­дить о при­ро­де ре­лак­са­ци­он­ных про­цес­сов, оп­ре­де­лить их ки­не­тич. и рав­но­вес­ные па­ра­мет­ры.

Ме­то­ды М. а. ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся при ис­сле­до­ва­ни­ях фа­зо­вых пе­ре­хо­дов 2-го ро­да и кри­тич. яв­ле­ний, про­цес­сов воз­бу­ж­де­ния внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ных ко­ле­ба­ний, ус­та­нов­ле­ния рав­но­ве­сия при хи­мич. ре­ак­ци­ях, пе­ре­хо­дов ме­ж­ду изо­ме­ра­ми, пе­ре­строй­ки мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­ры жид­ко­стей и аморф­ных тел, в т. ч. силь­но­вяз­ких жид­ко­стей, по­ли­ме­ров и стё­кол. Ис­сле­до­ва­ния по­гло­ще­ния зву­ка в твёр­дых те­лах да­ют, в ча­ст­но­сти, ин­фор­ма­цию о по­ве­де­нии элек­тро­нов и об осо­бен­но­стях элек­трон-фо­нон­но­го взаи­мо­дей­ст­вия.

Из­ме­ре­ния ско­ро­сти зву­ка мо­гут про­из­во­дить­ся с по­греш­но­стью 10^–4–10^–6, что по­зво­ля­ет с го­раз­до боль­шей точ­ностью, чем в др. ме­то­дах, из­ме­рять ком­по­нен­ты тен­зо­ра мо­ду­лей уп­ру­го­сти кри­стал­лов, а так­же оце­ни­вать темп-ру Де­бая. Ис­сле­до­ва­ния тем­пе­ра­тур­ной за­ви­си­мо­сти ско­ро­сти зву­ка да­ют ин­фор­ма­цию о ха­рак­те­ре аг­ре­гат­ных и струк­тур­ных фа­зо­вых пе­ре­хо­дов.

Для ис­сле­до­ва­ний в М. а. обыч­но ис­поль­зу­ют ульт­ра­зву­ко­вые и ги­пер­зву­ко­вые вол­ны: в диа­па­зо­не час­тот от 10⁴ до 10¹⁰ Гц при­ме­ня­ют аку­стич. ме­то­ды из­ме­ре­ний, для час­тот до 10¹² Гц – оп­тич. ме­то­ды с ис­поль­зо­ва­ни­ем Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна рас­сея­ния све­та и рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния.